頁(yè)巖氣開采模擬實(shí)驗(yàn)方法研究

端祥剛 胡志明 彭 輝 李武廣 常 進(jìn) 劉華勛 沈 瑞

1. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院, 河北 廊坊 065007; 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司, 四川 成都 610041; 3. 中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院, 四川 成都 610041

0 前言

1 流動(dòng)能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

頁(yè)巖微納米級(jí)孔隙中氣體流動(dòng)時(shí),空間尺度遠(yuǎn)小于常規(guī)空間尺度,流動(dòng)機(jī)理也發(fā)生變化。依據(jù)努森數(shù)劃分,頁(yè)巖氣的流動(dòng)狀態(tài)包含了達(dá)西流、滑脫流和過(guò)渡流。由于跨流態(tài)流動(dòng)的復(fù)雜性,使得頁(yè)巖氣的流動(dòng)能力更加難以描述。目前頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)中流動(dòng)能力表征仍然以達(dá)西滲透率為主,測(cè)試壓力普遍偏低,測(cè)試結(jié)果無(wú)法有效反應(yīng)頁(yè)巖儲(chǔ)層條件氣體的流動(dòng)能力[11-12]。因此設(shè)計(jì)了頁(yè)巖氣流態(tài)測(cè)試裝置,通過(guò)測(cè)試0.1～40 MPa壓力范圍內(nèi)的頁(yè)巖滲透率,分析了頁(yè)巖氣在不同壓力水平下的流動(dòng)能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程見圖1。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)檢查系統(tǒng)的氣密性后,將巖心放入夾持器,加環(huán)壓至50 MPa。

3)改變?nèi)肟趬毫χ?5 MPa,同時(shí)為避免應(yīng)力敏感對(duì)流動(dòng)能力的影響,降低環(huán)壓至45 MPa,此后整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)壓與入口壓力差值始終保持為10 MPa,重復(fù)步驟2)。

4)依次降低壓力直至實(shí)驗(yàn)壓力至0.1 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

5)計(jì)算頁(yè)巖滲透率,并采用克式公式修正。由于實(shí)驗(yàn)壓差范圍很大,使用不同量程的傳感器和壓力控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。較低壓力條件下(如1 MPa以下),高壓氣瓶通過(guò)精密氣壓控制調(diào)節(jié)閥與巖心夾持器相連。實(shí)驗(yàn)氣體經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥,保持在所需壓力范圍內(nèi)流向巖心。較高壓力條件下(如1 MPa以上),由ISCO泵提供穩(wěn)定壓力。

圖1 頁(yè)巖氣穩(wěn)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

測(cè)試了不同壓力下的穩(wěn)態(tài)滲透率,運(yùn)用達(dá)西公式的微分形式推導(dǎo)出氣體滲透率的計(jì)算公式,計(jì)算不同壓力下的視滲透率，見圖2。

a)平均壓力/MPa

b)平均壓力倒數(shù)圖2 不同壓力與壓力倒數(shù)的滲透率值

從圖2-a)可以看出,當(dāng)平均壓力高于2 MPa時(shí),氣體流動(dòng)均為滑移流,表觀滲透率隨壓力降低近似線性緩慢增加,滑移區(qū)表觀滲透率總體增幅小于1個(gè)量級(jí)。平均壓力小于0.5 MPa時(shí),流態(tài)為過(guò)渡流,在極小的壓力變幅內(nèi),表觀滲透率迅速增加,滲透率較低的巖心表觀滲透率可增大1個(gè)量級(jí)以上。巖心滲透率越低,滑移流過(guò)程表觀滲透率也越低,在產(chǎn)生過(guò)渡流后,低滲巖心的表觀滲透率增幅更大。這是由于過(guò)渡流存在努森擴(kuò)散,氣體流動(dòng)不再符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè),低滲巖心的流動(dòng)通道尺度較小,努森擴(kuò)散作用相應(yīng)地更強(qiáng)[13]。當(dāng)使用表觀滲透率反映巖心流動(dòng)能力時(shí),由于低壓條件下擴(kuò)散作用的影響,低滲巖心的流動(dòng)能力增大更明顯[14-15]。由于努森數(shù)由壓力和孔徑共同決定,根據(jù)上述的壓力界限可以判斷巖心樣品的氣體流態(tài)。當(dāng)壓力水平相同時(shí),孔隙特征尺度成為劃分流態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[16]。從平均壓力倒數(shù)曲線圖2-b)可以看出,滲透率隨著平均壓力的不同呈現(xiàn)三段式,在低壓段、高壓段均會(huì)出現(xiàn)非達(dá)西滲流,低壓段滑脫效應(yīng)明顯。

2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫是主要流動(dòng)通道,而基質(zhì)的供給能力有限,基質(zhì)的供給范圍決定著氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)期[17]。在裂縫附近的基質(zhì)供給區(qū),可視為基質(zhì)向裂縫的一維流動(dòng),采用儲(chǔ)層巖心建立一維流動(dòng)物理模擬方法,研究地層壓力條件下基質(zhì)對(duì)裂縫的供給能力。采用多巖心串聯(lián)的方式建立頁(yè)巖氣基質(zhì)供給的物理模擬方法,通過(guò)設(shè)置沿程測(cè)壓點(diǎn)可以直接獲取壓力在基質(zhì)中的傳播距離,然后根據(jù)產(chǎn)氣規(guī)律和壓力剖面可以計(jì)算距離縫面不同深度基質(zhì)塊的氣體動(dòng)用情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

所采用自主研發(fā)的多測(cè)點(diǎn)衰竭開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3,主要包括ISCO泵、高壓體積流量計(jì)、高精度壓力傳感器、巖心夾持器、中間容器、環(huán)壓泵及甲烷檢測(cè)防爆裝置等。實(shí)驗(yàn)流程如下:

1)首先檢查系統(tǒng)的氣密性,然后將巖心在105 ℃下烘干48 h,在干燥皿中冷卻至室溫放入夾持器,加環(huán)壓至35 MPa。

2)恢復(fù)儲(chǔ)層原始賦存狀態(tài),采用恒壓模式將甲烷氣注入巖心中,記錄各測(cè)點(diǎn)壓力。飽和至巖心各測(cè)點(diǎn)壓力至30 MPa后關(guān)閉氣源,然后觀察各測(cè)點(diǎn)壓力,如96 h內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓力不再變化,認(rèn)為巖心恢復(fù)至原始賦存狀態(tài)。由于頁(yè)巖的致密性與吸附特性,此過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)幾天,甚至幾十天。

3)打開出口,開始衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)壓力和出口端產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。

為提高實(shí)驗(yàn)的精確度,進(jìn)行了如下設(shè)計(jì):

1)減少系統(tǒng)自由體積。由于頁(yè)巖孔隙度較小,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自由體積,包括管線、閥門以及夾持器通道內(nèi)的自由體積對(duì)實(shí)驗(yàn)含氣量和產(chǎn)氣規(guī)律的影響不能夠忽略,因此需要采用定制自由體積小的巖心夾持器,并且在計(jì)算氣量中予以扣除。

2)壓力和流量采用分級(jí)測(cè)量方式,選用不同量程的壓力傳感器保證測(cè)量的精度,同樣初期流速較大時(shí),采用進(jìn)口氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量氣體流量,當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入低產(chǎn)期,采用氣泡法或微管排水法多次測(cè)量。

3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行不同氣體和不同尺度巖心的實(shí)驗(yàn),多巖心串聯(lián)的衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí),在出入口和夾持器中間共設(shè)置了6個(gè)測(cè)壓點(diǎn),可以測(cè)量巖心生產(chǎn)過(guò)程中的沿程壓力,進(jìn)而獲取壓力剖面。

圖3 衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

頁(yè)巖樣品不同生產(chǎn)時(shí)間的壓力剖面和產(chǎn)氣量見圖4。

a)壓力剖面

b)產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣速率

從圖4-a)可以看出,頁(yè)巖基質(zhì)滲流能力較低,生產(chǎn)時(shí)間非常長(zhǎng),5塊巖心長(zhǎng)度供給約20 cm,生產(chǎn)120 d,入口壓力僅僅從初始的30 MPa降低至14 MPa,而且由于頁(yè)巖氣的吸附特征,越到生產(chǎn)后期,壓力降幅越緩,因此對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō),常常具有長(zhǎng)達(dá)幾年到幾十年的穩(wěn)產(chǎn)期。從壓力剖面可以看出,在初始開采階段,頁(yè)巖氣的壓力剖面與砂巖等常規(guī)氣藏一樣,動(dòng)邊界內(nèi)呈“上凸型”的壓降漏斗,越靠近采出端,壓降越大,頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力傳播動(dòng)邊界到達(dá)入口(1號(hào)測(cè)壓點(diǎn))的時(shí)間為6 d。

隨著生產(chǎn)時(shí)間的推進(jìn),各測(cè)點(diǎn)壓力逐漸降低,當(dāng)壓力降至約15 MPa以后,壓力剖面逐漸由“上凸型”轉(zhuǎn)為“下凹型”,而且壓力越低,這種趨勢(shì)越明顯,這就是因?yàn)槲綒獾拇罅抗┙o,使得靠近出口端的4號(hào)和5號(hào)測(cè)壓點(diǎn)壓力降幅變緩,而遠(yuǎn)端測(cè)壓點(diǎn)吸附氣尚未動(dòng)用,主要產(chǎn)出游離氣,這與巖心內(nèi)壓力是否達(dá)到臨界解吸壓力密切相關(guān),吸附氣的供給是壓力降低緩慢的主要原因。

3 全生命周期開采模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

頁(yè)巖氣井生產(chǎn)過(guò)程中,由于受到生產(chǎn)制度及工程因素的影響,常常導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)、壓力不連續(xù)等問題,給產(chǎn)量歷史擬合與預(yù)測(cè)帶來(lái)困難,為真實(shí)模擬頁(yè)巖氣在地層中的流動(dòng),采用現(xiàn)場(chǎng)密閉取心的全直徑巖心,在恢復(fù)地層壓力模擬原始賦存狀態(tài)之后,開始全生命周期的開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn),以獲取完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程中需要的一些關(guān)鍵參數(shù),解決當(dāng)前頁(yè)巖氣井產(chǎn)能計(jì)算與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法難以解決的難題。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

1)將保壓取心全直徑巖心夾持器取出,接入模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程,用高壓泵將高壓中間容器中的甲烷氣增壓并維持在28 MPa,直到巖心出、入口高壓中間容器的壓力不再降低,此時(shí)頁(yè)巖氣幾乎完全處于原始地層的存儲(chǔ)狀態(tài)。

2)打開出口調(diào)節(jié)閥,開始頁(yè)巖氣井全生命生產(chǎn)周期長(zhǎng)期生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)模擬。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的入口壓力、出口壓力及出口氣量分別通過(guò)壓力傳感器與氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)連續(xù)記錄。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

全直徑巖心的壓力、產(chǎn)氣速率及累產(chǎn)氣量曲線見圖5。

a)日產(chǎn)氣量和壓力曲線

b)累產(chǎn)氣量與吸附氣、游離氣量

從圖5-a)可以看出,頁(yè)巖氣生產(chǎn)初期產(chǎn)氣量大、遞減速度快,然后進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期,產(chǎn)量遞減曲線與單井產(chǎn)量遞減曲線相似度很高,呈L型遞減,前期產(chǎn)氣量高是由于游離氣動(dòng)用,隨后吸附氣動(dòng)用,實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期,長(zhǎng)達(dá)1 900 d,物理模擬很好反映了頁(yè)巖氣生產(chǎn)初期產(chǎn)氣量大、遞減速度快、后期穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。通過(guò)物質(zhì)平衡方法可以獲取吸附氣和游離氣的產(chǎn)氣規(guī)律,從圖5-b)可以看出,初期主要產(chǎn)出游離氣,吸附氣在后期供給才明顯,累產(chǎn)氣量明顯上翹,進(jìn)一步說(shuō)明吸附氣是頁(yè)巖氣后期長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的重要?dú)庠碵18]。

從圖6單井產(chǎn)氣量與累產(chǎn)氣量曲線可以看出,實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣量變化曲線和實(shí)際生產(chǎn)井的產(chǎn)氣量曲線變化規(guī)律基本一致。該生產(chǎn)井2012年7月開始生產(chǎn),初期峰值產(chǎn)氣量可達(dá)15×104m3/d以上,隨后進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的穩(wěn)產(chǎn)期,按目前產(chǎn)量預(yù)測(cè),該井的低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期仍然可以持續(xù)數(shù)年。從日產(chǎn)氣量曲線可以看出,實(shí)際生產(chǎn)井的產(chǎn)氣速率并不規(guī)律,尤其是開發(fā)初期,受壓裂液返排和采氣工藝的影響,采用常規(guī)方法利用壓力和產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣產(chǎn)能和產(chǎn)量異常困難。進(jìn)入生產(chǎn)中后期,產(chǎn)氣速率有一定規(guī)律性,但是生產(chǎn)制度的變化給模型計(jì)算帶來(lái)困難,如數(shù)次開關(guān)井導(dǎo)致井底壓力變化,產(chǎn)量數(shù)據(jù)不連續(xù),給產(chǎn)量遞減分析和EUR預(yù)測(cè)帶來(lái)很大偏差。

圖6 單井產(chǎn)氣量與累產(chǎn)氣量曲線

通過(guò)全生命周期開發(fā)實(shí)驗(yàn)可以獲取全生命周期的壓力和產(chǎn)量數(shù)據(jù),解決了頁(yè)巖氣實(shí)際生產(chǎn)井生產(chǎn)時(shí)間短,生產(chǎn)制度變化帶來(lái)的產(chǎn)量和壓力不連續(xù)的問題,為建立單井產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型,反演單井動(dòng)態(tài)及EUR計(jì)算提供了寶貴的數(shù)據(jù)[19-20]。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型可計(jì)算耦合傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)巖心的壓力傳播距離,結(jié)合等溫吸附曲線可以確定臨界解吸壓力,研究發(fā)生解吸附的區(qū)域。

4 結(jié)論

1)研發(fā)的流動(dòng)能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)、開采動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、全生命周期開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)具有高壓力(40 MPa)、長(zhǎng)周期(5 a)、多點(diǎn)測(cè)壓等特點(diǎn),能夠較為真實(shí)地模擬頁(yè)巖儲(chǔ)層溫壓條件下頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)和產(chǎn)氣規(guī)律。

2)流動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)表明低壓條件下努森擴(kuò)散作用使得頁(yè)巖滲透率大幅增加。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬與全生命周期開采實(shí)驗(yàn)共同證實(shí)了頁(yè)巖基質(zhì)壓力傳播較慢,生產(chǎn)初期主要產(chǎn)出游離氣,吸附氣只有在生產(chǎn)后期才開始供給。

3)通過(guò)系列物理模擬實(shí)驗(yàn)方法,能夠較深入地揭示頁(yè)巖氣的傳質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理和產(chǎn)出規(guī)律,為頁(yè)巖氣滲流機(jī)理和開采方式優(yōu)選研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。