低滲致密氣藏壓裂返排數值模擬研究

王新杰

（中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450000）

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，屬于典型的低滲致密砂巖氣藏，剩余未動用儲量品位差、有效厚度薄，必須采用水平井多級壓裂才能實現經濟有效開發。與常規儲層相比，低滲致密氣藏更易形成壓裂液侵入帶，且返排初期壓裂液的返排率極低，現場統計結果僅為30%～50%[1，2]。壓裂液滯留于儲層中將直接影響壓裂后的生產效果和氣井的穩產時間。目前針對低滲致密氣藏壓裂液滯留機理的數值模擬研究還比較少，陳守雨，杜林麟[4]在研究低滲氣井壓裂液返排模型時指出，壓裂施工后氣體首先在近井地帶侵入裂縫，而不是沿著裂縫兩個端點侵入；BO SONG[3]在頁巖氣數值模擬研究的基礎上指出，壓裂液的返排存在兩個動力（生產壓差的建立和氣體的膨脹）和三個阻力（氣液滲流速度差異引起的氣阻效應、滲吸效應、積液）；王飛，張士誠[5]以注水井的方式模擬了壓裂液的泵入、返排和生產過程，并分析了壓裂液侵入深度對壓裂產能的影響規律，但是沒有考慮裂縫的起裂機理、不同區域相滲的影響和侵入區滲透率的損失；同時，這些模型均沒有制定壓裂返排結束的標志，也沒有考慮返排率與氣井穩產時間之間的關系。因此，為了更好的模擬低滲致密氣藏壓裂液返排規律和壓裂液滯留機理，筆者在文獻調研[6-8]的基礎上考慮了多種因素對壓裂返排規律的影響，建立了壓裂液返排規律的示蹤劑追蹤模型[9-11]，研究了壓裂液的返排規律和低滲致密氣藏壓裂液的滯留機理，同時對裂縫導流能力和侵入區滲透率損失程度進行了優化[12]，為制定壓裂施工設計和指導壓后產能評價工作提供了理論依據。

1 模型設計及模型參數選取

1.1 壓裂返排數值模擬設計

目前應用Eclipse來研究壓裂返排的文獻還很少，且考慮因素不夠全面，為了更準確地模擬壓裂返排的過程，本文主要采用以下方法實現了壓裂返排的數值模擬設計：（1）考慮不同網格區域的初始水體組成不同：裂縫網格（純壓裂液）、壓裂液侵入區（壓裂液+束縛水）、未受污染的區域（束縛水+可動水）；（2）對裂縫和侵入區網格進行加密，以等效導流能力的方法處理水力裂縫[13-15]，設置裂縫寬度為1 m，滲透率為400 mD，壓裂液侵入深度為1.2 m，侵入區網格寬度依次為0.3 m、0.4 m、0.5 m；（3）使用SATNUM關鍵字對飽和度進行分區，裂縫、侵入區和未受污染的儲層區域分別應用不同的相滲曲線；（4）應用pressure關鍵字考慮返排初期壓力的不均勻分布，設置裂縫和壓裂液侵入區的初始壓力為裂縫閉合壓力的0.9倍；（5）將濾餅和壓裂液濾失造成的裂縫周圍區域的滲透率損失等效考慮為侵入區網格的滲透率損失；（6）考慮壓裂液效率為0.5，應用water關鍵字為不同分區設置不同的初始含水飽和度；（7）在裂縫和壓裂液侵入區網格的水體中添加示蹤劑，比較準確地模擬壓裂液滯留機理及壓裂液返排情況。

1.2 模型建立

以大牛地氣田某區塊X井為例，含氣儲層位于下石盒子組盒三段，儲層埋深2 920 m、厚度15 m、凈毛比0.4，縱向上可細分為5個小層。建立網格節點數為170×101×5的氣水兩相黑油模型，網格步長為DX=10 m、DY=10 m、DZ=3 m。根據試井分析結果儲層平均滲透率取0.108 mD，儲層平均孔隙度取0.08%；根據現場壓裂施工設計取水平井長度為1 000 m，壓開9條裂縫（裂縫間距120 m），侵入區長度L為290 m，裂縫長度Lf為250 m（0.85L），侵入區滲透率損失系數取0.7；現場壓裂9條裂縫的壓裂液用量為3 000 m3，根據壓裂液效率0.5，設置裂縫網格初始含水飽和度為1，侵入區初始含水飽和度為0.836 6；裂縫網格和壓裂液侵入區網格水體中示蹤劑初始濃度設置為1，機理模型初始時刻壓力分布圖（見圖1）。

2 壓裂液返排規律分析

數值模擬中示蹤劑的采出可以分為兩種形式：隨著壓力降低和含水飽和度的變化被采出，主要受公式（1）所控制；以傳質擴散的形式被采出，主要受公式（2）所控制。

對應壓裂返排的過程，示蹤劑的采出可以劃分為三個階段：壓裂液快速返排階段、壓裂液穩定返排階段和示蹤劑傳質擴散階段。對于壓裂液快速返排階段和穩定返排階段結束的標志，目前數值模擬中還沒有統一的劃分標準。結合現場測試結果，對比分析示蹤劑遞減規律，設置示蹤劑遞減率5‰作為壓裂液快速返排階段結束的標志，此階段示蹤劑的采出幾乎百分之百受式（1）所控制，此時示蹤劑的產量即為壓裂液的產量；設置示蹤劑遞減率1‰作為壓裂液穩定返排階段結束的標志，此階段示蹤劑的產量主要受公式（1）所控制，同時還有很少量的示蹤劑產量是以公式（2）所控制的傳質擴散形式被采出，此階段示蹤劑的產量可近似看作壓裂液的產量；壓裂液穩定返排結束后，示蹤劑的產量將主要以傳質擴散的形式被采出。

以文中制定的劃分標準為前提，設置定產氣量30 000 m3/d模擬生產15年。示蹤劑產量遞減規律及壓裂液返排階段的劃分（見圖2），統計得到氣井穩產時間為817 d，壓裂液快速返排結束時間為60 d，返排率為35.0%，穩定返排結束時間為571 d，返排率為78.9%。而現場測試60 d的返排率為36.6%，最終返排率為80%，誤差均在5%以內。可見模型與實際壓裂返排規律具有較高的一致性，完全可以用來進行壓裂液返排規律數值模擬研究。

3 壓裂液滯留機理分析

3.1 平面上的滯留

3.1.1 氣液流動速度差的影響 模擬60 d時裂縫及侵入區第一層含水飽和度和示蹤劑濃度分布圖（見圖3），從圖3中可知：隨井眼處壓力降低，氣體首先沿著井眼處突破，氣體影響范圍以井眼為中心逐步向兩端擴張，高含水飽和度和高示蹤劑濃度區域主要分布在侵入區和裂縫內部遠離井眼的位置。由于在相同壓力梯度的條件下，氣體的流動速度遠大于水的流動速度，氣體在平面上滲流過程中會發生指進現象，當氣體在裂縫中心井眼處快速突破后，由于氣液滲流速度的差異，就會造成侵入區和裂縫內部遠離井眼處的壓裂液滯留地層中而不能快速返排。

3.1.2 滲吸作用的影響 由圖3可知：快速返排結束后，裂縫頂部網格含水飽和度幾乎為0，但與裂縫相鄰的侵入區網格含水飽和度遠高于裂縫內部含水飽和度，且示蹤劑濃度很高，壓裂液滯留于裂縫鄰近網格，從而影響到整個侵入區壓裂液的返排。壓裂液之所以會滯留于裂縫鄰近網格，是由于裂縫導流能力比較大，氣液流動所需的驅替壓力比較小，而與裂縫相鄰的侵入區的毛管壓力較高。高毛管壓力很容易克服驅替壓力，從而在裂縫與侵入區網格之間形成滲吸[16-18]，造成壓裂液滯留于侵入區網格中。

圖1 模型初始時刻壓力分布圖Fig.1 Pressure distribution in the initial stage

圖2 示蹤劑產量遞減規律及壓裂液返排階段劃分Fig.2 Decline law of tracer production and stage division of fracturing fluid flowback

圖3 模擬60 d時裂縫及侵入區第一層含水飽和度和示蹤劑濃度分布Fig.3 Distribution of water saturation and tracer concentration in invaded zone on the sixtieth day

3.2 縱向上的滯留

快速返排階段裂縫內部氣椎形成及擴大過程（見圖4），從含水飽和度和示蹤劑濃度分布可以看出，壓裂液主要滯留于氣椎以下的裂縫底部。主要原因是受平面上氣體指進突破和縱向上重力作用的影響，氣體在裂縫內快速流動形成氣椎，由于氣體的流動速度遠大于液體的流動速度，氣椎的形成將會嚴重阻礙裂縫內部氣椎以下壓裂液的返排，從而使大量的壓裂液滯留在裂縫底部和裂縫兩端。

4 壓裂返排敏感性分析

4.1 裂縫導流能力

為研究裂縫導流能力對穩產期和初期返排階段返排率的影響[19-21]，分別設置裂縫導流能力為1 D·cm、5 D·cm、10 D·cm、20 D·cm、30 D·cm、40 D·cm、50 D·cm、60 D·cm進行模擬。從模擬結果（見圖5）可知：隨著裂縫導流能力的增加，對應的穩產時間逐漸增加，但增加速率逐漸降低，當裂縫導流能力增加到40 D·cm時，隨導流能力增加對應的穩產時間不再變化；與導流能力對穩產期的影響規律類似，隨著裂縫導流能力的增加，對應60 d時的返排率逐漸增加，但增加速率逐漸降低，當裂縫導流能力增加到40 D·cm時，隨導流能力增加，對應的返排率幾乎不再變化。綜合考慮裂縫導流能力對穩產期和返排率的影響，同時考慮到裂縫導流能力越高，對施工工藝和支撐劑的性能要求也越高，相應的投入成本也越高，因此，推薦最優裂縫導流能力在40 D·cm左右。

4.2 侵入區滲透率

圖5 裂縫導流能力對穩產時間和返排初期階段返排率的影響Fig.5 Affection of fractured conductivity on stable production period and early-staged flowback rate

圖6 侵入區滲透率損失系數對穩產期和初期返排階段返排率的影響Fig.6 Affection of invaded zone permeability loss on stable production period and early-staged flowback rate

為研究侵入區滲透率損失系數對穩產期和初期返排階段返排率的影響，分別設置侵入區滲透率損失系數為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 進行模擬，從模擬結果（見圖6）可以看出：隨著侵入區滲透率損失系數的增加，同樣生產60 d時的返排率逐漸增加，主要原因是侵入區滲透率的減小將會減緩平面上氣體指進突破到井眼的速度，有利于裂縫內部壓裂液的返排；但是當侵入區滲透率損失系數大于0.3后，穩產期開始逐漸減少，尤其是當侵入區滲透率損失系數大于0.5后，穩產期出現急劇下降，因此考慮侵入區滲透率損失對返排率和穩產期的影響，工程上在實施壓裂施工的過程中，應盡可能保證侵入區滲透率損失系數不大于0.3。

5 結論

（1）考慮侵入區滲透率的損失、不同區域相滲曲線的差異，同時考慮返排初期含水飽和度和地層壓力的不均勻分布，應用局部網格加密、示蹤劑追蹤、飽和度分區等方法建立了低滲致密氣藏壓裂液返排機理模型，并以示蹤劑產量遞減率為5‰和1‰分別設定了壓裂液快速返排階段和穩定返排階段結束的標志，與壓裂液實際返排情況進行對比驗證，結果表明模型與實際壓裂返排規律具有較高的一致性。

（2）通過對低滲致密氣藏壓裂液返排規律進行數值模擬研究，低滲致密氣藏壓裂液滯留機理可歸納為三個方面：①平面上氣體指進突破造成壓裂液侵入區和裂縫內部遠離井眼處的壓裂液滯留地層中而不能快速返排；②侵入區的高毛管力形成的滲吸效應，造成壓裂液滯留于侵入區鄰近裂縫的網格,進而影響侵入區壓裂液的返排；③裂縫內部縱向上氣椎的形成造成壓裂液滯留在裂縫底部和裂縫兩端。

（3）以數值模擬的方法研究了裂縫導流能力和侵入區滲透率損失系數對穩產時間和初期階段返排率的影響，推薦最優裂縫導流能力在40 D·cm左右，建議工程上在實施壓裂施工的過程中，應保證侵入區滲透率損失系數不大于0.3。