致密砂巖非均質(zhì)氣藏平面供氣機(jī)理研究

謝小飛，張 毅，鄧長生，馬 強(qiáng)，米偉偉.

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 71006)

對于致密氣的定義，國內(nèi)外學(xué)者在成藏機(jī)理上提出了多種模型[1-3]，包括“深盆氣”“盆地中心氣”“連續(xù)油氣聚集”等；而從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)上，則更側(cè)重于開發(fā)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，國際上公認(rèn)的致密氣藏是指在儲層條件下氣體滲透率小于0.1 mD(不包含裂縫滲透率)的砂巖儲層[4-7]， 位于鄂爾多斯盆地東南部的延安氣田即為典型的致密砂巖氣藏[8]。致密砂巖氣藏由于其地質(zhì)條件復(fù)雜，低孔低滲的特性，使得許多看似成熟的關(guān)鍵技術(shù)并不能直接套用[7,8]。雖然近年來的水平井及儲層壓裂改造技術(shù)在一定程度上促進(jìn)了致密氣藏的開發(fā)，但在理論研究上，其平面供氣的機(jī)理研究卻相對甚少[9-13]。本文以取自鄂爾多斯盆地東南部延安氣田上古生界巖心為樣品，模擬近井區(qū)為高滲，遠(yuǎn)井區(qū)為低滲，對致密砂巖非均質(zhì)氣藏的平面供氣機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 物理模擬模型及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)物理模型及原理

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)非均質(zhì)氣藏的儲滲特征，建立高低滲“串聯(lián)”的平面非均質(zhì)儲層供氣機(jī)理如圖1所示的物理模擬模型，使用兩組巖心組合分別作為“高滲區(qū)”和“低滲區(qū)”串聯(lián)，在常溫高壓(45 MPa)實(shí)驗(yàn)條件下，考慮3種滲透率級差(1.5/0.05 mD， 1.5/0.5 mD，0.5/0.05 mD)，3種采氣速度(20、35、70 ml/min)定產(chǎn)量生產(chǎn)，定時記錄每個巖心組合的壓力、生產(chǎn)時間、瞬時產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量，研究產(chǎn)量、壓力和采收率變化規(guī)律，從而對不同區(qū)域供氣機(jī)理、供氣條件、供氣能力進(jìn)行研究。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 The flow chart of experimental

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

(1)實(shí)驗(yàn)溫度：常溫。

(2)實(shí)驗(yàn)壓力：為了模擬研究區(qū)實(shí)際地層應(yīng)力狀態(tài)，巖心內(nèi)壓從45 MPa開始衰竭。

(3)實(shí)驗(yàn)氣體：N2。

(4)實(shí)驗(yàn)地層水：按礦化度較低的未飽和地層水組分(20 000 mg/l)配制。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

平面供氣實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)實(shí)驗(yàn)前清洗烘干巖心，飽和地層水，然后將巖心組合順序從入口端到出口端依次放入巖心夾持器，按照實(shí)驗(yàn)流程圖正確安裝各實(shí)驗(yàn)儀器，并對各實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行校正。在常溫下將中間容器裝滿干氣，加壓至地層壓力(45 MPa)；

(2)檢查實(shí)驗(yàn)流程密封性，將高、低滲儲層巖心加上圍壓(比內(nèi)壓高6 M～7 MPa)，打開中間容器閥門，對高低滲巖心進(jìn)行氣驅(qū)水，建立束縛水，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥使高、低滲巖心(區(qū))最終壓力平衡在地層壓力；

(3)通過出口氣體質(zhì)量流量計(jì)按照預(yù)定速度(20 ml/min、35 ml/min、70 ml/min)控制出口流量進(jìn)行衰竭生產(chǎn)，用兩個圍壓泵分別控制，保持兩個夾持器圍壓大于內(nèi)壓約2 M～3 MPa；

(4)壓力傳感器定時記錄高滲區(qū)和低滲區(qū)的兩端壓力、生產(chǎn)時間、瞬時產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量。按設(shè)計(jì)壓力下降到廢棄壓力(5 MPa)后，關(guān)閉出口，記錄壓力恢復(fù)情況；

(5)依次完成不同速度衰竭實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)為三個壓力表數(shù)據(jù)，即出口壓力、高滲入口壓力、低滲入口壓力，以及三個壓力與時間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)采用封閉氣藏物質(zhì)平衡方程進(jìn)行計(jì)算：

封閉氣藏物質(zhì)平衡方程：

(1)

式中 Gp——累計(jì)采出量；

Pi——原始地層條件下的壓力；

G——原始地質(zhì)儲量；

Zi——原始地層條件下的偏差因子。

不同壓力下的偏差因子計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)采用Hall-Yarborough(H-Y)方法進(jìn)行計(jì)算偏差因子Z，從30 MPa開始每隔5 MPa計(jì)算一個偏差因子，然后線性回歸得到任意壓力下的偏差因子計(jì)算公式(2)：

Z=-2.597 8*(0.01P)3+ 3.322 3*(0.01P)2-0.029 9P+1.002 7

(2)

式中 Z——任意壓力下的偏差因子；

P——平均地層壓力，MPa。

1.5 巖心選擇

巖心選擇及參數(shù)見表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 平面非均質(zhì)儲層壓力變化特征

(1)配產(chǎn)分別為20 ml/min、35 ml/min、70 ml/min時非均質(zhì)儲層壓力變化特征。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)表Table 1 Parameters of experimental core

圖2是k1/k2=1.5/0.05(mD/mD)模型不同配產(chǎn)(20、35、70 ml/min)條件下進(jìn)行生產(chǎn)模擬時的壓力變化規(guī)律曲線，從圖中可以看出：當(dāng)配產(chǎn)Q=20 ml/min時，高滲區(qū)和低滲區(qū)壓力呈斜率較小的線性下降；隨著配產(chǎn)增大，當(dāng)Q=35 ml/min時，低滲區(qū)曲線斜率增大幅度較小，而高滲區(qū)曲線斜率大幅度的增加；當(dāng)Q增大到70 ml/min時，低滲區(qū)曲線斜率呈現(xiàn)小幅度的增加趨勢，而高滲區(qū)曲線已接近直線下降，呈大幅度的下降趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)蜐B區(qū)滲透率較低，且整個模型的非均質(zhì)性較強(qiáng)時，增大配產(chǎn)，高滲區(qū)的壓降會很快，而低滲區(qū)的壓力不能及時傳到高滲區(qū)，所以，低滲區(qū)的壓降速率超過一定的配產(chǎn)就不會再產(chǎn)生較大的變化。

圖2 不同配產(chǎn)時低滲區(qū)壓力與時間關(guān)系圖(k1/k2=1.5/0.05)Fig.2 The relationship between pressure and time in low permeability zone at different production stages (k1/k2=1.5/0.05)

(2)不同滲透率組合時非均質(zhì)儲層壓力變化規(guī)律

圖3中給出了兩組不同模型( k1/k2=1.5/0.5， k1/k2=1.5/0.05)的高滲區(qū)和低滲區(qū)壓力變化曲線，兩組模型高滲區(qū)巖心一樣，低滲區(qū)巖心滲透率差一個數(shù)量級，巖心尺寸大體一致。圖中，實(shí)驗(yàn)剛開始時，高滲區(qū)的兩條壓降曲線下降趨勢基本一致；中后期的時候開始偏離，滲透率極差較大的壓力下降更快些；而低滲區(qū)的兩條曲線從開始就差異很大，低滲區(qū)滲透率越大，其壓降下降的越快，即對高滲區(qū)的壓力補(bǔ)給越好；反之，低滲區(qū)滲透率越小，對高滲區(qū)壓力補(bǔ)給就越小，高滲區(qū)壓力下降就越快，在高滲區(qū)出口端達(dá)到廢棄壓力時其剩余壓力越高，這就導(dǎo)致低滲區(qū)開發(fā)后期仍存在較高的剩余能量，即儲層中剩余氣體較多。

圖3 不同滲透率組合時高滲區(qū)壓力與 時間關(guān)系曲線(35配產(chǎn))Fig.3 The relationship of pressure and time in hypertonic zone with different permeability combinations (35production)

(3)增產(chǎn)改造對致密非均質(zhì)儲層壓力變化影響。

圖4是 k1/k2=1.5/0.05(mD/mD)模型串聯(lián)儲層壓裂前后的壓力傳播圖，分析可以看出：①當(dāng)配產(chǎn)Q=70 ml/min時，高滲區(qū)壓力下降很快，模型在1 h時已經(jīng)接近廢棄壓力，而低滲區(qū)還殘余40 MPa的相當(dāng)高的壓力，說明高滲區(qū)主要在生產(chǎn)早期階段產(chǎn)氣，而低滲區(qū)壓降幅度小，動用較困難。②壓裂改造前，即高滲區(qū)滲透率大(1.5 mD)且與低滲區(qū)滲透率(0.05 mD)級差較大時，井口(出口)壓力和過渡段壓力(平均壓力)變化趨勢基本一致，高滲區(qū)為主要的壓降區(qū)域，而增產(chǎn)改造后，高滲區(qū)壓降幅度減小，低滲區(qū)壓降幅度增大，即壓裂改造增加了低滲區(qū)向高滲區(qū)的壓降補(bǔ)給，縮小了壓降漏斗的范圍。③對于非均質(zhì)儲層，結(jié)合圖5不難看出，壓裂以后，當(dāng)滲透率極差為1.5/0.05(mD/mD)時，邊界剩余壓力的降低的幅度最大；當(dāng)滲透率極差為1.5/0.5(mD/mD)時，邊界剩余壓力降低的幅度最小，基本無變化，也就是說壓裂改造后，高、低滲區(qū)兩端壓差均變小，同時高滲區(qū)入口壓力得到了有效補(bǔ)給，壓裂后壓降減緩，增加了壓力降低到廢棄壓力的時間，延長了穩(wěn)產(chǎn)期。

圖4 壓裂前后壓力對比(k1/k2=1.5/0.05，70配產(chǎn))Fig.4 The pressure comparison before and after fracturing (k1/k2=1.5/0.05, 70 production allocation)

圖5 壓裂前后邊界剩余壓力對比(70配產(chǎn))Fig.5 comparison of Boundary residual pressure before and after fracturing (70 production allocation)

2.2 平面非均質(zhì)儲層供氣特征

結(jié)合圖6，圖7可以看出，在穩(wěn)產(chǎn)期，高、低滲區(qū)均以較高產(chǎn)量生產(chǎn)，且都隨配產(chǎn)的增加，瞬時產(chǎn)氣量增加，但高滲區(qū)產(chǎn)氣量始終大于低滲區(qū)，整個模型主要以高滲區(qū)產(chǎn)氣為主；當(dāng)?shù)蜐B區(qū)滲透率較低時，低滲區(qū)瞬時產(chǎn)氣量總體都比較低，配產(chǎn)為70 ml/min時，低滲區(qū)瞬時產(chǎn)氣量也不超過25 ml/min，而低滲區(qū)的滲透率大小對穩(wěn)產(chǎn)期也有一定的影響，滲透率越低，穩(wěn)產(chǎn)期越短。

從圖7我們可以看出高滲區(qū)模型的瞬時產(chǎn)氣量與總瞬時產(chǎn)氣量曲線很相似，都是在前期瞬時產(chǎn)氣量下降，穩(wěn)產(chǎn)期逐漸趨于穩(wěn)定，低滲區(qū)雖然前期瞬時產(chǎn)氣量有稍微上升，但也不影響整個模型的總產(chǎn)氣量趨勢，說明高滲區(qū)對總產(chǎn)氣量起著主要貢獻(xiàn)作用，不同滲透率儲層的產(chǎn)氣量特征為我們認(rèn)識平面高、低滲串聯(lián)儲層的供氣特征提供了直觀的依據(jù)。

圖7儲層改造后，我們可以看到高滲區(qū)瞬時產(chǎn)氣量比壓裂前略有下降，而低滲區(qū)瞬時產(chǎn)氣量上升幅度較大，而且整個模型降低到廢棄壓力的時間延長，這說明壓裂主要是增加低滲區(qū)向高滲區(qū)的壓力補(bǔ)給，使低滲區(qū)的壓力能較好地傳到高滲區(qū)，從而延長穩(wěn)產(chǎn)期的時間，提高采收率。

圖7 壓裂前后總瞬時產(chǎn)氣量(1.5/0.05,70配產(chǎn))Fig.7 Total instantaneous gas production before and after fracturing (1.5/0.05,70 production)

2.3 平面非均質(zhì)儲層采收率影響因素分析

表2，圖8 為不同滲透率極差、不同配產(chǎn)下壓裂前后非均質(zhì)氣藏的總采收率，圖中可以看出，在高滲區(qū)滲透率均為1.5 mD時，在進(jìn)行增產(chǎn)改造之前，配產(chǎn)越高，采收率越低，且低滲區(qū)滲透率越小，這種隨配產(chǎn)下降的低滲區(qū)采收率變化幅度越大，相反，配產(chǎn)對高滲區(qū)采收率的影響則明顯小于低滲區(qū)，在增產(chǎn)改造后，低滲區(qū)滲透率低的模型，其壓裂改造后對采收率的影響越明顯；在低滲區(qū)滲透率均為0.05 mD時，即低滲區(qū)滲透率相同時，可以看出，高滲區(qū)滲透率低的模型在相同配產(chǎn)下其采收率反而越高，但增產(chǎn)改造對其的采收率提高幅度小于高滲區(qū)滲透率大的模型。

綜上，非均質(zhì)儲層高滲區(qū)與低滲區(qū)滲透率極差越小，非均質(zhì)性越弱，其采收率越高，反之，非均質(zhì)性越強(qiáng)，其低滲區(qū)的采收率越低，整個儲層的綜合采收率就越低；增產(chǎn)改造雖然增加了高滲區(qū)的滲流能力，即增加了高滲區(qū)與低滲區(qū)的滲透率極差，但改造后低滲區(qū)的采收率卻明顯增加，分析認(rèn)為主要是壓裂造縫連通了高滲區(qū)與低滲區(qū)的壓力系統(tǒng)，使得高滲區(qū)的壓降能及時得到低滲區(qū)的補(bǔ)給，從而提高了采收率。

表2 不同滲透率極差、配產(chǎn)以及增產(chǎn)改造后采收率匯總Table 2 Summary of recovery for different permeability ranges, production allocation and fracture

圖8 配產(chǎn)和滲透率極差對采收率的影響Fig.8 The influence of recovery with production allocation and permeability range

2.4 平面非均質(zhì)儲層高、低滲區(qū)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)特征

定義產(chǎn)量貢獻(xiàn)率：高低滲區(qū)某時刻累計(jì)產(chǎn)氣量占該時刻模型總產(chǎn)氣量的百分?jǐn)?shù)。

(1)配產(chǎn)對儲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響。

當(dāng)k1=1.5 mD時，k2=0.5 mD和0.05 mD的實(shí)驗(yàn)中可以看出，k2越大，高滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率下降的越快，達(dá)到平衡時(穩(wěn)產(chǎn)期)對整個產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率越小，而低滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率增加的越快，達(dá)到平衡時(穩(wěn)產(chǎn)期)對整個產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率越高(圖9)。整個模型高滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率在模型開始時是迅速降低的，而低滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率早期是快速增加的，經(jīng)過一段時間后逐漸趨于穩(wěn)定，分析認(rèn)為這主要是因?yàn)槌跗诟邼B區(qū)壓力下降較快，產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較高，而低滲區(qū)由于儲層非均質(zhì)性原因，對高滲區(qū)的壓力補(bǔ)給會隨高滲區(qū)壓力的降低而增強(qiáng)，從而增加產(chǎn)量貢獻(xiàn)率。圖10中，當(dāng)k1/k2=1.5/0.05時，可以看出，配產(chǎn)從70 ml/min到20 ml/min的變化中，配產(chǎn)越高，高滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率在穩(wěn)定時越高，低滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率越低，即在一定范圍內(nèi)配產(chǎn)的增加會增加高低滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的差距，如果是在實(shí)際生產(chǎn)中，就是過大的配產(chǎn)會使遠(yuǎn)井區(qū)儲量動用減小，從而降低整個儲層的采收率。

圖9 不同低滲儲層滲透率模型產(chǎn)量貢獻(xiàn)率特征曲線(k1=1.5 mD，35配產(chǎn))Fig.9 Characteristic of output contribution rate of permeability models with different low permeability (k1= 1.5 md, 35 production allocation)

圖10 不同配產(chǎn)高低滲儲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化特征(k1/k2=1.5/0.05)Fig.10 Variation characteristics of production contribute-on rate of low and high permeability reservoirs with different production distribution (k1/k2=1.5/0.05)

(2)儲層改造對高、低滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)的影響。

圖11為模型(k1/k2=1.5/0.05，70配產(chǎn))在儲層改造前后產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化曲線，壓裂前，高滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率由100%在極短的時間內(nèi)下降到75%，最后穩(wěn)定在70%附近，低滲區(qū)由0%迅速上升到25%，最終穩(wěn)定在30%附近；進(jìn)行增產(chǎn)改造后，高滲區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率由100%在極短的時間內(nèi)下降到75%，最后穩(wěn)定在60%附近，低滲區(qū)由0%迅速上升到25%，最終穩(wěn)定在40%，說明壓裂改造能增加遠(yuǎn)井區(qū)對于近井區(qū)的能量補(bǔ)給，減小低滲區(qū)與高滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差距，增加遠(yuǎn)井區(qū)的儲量動用。

圖11 壓裂前后高低滲儲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化 特征(k1/k2=1.5/0.05，70配產(chǎn))Fig.11 The production contribution rate of high and low permeability reservoir production before and after fracturing (k1/k2=1.5/0.05, 70 production allocation)

3 結(jié)論

(1)非均質(zhì)儲層的滲透率極差(k1/k2)是決定該儲層能很好的開發(fā)動用的重要參數(shù)之一，低滲區(qū)物性相對越好，其對高滲區(qū)壓力補(bǔ)給就越大，高滲區(qū)壓力下降越緩慢，對儲層的動用程度越高。

(2)非均質(zhì)性強(qiáng)的儲層在開發(fā)時，如果配產(chǎn)不合理，近井區(qū)壓力將很快下降，在早期形成大壓降漏斗，不僅會縮短穩(wěn)產(chǎn)期，還會造成遠(yuǎn)井區(qū)儲量動用困難，在開發(fā)后期殘余較大的剩余儲量。

(3)壓裂改造會促進(jìn)非均質(zhì)儲層遠(yuǎn)井區(qū)對近井區(qū)的壓力補(bǔ)給能力，這種補(bǔ)給的效果在滲透率極差(k1/k2)較大時會更明顯，相應(yīng)的對遠(yuǎn)井區(qū)的儲量動用也就越高，采收率也會增加。

(4)非均質(zhì)儲層開發(fā)早期的產(chǎn)量主要由近井區(qū)提供，隨后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，也就是進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期，而低滲區(qū)在穩(wěn)產(chǎn)期之前的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率是逐漸升高的，初期的配產(chǎn)過高會大大降低低滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率，造成遠(yuǎn)井區(qū)儲量動用困難。