頁巖氣開采模擬實驗方法研究

端祥剛 胡志明 彭 輝 李武廣 常 進 劉華勛 沈 瑞

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院, 河北 廊坊 065007; 2. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610041; 3. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院, 四川 成都 610041

0 前言

1 流動能力測試實驗

1.1 實驗設(shè)計

頁巖微納米級孔隙中氣體流動時,空間尺度遠小于常規(guī)空間尺度,流動機理也發(fā)生變化。依據(jù)努森數(shù)劃分,頁巖氣的流動狀態(tài)包含了達西流、滑脫流和過渡流。由于跨流態(tài)流動的復(fù)雜性,使得頁巖氣的流動能力更加難以描述。目前頁巖實驗中流動能力表征仍然以達西滲透率為主,測試壓力普遍偏低,測試結(jié)果無法有效反應(yīng)頁巖儲層條件氣體的流動能力[11-12]。因此設(shè)計了頁巖氣流態(tài)測試裝置,通過測試0.1～40 MPa壓力范圍內(nèi)的頁巖滲透率,分析了頁巖氣在不同壓力水平下的流動能力。

1.2 實驗設(shè)備與流程

實驗設(shè)備及流程見圖1。具體實驗步驟如下:

1)檢查系統(tǒng)的氣密性后,將巖心放入夾持器,加環(huán)壓至50 MPa。

3)改變?nèi)肟趬毫χ?5 MPa,同時為避免應(yīng)力敏感對流動能力的影響,降低環(huán)壓至45 MPa,此后整個實驗環(huán)壓與入口壓力差值始終保持為10 MPa,重復(fù)步驟2)。

4)依次降低壓力直至實驗壓力至0.1 MPa,實驗結(jié)束。

5)計算頁巖滲透率,并采用克式公式修正。由于實驗壓差范圍很大,使用不同量程的傳感器和壓力控制方法來實現(xiàn)精準控制。較低壓力條件下(如1 MPa以下),高壓氣瓶通過精密氣壓控制調(diào)節(jié)閥與巖心夾持器相連。實驗氣體經(jīng)過調(diào)壓閥,保持在所需壓力范圍內(nèi)流向巖心。較高壓力條件下(如1 MPa以上),由ISCO泵提供穩(wěn)定壓力。

圖1 頁巖氣穩(wěn)態(tài)流動實驗流程圖

1.3 實驗結(jié)果與討論

測試了不同壓力下的穩(wěn)態(tài)滲透率,運用達西公式的微分形式推導(dǎo)出氣體滲透率的計算公式,計算不同壓力下的視滲透率，見圖2。

a)平均壓力/MPa

b)平均壓力倒數(shù)圖2 不同壓力與壓力倒數(shù)的滲透率值

從圖2-a)可以看出,當(dāng)平均壓力高于2 MPa時,氣體流動均為滑移流,表觀滲透率隨壓力降低近似線性緩慢增加,滑移區(qū)表觀滲透率總體增幅小于1個量級。平均壓力小于0.5 MPa時,流態(tài)為過渡流,在極小的壓力變幅內(nèi),表觀滲透率迅速增加,滲透率較低的巖心表觀滲透率可增大1個量級以上。巖心滲透率越低,滑移流過程表觀滲透率也越低,在產(chǎn)生過渡流后,低滲巖心的表觀滲透率增幅更大。這是由于過渡流存在努森擴散,氣體流動不再符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè),低滲巖心的流動通道尺度較小,努森擴散作用相應(yīng)地更強[13]。當(dāng)使用表觀滲透率反映巖心流動能力時,由于低壓條件下擴散作用的影響,低滲巖心的流動能力增大更明顯[14-15]。由于努森數(shù)由壓力和孔徑共同決定,根據(jù)上述的壓力界限可以判斷巖心樣品的氣體流態(tài)。當(dāng)壓力水平相同時,孔隙特征尺度成為劃分流態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[16]。從平均壓力倒數(shù)曲線圖2-b)可以看出,滲透率隨著平均壓力的不同呈現(xiàn)三段式,在低壓段、高壓段均會出現(xiàn)非達西滲流,低壓段滑脫效應(yīng)明顯。

2 生產(chǎn)動態(tài)模擬實驗

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

由于頁巖儲層裂縫是主要流動通道,而基質(zhì)的供給能力有限,基質(zhì)的供給范圍決定著氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)期[17]。在裂縫附近的基質(zhì)供給區(qū),可視為基質(zhì)向裂縫的一維流動,采用儲層巖心建立一維流動物理模擬方法,研究地層壓力條件下基質(zhì)對裂縫的供給能力。采用多巖心串聯(lián)的方式建立頁巖氣基質(zhì)供給的物理模擬方法,通過設(shè)置沿程測壓點可以直接獲取壓力在基質(zhì)中的傳播距離,然后根據(jù)產(chǎn)氣規(guī)律和壓力剖面可以計算距離縫面不同深度基質(zhì)塊的氣體動用情況。

2.2 實驗設(shè)備與流程

所采用自主研發(fā)的多測點衰竭開發(fā)模擬實驗系統(tǒng)見圖3,主要包括ISCO泵、高壓體積流量計、高精度壓力傳感器、巖心夾持器、中間容器、環(huán)壓泵及甲烷檢測防爆裝置等。實驗流程如下:

1)首先檢查系統(tǒng)的氣密性,然后將巖心在105 ℃下烘干48 h,在干燥皿中冷卻至室溫放入夾持器,加環(huán)壓至35 MPa。

2)恢復(fù)儲層原始賦存狀態(tài),采用恒壓模式將甲烷氣注入巖心中,記錄各測點壓力。飽和至巖心各測點壓力至30 MPa后關(guān)閉氣源,然后觀察各測點壓力,如96 h內(nèi)各測點壓力不再變化,認為巖心恢復(fù)至原始賦存狀態(tài)。由于頁巖的致密性與吸附特性,此過程可長達幾天,甚至幾十天。

3)打開出口,開始衰竭開發(fā)實驗,實時記錄各測點壓力和出口端產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。

為提高實驗的精確度,進行了如下設(shè)計:

1)減少系統(tǒng)自由體積。由于頁巖孔隙度較小,實驗系統(tǒng)中自由體積,包括管線、閥門以及夾持器通道內(nèi)的自由體積對實驗含氣量和產(chǎn)氣規(guī)律的影響不能夠忽略,因此需要采用定制自由體積小的巖心夾持器,并且在計算氣量中予以扣除。

2)壓力和流量采用分級測量方式,選用不同量程的壓力傳感器保證測量的精度,同樣初期流速較大時,采用進口氣體質(zhì)量流量計測量氣體流量,當(dāng)流動進入低產(chǎn)期,采用氣泡法或微管排水法多次測量。

3)實驗系統(tǒng)可以進行不同氣體和不同尺度巖心的實驗,多巖心串聯(lián)的衰竭開發(fā)實驗時,在出入口和夾持器中間共設(shè)置了6個測壓點,可以測量巖心生產(chǎn)過程中的沿程壓力,進而獲取壓力剖面。

圖3 衰竭開發(fā)實驗裝置流程圖

2.3 實驗結(jié)果與分析

頁巖樣品不同生產(chǎn)時間的壓力剖面和產(chǎn)氣量見圖4。

a)壓力剖面

b)產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣速率

從圖4-a)可以看出,頁巖基質(zhì)滲流能力較低,生產(chǎn)時間非常長,5塊巖心長度供給約20 cm,生產(chǎn)120 d,入口壓力僅僅從初始的30 MPa降低至14 MPa,而且由于頁巖氣的吸附特征,越到生產(chǎn)后期,壓力降幅越緩,因此對于頁巖儲層來說,常常具有長達幾年到幾十年的穩(wěn)產(chǎn)期。從壓力剖面可以看出,在初始開采階段,頁巖氣的壓力剖面與砂巖等常規(guī)氣藏一樣,動邊界內(nèi)呈“上凸型”的壓降漏斗,越靠近采出端,壓降越大,頁巖儲層壓力傳播動邊界到達入口(1號測壓點)的時間為6 d。

隨著生產(chǎn)時間的推進,各測點壓力逐漸降低,當(dāng)壓力降至約15 MPa以后,壓力剖面逐漸由“上凸型”轉(zhuǎn)為“下凹型”,而且壓力越低,這種趨勢越明顯,這就是因為吸附氣的大量供給,使得靠近出口端的4號和5號測壓點壓力降幅變緩,而遠端測壓點吸附氣尚未動用,主要產(chǎn)出游離氣,這與巖心內(nèi)壓力是否達到臨界解吸壓力密切相關(guān),吸附氣的供給是壓力降低緩慢的主要原因。

3 全生命周期開采模擬實驗

3.1 實驗設(shè)計

頁巖氣井生產(chǎn)過程中,由于受到生產(chǎn)制度及工程因素的影響,常常導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)、壓力不連續(xù)等問題,給產(chǎn)量歷史擬合與預(yù)測帶來困難,為真實模擬頁巖氣在地層中的流動,采用現(xiàn)場密閉取心的全直徑巖心,在恢復(fù)地層壓力模擬原始賦存狀態(tài)之后,開始全生命周期的開發(fā)模擬實驗,以獲取完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及計算過程中需要的一些關(guān)鍵參數(shù),解決當(dāng)前頁巖氣井產(chǎn)能計算與生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測方法難以解決的難題。

3.2 實驗設(shè)備與流程

1)將保壓取心全直徑巖心夾持器取出,接入模擬實驗裝置流程,用高壓泵將高壓中間容器中的甲烷氣增壓并維持在28 MPa,直到巖心出、入口高壓中間容器的壓力不再降低,此時頁巖氣幾乎完全處于原始地層的存儲狀態(tài)。

2)打開出口調(diào)節(jié)閥,開始頁巖氣井全生命生產(chǎn)周期長期生產(chǎn)的動態(tài)模擬。實驗過程中的入口壓力、出口壓力及出口氣量分別通過壓力傳感器與氣體質(zhì)量流量計實時連續(xù)記錄。

3.3 實驗結(jié)果與分析

全直徑巖心的壓力、產(chǎn)氣速率及累產(chǎn)氣量曲線見圖5。

a)日產(chǎn)氣量和壓力曲線

b)累產(chǎn)氣量與吸附氣、游離氣量

從圖5-a)可以看出,頁巖氣生產(chǎn)初期產(chǎn)氣量大、遞減速度快,然后進入穩(wěn)產(chǎn)期,產(chǎn)量遞減曲線與單井產(chǎn)量遞減曲線相似度很高,呈L型遞減,前期產(chǎn)氣量高是由于游離氣動用,隨后吸附氣動用,實驗進入穩(wěn)產(chǎn)期,長達1 900 d,物理模擬很好反映了頁巖氣生產(chǎn)初期產(chǎn)氣量大、遞減速度快、后期穩(wěn)產(chǎn)時間長的特點。通過物質(zhì)平衡方法可以獲取吸附氣和游離氣的產(chǎn)氣規(guī)律,從圖5-b)可以看出,初期主要產(chǎn)出游離氣,吸附氣在后期供給才明顯,累產(chǎn)氣量明顯上翹,進一步說明吸附氣是頁巖氣后期長期穩(wěn)產(chǎn)的重要氣源[18]。

從圖6單井產(chǎn)氣量與累產(chǎn)氣量曲線可以看出,實驗產(chǎn)氣量變化曲線和實際生產(chǎn)井的產(chǎn)氣量曲線變化規(guī)律基本一致。該生產(chǎn)井2012年7月開始生產(chǎn),初期峰值產(chǎn)氣量可達15×104m3/d以上,隨后進入長達數(shù)年的穩(wěn)產(chǎn)期,按目前產(chǎn)量預(yù)測,該井的低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期仍然可以持續(xù)數(shù)年。從日產(chǎn)氣量曲線可以看出,實際生產(chǎn)井的產(chǎn)氣速率并不規(guī)律,尤其是開發(fā)初期,受壓裂液返排和采氣工藝的影響,采用常規(guī)方法利用壓力和產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)測頁巖氣產(chǎn)能和產(chǎn)量異常困難。進入生產(chǎn)中后期,產(chǎn)氣速率有一定規(guī)律性,但是生產(chǎn)制度的變化給模型計算帶來困難,如數(shù)次開關(guān)井導(dǎo)致井底壓力變化,產(chǎn)量數(shù)據(jù)不連續(xù),給產(chǎn)量遞減分析和EUR預(yù)測帶來很大偏差。

圖6 單井產(chǎn)氣量與累產(chǎn)氣量曲線

通過全生命周期開發(fā)實驗可以獲取全生命周期的壓力和產(chǎn)量數(shù)據(jù),解決了頁巖氣實際生產(chǎn)井生產(chǎn)時間短,生產(chǎn)制度變化帶來的產(chǎn)量和壓力不連續(xù)的問題,為建立單井產(chǎn)量預(yù)測模型,反演單井動態(tài)及EUR計算提供了寶貴的數(shù)據(jù)[19-20]。同時通過實驗數(shù)據(jù)建立模型可計算耦合傳質(zhì)實驗巖心的壓力傳播距離,結(jié)合等溫吸附曲線可以確定臨界解吸壓力,研究發(fā)生解吸附的區(qū)域。

4 結(jié)論

1)研發(fā)的流動能力測試實驗、開采動態(tài)模擬實驗、全生命周期開發(fā)模擬實驗具有高壓力(40 MPa)、長周期(5 a)、多點測壓等特點,能夠較為真實地模擬頁巖儲層溫壓條件下頁巖氣的賦存狀態(tài)和產(chǎn)氣規(guī)律。

2)流動能力實驗表明低壓條件下努森擴散作用使得頁巖滲透率大幅增加。生產(chǎn)動態(tài)模擬與全生命周期開采實驗共同證實了頁巖基質(zhì)壓力傳播較慢,生產(chǎn)初期主要產(chǎn)出游離氣,吸附氣只有在生產(chǎn)后期才開始供給。

3)通過系列物理模擬實驗方法,能夠較深入地揭示頁巖氣的傳質(zhì)輸運機理和產(chǎn)出規(guī)律,為頁巖氣滲流機理和開采方式優(yōu)選研究奠定實驗基礎(chǔ)。