頁巖氣井產(chǎn)量的工程影響因素

李賽男 黃小亮 李志強 王鵬鯤 王 杰

（重慶科技學院，重慶 401331）

0 引言

頁巖儲集層屬于孔隙-裂縫型雙重介質(zhì)，具有納米級基質(zhì)孔隙直徑以及滲透率僅為幾納達西的天然裂縫［1-3］。頁巖氣藏開發(fā)過程中，常采用水力壓裂技術(shù)增加人工裂縫，從而提高裂縫系統(tǒng)的有效滲透率，進而增大頁巖氣井產(chǎn)量［4-6］。目前，眾多學者已經(jīng)針對頁巖氣井產(chǎn)量的影響因素進行了大量研究，主要表現(xiàn)在地質(zhì)因素和工程因素兩方面：地質(zhì)因素主要分析了儲層厚度［7］、天然裂縫滲透率［8］、含氣量［9］等對頁巖氣井產(chǎn)能的影響，研究結(jié)果表明了儲層厚度較厚、天然裂縫滲透率越高、含氣量越多時，頁巖氣井的產(chǎn)氣量越大；工程因素主要分析了壓裂簇數(shù)［10］、壓裂段數(shù)［11］、裂縫長度［12］、裂縫間距［13-15］、裂縫寬度［16］、裂縫高度［17］、裂縫導流能力［18-19］、水平井井距［20-21］及水平井長度［22］等對頁巖氣井產(chǎn)能的影響，研究結(jié)果表明了壓裂簇數(shù)越多、壓裂段數(shù)越多、裂縫長度越長、裂縫間距越小、裂縫寬度越寬、裂縫高度越高、裂縫導流能力越大、水平井井距較小、水平井長度較長時，頁巖氣井產(chǎn)量越大。前人的研究表明地質(zhì)因素客觀存在且已經(jīng)研究得比較清楚；而工程因素的研究往往在分析時側(cè)重于某個參數(shù)，并沒有全面系統(tǒng)地進行分析，更沒有對影響因素的主次關系進行明確分析。因此針對工程因素分析不全面和主次關系不明確的問題，以多維多尺度的頁巖氣井產(chǎn)能模型為基礎［22］，以TY頁巖氣藏為例，研究頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律，分析裂縫和水平井參數(shù)對頁巖氣井產(chǎn)量的影響，研究結(jié)果表明：壓裂造成的裂縫高度是影響頁巖氣井產(chǎn)量的主要因素，其次分別為水平井長度、裂縫長度、壓裂簇數(shù)和段間距。同時綜合考慮經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度等因素，制定了TY頁巖氣藏合理開發(fā)的最優(yōu)化參數(shù)，為同類頁巖氣藏開發(fā)提供了依據(jù)。

1 頁巖氣井產(chǎn)量工程影響因素方案設計

1.1 頁巖氣藏基本概況

選擇典型的頁巖氣藏— TY 頁巖氣藏為研究實例，氣藏基本概況為：TY 頁巖氣藏位于四川盆地川南地區(qū)，氣層主要分布于下志留統(tǒng)龍馬溪組，原始地層壓力為20 MPa，儲層深度為1 750 m，孔隙度為4.6%，基質(zhì)滲透率為0.000 2 mD，人工裂縫有效孔隙度為20%，裂縫系統(tǒng)導流能力為0.2 D·cm，含氣量為3.3 m3／t，氣體粘度為0.022 mPa·s。選取該氣藏典型水平井TY1H 參數(shù)為基礎參數(shù)（表1）進行產(chǎn)量變化規(guī)律研究。

表1 TY1H在井筒及裂縫模擬參數(shù)與經(jīng)濟評價參數(shù)表

1.2 方案設計

以TY 頁巖氣藏地質(zhì)參數(shù)為依據(jù)，在TY1H 水平井參數(shù)基礎上，設計裂縫和水平井參數(shù)主要包括：壓裂簇數(shù)、裂縫高度、水平井長度、裂縫長度、段間距等因素對頁巖氣產(chǎn)量影響的變化規(guī)律，具體方案見表2。

2 產(chǎn)量計算模型選擇

頁巖氣井產(chǎn)能模型的影響因素包括基質(zhì)納米孔中氣體傳輸帶來的影響和裂縫中滲透率應力敏感效應及流體非達西流動性影響，其中基質(zhì)納米孔中氣體傳輸主要包括努森擴散、滑脫流和吸附解吸等。常見的模型主要考慮努森擴散、吸附解吸及天然裂縫應力敏感效應等因素的影響［23-24］。在綜合考慮各類因素的頁巖氣多維多尺度滲流數(shù)學模型的基礎上［25］，針對模型編譯了頁巖氣井產(chǎn)量求解軟件，從而進行影響因素分析。具體模型如下：

式中，ρg為頁巖氣密度，kg／m3；σg為人工裂縫非達西系數(shù)，無因次；Khf為人工裂縫滲透率，mD；μg為氣體粘度，mPa·s；qgNH為天然微裂縫與人工裂縫間竄流量，kg／m3；qgw為人工裂縫流入井筒的質(zhì)量流量，kg／m3；φhf為人工裂縫孔隙度，無因次；t為時間，d；Kf為天然裂縫滲透率，10-3μm2；qgmf為基質(zhì)向天然裂縫中的竄流量，kg／m3；φf為人工裂縫孔隙度，無因次。

表2 頁巖氣井產(chǎn)量影響因素方案設計表

3 工程影響因素評價

在工程影響因素評價研究中，按照設計方案，分別研究壓裂簇數(shù)、裂縫高度、水平井長度、裂縫長度和段間距等因素對產(chǎn)量變化規(guī)律的影響。

3.1 壓裂簇數(shù)的影響

設計壓裂簇數(shù)分別為2、3、4、5、6簇，研究不同壓裂簇數(shù)時的頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律（圖1、表3）。從圖表中可以看出：隨壓裂簇數(shù)的增加，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量增加；壓裂簇數(shù)由2到6時，累計產(chǎn)氣量從6 349×104m3增加到7 435×104m3，增加幅度為17%；壓裂簇數(shù)大于3時，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量雖仍在增加，但增加幅度均放緩和，由6.9%下降至2.3%，且經(jīng)濟效益減小，由-11.8%下降至-32.8%。原因在于壓裂簇數(shù)越多，儲層改造效果越好，但當壓裂簇數(shù)達到一定值時，裂縫間產(chǎn)生相互干擾，改造效果減緩。綜合考慮經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度，結(jié)果表明壓裂簇數(shù)為3簇時，頁巖氣藏開采效果較好。

圖1 頁巖氣井產(chǎn)量隨壓裂簇數(shù)變化規(guī)律圖

圖2 頁巖氣井產(chǎn)量隨裂縫高度變化規(guī)律圖

3.2 裂縫高度影響

設計裂縫高度分別為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m，研究不同裂縫高度時的頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律（圖2、表3）。從圖表中可以看出：隨裂縫高度的增加，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量增加；當裂縫高度由15 m 到35 m 時，累計產(chǎn)氣量從3 894×104m3增加到9 282 × 104m3，增加幅度為138%。主要原因在于，儲層厚度相同時，裂縫高度越高，頁巖儲層改造效果越好，相同水平井長度范圍內(nèi)的泄油區(qū)域越大，因此能夠使頁巖氣井產(chǎn)能有效提高。當裂縫高度為35 m時，累積產(chǎn)氣量增加幅度為26.9%，經(jīng)濟效益增加幅度為18.1%，此時經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度仍較好。綜上，結(jié)果表明裂縫高度為35 m時，頁巖氣藏開采效果較好。

表3 不同因素對TY頁巖氣井產(chǎn)量影響結(jié)果表

3.3 水平井長度影響

設計水平井長度分別為1 000 m、1 250 m、1 500 m、1 750 m、2 000 m，研究不同水平井長度時的頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律（圖3、表3）。從圖表中可以看出：隨水平井長度的增加，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量增加；水平井長度由1 000 m 增長到2 000 m 時，累計產(chǎn)氣量則從4 361×104m3增加到8 834×104m3，增加幅度為103%；相對1 500 m的累計產(chǎn)氣量增加幅度為19.4%和經(jīng)濟效益增加幅度為18.9%以及2 000 m的累計產(chǎn)氣量增加幅度為12.3%和經(jīng)濟效益增加幅度為10.8%，當水平井長度為1 750 m 時，累計產(chǎn)氣量增加幅度為19.6%和經(jīng)濟效益增加幅度為22.1%更高。主要原因在于水平井長度越長時，相同儲層區(qū)域內(nèi)的井控面積越大，因此增加水平井長度能夠使頁巖氣井產(chǎn)能有效提高。綜合考慮經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度，結(jié)果表明水平井長度為1 750 m 左右時，頁巖氣藏開采效果較好。

3.4 裂縫長度影響

設計裂縫長度為60 m、80 m、100 m、120 m、150 m，研究不同裂縫長度時的頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律（圖4、表3）。從圖表中可以看出：隨裂縫長度的增加，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量增加；當裂縫長度由60 m增加到150 m時，累計產(chǎn)氣量從3 661×104m3增加到7 668×104m3，增加幅度為109%；當裂縫長度大于80 m 時，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量增加幅度放緩。主要原因在于裂縫長度越長，頁巖儲層改造效果越好，儲層中的原油越容易通過人工裂縫進入到井筒中，且裂縫長度越長時，相同水平井長度范圍內(nèi)的泄油面積越大，因此能夠使頁巖氣井產(chǎn)能有效提高。當裂縫長度為120 m時，累計產(chǎn)氣量增加幅度為16.4%，相對裂縫長度為150 m 時較低，但其經(jīng)濟效益增加幅度為13.6%，高于裂縫長度為150 m 時的經(jīng)濟效益增加幅度8.0%，因此綜合考慮經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度，結(jié)果表明TY頁巖氣藏最佳裂縫長度應為120 m。

圖3 頁巖氣井產(chǎn)量隨水平井長度變化規(guī)律圖

圖4 頁巖氣井產(chǎn)量隨裂縫長度變化規(guī)律圖

3.5 段間距影響

設計段間距分別為50 m、60 m、70 m、80 m、90 m，研究不同段間距時的頁巖氣井產(chǎn)量變化規(guī)律（圖5、表3）。從上述圖表中可以看出：隨段間距的增加，穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量下降；當段間距由50 m 增加到90 m 時，累計產(chǎn)氣量從7 073×104m3減少到6 525×104m3，減小幅度為8%；段間距越大，穩(wěn)產(chǎn)時間、累計產(chǎn)氣量減少幅度加大；經(jīng)濟效益增加幅度減小。主要原因在于段間距越小時，相同水平井長度范圍內(nèi)的裂縫條數(shù)越多，有利于頁巖儲層的開采。當段間距為80 m 時，累積產(chǎn)氣量減小幅度相對較低，為1.3%，此時經(jīng)濟效益增加幅度為7.0%，相對較高。因此綜合考慮經(jīng)濟效益及累計產(chǎn)氣量增加幅度，當段間距為80 m時，頁巖氣藏開采效果較好。

圖5 頁巖氣井產(chǎn)量隨段間距變化規(guī)律圖

在頁巖氣藏各參數(shù)的合理范圍內(nèi)，以頁巖氣井累計產(chǎn)氣量及增加幅度為依據(jù)，分析裂縫和水平井參數(shù)對頁巖氣井產(chǎn)量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：各工程影響因素對頁巖氣累計產(chǎn)氣量的增加幅度不同，裂縫高度為138%、水平井長度為109%、裂縫長度為103%，壓裂簇數(shù)為17%、段間距為-8%。因此，影響頁巖氣井產(chǎn)量的工程因素按照從強到弱排序為：裂縫高度、水平井長度、裂縫長度、壓裂簇數(shù)和段間距。

4 結(jié)論

1）裂縫高度越高、水平井長度越長、裂縫長度越長、壓裂簇數(shù)越多、段間距越小，頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)時間和累計產(chǎn)氣量越大。

2）頁巖氣井產(chǎn)量的工程影響因素從強到弱分別為：裂縫高度、水平井長度、裂縫長度、壓裂簇數(shù)和段間距。

3）TY頁巖氣藏TY1H井合理開發(fā)的最優(yōu)化參數(shù)為：壓裂簇數(shù)為3 簇，段間距為80 m，裂縫高度為35 m，裂縫長度為120 m，水平井長度為1 750 m。