普光氣田飛三段低滲氣井產能主控地質因素研究

李正華，劉曉敏，蔣文才.

(1.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450000； 2.中國石化中原油田分公司，河南濮陽 457000)

普光氣田主體是我國首個投入開發(fā)的大規(guī)模高含硫碳酸鹽巖氣藏，產能建設階段以經濟效益為中心，以高產井為目標，主要動用的是優(yōu)質儲層，以飛三段為代表的低孔低滲儲層基本未動用，是下步挖潛保障氣田持續(xù)高產穩(wěn)產的重要基礎。但是，這類氣藏具有儲層厚度薄、物性差、非均質性強、儲量品質較差等特點，研究明確產能的主控因素，是指導下步增儲上產的關鍵?？紤]到鉆完井及投產工程因素的影響基本相同，筆者主要結合飛三段氣藏實際，采用基于儲層非均質性的數(shù)值模擬技術研究影響氣井產能的主要地質因素，旨在探索一種實用的研究方法和技術，同時也為普光氣田飛三段調整井位優(yōu)化設計提供指導。

1 氣藏地質特征

普光氣田飛仙關組屬于碳酸鹽巖臺地沉積模式，飛三段處于局限—開闊臺地沉積環(huán)境，儲層主要發(fā)育在臺內點灘中，單灘體厚度薄，多期疊置特征明顯[1-4]?？傮w上，儲層厚度薄，厚度一般在10～35 m；橫向上連續(xù)性較差，由灘核向灘緣，儲層鉆遇率下降。儲層儲集巖性以云巖為主，主要包括砂屑白云巖、殘余鮞粒云巖、細粉晶云巖等，以晶間溶孔為主，次為粒內溶孔、粒間溶孔，局部發(fā)育微裂縫，巖心、測井分析儲層的孔隙度為2%～18.2%，平均為4.34%，滲透率為0.019～67.7 mD，平均為0.16 mD，整體上主要為低孔低滲Ⅲ類儲層。

2 非均質模型的建立

根據(jù)普光主體飛三段氣藏特征，選用新一代高效數(shù)值模擬軟件tNavigator黑油模塊，建立100×100×30=300 000個網格節(jié)點精細模型。平面網格步長DX=DY=30 m，縱向網格步長根據(jù)儲層厚度均勻劈分，儲層埋深為5 500 m，原始地層壓力為55.6 MPa，無邊底水的干氣藏。與常規(guī)單井理論模型相比，本次新建的數(shù)值模型(圖1)具有以下幾個方面的特點：①考慮啟動壓力梯度影響；②呈正態(tài)分布的基質孔隙度、滲透率場；③考慮隨機分布的天然裂縫對滲透率場的影響；④考慮儲層發(fā)育連續(xù)性的影響。

圖1 非均質氣藏單井理論模型Fig.1 Theoretical model of single well in heterogeneous gas reservoir

2.1 啟動壓力梯度等效模擬

國內外低滲氣藏開發(fā)實踐表明，啟動壓力梯度對氣井有效供給半徑、產能及采收率均有較大影響，開發(fā)過程中不容忽視[5-13]。本文在物理模擬的基礎上，通過等效方法實現(xiàn)了考慮啟動壓力梯度的數(shù)值模擬[5-13]。

首先，通過物理模擬試驗測定了3口氣井8塊標準巖心的啟動壓力梯度在0.004 5～0.203 0 MPa/m(表1)。測試結果顯示：不同巖心的啟動壓力梯度差異較大，但與巖心滲透率關系明確，兩者具有冪指數(shù)關系，擬合相關性達到95%以上(圖2)，由此得到普光氣田啟動壓力梯度計算公式：

(1)

式中p——巖心兩端壓差，MPa；

L——巖心長度，m；

K——巖心滲透率，mD。

表1 普光氣田啟動壓力梯度測試結果Table 1 Test results of start-up pressure gradient in Puguang gas field

圖2 普光氣田飛仙關組啟動壓力梯度與滲透率關系Fig.2 Relationship between starting pressure gradient and permeability of Feixianguan formation in Puguang gas field

其次，考慮目前商業(yè)軟件均無法直接模擬啟動壓力梯度影響的現(xiàn)狀，采用等效模擬的方法實現(xiàn)考慮啟動壓力梯度的數(shù)值模擬[14-16]。具體做法如下：①根據(jù)網格滲透率采用普光氣田啟動壓力梯度經驗公式計算網格啟動壓力梯度；②根據(jù)網格尺寸大小計算網格啟動壓力；③將模型平衡分區(qū)，使每個網格為1個平衡區(qū)，并將 “門限壓力”(PTHRESH)設置為網格啟動壓力。

2.2 正態(tài)分布基質物性場設計

圖3 飛三段巖心分析孔滲關系圖Fig.3 Relationship between porosity and permeability in core analysis of Fei-3 member

普光氣田鉆遇飛三段氣井49口，其中6口井進行了取芯分析。取芯、測井解釋結果顯示：不同井區(qū)氣井孔隙度的大小存在一定差異，但總體呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律(圖3)。因此，可以用正態(tài)分布密度函數(shù)根據(jù)研究需求產生相應變化范圍和分布形態(tài)的孔隙度分布場(圖4)?？紤]到飛三段主要以Ⅲ類儲層為主，一般孔隙度小于5.0%，且具有連續(xù)型隨機變量的特征，應用Matlab正態(tài)分布函數(shù)建立5套(μ=0.025、0.030、0.035、0.040、0.045；σ=0.002)300 000個樣本的孔隙度隨機分布參數(shù)場，在此基礎上通過孔滲關系建立基質儲層滲透率分布場。由于引入了正態(tài)分布的孔隙度場和隨機的概念，與常規(guī)均質模型相比，能夠反映儲層的非均質性特征。

2.3 隨機分布天然裂縫場設計

普光氣田飛三段巖心、薄片和成像測井分析表明，儲層裂縫發(fā)育以構造裂縫和成巖裂縫為主，發(fā)育區(qū)帶受構造控制明顯，不同井區(qū)的裂縫發(fā)育密度存在差異。裂縫走向以近東西向為主，裂縫長度變化較大，以70～125 cm為主，裂縫寬度在0.3～1.1 mm之間，導流能力存在較大差異。為研究裂縫密度及導流能力差異對產能的影響，本文采用等效介質法建立混合模型。首先，根據(jù)飛三段裂縫描述

圖4 模擬孔隙度分布(μ=0.035；σ=0.002)Fig.4 Simulated porosity distribution (μ=0.035；σ=0.002)

資料采用隨機的方法產生不同密度的天然裂縫網格(圖5)，裂縫網格數(shù)占總網格數(shù)比在1%～15%；其次，通過等值滲流阻力法將裂縫滲透率和基質滲透率進行綜合考慮，計算網格平均滲透率，裂縫網格平均滲透率為基質網格的100～1 000倍；最后，根據(jù)裂縫網格平均滲透率計算結果對模型的滲透率場進行校正(圖6)。

圖5 天然裂縫隨機分布圖(密度8%)Fig.5 Random distribution map of natural fractures

圖6 滲透率分布頻率變化圖(200倍導流)Fig.6 Frequency change diagram of permeability distribution (Fracture/matrix permeability ratio 200)

2.4 儲層發(fā)育連續(xù)性等效設計

受沉積和成巖作用雙重影響，飛三段儲層非均質性強、連續(xù)性較差，導致氣井單位進尺鉆遇儲層一般概率在52.4%～93.8%，平均為73.5%。為研究儲層連續(xù)性對氣井產能的影響，通過隨機抽樣的方法改變部分網格活動性，將以物性夾層為主的部分網格變成死網格不參與流動，以改變抽樣密度的方式等效模擬鉆遇物性夾層的概率(圖7)。針對普光主體飛三段儲層的實際情況，共設計10%～50%等5種不同比例的物性夾層。另外，考慮井位設計實踐，為提高儲層鉆遇率往往選擇在灘核儲層連續(xù)性較好的位置部署井位，向灘緣方向儲層連續(xù)性變差。為有效模擬這種情況，引入儲層連續(xù)發(fā)育區(qū)半徑概念，即在儲層連續(xù)發(fā)育區(qū)范圍內儲層連續(xù)發(fā)育，向外儲層發(fā)育不連續(xù)(圖7)。根據(jù)飛三段單灘體展布范圍，設計灘核儲層連續(xù)發(fā)育區(qū)域半徑為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m等5種情況。

圖7 等效儲層發(fā)育連續(xù)性模擬Fig.7 Continuity simulation of equivalent reservoir development

3 產能主控因素分析

建立不同地質參數(shù)組合模型[17-22]，通過數(shù)值模擬方法研究地質因素對產能及控制儲量采出程度的影響，得出各因素的主次順序和顯著程度，同時建立定量化的計算模型，揭示產能主控地質因素，繼而指導優(yōu)化井位提高單井產量。

3.1 模擬方案設計

基于飛三段儲層精細描述，選擇基質儲層孔隙度、儲層厚度、裂縫密度、裂縫導流能力、非儲層比例及儲層連續(xù)發(fā)育區(qū)半徑等6個主要因素，每個因素設置5種水平(表2)，覆蓋了各因素上、下限，滿足研究需求?？紤]研究各因素全面組合(15 625組)工作量大，采用科學試驗常用的正交設計方法選擇有代表性的組合方案進行優(yōu)化設計。

根據(jù)上述考慮因素及各因素水平數(shù)，選用6因素5水平標準正交設計表L25(56)，完成正交優(yōu)化試驗方案設計(表3)。由表可知，本次正交優(yōu)化試驗方案共25種。

3.2 主控因素定性分析

根據(jù)上述25個正交試驗方案，利用數(shù)值模擬軟件建立相應模型，動態(tài)調配產量，按照3年穩(wěn)產期、20年預測期，分別以初期產量和預測期末采出程度進行優(yōu)化分析。

表2 普光主體飛三段非均質模型參數(shù)及取值范圍設計Table 2 Design of heterogeneous model parameters and value range of Puguang T1f3

表3 正交試驗設計方案Table 3 Orthogonal test design scheme

根據(jù)數(shù)值模擬結果，采用均質法對初期產量和預測期末采出程度進行無量綱處理后，分別計算各因素(6個)在不同水平(5個)條件下的平均值及最大極差，最終得到各因素的影響主次順序(表4、表5)。

表4 各因素不同水平條件下的初期穩(wěn)定產量(無量綱)Table 4 Initial stable yield under various factors and different levels (dimensionless)

表5 各因素不同水平條件下的預測期末采出程度(無量綱)Table 5 Predicted end-of-period recovery degree (dimensionless) under various factors and different levels

無量綱初期產量：

(2)

無量綱采出程度：

(3)

式中Eq——初期產氣量，無量綱；

Er——采出程度，無量綱。

根據(jù)上述正交設計模擬結果，采用極差法確定影響氣井初期產能的主要因素依次為：孔隙度(1.33)>非儲層比例(0.64)>儲層厚度(0.53)>連續(xù)區(qū)半徑(0.42)>裂縫密度(0.17)>裂縫導流能力(0.05)；影響氣井預測期末采出程度的主要因素依次為：孔隙度(0.92)>非儲層比例(0.40)>儲層厚度(0.26)>連續(xù)區(qū)半徑(0.26)>裂縫密度(0.19)>裂縫導流能力(0.04)。

各單因素不同水平對應產量及預測期末采出程度變化趨勢顯示：初期產能隨基質儲層孔隙度(滲透率)的增加呈指數(shù)式上升，孔隙度>3.5%后產能上升趨勢明顯加快；隨著非儲層比例增加，呈線性下降趨勢(圖8)。預測期末采出程度隨基質儲層孔隙度(滲透率)的增加呈線性上升；隨著非儲層比例增加，下降趨勢逐漸加快，非儲層比例超過40%后采出程度下降趨勢明顯加快(圖9)。

圖8 各因素不同水平初期產能變化趨勢Fig.8 Variation trend of initial productivity at different levels of various factors

圖9 各因素不同水平采出程度變化趨勢Fig.9 Variation trend of recovery degree at different levels of various factors

3.3 主控因素定量分析

在上述研究的基礎上，為研究不同組合地質參數(shù)對氣井產能及采出程度的綜合影響，引入新的綜合參數(shù)作為評判條件。綜合評價參數(shù)為單項評價參數(shù)加權后求和：

Mi=Eqi·Wq+Eri·Wr

(4)

式中M——綜合指數(shù)，無量綱；

W——權重系數(shù)，無量綱。

評價參數(shù)的權重通過該項參數(shù)變異系數(shù)除以所選2項參數(shù)變異系數(shù)的和求?。?/p>

(5)

(6)

將25套方案的數(shù)值模擬結果分別帶入上式，計算氣井產能及采出程度的權重分別為0.60、0.40，綜合參數(shù)范圍為0.3～2.0。在此基礎上，采用二次回歸模型構建綜合參數(shù)與儲層孔隙度(x1)、非儲層比例(x2)、儲層厚度(x3)、連續(xù)區(qū)半徑(x4)等4個主要影響因素間的計算方程，并回歸相關系數(shù)。

(7)

根據(jù)上述計算方程，結合普光氣田鉆完井作業(yè)及生產運行成本，在目前經濟技術條件下依據(jù)Mi值大小將普光氣田飛三段劃分為3類目標區(qū)域。

一類目標區(qū)域：Mi≥1.5，主要位于灘核，新鉆井具有較好的效益，開發(fā)潛力大。

二類目標區(qū)域：1.0≤Mi<1.5，主要位于灘緣內側，滿足新井經濟界限，具有一定開發(fā)潛力。

三類目標區(qū)域：Mi<1.0，主要位于灘緣外圍，達不到新鉆井經濟界限，潛力小。

通過以上分析可知：儲層物性、連續(xù)性及儲層厚度是影響氣井產能的主要因素，天然裂縫對氣井產能的影響相對較小。當儲層孔隙度不低于3.5%、物性夾層占比小于40%、儲層厚度大于25 m時，氣井達到二類目標區(qū)域，可獲得經濟產能，達到經濟界限要求。因此，在飛三段井位優(yōu)化設計過程中，據(jù)此優(yōu)選有利目標區(qū)域部署開發(fā)調整井，有利于提高單井產能及井控儲量采出程度?；谝陨险J識，完成普光氣田飛三段整體調整方案編制，共部署5口調整井，其中一類目標區(qū)2口井，二類目標區(qū)3口井，預計動用地質儲量60×108m3，年產能3.5×108m3。

4 結論認識

(1)通過各因素對氣井產能及預測期末采出程度進行綜合分析，引入綜合評價參數(shù)回歸了計算模型，并結合普光氣田新鉆井經濟界限劃分了三類目標區(qū)域，為普光氣田飛三段低孔低滲及同類氣藏開發(fā)選區(qū)提供一定的參考價值及研究思路。

(2)基于數(shù)值模擬分析，揭示了普光氣田飛三段水平井產能的主控因素，其中儲層物性、鉆遇率及厚度是主要影響因素，天然裂縫發(fā)育程度影響相對較小。普光氣田飛三段儲層孔隙度不低于3.5%、物性夾層占比小于40%、儲層厚度大于25 m時，氣井可達到較好的經濟產能。