致密氣藏水平井參數(shù)優(yōu)選研究

張海勇

中國石油大學（北京） 石油工程教育部重點實驗室，北京 102249

0 前言

致密氣藏資源豐富，分布廣，已成為勘探開發(fā)的重點，但由于儲層物性差，致使產能較低，開發(fā)難度很大。隨著技術的發(fā)展，水平井在致密氣藏的開發(fā)中比直井更有優(yōu)勢。 靖邊氣田是典型的低壓、低滲、低豐度致密巖性氣藏，致密低滲區(qū)塊儲量動用困難。 自2006 年開始采用水平井開發(fā)以來，水平井實施效果逐年提高，相對于直井，水平井的增產效果顯著，如JP 34-11 井，試氣無阻流量27.67×104m3/d，鄰近直井的試氣平均無阻流量7.8×104m3/d，增產倍數(shù)達3.55 倍。 但是，已投產的水平井開發(fā)效果并不理想， 大部分已投產的水平井試氣無阻流量較低；部分投產水平井單井產量低，壓力下降快；加密區(qū)由于地層壓力較低，鉆水平井開發(fā)效果差。 造成這種現(xiàn)狀的主要原因在于水平井的水平段長度、滲透率等參數(shù)范圍不明確，不利于氣田現(xiàn)場根據(jù)儲層的特點進行水平井開發(fā)及利用水平井提高開發(fā)效果。

為此，綜合利用氣藏工程、數(shù)值模擬和經濟評價等方法，優(yōu)選了影響水平井產能的主要參數(shù)，建立了適合靖邊氣田水平井開發(fā)的參數(shù)優(yōu)選流程， 以指導氣藏的水平井選井、設計和提高利用水平井開發(fā)效果及經濟效益。

1 水平井產能的影響因素

1.1 敏感性分析

目前， 水平氣井的產能評價方法主要有Joshi 公式、Gier 公式、Borisov 公式、Renard 公式和李曉平公式等［1-4］。靖邊氣田水平井并未采用壓裂措施，公式具有適用性。

結合靖邊氣田地質、工程情況（基本參數(shù)取相應平均值），依據(jù)上述產能公式中含有的各個自變量，研究滲透率、有效厚度、水平段長度等主要因素對水平井產能的影響；并進行影響程度對比，找出關鍵影響因素。 盡管各水平井產能公式計算結果存在一定差異，但其趨勢一致，因此利用最接近實際產能的Joshi 公式對各因素的影響程度進行敏感性分析，見圖1。

研究得出，不同因素對水平氣井產能的影響程度不同，其敏感性序列為：地層壓力＞滲透率＞氣層厚度＞水平段長度＞表皮系數(shù)＞儲層各向異性＞偏心距。

圖1 水平氣井產能影響因素敏感性分析

1.2 影響因素篩選

對于靖邊氣田下古馬五段主力儲層而言，原始地層壓力30 MPa 左右變化不大， 因此雖然地層壓力對水平氣井的產能影響較敏感，但其本身變化不大。 同時儲層各向異性、 偏心距對靖邊氣田水平井產能的影響較小。因此水平井開發(fā)主要受到滲透率、氣層厚度、水平段長度、表皮系數(shù)四因素的影響。

上述部分參數(shù)受客觀地質和技術條件限制，如氣層厚度變化有限，表皮系數(shù)雖然可以通過儲層改造措施改變，但其控制范圍有限。 而水平段長度與設計有關，是影響氣井產能最關鍵的可控因素；實踐表明，滲透率也是影響氣井產能的可調節(jié)因素。 因此，主要對水平段長度、地層系數(shù)及滲透率等影響水平井產能的參數(shù)進行優(yōu)選，確定參數(shù)的上、下界限，作為是否適合鉆水平井（選井）及水平井設計的判斷依據(jù)。

2 主要產能影響參數(shù)的界限

水平氣井選井的條件受到地質、產能、穩(wěn)產能力及工程技術等多方面因素的影響，與預期的目標也息息相關，需要從多方面綜合論證。

已有的研究中，水平井產能公式計算時，直井泄流半徑Rev一般選取為定值， 這會對水平井產能的計算產生一定的誤差， 原因在于直井泄流半徑Rev與滲透率k實際上呈一定的函數(shù)關系。 因此，通過建立直井動儲量與滲透率的關系式見圖2， 反推出直井泄流半徑與滲透率的關系，見式（1）。

式中：Rev為直井泄流半徑，m；k 為滲透率，10-3μm2。

通過計算水平井的液流面積，可以得到在該泄流面積下等效的直井泄流半徑，應用于水平井的產能計算和水平井參數(shù)優(yōu)選過程中。

2.1 地層壓力

圖2 直井Re v 與k 的關系曲線

基于Joshi 公式，計算得到30 MPa 時不同滲透率（不同地層系數(shù)k·h）下的水平段長度與無阻流量、產能倍數(shù)比的關系，見圖3。 分析得出：以無阻流量10×104m3/d 為下限，確定有效滲透率下限是0.5×10-3μm2（地層系數(shù)k·h為1.5×10-3μm2·m），有效水平段下限是1 600 m，而此時滿足水平井與直井的產能倍數(shù)比Jh/Jv﹥6.5。 根據(jù)產能倍數(shù)的一階導數(shù)，確定有效水平段的上限是2 500 m。

同理， 得出了地層壓力為25、20 MPa 時不同滲透率下的無阻流量隨地層壓力的下降值，當?shù)貙訅毫Ψ謩e下降到25、20 MPa 時無阻流量下降程度達21%、44%。 由于20 MPa 時的無阻流量下降程度接近一半， 從投入產出的角度考慮，不建議利用水平井進行區(qū)塊開發(fā)。

圖3 30 MPa 下水平段長度與無阻流量、 產能倍數(shù)比的關系

2.2 滲透率和水平段長度

利用單井數(shù)值模擬，并結合經濟評價，進一步確定水平井產能影響參數(shù)的界限。

數(shù)值模擬的模型見圖4，Rev為不同滲透率k 對應的泄流半徑，L 為水平段長度。 水平井泄流面積為長方形，長=2×Rev+L， 寬=2×Rev。 其中模擬采用氣田參數(shù)的平均值：氣層厚度3 m，地層壓力30 MPa，孔隙度0.051，含氣飽和度0.724，水平方向的滲透率1.0×10-3μm2，垂直方向的滲透率0.1×10-3μm2。水平井為定壓生產，最低井口壓力（衰竭開采方式）為6.4 MPa。 經濟評價的參數(shù)取值如下：天然氣商品率91%，天然氣的稅收率1.9%，氣體單價1.04元/m3，操作成本0.094 元/m3，貼現(xiàn)率12%，5 年期的貸款利率5.4%；水平井單井的總投資見表1，總投資中30%為自有流動資金，70%通過銀行貸款獲得，5 年還清； 評價年限20 年。

圖4 水平井泄流面積示意圖

表1 水平井單井的總投資與水平段長度之間的關系

滲透率取值分別為0.1、0.5、1、2、5×10-3μm2， 水平段長度取值分別為0、200、500、800、1 000、1 500、2 000、2 500 m，變量兩兩組合，同時考慮水平井與直井對比方案。

由于泄流面積隨滲透率變化，使得每個方案的水平井控制面積不同，將方案預測結果直接對比，沒有可比性，甚至得出錯誤結論。 為此，提出將數(shù)值模擬預測的開發(fā)指標折算到同等泄流面積下，保證了參數(shù)界限優(yōu)選的技術、經濟評價（累計凈現(xiàn)值NPV）結果的可比性。

圖5 是研究結果，表明滲透率k=0.5、1、2、5×10-3μm2時，合理水平段長度的下限分別為1 700、1 500、800、200 m；當k ≥1×10-3μm2后，20 年累計凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值均大于0，經濟效益良好；當滲透率k=1、2、5×10-3μm2，對應的水平井有效水平段長度L≥1 500、800、200 m 時，利用水平井開發(fā)氣田的經濟效益開始比采用直井開發(fā)好。 從中可以看出，地層的滲透率越低，越需要更長的有效水平段長度，以增大泄流面積，提高水平井的產能。 但是當?shù)貙訚B透率＜1×10-3μm2后，采用水平井開發(fā)的經濟效益不佳，不建議利用水平井開發(fā)氣田。

2.3 儲量豐度

固定滲透率、水平段長度，研究儲量豐度參數(shù)對開發(fā)指標影響。 儲量豐度的取值分別為：0.1、0.15、0.2、0.4、0.6、0.8×108m3/km2。

圖5 k=1.0×10-3 μm2 時的累計產氣量、 采收率、 累計凈現(xiàn)值指標對比

根據(jù)前面的分析，考慮到研究區(qū)屬于致密氣藏，滲透率低，結合靖邊氣田的水平井鉆井技術現(xiàn)狀，確定滲透率下限k=1×10-3μm2，對應的合理水平段長度L=1 500 m，研究不同儲量豐度對開發(fā)指標影響，以確定儲量豐度參數(shù)的界限，見圖6。

分析表明，在不同儲量豐度時，20 年預測期內，由累計凈現(xiàn)值＞0，確定儲量豐度下限約為0.17×108m3/km2。 從中可以看出，采用水平井開發(fā)氣田時，需要綜合考慮氣田的儲量豐度分布情況。 在地層的儲量豐度低于下限值的區(qū)域，采用水平井開發(fā)不具有經濟效益，因此，不適合利用水平井開發(fā)氣田。

2.4 參數(shù)優(yōu)選后的產能預測

通過水平井參數(shù)的優(yōu)選， 確定了水平井設計的參數(shù)范圍，并結合實際地質模型，綜合考慮古殘丘分布、小幅度構造分布、溝槽分布等因素設計了水平井網［5-6］，利用數(shù)值模擬方法預測了水平井的無阻流量。 圖7 的結果表明，經過參數(shù)優(yōu)選后，37 口水平井組成的井網的單井無阻流量在3.0×104～68.5×104m3/d，平均值達到31×104m3/d，總的無阻流量是1 146×104m3/d， 開發(fā)效果遠遠好于目前的水平井開發(fā)現(xiàn)狀， 說明建立的水平井參數(shù)優(yōu)選流程是有效的，對利用水平井開發(fā)靖邊氣田具有一定的指導意義。

圖6 不同儲量豐度的累計產氣量、采收率、累計凈現(xiàn)值指標對比

圖7 各個水平井的無阻流量

3 結論

a）確定影響水平井產能的主要因素時，在敏感性分析之后， 還需要結合客觀的地質和技術條件進行分析，以排除無法通過措施改變的產能影響參數(shù)。

b）通過氣藏工程方法和數(shù)值模擬方法，結合經濟評價，確定了主要產能影響參數(shù)的界限，可以作為是否鉆水平井以及水平井設計的判斷依據(jù)，有利于氣田現(xiàn)場根據(jù)儲層的特點選擇水平井開發(fā)、進行水平井參數(shù)設計及利用水平井提高開發(fā)效果。 具體判斷依據(jù)為：地層壓力為30 MPa 時的滲透率界限 （ ＞0.5×10-3μm2）和有效水平段長度界限（1 600 ～2 500 m），滲透率低于0.5×10-3μm2時， 利用水平井開發(fā)不具有經濟效益，不建議采用水平井開發(fā)；地層壓力＜20 MPa 時，不建議利用水平井進行區(qū)塊開發(fā)；水平井經濟開采的儲量豐度下限為＞0.17×108m3/km2， 對于儲量豐度小于該下限值的區(qū)塊，不適合利用水平井進行開發(fā)；在進行水平井設計時，可以根據(jù)地層的滲透率狀況，選擇對應的合理有效水平段長度。

c）適合靖邊氣田水平井開發(fā)的參數(shù)優(yōu)選流程為：首先確定水平井產能的主要影響參數(shù)，然后對確定的參數(shù)進行優(yōu)選，確定參數(shù)的范圍。

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