致密氣儲(chǔ)層清水壓裂液侵入帶動(dòng)態(tài)分布及其對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律*

王 飛 張士誠

(中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249)

王飛，張士誠.致密氣儲(chǔ)層清水壓裂液侵入帶動(dòng)態(tài)分布及其對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：93-97.

隨著北美非常規(guī)氣藏大規(guī)模壓裂改造的成功，清水壓裂技術(shù)得到了推廣應(yīng)用［1-3］。與常規(guī)膠聯(lián)壓裂液相比，清水壓裂液具有費(fèi)用少、壓裂后容易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫、儲(chǔ)層傷害程度低等優(yōu)勢，非常適用于致密氣儲(chǔ)層［4-5］。然而，與常規(guī)儲(chǔ)層水力壓裂不同的是，致密氣儲(chǔ)層水力壓裂施工后液體的返排率極低，現(xiàn)場實(shí)例統(tǒng)計(jì)返排率僅為30% ～50%［6-7］，這說明仍有大量的水滯留壓裂形成的裂縫中。Bennion等［8］研究表明，壓裂施工過程中液體通過具有滲透性的水力裂縫或者天然裂縫濾失到地層，在井筒附近及裂縫壁面周圍形成一個(gè)高含水飽和度區(qū)(稱為侵入帶)。由于致密氣儲(chǔ)層基質(zhì)主要由平均孔徑小于1μm的微孔隙構(gòu)成，水相汽化加入氣相后將使其原始含水飽和度(Sw，i)比殘余水飽和度(Sw，irr)要低很多［9-10］。這種次常態(tài)飽和度及微孔隙導(dǎo)致毛細(xì)管力的吸入能力大增，從而產(chǎn)生“水鎖”或“液相圈閉”現(xiàn)象，這是壓裂液滯留于地層不能完全返排出來的主要原因［11-12］。目前，關(guān)于壓裂液侵入帶的研究往往通過物理模擬，很少在數(shù)值模擬方面進(jìn)行探索。同時(shí)，現(xiàn)場在進(jìn)行致密氣壓裂井產(chǎn)能預(yù)測工作時(shí)也通常忽略掉滯留壓裂液的影響，這將導(dǎo)致壓裂產(chǎn)能評(píng)估和預(yù)測的不準(zhǔn)確。因此，為了更好地了解致密氣儲(chǔ)層清水壓裂侵入帶動(dòng)態(tài)分布及其對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律，筆者建立了致密氣藏氣水兩相壓裂水平井?dāng)?shù)值模型，模擬了壓裂液泵注、返排、關(guān)井恢復(fù)及生產(chǎn)初期過程中填砂裂縫與裂縫壁面連接的侵入帶基質(zhì)內(nèi)部的氣液兩相流動(dòng)，并分析了不同施工制度下的侵入帶含水動(dòng)態(tài)變化及對(duì)壓裂井產(chǎn)能的影響規(guī)律，以期為制定壓裂施工設(shè)計(jì)和指導(dǎo)壓裂施工后產(chǎn)能評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

利用Eclipse軟件建立了1口多段水力壓裂的水平井?dāng)?shù)值模型，水平井位于矩形邊界氣藏的中央，水力裂縫由水平井筒的射孔簇產(chǎn)生。假定射孔簇為等間距，每條填砂裂縫具有相同的屬性，如半長Lf、縫寬wf、縫高h(yuǎn)f和導(dǎo)流能力Fc。水力裂縫周圍區(qū)域用以模擬壓裂液侵入帶，侵入帶的模擬采用局部網(wǎng)格加密技術(shù)，設(shè)置裂縫周圍沿x、y、z軸方向上的網(wǎng)格尺寸分別為0.06、0.30和0.30m，模型參數(shù)詳見表1。儲(chǔ)層基質(zhì)的毛細(xì)管力由Gdanski經(jīng)驗(yàn)公式［13］設(shè)置，裂縫的毛細(xì)管力近似為零；基質(zhì)和裂縫中的氣水相對(duì)滲透率曲線根據(jù)典型的致密氣儲(chǔ)層相滲數(shù)據(jù)設(shè)置［14］。

表1 致密氣儲(chǔ)層壓裂水平井?dāng)?shù)值參數(shù)取值Table 1 Numerical parameters of tight gas reservoirs fractured horizontalwell

2 模擬結(jié)果分析

2.1 侵入帶壓裂液的分布規(guī)律

壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束時(shí)的侵入帶含水飽和度模擬結(jié)果如圖1所示，可以看出：向水平井筒連續(xù)泵注1 h后形成的侵入帶中的含水飽和度均超過原始含水飽和度并達(dá)到高值(圖1a)：泵注后即刻開井返排壓裂液300 h(返排率達(dá)到38%，返排期間產(chǎn)氣量為16.6萬m3)，返排過程中侵入帶的含水飽和度下降，但侵入深度(rs)依然上升(圖1b)；關(guān)井期間(關(guān)井壓力恢復(fù)67 h)侵入深度保持不變，說明壓裂液侵入停止，同時(shí)侵入帶內(nèi)部含水開始呈現(xiàn)均勻分布的趨勢(圖1c)；開井投產(chǎn)后侵入帶含水飽和度降低至殘余水飽和度(Sw，irr=0.213)而不再降低，但仍然高于原始含水飽和度(Sw，i=0.200)，如圖1d所示。

圖1 壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束時(shí)的侵入帶模擬結(jié)果Fig.1 Invasion zone simulation results during fracturing fluid pum ping，flowback，shut-in and production

壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束等過程的裂縫和侵入帶含水飽和度變化如圖2所示。在泵注過程中，侵入帶及填砂裂縫內(nèi)部各個(gè)位置的含水飽和度均由0.200達(dá)到高值；裂縫根部由于與井筒直接相連，其含水飽和度最高達(dá)到1，且距離裂縫根部越近的侵入帶含水值越高。在返排過程中，裂縫根部及近裂縫根部的侵入帶由于排水而導(dǎo)致含水飽和度大幅下降，而距離裂縫較遠(yuǎn)處的侵入帶含水則沒有下降(甚至有微小的上升)，這說明氣井在返排過程中侵入帶內(nèi)部排水和繼續(xù)侵入同時(shí)進(jìn)行著。在關(guān)井過程中，裂縫和距離裂縫較遠(yuǎn)處的侵入帶含水均由返排結(jié)束時(shí)刻的低值有所上升，而裂縫附近位置的侵入帶含水值由返排結(jié)束時(shí)刻的較高值有所下降，因此裂縫和侵入帶內(nèi)部含水在關(guān)井過程呈現(xiàn)出均勻分布的趨勢。在生產(chǎn)結(jié)束過程中，侵入帶及裂縫內(nèi)部各個(gè)位置的含水飽和度均以不同速度下降，最終降低到0.213，實(shí)現(xiàn)了裂縫和侵入帶內(nèi)部含水的均勻分布。

圖2 壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束等過程的裂縫和侵入帶含水飽和度變化Fig.2 W ater saturation changes w ithin cracks and invasion zone during fracturing fluid pumping，flow back，shut-in and p roduction

壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束等過程的侵入深度變化如圖3所示，可以看出：除了關(guān)井期間壓裂液侵入深度不變，其余3個(gè)過程中的侵入深度均呈上升趨勢，其中泵注過程中的侵入深度升高了0.24m、歷時(shí)1 h、侵入速度 0.24 m/h；生產(chǎn)結(jié)束過程中的侵入深度由0.36m升高到0.72m、歷時(shí)452 d、侵入速度3.32×10-5m/h。

壓裂水平井的產(chǎn)水和產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)曲線如圖4所示，可以看出：該井產(chǎn)水量下降很快，返排初始峰值為0.795 m3/d，生產(chǎn)時(shí)的峰值為0.366 m3/d，生產(chǎn)120 d后已經(jīng)降到7.95×10-3m3/d，生產(chǎn)452d后的累積產(chǎn)水量為3.66 m3，連同壓裂液返排出的水共實(shí)現(xiàn)74.6%的返排率；生產(chǎn)時(shí)的初始產(chǎn)氣峰值為1.98萬m3/d，隨后產(chǎn)氣量快速遞減，452 d后累積產(chǎn)氣量達(dá)到56.85萬m3；如果不考慮壓裂液侵入帶的影響，生產(chǎn)階段產(chǎn)水量幾乎為零，而產(chǎn)氣量的初始峰值則達(dá)到3.496萬m3/d(約為侵入帶影響下產(chǎn)氣量峰值的1.7倍)，累積產(chǎn)氣量更高。因此，在進(jìn)行壓裂井產(chǎn)能預(yù)測時(shí)應(yīng)充分考慮壓裂液侵入帶的影響。

圖3 壓裂液在泵注、返排、關(guān)井及生產(chǎn)結(jié)束等過程的侵入深度變化Fig.3 Invaded depth changes during fracturing fluid pumping，flowback，shut-in and production

2.2 侵入帶含水飽和度對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能的影響

壓裂水平井不關(guān)井投產(chǎn)、關(guān)井33 d投產(chǎn)、關(guān)井63 d投產(chǎn)等條件下侵入帶含水飽和度不均勻分布、較均勻分布和均勻分布時(shí)的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量曲線如圖5所示。由圖5可以得出，關(guān)井時(shí)間越長、侵入帶含水飽和度分布越均勻，投產(chǎn)后初始產(chǎn)水量越少、初始產(chǎn)氣量越多。因此，為獲得較高的天然氣初產(chǎn)值，應(yīng)盡量延長關(guān)井時(shí)間。

2.3 侵入深度對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能的影響

壓裂液侵入深度分別為0.28、0.36和0.48 m時(shí)壓裂水平井產(chǎn)水和產(chǎn)氣曲線如圖6所示。由圖6可以得出，壓裂液侵入深度越深，投產(chǎn)后初始產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量越低，但生產(chǎn)160 d后不同侵入深度的壓裂水平井的產(chǎn)水量幾乎一樣，生產(chǎn)300 d后的產(chǎn)氣量也一樣。由此可見，壓裂液侵入深度對(duì)初產(chǎn)影響明顯，對(duì)后期生產(chǎn)影響不明顯。

圖4 壓裂水平井產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量曲線Fig.4 W ater and gas production curves of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

圖5 壓裂水平井侵入帶含水飽和度分布不同時(shí)的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量曲線Fig.5 W ater and gas production curvesw ith different water saturation distribution in the invasion zone of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

圖6 壓裂液不同侵入深度時(shí)水平井的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量曲線Fig.6 W ater and gas production curves w ith different invaded depths of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

3 結(jié)論

1)通過建立數(shù)值模型模擬致密氣儲(chǔ)層壓裂水平井在壓裂液泵注、返排、關(guān)井恢復(fù)與生產(chǎn)結(jié)束過程中侵入帶壓裂液在儲(chǔ)層基質(zhì)和填砂裂縫中的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)：在泵注過程中，侵入深度上升，侵入帶及填砂裂縫內(nèi)部各個(gè)位置的含水飽和度均有升高，其中裂縫根部含水飽和度最高達(dá)到1，距離裂縫根部越近的侵入帶含水飽和度越高；在返排過程中，侵入帶內(nèi)部排水和繼續(xù)侵入同時(shí)進(jìn)行，裂縫根部及近裂縫根部的侵入帶含水飽和度大幅下降，而距離裂縫較遠(yuǎn)處的侵入帶含水則沒有下降(甚至有微小的上升)；在關(guān)井過程中，侵入深度沒有變化，裂縫和侵入帶內(nèi)部含水呈現(xiàn)出均勻分布的趨勢；在最后的生產(chǎn)結(jié)束過程中，侵入帶及裂縫內(nèi)部各個(gè)位置的含水飽和度均以不同速度下降，最終降低到值為0.213的殘余水飽和度，實(shí)現(xiàn)了裂縫和侵入帶內(nèi)部含水的均勻分布。

2)通過對(duì)比模擬有無壓裂液侵入帶影響下的產(chǎn)水和產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)曲線，發(fā)現(xiàn)若不含壓裂液侵入帶的影響，壓裂井在生產(chǎn)階段的產(chǎn)水量幾乎為零，遠(yuǎn)低于正常含侵入帶影響下的產(chǎn)水量，而產(chǎn)氣量的初始峰值則會(huì)達(dá)到含侵入帶影響下產(chǎn)氣量峰值的1.7倍，累積產(chǎn)氣量遠(yuǎn)高于真實(shí)值。由此可見，在進(jìn)行壓裂井產(chǎn)能預(yù)測工作時(shí)應(yīng)充分考慮壓裂液侵入帶因素所帶來的影響。

3)通過對(duì)比模擬不同侵入帶含水飽和度分布和不同侵入深度影響下的產(chǎn)水和產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)曲線，發(fā)現(xiàn)壓裂井關(guān)井時(shí)間越長，侵入帶含水飽和度分布越均勻，投產(chǎn)后初始產(chǎn)水量越少、初始產(chǎn)氣量越多。其中，模擬關(guān)井時(shí)間最長為63 d的井壓后初產(chǎn)氣量最高，可達(dá)3.962萬m3/d；壓裂井返排時(shí)間越長，侵入深度越深，投產(chǎn)后初始產(chǎn)水和產(chǎn)氣量越低。其中，模擬返排時(shí)間最長為400 h的井壓后初產(chǎn)氣量最低，僅為0.849萬m3/d。

4)壓裂液侵入帶含水飽和度和侵入深度兩個(gè)因素均對(duì)壓裂井初產(chǎn)影響明顯，對(duì)后期生產(chǎn)影響則不明顯。因此，在投產(chǎn)前應(yīng)制定合理的返排制度和關(guān)井制度，以優(yōu)化施工時(shí)間，提高返排效率，獲得較高的天然氣產(chǎn)量。關(guān)鍵技術(shù)措施及其實(shí)施效果［J］.中國海上油氣，2014，26(1)：78-81.Yue Jianghe，Xiao Qiaogang.Key horizontal drilling technology and operation effect for Texas Eagle Ford shale oil and gas in US［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26(1)：78-81.

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