頁巖氣水平井多段壓裂產能影響因素數值模擬研究

胡 嘉，姚 猛

（1.長江大學石油工程學院，湖北荊州 434023；2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

我國頁巖氣富集地質條件優越，預計資源量達100×1012m3，約為常規天然氣量的兩倍[1]。其中，四川、吐哈、塔里木等盆地頁巖十分發育，層厚、埋深及有機碳含量等均具備頁巖氣的成藏條件，勘探潛力巨大。在借鑒美國頁巖氣成功開發的經驗之后，結合我國實際條件開發頁巖氣，已成為目前能源研究的熱點和突破口。

頁巖氣藏的孔滲結構與常規氣藏存在顯著不同，其孔滲結構具有超致密，特低孔，特低滲的特征。裂縫發育有助于游離相天然氣的富集和自然產能的提高，因此裂縫發育程度是頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一。當頁巖發育的裂隙達到一定數量和規模時,即成為勘探的有利目標[2]。目前，僅有少數天然裂縫十分發育的頁巖氣井可直接投入生產,其余90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產措施溝通其天然裂縫,提高井筒附近儲層導流能力。長水平井多段壓裂技術作為目前頁巖氣開發的關鍵技術，決定著頁巖氣藏能否成功高效的開發。因此，選擇合適的數值模型，分析影響多段壓裂產能的因素，具有十分重要的意義。

1 頁巖氣藏模型的建立

頁巖氣藏是“自生自儲”式氣藏。在頁巖中，天然氣的賦存狀態多種多樣。除極少量的溶解狀態天然氣以外，大部分均以吸附狀態賦存于巖石顆粒和有機質表面，或以游離狀態賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣的賦存與有機質含量密切有關，它與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長關系，其中吸附狀態天然氣的含量變化于20%～85%。因此從賦存狀態觀察，頁巖氣介于煤層吸附氣（吸附氣含量在85%以上）和常規圈閉氣（吸附氣含量通常忽略為零）之間。由于頁巖儲層以自由氣和吸附氣儲氣方式為主，基質滲透率過小，滲透阻力過大，因此流體的滲流通道主要是裂縫網絡系統。微地震監測結果及產量統計研究顯示：壓裂后形成的裂縫所波及的面積越大，則改造效果越好。頁巖氣井生產階段產量的遞減主要發生在投產初期的1.0～1.5 a，其遞減率為60%～70%，生產后期逐漸進入穩產階段，改造體積越大，壓后穩產時的產量越高。

存在天然裂縫的頁巖氣藏可以用雙孔介質來進行模擬。這種方法的特點是將裂縫中的流動和基質中的流動分開，這種模型由裂縫網絡和基質巖石兩部分疊加而成，其中裂縫是作為頁巖氣的主要滲流通道，而基質巖石是作為主要的儲存空間。兩種介質的相互作用是由傳導函數來控制的，也可以稱為形狀或耦合因子。而耦合因子是由基質巖塊的幾何尺寸或裂縫之間的距離所決定的。

傳統的雙重介質模型假設流體從基質到裂縫的流動為擬穩態流動，但是在頁巖氣藏中，基質是有孔隙的，而流體在孔隙系統中的流動是非常重要的。可以通過對基質網格再分，得到一系列的再分網格，從而得到離散的基質模型，通過這種對基質網格再分的方法可以來進行模擬和預測氣體在基質中的流動。

鑒于目前尚未研制出針對頁巖氣開發的成熟數模軟件，在此利用Eclipse 軟件中的煤層氣、雙重介質等模塊對頁巖氣儲層裂縫系統與產能之間的關系進行研究。依據某頁巖氣藏注采井網，基本參數（見表1），建立數值模型，考察以下5 種影響水平井壓后產能的因素，包括裂縫系統的滲透率、裂縫傳導率、裂縫間距、裂縫半長、裂縫條數等。

表1 頁巖氣藏模型基本參數

模型為頁巖基質和天然裂縫的雙重介質模型。Eclipse 里的多孔介質模型中考慮了自由氣從基質到裂縫中的流動，在多孔介質模型中，對基質單元網格進行了再劃分。基質再分網格形成了一系列相互獨立的單向流系統，并與裂縫網格連接。圖1 顯示了基質網格中壓力分布。

圖1 基質網格壓力分布

2 頁巖氣藏壓后產能影響因素分析

2.1 裂縫網絡滲透率

頁巖基質滲透率范圍為0.00001 mD 到0.0001 mD，孔隙度為2%～8%。水力壓裂使得裂縫相互連通，并且破碎了基質巖石，在井筒周圍形成了大范圍復雜的裂縫網絡，從而驅使氣體流向井筒。

為研究裂縫網絡滲透率對壓后產能的影響，設定水力壓裂縫間距為90 m，傳導率為1.5 mD·m，高度為9 m，半長為105 m，模擬裂縫網絡的滲透率分別為0.0001 mD、0.0005 mD、0.001 mD。得到不同裂縫網絡滲透率下累積產氣量曲線（見圖2），以及生產20年后基質壓力分布情況（見圖3）。

圖2 不同裂縫網絡滲透率下累積產氣量曲線

圖3 生產20年后基質壓力分布對比

由圖2可以看出，隨著天然裂縫滲透率的增加，累積產氣量逐漸增大。圖3 則表明提高裂縫的滲透率能夠在井筒附近形成更大的氣體流動區域。這是由于對頁巖氣藏進行水力壓裂，破碎巖石，使得已有的天然裂縫之間相互連通，增加了氣體與裂縫的接觸面積，從而提高了裂縫導流能力。其增產效果很大程度上取決于氣藏本身發育的天然裂縫的滲透率，因此氣藏本身特性對于頁巖氣產量評價是非常重要的。

2.2 壓裂裂縫傳導率

假設裂縫平面垂直于井筒延伸方向，裂縫寬度為0.003 m，水力壓裂從射孔處開始。裂縫傳導率分別設為0.3 mD·m、1.5 mD·m 和15 mD·m，分別對其進行數值模擬。得到不同傳導率下累積產氣量曲線（見圖4），以及20年后基質壓力分布情況（見圖5）。

圖4 不同傳導率下累積產氣量曲線

由圖4可以看出，隨著人工壓裂裂縫導流能力的增加，累積產氣量逐漸增大。圖5 表明提高壓裂裂縫的導流能力能夠在井筒附近形成更大的氣體流動區域。裂縫導流能力增加，使得氣體在裂縫內的流動加快，由于裂縫內氣體急劇減少，基質中的氣體逐漸向裂縫擴散，從而使得產氣量增大。

圖5 20年后基質壓力分布對比

圖6 20年后基質壓力分布對比

2.3 壓裂裂縫間距

設定裂縫半長為105 m，裂縫傳導率為1.5 mD·m,對裂縫間距分別為45 m，90 m，135 m（對應裂縫條數分別為16 條、10 條和6 條）的情況進行數值模擬。得到不同裂縫間距時累計產氣量曲線（見圖7），以及20年后基質壓力分布情況（見圖6）。

圖7 不同裂縫間距累積產氣量曲線

從圖7可以看出，隨著裂縫間距的增加，累計產氣量逐漸降低。圖6 則表明裂縫間距增大，氣體在井筒附近的流動區域減小。這是由于在水平井長度一定的條件下，隨著裂縫間距的增加，裂縫條數相應減少。裂縫間距的增加使得每條裂縫所覆蓋的氣體流動區域增大，產氣量增加；然而與此同時裂縫條數的減少會使氣體流動區域減少，使得產氣量減少。相對于裂縫間距的增加，裂縫條數的減少對產量影響更大，因此裂縫間距的增加使得累積產氣量減少。

2.4 壓裂裂縫半長

設定裂縫條數為10 條，裂縫傳導率為1.5 mD·m，間距為90 m，在裂縫半長分別為45 m、105 m、165 m和225 m的條件下進行模擬。得到不同裂縫半長對應的累積產氣量曲線（見圖8），以及20年后基質壓力分布情況（見圖9）。

從圖8可以看出，隨著裂縫半長的增加，裂縫波及范圍越大，產氣量逐漸增加，圖9 則表明壓裂裂縫越長，裂縫所能影響到的氣體流動范圍越大，更多的氣體能夠更快流入到井筒，從而產量更高。

圖9 20年后基質壓力分布對比

圖10 20年后基質壓力分布對比

2.5 壓裂裂縫條數

設定其它參數不變，僅改變裂縫條數1～10 條，分別進行模擬，得到不同裂縫條數時的累積產氣量曲線（見圖11），以及20年后基質壓力分布情況（見圖10）。

圖11 不同裂縫條數累積產氣量曲線

3 結論

從圖11可以看出，隨著壓裂裂縫條數增加，累積產氣量逐漸增大。圖10 表明增加裂縫條數能增大氣體流動范圍。增加壓裂縫條數，溝通了更多天然裂縫，裂縫所能影響到的氣體流動范圍相應增大，從而使產氣量增加。

（1）對于頁巖氣藏來說，水平井水力壓裂對氣藏產能的影響是非常重要的，氣藏的特性（天然裂縫滲透率和天然裂縫分布）、水力壓裂裂縫的傳導率、裂縫間距、裂縫半長以及裂縫條數等參數都會對頁巖氣產能有非常大的影響。

（2）由于頁巖氣相對于煤層氣，吸附態天然氣不多，吸附和游離態相互共存，在對其進行產能評價時需與煤層氣模塊的數學模型加以區別。根據實際頁巖儲層有機質含量，調整吸附態天然氣量，使其更加貼近頁巖開發特征，提高產能預測精度。

（3）頁巖氣氣藏開發增產效果很大程度上取決于氣藏本身發育的天然裂縫的滲透率，氣藏本身特性對于頁巖氣產量評價是非常重要的。頁巖氣能否成功有效的開發，最本質取決于氣藏裂縫發育程度。

（4）在滿足經濟開采頁巖氣條件下，為延長穩產時間，減緩產量衰減速率，應合理控制產量。對壓裂水平井，合理優化裂縫間距、裂縫半長、裂縫條數等參數，提高氣藏開發效果。

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