臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩層合采效果試驗(yàn)探究

馮 毅，孟尚志，魏攀峰，段長江，吳金寶

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.中聯(lián)煤層氣責(zé)任有限公司，北京 100011；3.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩層合采效果試驗(yàn)探究

馮 毅1，孟尚志2，魏攀峰3，段長江1，吳金寶1

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.中聯(lián)煤層氣責(zé)任有限公司，北京 100011；3.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

通過頁巖氣儲層吸附氣效應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)定量評價臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩層合采氣體產(chǎn)能，試驗(yàn)以石盒子組砂巖與太原組頁巖為目標(biāo)，利用直徑為25 mm的巖心柱塞，根據(jù)現(xiàn)場試井資料，確定柱塞溫度為48～50℃、柱塞出口壓力為1.8～2.9 MPa。以定容高壓空氣由15.0 MPa自然衰減至14.5 MPa模擬地層遠(yuǎn)端能量變化，甲烷恒壓5 MPa飽和頁巖柱塞36 h。試驗(yàn)測定砂巖與頁巖分層單采氣體流速均值分別為218.70～1592.53 mL/min、219.67～649.60 mL/min，兩層合采氣體流速均值分別為211.80～1584.60 mL/min、211.47～618.94 mL/min。7套合采試驗(yàn)砂巖與頁巖單層干擾系數(shù)分別為0.22%～6.94%、0.33%～15.82%，合采整體干擾系數(shù)為0.27%～6.77%。結(jié)果表明，臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩層合采地層物性及地層壓力差異導(dǎo)致層間干擾，現(xiàn)場以控制井口壓力及地層滲透率差值最低指導(dǎo)合采工藝參數(shù)優(yōu)化和地層組合優(yōu)選。

砂巖氣；頁巖氣；兩層合采；地層壓力；模擬試驗(yàn)；層間干擾

近年來，針對鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)砂巖氣與頁巖氣資源的勘探結(jié)果表明，臨興地區(qū)兩種天然氣資源豐富。砂巖氣以下石盒子組和太原組為主要有利產(chǎn)層。其中，下石盒子組垂直方向10段砂巖層總厚度為81.59 m，太原組垂直方向6段砂巖層總厚度為50.43 m。前期試氣日產(chǎn)量最高達(dá)10×104m3[1]。頁巖氣以上古生代發(fā)育太原組和山西組兩套地層為主。其中，山西組泥頁巖總有機(jī)碳含量TOC均值為3.91%，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為1.28～1.60；太原組總有機(jī)碳含量均值為13.94%，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為0.93～1.78[2]，接近北美高產(chǎn)頁巖氣資源區(qū)地層特征[3]。兩種儲層雙層合采適合區(qū)域垂直方向多個氣層分布特點(diǎn)，有利于提高單井產(chǎn)量、降低開發(fā)成本。

針對天然氣儲層多層合采是否可行，不同學(xué)者利用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)方法取得了一些成果和認(rèn)識。熊燕莉等針對四川盆地灰?guī)r氣層運(yùn)用數(shù)值試井方法研究指出，當(dāng)合采氣層地質(zhì)條件差異不明顯時，合采20年相對分采累計(jì)產(chǎn)量降低2.51%[4]。王都偉等針對滲流性氣藏以時間為變量的多層氣藏節(jié)點(diǎn)分析指出，地層壓力、地層滲透率差異較小的地層合采僅發(fā)生小氣量倒灌[5]。向祖平等利用單井多層氣藏雙孔介質(zhì)模型評價低滲氣藏合采效果發(fā)現(xiàn)，地層壓力系數(shù)及滲透率誤差合理，合采層間干擾程度較低[6]。王淵建立低滲氣藏多層合采層間干擾系數(shù)計(jì)算方法，指出層間跨度、地層壓差合理的氣層多層合采可行[7]。顧岱鴻等利用數(shù)學(xué)模型研究以靖邊氣田為代表的低滲砂巖多層合采效果指出，不同滲透率地層產(chǎn)能貢獻(xiàn)時段不同[8]。徐軒等利用數(shù)值模擬方法研究多個氣層合采指出，合采地層層間非均質(zhì)性以及地層壓力差異導(dǎo)致合采初期低壓氣層產(chǎn)能抑制，但隨著高壓氣層壓力逐漸衰減，低壓地層產(chǎn)能得到釋放[9]。與此同時，胡勇等[10]與朱華銀等[11]先后通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M不同壓力、滲透率砂巖氣層合采效果，研究指出，優(yōu)選地層壓力、滲透率接近氣層組合可降低層間干擾。

遺憾的是，大部分學(xué)者的研究成果更多是圍繞砂巖、灰?guī)r等滲流型氣層合采。頁巖氣儲層屬于原地生、原地儲氣藏[12]，儲層氣體在地層中移動需要經(jīng)過解吸、滲流過程進(jìn)入井筒[13]。隨著頁巖中氣體解吸程度升高，地層滲透率特征發(fā)生變化[14]?？梢?，忽略頁巖地層滲透率的動態(tài)變化，利用常規(guī)氣藏合采效果評價物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬評價臨興地區(qū)砂巖與頁巖合采結(jié)果存在偏頗。為此，建立考慮頁巖吸附氣體作用的兩層合采物理模擬方法，以臨興地區(qū)石盒子組砂巖與太原組頁巖為研究目標(biāo)，定量評價兩層合采氣體產(chǎn)能，為臨興地區(qū)砂巖與頁巖能否合采提供試驗(yàn)方法論證。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)利用實(shí)地鉆取巖心柱塞模擬臨興地區(qū)石盒子組砂巖與太原組頁巖，控制巖心柱塞溫度、壓力環(huán)境與實(shí)際地層接近。以高壓空氣模擬地層氣體介質(zhì)，結(jié)合定容衰減法模擬地層產(chǎn)能衰減過程，對比分層單采和兩層合采兩種模式下兩種地層氣體的產(chǎn)量大小。

1.1 試驗(yàn)原理

利用直徑25 mm的巖心柱塞模擬實(shí)際砂巖和頁巖地層。參考現(xiàn)場已鉆井試采、測試資料控制巖心柱塞溫度為48～50℃。根據(jù)地層深度，以1.2 MPa/100 m計(jì)算柱塞圍壓。以試采井口油壓設(shè)定柱塞出口壓力為1.8～2.9 MPa。5 MPa下利用甲烷穩(wěn)定飽和頁巖柱塞36 h，模擬地層吸附氣狀態(tài)。定容高壓氣瓶(3L)充滿空氣至地層原始壓力，利用氣瓶壓力自然下降模擬地層能量衰減過程。以壓力由15.0 MPa衰減至14.5 MPa期間柱塞出口氣體平均流速表征地層產(chǎn)能。對比高壓氣瓶氣體壓力衰減0.5 MPa范圍內(nèi)，兩枚巖心柱塞各自獨(dú)立與出口并聯(lián)條件下的氣體平均流速，評價臨興地區(qū)砂巖與頁巖分層單采和兩層合采產(chǎn)能效果。室內(nèi)模擬試驗(yàn)使用北京力會瀾博能源技術(shù)有限公司研制的天然氣儲層多層合采產(chǎn)能模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 砂巖與頁巖兩層合采試驗(yàn)原理圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 頁巖吸附氣體效果影響滲透率評價試驗(yàn)

選擇試驗(yàn)用頁巖柱塞3枚，參考標(biāo)準(zhǔn)《巖心分析方法GB/T 27192—2012》[15]完成清洗、烘干及抽真空操作后放入巖心夾持器中。分別測量頁巖柱塞在5 MPa穩(wěn)定壓力下飽和甲烷0 h、12 h、24 h柱塞氣體滲透率的大小。

1.2.2 分層單采模擬試驗(yàn)

將試驗(yàn)用砂巖和頁巖柱塞參考標(biāo)準(zhǔn)《巖心分析方法GB/T 27192—2012》完成清洗、烘干及抽真空操作后放入巖心夾持器。參考現(xiàn)場試井及測試資料，控制柱塞溫度、圍壓及出口壓力。使用甲烷在5 MPa下連續(xù)飽和頁巖柱塞36 h。巖心夾持器入口接入高壓氣瓶，氣瓶充滿空氣至壓力為15 MPa。打開夾持器入口與高壓氣瓶連接閥門，記錄氣瓶壓力衰減0.5 MPa期間，砂巖與頁巖巖心柱塞出口氣體流速。

1.2.3 兩層合采模擬試驗(yàn)

完成砂巖與頁巖分層單采模擬試驗(yàn)后，控制兩枚柱塞溫度和圍壓不變，重復(fù)頁巖柱塞連續(xù)飽和甲烷36 h后，將兩個夾持器出口端并聯(lián)接入總管線，總管線出口壓力與單層試驗(yàn)柱塞出口壓力一致。記錄氣瓶壓力由15.0 MPa降至14.5 MPa期間，砂巖與頁巖柱塞出口氣體流速。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對比3枚頁巖柱塞飽和甲烷0～36 h內(nèi)柱塞空氣滲透率的變化，如圖2所示。

圖2 頁巖柱塞氣體滲透率隨飽和甲烷時間變化

圖2中，3枚頁巖柱塞飽和甲烷0～36 h，空氣滲透率分別從0.0683 mD、0.0301 mD、0.0275 mD降至0.0402 mD、0.0172 mD、0.0114 mD，降幅分別為41.14%、42.86%、58.55%。飽和36h后，頁巖滲透率基本穩(wěn)定。

選擇臨興地區(qū)石盒子組砂巖與太原組頁巖柱塞各7枚，開展室內(nèi)試驗(yàn)共7套。以第一套試驗(yàn)為例，分析分層單采模擬試驗(yàn)與兩層合采模擬試驗(yàn)柱塞出口氣體流速變化，如圖3所示。

圖3 砂巖與頁巖分層單采及兩層合采試驗(yàn)氣體流速變化

圖3中，分層單采試驗(yàn)砂巖與頁巖柱塞出口氣體平均流速分別為714.81 mL/min、243.48 mL/min。兩層合采試驗(yàn)砂巖與頁巖柱塞出口氣體平均流速分別為641.39 mL/min、215.17 mL/min，均低于分層單采試驗(yàn)效果。

7套試驗(yàn)中，分層單采試驗(yàn)砂巖與頁巖柱塞出口氣體平均流速范圍分別為218.70～1592.53 mL/min、219.67～649.60 mL/min；兩層合采試驗(yàn)砂巖與頁巖柱塞出口氣體平均流速范圍分別為211.80～1584.60 mL/min、211.47～618.94 mL/min，同樣低于分層單采試驗(yàn)。兩層合采試驗(yàn)中，砂巖與頁巖柱塞出口并聯(lián)20s內(nèi)，砂巖柱塞氣體流速由984.14 mL/min降至656.77 mL/min，衰減速率6.37 mL/min2；頁巖柱塞氣體流速由12.52 mL/min升至230.61 mL/min，上升速率為10.90 mL/min2，存在明顯瞬間氣體倒灌現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

對比砂巖與頁巖分層單采與兩層合采試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析臨興地區(qū)兩種儲層兩層合采效果。

定義砂巖與頁巖兩層合采的單層干擾系數(shù)Do，即入口壓力由15.0 MPa衰減至14.5 MPa的過程中，合采柱塞氣體平均流速相對分層單采氣體平均流速的降幅，如公式1。

(1)

式中Qd——分層單采試驗(yàn)柱塞出口氣體平均流速，mL/min；

Qs——兩層合采試驗(yàn)柱塞出口氣體平均流速，mL/min。

定義砂巖與頁巖兩層合采整體干擾系數(shù)Da，即入口壓力由15.0 MPa衰減至14.5 MPa的過程中，合采總管線氣體平均流速相對分層單采試驗(yàn)兩枚柱塞氣體平均流速之和的降幅，如公式2。

(2)

式中Qda——分層單采試驗(yàn)兩枚柱塞出口氣體平均流速之和，mL/min；

Qsa——兩層合采試驗(yàn)總管線氣體平均流速，mL/min。

對比7套砂巖與頁巖柱塞兩層合采試驗(yàn)的單層干擾系數(shù)及整體干擾系數(shù)的分布，如圖4所示。

圖4 砂巖與頁巖合采單層/整體干擾系數(shù)分布

圖4中，砂巖與頁巖柱塞單層干擾系數(shù)分別為0.22%～6.94%、0.33%～15.82%，兩層合采整體干擾系數(shù)范圍為0.27%～6.77%。

試驗(yàn)中柱塞出口壓力、頁巖/砂巖柱塞滲透率比值與兩層合采整體干擾系數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖5 兩層合采整體干擾系數(shù)隨出口壓力及頁巖/砂巖滲透率比值變化

圖5中，兩層合采柱塞出口壓力為1.80 MPa、頁巖/砂巖柱塞滲透率比值由0.32升至1.02時，兩層合采整體干擾系數(shù)由1.08%升至1.42%。出口壓力為2.50 MPa、頁巖/砂巖柱塞滲透率比值由0.30升至1.15時，兩層合采整體干擾系數(shù)由1.60%升至1.74%。出口壓力為3.90 MPa、頁巖/砂巖柱塞滲透率比值由0.46升至1.05時，兩層合采干擾系數(shù)由5.93%升至6.77%。這表明，柱塞出口壓力越大、頁巖/砂巖柱塞滲透率比值越高，兩合采整體干擾系數(shù)越高，且柱塞出口壓力影響程度高于滲透率比值。

室內(nèi)試驗(yàn)評價頁巖吸附氣體效果影響滲透率效果的結(jié)果表明，頁巖氣儲層不同于常規(guī)滲流性地層，地層滲透率隨氣體解吸程度升高而增大，室內(nèi)產(chǎn)能模擬試驗(yàn)利用甲烷連續(xù)飽和頁巖36 h，提高了試驗(yàn)?zāi)M開發(fā)的實(shí)際效果。在此基礎(chǔ)上，建立考慮頁巖氣儲層吸附氣效應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)定量評價臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩層合采試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種儲層兩層合采時，地層壓力、地層滲透率差異引發(fā)層間干擾，產(chǎn)能降幅小于7%。同時，兩個地層接入井筒處氣體壓力不同，高壓地層氣體快速倒灌進(jìn)入低壓地層，室內(nèi)試驗(yàn)持續(xù)時間小于20 s?，F(xiàn)場通過提高合采井口壓力、降低合采地層滲透率比值，緩解了合采層間干擾導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

4 結(jié)論與建議

(1)頁巖氣儲層采氣過程隨氣體解吸程度增加，地層滲透率增大。砂巖與頁巖兩層合采試驗(yàn)引入頁巖飽和甲烷操作，有利于提高試驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn)實(shí)際效果，方法可行。

(2)臨興地區(qū)砂巖與頁巖合采層間干擾機(jī)理與常規(guī)砂巖、灰?guī)r地層合采相似，即由合采地層氣體壓力及滲透率差異引發(fā)，但頁巖地層滲透率動態(tài)變化導(dǎo)致合采效果階段性變化。

(3)臨興地區(qū)砂巖與頁巖合采應(yīng)以降低井口壓力為指導(dǎo)優(yōu)化采氣工藝，以地層滲透率接近為指導(dǎo)優(yōu)選合采地層，以此降低層間干擾程度。

(4)臨興地區(qū)砂巖與頁巖兩個地層接入井筒處氣體壓力不同，氣流倒灌易引發(fā)地層水、殘留工作液互竄，擴(kuò)大儲層傷害程度，優(yōu)化工藝抑制倒灌是保障合采效果的關(guān)鍵。

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Experimental Study on the Effect of Two Layers Commingled Production of Sandstone Gas and Shale Gas in Linxing Area

Feng Yi1, Meng Shangzhi2, Wei Panfeng3, Duan Changjiang1, Wu Jinbao1

(1.EngineeringandTechnologyBranch,CNOOCEnergyTechnologyandServicesLimited,Tianjin300457,China； 2.ChinaUnitedCoalbedMethaneCo.,Ltd.,Beijing100011,China; 3.ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

To quantitatively evaluate the interlayer interference degree on commingled layer of sandstone gas and shale gas in Linxing area through experiments, take sandstone plugs with diameter of 25mm to emulate Shihezi sandstone formation and Taiyuan shale formation.On basis of well test data, the formation temperature is among 48℃ to 50℃, tubing pressure of pilot production is among 1.8MPa to 2.9MPa.Take the process of natural attenuation of high pressure air in constant volume whose pressure is among 15.0MPa to 14.5MPa damping to emulate the change of stratum energy of distant formation, and saturate the shale plug in methane for 36 hours under constant pressure of 5MPa.The average flow velocity of sandstone gas of Shihezi formation in single layer of independent experiment is among 218.70 to 1592.53mL/min, and shale gas of Taiyuan formation is among 219.67 to 649.60mL/min.When two layers in parallel connection, the average flow velocity of outlet from the sandstone plug is 211.80 to 1584.60mL/min and the shale plug is 211.47 to 618.94mL/min.The single layer interference factor of commingling is defined as decreasing rate of average flow velocity that compare parallel connection in commingled production of sandstone and shale with single layer production.The whole interference factor is defined as decreasing rate of flow velocity of gas that compare the mean value of total flow velocity of gas in two layers commingled production with the sum of flow velocity in two layers of single layer production experiment.In 7 sets of experiment, the range of single layer interference factor of sandstone and shale is 0.22%～6.94% and 0.33%～15.82%.The range of whole interference factor of Commingled production is 0.27%～6.77%.Results showed that interlayer interference exist in the commingled production of sand gas and shale gas in Linxing area, field operation should under the direction of control low well head pressure and low difference value of formation permeability to optimize technological parameter of commingled production and layer combination.

sandstone gas; shale gas; two zones commingled production; formation pressure; experimental simulation; interlamination interference

國家科技重大專項(xiàng)課題“‘三氣’合采鉆完井技術(shù)與儲層保護(hù)”(2016ZX05066002-001)資助。

馮毅(1969—)，男，1992年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣田開發(fā)地質(zhì)專業(yè)，2007年畢業(yè)于長江大學(xué)石油天然氣開發(fā)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面的科研工作。郵箱：fengyi2@cnooc.com.cn.

魏攀峰(1990—)，男，江蘇南京人，博士研究生，主要從事非常規(guī)油氣儲層保護(hù)與產(chǎn)能評價方面的科研工作。郵箱：weipanfeng@163.com.

TE122

A