頁巖氣藏水平井開采動態數值模擬研究

謝 川 郭 肖

西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 四川 成都 610500

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頁巖氣藏水平井開采動態數值模擬研究

謝 川 郭 肖

西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 四川 成都 610500

頁巖氣藏具有特低孔低滲、吸附氣含量高、無自然產能等特點，只有利用水平井技術及大型壓裂增產措施，才能獲得商業氣。為了更為準確地對頁巖氣藏水平井開采動態進行模擬研究，綜合考慮頁巖氣解吸、擴散、基質內運移和氣體滑脫效應等特征，運用數值模擬軟件Eclipse建立相應的單井數值模型，并對產能影響因素進行敏感性分析。研究表明，氣體滑脫效應在開發中后期有利于水平井產氣量的提高，在生產開發過程中，應盡量考慮氣體滑脫效應對產氣量的影響；天然裂縫滲透率、分段壓裂裂縫導流能力、裂縫間距和裂縫半長的變化對水平井產氣量影響很大，敏感性很高；水平井分段壓裂參數是影響頁巖氣井產量的重要參數，應對相應壓裂參數進行合理優化。

頁巖氣；水平井；分段壓裂；滑脫效應；數值模擬

0 前言

頁巖氣是指以吸附態和游離態賦存于富有機質和納米級孔徑的黑色頁巖地層中的天然氣，是一種清潔高效的非常規天然氣。在頁巖氣層中，富烴頁巖不僅是天然氣的烴源巖，也是儲存和富集天然氣的儲集巖和蓋層，為典型的“自生自儲、原地滯留”的聚集模式。頁巖儲層一般天然裂縫發育，可為頁巖氣提供充足的儲集空間，同時裂縫也是頁巖氣流入井筒的唯一通道。頁巖氣開采以水平井為主，頁巖儲層必須經過大型壓裂改造才能獲得商業產量，水平井技術及壓裂增產工藝是實現高效開發頁巖氣藏的關鍵技術。

目前，國外已經在頁巖氣滲流機理及數值模擬技術方法上開展了一些研究[1-3]，而國內僅有少數科研工作者對頁巖氣井的生產動態、氣井產能影響因素、頁巖氣藏滲流機理和數值模擬技術進行了研究[4-12]。筆者在綜合考慮頁巖氣解吸、擴散、基質內運移和滑脫效應等特征后，利用商業數值模擬軟件Eclipse 2011.1，建立了考慮氣體解吸、擴散、基質內運移以及滑脫效應的頁巖氣藏分段壓裂水平井單井數值模型，模擬分析了頁巖氣井的生產動態，對產能影響因素進行了敏感性分析，為確定頁巖氣井生產動態特征和水平井的分段壓裂提供理論依據。

1 頁巖氣井模型的建立

頁巖氣藏具有特低孔低滲、吸附氣含量高、無自然產能等特點，因此頁巖氣藏數值模擬更具復雜性和挑戰性。目前頁巖氣藏數值模擬模型包括雙重介質模型、多重介質模型和等效介質模型[6]，其中雙重介質模型應用得最多。雙重介質模型假設頁巖由基質和裂縫兩種孔隙介質構成，裂縫為頁巖氣的主要滲流通道，而基質為主要的氣體儲集空間。本文在雙重介質系統基礎上，對頁巖基質網格進行離散化處理，將一個基質網格離散成多個嵌套子網格，以此更能準確表征流體在低滲透率基質網格塊中的瞬間流動，原理見圖1。頁巖氣的運移產出經歷了解吸、擴散、滲流三個過程，基質系統中僅考慮解吸和擴散，裂縫系統的運移為考慮了克林肯伯格效應的廣義達西滲流；模型中的解吸過程僅考慮延時解吸這一種模式，解吸出的頁巖氣的擴散作用遵循Fick擴散定律；利用傳導率乘數方法來模擬頁巖氣儲層中裂縫滲透率隨地層壓力變化而變化，以此在模型中考慮滑脫效應的影響。

圖1 基質網格離散化原理圖

有限差分模擬器(Eclipse油氣藏模擬軟件中的頁巖氣藏模塊)認為天然氣儲存在致密頁巖基質的孔隙空間內，并吸附在頁巖有機物上，游離氣則蘊藏在頁巖地層的天然裂縫內。在建立氣藏單井模型時，基質裂縫系統滲透率、氣體擴散系數、Langmuir壓力常數、基質裂縫竄流系數、吸附氣含量以及甲烷吸附等溫線函數等氣藏特性都可以很容易地包括在模型中。同時Eclipse模擬器還可以很好地對水平井及分段壓裂進行模擬，通過油氣藏模擬可以對多種氣井產能影響因素(氣藏自身參數和水平井分段壓裂參數)進行敏感性分析。

筆者運用數值模擬軟件Eclipse 2011.1頁巖氣藏模塊建立三維地質模型，地質模型中心設置一口水平井，通過控制網格尺寸來模擬分段壓裂縫及天然裂縫，基準方案的模型網格數為89×41×1，其中基質嵌套子網格數為4，模型大小為1 251 m×534.2 m×10 m。模型頂深為2 100 m，有效厚度為10 m，假定氣體組分均為甲烷氣體。模型的基本物性參數見表1。

表1 模型基本物性參數設置

2 頁巖氣井生產動態模擬

頁巖氣藏的特殊孔隙結構決定了頁巖氣具有特殊的滲流方式，從宏觀和微觀流動特征分析，頁巖氣在雙重介質中的流動是一個復雜的多尺度流動過程，運移產出機理特殊，同時頁巖儲層壓力的降低是使頁巖氣解吸和運移的直接動力。頁巖氣井在投產初期的產氣量高，這部分氣主要來源于聚集在基質孔隙和裂縫中的游離氣，但遞減較快；隨著游離氣被不斷采出，地層壓力不斷降低，吸附于頁巖基質表面的天然氣開始慢慢解吸，在濃度差的作用下運移至裂縫，最后進入井筒被采出，后期產量遞減緩慢，氣井生產年限較長。圖2中分別模擬了考慮滑脫和不考慮滑脫兩種方案下分段壓裂水平井的產氣量遞減曲線。從圖2曲線可以看出，頁巖氣井在開采初期產氣量高，氣井產氣量遞減異常顯著，這部分氣主要來源于裂縫孔隙中的游離氣。由于游離氣的大量產出，以及氣體的解吸擴散速度小于滲流運移速度，日產量曲線的下滑趨勢開始變緩；隨著地層壓力和游離氣的進一步下降和產出，在中后期相當長一段時間里，基巖表面的吸附氣快速解吸后在基質孔隙中出現大量的解吸氣，增加了基質孔隙和裂縫孔隙中氣體的濃度，在擴散和滲流作用下最終運移到井筒，導致氣井產氣量在生產中后期保持穩步緩慢遞減的狀態。

圖2 頁巖氣井產量遞減曲線模擬圖

從圖2還可以看出，在水平井開采初期，兩種方案產氣量差別不大，之后開始存在一定的差異。這說明在水平井開采初期，滑脫效應對水平井產氣量的影響很小，之后對產氣量的影響日益明顯。滑脫效應在開發中后期有利于水平井產量的提高，氣體的流動因滑脫效應的存在更加順暢，使頁巖氣井的產量增大。因此在頁巖氣生產開發過程中，應盡量考慮滑脫效應對產氣量的影響，加快相應頁巖氣開發技術的創新，合理高效地開發頁巖氣。

在氣井生產過程中，儲層的壓力分布變化情況也反映了氣井生產動態的情況，圖3為頁巖氣分段壓裂水平井不同開采時期的壓力分布圖。從圖3可以看出，在頁巖氣藏水平井生產初期，壓力降低最早出現于人工壓裂形成的主裂縫，最先產出的氣體也是這些裂縫中的游離氣；隨著開采的不斷進行，主裂縫處的壓力不斷降低，壓降漏斗隨之增大，壓力波及范圍擴大，裂縫周圍的吸附氣在降壓過程中開始解吸，未被改造的儲層開始向主裂縫供氣。在開發后期，壓力波及范圍不再擴大，單井控制儲量范圍有限，只能通過增加井的數量來提高頁巖氣產量。

圖3 頁巖氣分段壓裂水平井不同生產時期的壓力分布圖

3 頁巖氣井產能影響因素分析

在所建立的地質模型基礎上，對頁巖氣井產能的主要影響因素進行敏感性分析，包括天然裂縫滲透率、基質—裂縫耦合因子(竄流系數)、氣體擴散系數等氣藏自身參數，以及分段壓裂裂縫間距、裂縫半長、裂縫導流能力等水平井分段壓裂參數。

3.1 天然裂縫滲透率

不同天然裂縫滲透率及產氣量見表2，產氣量隨時間變化的曲線見圖4。從表2和圖4可以看出，天然裂縫滲透率對頁巖氣藏水平井的產氣量影響很大，隨著天然裂縫滲透率從0.000 1×10-3μm2增大到0.005×10-3μm2，水平井的產氣量增長幅度很大，說明天然裂縫滲透率對水平井產氣量的敏感性很高。同時，天然裂縫滲透率越高，地層壓力下降越快，導致頁巖氣解吸速度越快，天然裂縫滲透率的提高也為氣體流向井筒提供了更為順暢的流動通道。天然裂縫滲透率的高低直接影響著氣體從基質通過微裂縫運移到人工裂縫的快慢，因此，天然裂縫的發育程度及滲透性的好壞對儲層中氣體的運移及最終產氣量有很大影響。

表2 不同天然裂縫滲透率及產氣量

圖4 產氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫滲透率)

3.2 基質—裂縫耦合因子

基質—裂縫耦合因子是雙重孔隙介質的一個重要表征參數，表示雙重孔隙儲層中裂縫系統與基質系統之間流體交換的難易程度，反映氣體由基質系統向裂縫竄流的能力。不同基質—裂縫耦合因子及產氣量見表3，產氣量隨時間變化的曲線見圖5。由表3和圖5可以看出，基質—裂縫耦合因子對產氣量的影響較大，當基質—裂縫耦合因子從0.004增大到0.4時，產量上升幅度較大；基質—裂縫耦合因子對氣井產量的影響主要發生在開采的中后期，初期氣井所產出的氣主要是裂縫孔隙中的游離氣，到中后期基質系統中的游離氣和解吸氣對氣井產量的貢獻越來越大，對于雙孔單滲模型，裂縫系統與基質系統間的氣體交換作用顯得非常重要。

表3 不同基質—裂縫耦合因子及產氣量

圖5 產氣量隨時間變化的曲線(不同基質—裂縫耦合因子)

3.3 氣體擴散系數

氣體擴散系數反映了基質孔隙中頁巖氣的擴散能力。不同氣體擴散系數及產氣量見表4，產氣量隨時間變化的曲線見圖6。由表4和圖6可以看出，當氣體擴散系數從0.065 m2/d增大到6.5 m2/d時，水平井產氣量上升幅度較大，氣體擴散系數對產氣量的敏感性較高。氣體擴散系數對氣井生產初期的產氣量影響較小，其對產氣量的影響主要是在生產的中后期，這是因為氣井在生產初期的產氣主要是裂縫孔隙中的游離氣，氣體的運移以裂縫中的滲流為主，擴散作用相對很弱；隨著游離氣的大量產出，基質中的吸附氣開始大量解吸，壓力下降緩慢，氣體的擴散作用開始突顯出來。

表4 不同氣體擴散系數及產氣量

圖6 產氣量隨時間變化的曲線(不同氣體擴散系數)

3.4 分段壓裂裂縫間距

不同分段壓裂裂縫間距及產氣量見表5，產氣量隨時間變化的曲線見圖7。從表5和圖7可以看出，隨著裂縫間距的增大，產氣量下降幅度較大，裂縫間距的變化對水平井產氣量敏感性較高。這說明在綜合考慮儲層條件和壓裂成本的前提下，應盡量縮短裂縫間距，合理增加分段壓裂裂縫條數，擴大有效壓裂面積，將壓裂裂縫與天然裂縫充分連通，增加流體的有效流動通道。

表5 不同分段壓裂裂縫間距及產氣量

圖7 產氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫間距)

3.5 分段壓裂裂縫半長

不同分段壓裂裂縫半長及產氣量見表6，產氣量隨時間變化的曲線見圖8。從表6和圖8可以看出，隨著分段壓裂裂縫半長的增加，水平井產氣量明顯增大，但當裂縫半長增加到一定值的時候，產氣量的增長幅度隨裂縫半長的增加而減小，這是因為當裂縫半長增加到一定值時，壓裂裂縫已經充分連通了遠井地帶的天然裂縫，提供了充足的流體流動通道，有利于遠井地帶的頁巖氣向井筒流動。同時當裂縫半長很短時，產氣量十分低，因此在充分考慮壓裂成本的前提下，盡可能增大裂縫半長，將壓裂裂縫與遠井地帶的天然裂縫進行連通，有利于增加水平井產氣量。

表6 不同分段壓裂裂縫半長及產氣量

圖8 產氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫半長)

3.6 分段壓裂裂縫導流能力

不同分段壓裂裂縫導流能力及產氣量見表7，產氣量隨時間變化的曲線見圖9。裂縫的導流能力是衡量人工壓裂形成的裂縫體系是否具有經濟效益的一個很重要指標，頁巖氣藏的開發不僅僅依靠復雜的裂縫網絡系統，還需要壓裂裂縫有足夠的導流能力。從表7和圖9可以看出，隨著裂縫導流能力的增加，水平井產氣量大幅上升，說明裂縫導流能力的變化對水平井產氣量的敏感性很高。因此，在壓裂施工過程中，應盡可能增加裂縫的導流能力，提高壓裂支撐劑的性能，加大流體在壓裂裂縫中的流動效率。同時，在大型壓裂過程中如果能形成較高導流能力的裂縫，可相應減少壓裂級數，減少成本。

表7 不同分段壓裂裂縫導流能力及產氣量

圖9 產氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫導流能力)

4 結論

1)在水平井開采初期，滑脫效應對水平井產氣量影響很小，之后對產氣量的影響日益明顯，滑脫效應在開發后期有利于水平井產氣量的提高。滑脫效應的存在，使氣體的流動更加順暢，從而使頁巖氣井的產氣量增大。因此在頁巖氣的生產開發過程中，應盡量考慮滑脫效應對產氣量的影響。

2)從敏感性分析結果來看，天然裂縫滲透率、分段壓裂裂縫導流能力、分段壓裂裂縫間距和裂縫半長的變化對水平井產氣量影響很大，敏感性很高；基質—裂縫耦合因子和氣體擴散系數對頁巖氣井中后期的產氣量具有一定影響，反映出裂縫系統與基質系統之間流體交換的難易程度，以及基質系統內氣體的擴散對氣井中后期的產氣量影響較大，頁巖氣井的產氣量是游離氣運移和吸附氣解吸、擴散共同作用的結果。

3)水平井分段壓裂參數是影響頁巖氣井產氣量的重要參數，因此必須采用水平井和有效的壓裂方式對頁巖氣進行開采，擴大有效壓裂面積，將壓裂裂縫與天然裂縫充分連通，增加流體的有效流動通道，同時提升裂縫的導流能力，提高壓裂支撐劑的性能，加大流體在壓裂裂縫中的流動效率。

4)在綜合考慮儲層條件和壓裂成本的前提下，應對壓裂水平井的裂縫間距、裂縫半長、裂縫條數等水力壓裂參數進行合理優化。

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2015-05-26

國家重大科技專項“頁巖氣開發機理及技術政策研究”(2011 ZX 05018-005)

謝 川(1988-)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要從事油氣藏數值模擬及非常規油氣開發研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.010