頁巖氣藏多段壓裂水平井產(chǎn)氣貢獻(xiàn)度的確定方法

王鳳偉

?

頁巖氣藏多段壓裂水平井產(chǎn)氣貢獻(xiàn)度的確定方法

王鳳偉

（長江大學(xué)， 湖北 武漢 430000）

頁巖氣因為儲量豐厚、開采前景很大而在當(dāng)今的世界能源中舉足輕重。長期以來，頁巖氣產(chǎn)能的理論研究是隨著頁巖氣的生產(chǎn)實踐而不斷發(fā)展、深入的。通過積極查找相關(guān)資料多方對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣剖面測試法可以認(rèn)識水平井流態(tài)分布規(guī)律；求取分層產(chǎn)量，優(yōu)選穿層；優(yōu)化分段壓裂參數(shù)；優(yōu)化井身軌跡；指導(dǎo)生產(chǎn)。本文研究多因素對多段壓裂水平井每段的產(chǎn)量貢獻(xiàn)度影響，最后構(gòu)建出在考慮靜態(tài)因素與工程因素的經(jīng)驗擬合曲線圖版，能夠使現(xiàn)場工程師直接做出預(yù)判。

頁巖氣藏；多段壓裂水平井；擬合曲線圖版

1 目的和意義

頁巖氣指的是主體位于暗色泥頁巖或者高碳泥頁巖中, 以吸附或游離狀態(tài)為主要賦存方式的天然氣聚集。研究發(fā)現(xiàn)，勘探開發(fā)前景巨大，將成為重要的接替能源之一，對于緩解能源危機、改善能源結(jié)構(gòu)具有重要的意義。 為了合理高效經(jīng)濟地開發(fā)頁巖氣藏，必須研究頁巖氣的產(chǎn)能。開采頁巖氣必須采取一些增產(chǎn)措施及特別的完鉆方法，水平井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開發(fā)中的兩項最關(guān)鍵的技術(shù)，這兩項技術(shù)的應(yīng)用不但可以極大地提高頁巖氣的開采速率，還可以提高單井最終采收率[1]。

通過積極查找相關(guān)資料多方對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣剖面測試法可以認(rèn)識水平井流態(tài)分布規(guī)律；求取分層產(chǎn)量，優(yōu)選穿層；優(yōu)化分段壓裂參數(shù)；優(yōu)化井身軌跡；指導(dǎo)生產(chǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用對頁巖氣水平井的軌道優(yōu)化、分段壓裂參數(shù)優(yōu)化及生產(chǎn)管理提供了技術(shù)依據(jù)，在此方法的基礎(chǔ)上，利用大量數(shù)據(jù)獲得的經(jīng)驗方程，使現(xiàn)場工程師直接做出預(yù)判[2]。

2 頁巖氣藏多段壓裂水平井影響因素分析

2.1 數(shù)值模擬準(zhǔn)備

基于對該地區(qū)油藏描述及氣藏工程研究的基礎(chǔ)上，建立能較真實反映已選頁巖區(qū)塊的地質(zhì)模型，依據(jù)前述氣藏工程的分析，針對已選頁巖區(qū)塊的氣藏，進行數(shù)值模擬研究工作，為氣藏的開發(fā)可行性提供參考依據(jù)。

2.1.1 模型的建立

（1）數(shù)值模擬采用CMG軟件GEM（組分模擬器），由于頁巖節(jié)理和裂縫發(fā)育，所以采用雙孔雙滲模型對區(qū)塊進行動態(tài)模擬和預(yù)測研究，并以此進行相關(guān)的開發(fā)技術(shù)和方案研究，為高效開發(fā)本區(qū)塊提供科學(xué)依據(jù)。埋深3 000 m，孔隙度0.03，網(wǎng)格厚度為27 m(所有層），裂縫孔隙度為0.000 1，儲層有效厚度為8 m，原始地層壓力為27 MPa,含氣飽和度為0.59，數(shù)值計算網(wǎng)格25×25×3，模型總儲量為3.54×105m3,裂縫導(dǎo)流能力為0.001 md·m，模型3D圖如下：

本次模擬區(qū)域采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)建立H維地質(zhì)模型，平面網(wǎng)格劃分為25×25，網(wǎng)格步長為80×80?？v向網(wǎng)格劃分為3層。網(wǎng)格總數(shù)為25×25×3=1 875。

圖1 數(shù)值模擬中三維網(wǎng)格分布

2.1.2 巖石及流體的物性參數(shù)

（1）氣水相滲曲線

相滲數(shù)據(jù)來之CMG期刊第二十九典型頁巖氣藏模擬數(shù)據(jù)，只是按照區(qū)塊的實際含水飽和度改變了束縛水飽和度，曲線如圖2。

圖2 相對滲透率數(shù)據(jù)

（2）巖石壓縮系數(shù)

相滲數(shù)據(jù)來自CMG期刊第二十九頁巖氣模擬數(shù)據(jù)。

表1 CMG期刊相滲數(shù)據(jù)

（3）吸附量數(shù)據(jù)

頁巖氣很大一部分以吸附態(tài)賦存與孔隙中，所以吸附參數(shù)的設(shè)置對頁巖氣數(shù)模的至關(guān)重要。由于等溫吸附曲線測得的是吸附能力，表示對應(yīng)溫度和壓力下的最大吸附量，并不能代表儲層的吸附量，故用實測吸附豐度換算得到對應(yīng)壓力下的吸附數(shù)據(jù)。

表2 對應(yīng)壓力下的吸附數(shù)據(jù)

2.2 多段壓裂水平井影響因素分析

2.2.1 考慮和不考慮微裂縫影響時產(chǎn)能對比

在建立起模型的基礎(chǔ)上，利用產(chǎn)能計算方法在不考慮微裂縫影響時和考慮微裂縫影響時的產(chǎn)能水平井產(chǎn)能進行分析。結(jié)果如圖3。

從圖中可以看出，在不考慮天然裂縫情況下，產(chǎn)量是保持穩(wěn)定不變，產(chǎn)量幾乎為0；而對于考慮天然裂縫影響下，產(chǎn)量早期遞減很快，到后期遞減速度放慢。這說明在頁巖氣藏中，由于基巖的滲透率太低，已經(jīng)到納達(dá)西級，當(dāng)儲集層天然裂縫不發(fā)育或發(fā)育很少時，即使經(jīng)過了水平井壓裂改造，產(chǎn)能仍然很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)開采要求，所以只有天然微裂縫發(fā)育較好的地層即所謂“甜點”才具有商業(yè)開采價值。

圖3 考慮和不考慮天然微裂縫影響日產(chǎn)量對比曲線

2.2.2 考慮和不考慮解吸吸附時產(chǎn)量比較

從圖中可以看出從圖4可以看出，生產(chǎn)初期由于主要是天然裂縫和人工裂縫內(nèi)游離氣的流動，考慮吸附解吸與不考慮吸附解吸產(chǎn)能相同，發(fā)生竄流后考慮吸附解吸時產(chǎn)量更大，由于解吸氣補充了一定的地層能量，地層壓力下降比較慢，產(chǎn)量隨時間遞減也更緩慢，穩(wěn)產(chǎn)時間更長，因此頁巖氣藏產(chǎn)能評價過程中必須考慮吸附解吸的影響。

圖4 考慮吸附氣解吸附作用的累計產(chǎn)量圖

2.2.3 水平段長度對產(chǎn)能的影響分析

水平井長度是水平井的關(guān)鍵參數(shù)。在當(dāng)前水平井的鉆井投資相對比較固定的的情況下，對于面積大、連通性好的砂體，水平段長度的增加使得泄氣體積增大，產(chǎn)量也隨之而增加，從這個方面講，水平井長度越長越好。但是研究表明，水平段長度對產(chǎn)量的影響并不是線性的，而是增幅逐漸變小，水平段長度增大到某種程度時，產(chǎn)量幾乎不增加，采收率幾乎沒有再隨水平段長度的變化而變化。

共設(shè)計水平段長度分別為800 m、1 000 m、1200 m、1 400 m的4組模擬方案，以研究不同水平段長度對氣井開采效果的影響。

圖5 水平段長度對產(chǎn)量的影響

從圖中可以看出，隨著水平段長度的增大，水平井產(chǎn)量逐漸增大，但增長幅度趨于平緩。當(dāng)水平井段長度超過1 400 m，增產(chǎn)趨勢逐漸平緩，說明水平井段的最佳范圍在1 400 m左右。水平段長度由800 m增加到1 800 m，累積產(chǎn)氣量由1.43×108m3增加到2.12×108m3，水平段長度為800 m的水平井的穩(wěn)產(chǎn)期為1年，穩(wěn)產(chǎn)期隨水平段長度增加而延長，但延長的趨勢逐漸減弱。當(dāng)水平井段長度大于1 400 m以后，水平井的穩(wěn)產(chǎn)年限增幅減小。說明水平段長度如果設(shè)計的很短，會達(dá)不到產(chǎn)能建設(shè)及穩(wěn)產(chǎn)期的要求，但如果水平井段長度設(shè)計的太長，在經(jīng)濟上又不合理。因此應(yīng)該在保證產(chǎn)能、穩(wěn)產(chǎn)時間以及經(jīng)濟費用的基礎(chǔ)上設(shè)計水平段長度。

2.2.4 裂縫長度對產(chǎn)能的影響

裂縫半長是一個會嚴(yán)重影響壓裂水平井生產(chǎn)動態(tài)的因素，各條裂縫的半長因地應(yīng)力的分布等不同或許不一樣。對于低滲氣藏來說，產(chǎn)量隨縫長增加而增加，但增幅逐漸變緩，使相鄰砂體連通的能力變?nèi)?，?dāng)垂直方向上縫高大于儲層厚度、平面上縫的鋪展大于砂體寬度時，裂縫將沒有作用。隨著裂縫半長的增加，壓裂施工的難度及成本都會隨之增加，半長的確定應(yīng)綜合考慮各種因素，達(dá)到最好的效益對，某一特定的地層應(yīng)有一個合理值。結(jié)合特定的儲層條件，可以用數(shù)值模擬方法優(yōu)化裂縫長度。

模擬方案設(shè)計為裂縫半長分別為50 m、100 m、120 m、150 m一共4組，來探討裂縫長度對氣井開采效果的影響。

圖6 裂縫半長對產(chǎn)量的影響

模擬結(jié)果顯示，形成的裂縫長度越大相應(yīng)的泄氣面積越大，且滲流阻力小，水平井段縫長的增加會增加產(chǎn)能，但并不代表可以無限增加縫長便會改善開采效果，而且因為壓裂改造能力有限，累積產(chǎn)量增加幅度有限。由數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，裂縫長度增加至100 m之后，預(yù)期通過增加裂縫規(guī)模來實現(xiàn)增產(chǎn)的幅度減小。因此選取水平段裂縫最佳半長為100 m。

2.2.5 裂縫條數(shù)對產(chǎn)能的影響

合理的裂縫間距不僅要顧及有較高的儲量動用程度，還要確保氣井有較高的產(chǎn)能。如果裂縫間距太大，會導(dǎo)致縫間部分儲量無法開采出來；而如果間距太小，縫間會出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。在壓裂投產(chǎn)初期，隨著裂縫條數(shù)的增多，氣井的日產(chǎn)量越大，然而隨生產(chǎn)時間的延長，裂縫條數(shù)不同的氣井產(chǎn)量間的差別愈來愈小。

模擬方案設(shè)計為裂縫條數(shù)為2、3、4、5共4組模擬方案，比較各方案累產(chǎn)氣量隨裂縫條數(shù)的增加而發(fā)生的變化，從而選出合理的裂縫條數(shù)。

圖7 不同裂縫條數(shù)效果圖

2.2.6 裂縫導(dǎo)流能力對產(chǎn)能的影響

裂縫導(dǎo)流能力極大地影響著壓裂水平井的產(chǎn)能，當(dāng)其他參數(shù)確定時，裂縫導(dǎo)流能力有一個合理值。有研究顯示，隨著裂縫導(dǎo)流能力的增強，水平井產(chǎn)量會提高，但是提高的幅度逐漸變小。

圖8 裂縫條數(shù)對產(chǎn)量的影響

設(shè)計裂縫導(dǎo)流能力分別為10、20、30、40 mD·m共4個模擬方案，比較各方案累積產(chǎn)氣量隨裂縫導(dǎo)流能力的增加而發(fā)生的變化，選出合理的裂縫導(dǎo)流能力。

圖9 不同裂縫導(dǎo)流能力對開采指標(biāo)的影響

圖10 不同裂縫導(dǎo)流能力對產(chǎn)量的影響

從圖中可以看出，累產(chǎn)氣量隨裂縫導(dǎo)流能力的增加而增大，但由于壓裂改造效果有限，累產(chǎn)氣量增幅不會一直居高。

2.2.7 多因素對產(chǎn)能影響分析

基于上述單因素分析，其中包括水平段長度、裂縫長度、裂縫條數(shù)、裂縫導(dǎo)流能力以及天然裂縫滲透率（設(shè)計四組分別是：0.5、1.0、1.5、2.0 mD）為主因素，采用正交設(shè)計方法進行設(shè)計，方案詳細(xì)列表及模擬結(jié)果分析如下表所示。

根據(jù)以上的五種因素，列出了正交表有16種方案，再利用CMG軟件模擬出了每種方案的結(jié)果（選取的是第15年的年產(chǎn)氣量與15年的累計產(chǎn)氣量的比值作為標(biāo)準(zhǔn)），以下圖是我模擬出結(jié)果圖像以及結(jié)果。

圖11 分別是5條和4條人工裂縫

表3 正交設(shè)計分析

表4 方差分析表

進行對上述表格的分析，F(xiàn)比值越大并且越接近F臨界值，就說明該因素起到主導(dǎo)的作用，所以在五種因素中裂縫條數(shù)是主要因素，排序如下：裂縫導(dǎo)流能力、裂縫條數(shù)、裂縫長度、天然裂縫滲透率、水平段長度。

圖12 分別是3條和2條人工裂縫

圖13 裂縫條數(shù)為5以及水平段長度為1400米的日產(chǎn)氣圖

3 結(jié)論

頁巖氣井產(chǎn)能影響因素可從靜態(tài)和動態(tài)因素兩大類來分析。動態(tài)因素包括水平段長度、裂縫條數(shù)、裂縫長度、裂縫導(dǎo)流能力、以及天然裂縫滲透率。靜態(tài)因素包括絕對滲透率、孔隙度、有效厚度以及甲烷含氣量。動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)直接影響著頁巖氣藏壓裂水平井的產(chǎn)能，優(yōu)選出動態(tài)因素的最佳方案，然后在CMG軟件中，用已建立的數(shù)模中改變靜態(tài)參數(shù)，找出靜態(tài)參數(shù)與產(chǎn)氣量的關(guān)系并且利用SPSS 軟件建立線性回歸方程，所建立出的經(jīng)驗方程使現(xiàn)場工程師做能夠出預(yù)測，且具有一定的實際意義。

［1］王建國, 徐能惠, 杜學(xué)斌. 頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 重型機械, 2014, 06: 31-35.

［2］鄒順良, 楊家祥, 胡中桂, 張寅, 倪方杰. FSI產(chǎn)出剖面測井技術(shù)在涪陵頁巖氣田的應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2016 (02): 209-213.

Determination method of Gas Production Contribution of Multistage Fractured Horizontal Well in Shale Gas Reservoir

（Yangtze University, Hubei Wuhan 430000, China）

Shale gas occupies a significant part in the world of energy because of its rich reserves and great exploitation and development potential. Besides, along with long-term development, the theoretical research on the productivity of shale gas is deepened continuously．It is found that the gas flow profile test method can know the distribution law of horizontal well flow, find the stratified yield, optimize the fracturing parameters, optimize the well trajectory, and guide the production. In this paper, the influence of some factors on the yield contribution of each stage of fractured horizontal well was studied. Finally empirical fitting curvechart was constructed through considering static factors and engineering factors.

shale gas reservoir; multiple fractured horizontal wells; fitting curve chart

TE 357

A

1004-0935（2017）10-0989-05

2017-08-29

王鳳偉（1989-），女，山東菏澤人，長江大學(xué)石油工程在讀研究生，研究方向: 石油與天然氣開發(fā)。