致密砂巖非均質氣藏平面供氣機理研究

謝小飛，張 毅，鄧長生，馬 強，米偉偉.

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 71006)

對于致密氣的定義，國內外學者在成藏機理上提出了多種模型[1-3]，包括“深盆氣”“盆地中心氣”“連續油氣聚集”等；而從現實應用的實質上，則更側重于開發的技術性和經濟性，國際上公認的致密氣藏是指在儲層條件下氣體滲透率小于0.1 mD(不包含裂縫滲透率)的砂巖儲層[4-7]， 位于鄂爾多斯盆地東南部的延安氣田即為典型的致密砂巖氣藏[8]。致密砂巖氣藏由于其地質條件復雜，低孔低滲的特性，使得許多看似成熟的關鍵技術并不能直接套用[7,8]。雖然近年來的水平井及儲層壓裂改造技術在一定程度上促進了致密氣藏的開發，但在理論研究上，其平面供氣的機理研究卻相對甚少[9-13]。本文以取自鄂爾多斯盆地東南部延安氣田上古生界巖心為樣品，模擬近井區為高滲，遠井區為低滲，對致密砂巖非均質氣藏的平面供氣機理進行了系統的模擬實驗研究。

1 物理模擬模型及實驗方法

1.1 實驗物理模型及原理

本實驗根據非均質氣藏的儲滲特征，建立高低滲“串聯”的平面非均質儲層供氣機理如圖1所示的物理模擬模型，使用兩組巖心組合分別作為“高滲區”和“低滲區”串聯，在常溫高壓(45 MPa)實驗條件下，考慮3種滲透率級差(1.5/0.05 mD， 1.5/0.5 mD，0.5/0.05 mD)，3種采氣速度(20、35、70 ml/min)定產量生產，定時記錄每個巖心組合的壓力、生產時間、瞬時產氣量、累計產氣量，研究產量、壓力和采收率變化規律，從而對不同區域供氣機理、供氣條件、供氣能力進行研究。

圖1 實驗流程圖Fig.1 The flow chart of experimental

1.2 實驗條件

(1)實驗溫度：常溫。

(2)實驗壓力：為了模擬研究區實際地層應力狀態，巖心內壓從45 MPa開始衰竭。

(3)實驗氣體：N2。

(4)實驗地層水：按礦化度較低的未飽和地層水組分(20 000 mg/l)配制。

1.3 實驗步驟

平面供氣實驗步驟如下：

(1)實驗前清洗烘干巖心，飽和地層水，然后將巖心組合順序從入口端到出口端依次放入巖心夾持器，按照實驗流程圖正確安裝各實驗儀器，并對各實驗儀器進行校正。在常溫下將中間容器裝滿干氣，加壓至地層壓力(45 MPa)；

(2)檢查實驗流程密封性，將高、低滲儲層巖心加上圍壓(比內壓高6 M～7 MPa)，打開中間容器閥門，對高低滲巖心進行氣驅水，建立束縛水，調節調壓閥使高、低滲巖心(區)最終壓力平衡在地層壓力；

(3)通過出口氣體質量流量計按照預定速度(20 ml/min、35 ml/min、70 ml/min)控制出口流量進行衰竭生產，用兩個圍壓泵分別控制，保持兩個夾持器圍壓大于內壓約2 M～3 MPa；

(4)壓力傳感器定時記錄高滲區和低滲區的兩端壓力、生產時間、瞬時產氣量、累計產氣量。按設計壓力下降到廢棄壓力(5 MPa)后，關閉出口，記錄壓力恢復情況；

(5)依次完成不同速度衰竭實驗。

1.4 實驗數據處理方法

實驗獲取數據為三個壓力表數據，即出口壓力、高滲入口壓力、低滲入口壓力，以及三個壓力與時間的關系。本實驗采用封閉氣藏物質平衡方程進行計算：

封閉氣藏物質平衡方程：

(1)

式中 Gp——累計采出量；

Pi——原始地層條件下的壓力；

G——原始地質儲量；

Zi——原始地層條件下的偏差因子。

不同壓力下的偏差因子計算，本次實驗采用Hall-Yarborough(H-Y)方法進行計算偏差因子Z，從30 MPa開始每隔5 MPa計算一個偏差因子，然后線性回歸得到任意壓力下的偏差因子計算公式(2)：

Z=-2.597 8*(0.01P)3+ 3.322 3*(0.01P)2-0.029 9P+1.002 7

(2)

式中 Z——任意壓力下的偏差因子；

P——平均地層壓力，MPa。

1.5 巖心選擇

巖心選擇及參數見表1。

2 實驗結果與討論

2.1 平面非均質儲層壓力變化特征

(1)配產分別為20 ml/min、35 ml/min、70 ml/min時非均質儲層壓力變化特征。

表1 實驗巖心參數表Table 1 Parameters of experimental core

圖2是k1/k2=1.5/0.05(mD/mD)模型不同配產(20、35、70 ml/min)條件下進行生產模擬時的壓力變化規律曲線，從圖中可以看出：當配產Q=20 ml/min時，高滲區和低滲區壓力呈斜率較小的線性下降；隨著配產增大，當Q=35 ml/min時，低滲區曲線斜率增大幅度較小，而高滲區曲線斜率大幅度的增加；當Q增大到70 ml/min時，低滲區曲線斜率呈現小幅度的增加趨勢，而高滲區曲線已接近直線下降，呈大幅度的下降趨勢，這是因為當低滲區滲透率較低，且整個模型的非均質性較強時，增大配產，高滲區的壓降會很快，而低滲區的壓力不能及時傳到高滲區，所以，低滲區的壓降速率超過一定的配產就不會再產生較大的變化。

圖2 不同配產時低滲區壓力與時間關系圖(k1/k2=1.5/0.05)Fig.2 The relationship between pressure and time in low permeability zone at different production stages (k1/k2=1.5/0.05)

(2)不同滲透率組合時非均質儲層壓力變化規律

圖3中給出了兩組不同模型( k1/k2=1.5/0.5， k1/k2=1.5/0.05)的高滲區和低滲區壓力變化曲線，兩組模型高滲區巖心一樣，低滲區巖心滲透率差一個數量級，巖心尺寸大體一致。圖中，實驗剛開始時，高滲區的兩條壓降曲線下降趨勢基本一致；中后期的時候開始偏離，滲透率極差較大的壓力下降更快些；而低滲區的兩條曲線從開始就差異很大，低滲區滲透率越大，其壓降下降的越快，即對高滲區的壓力補給越好；反之，低滲區滲透率越小，對高滲區壓力補給就越小，高滲區壓力下降就越快，在高滲區出口端達到廢棄壓力時其剩余壓力越高，這就導致低滲區開發后期仍存在較高的剩余能量，即儲層中剩余氣體較多。

圖3 不同滲透率組合時高滲區壓力與 時間關系曲線(35配產)Fig.3 The relationship of pressure and time in hypertonic zone with different permeability combinations (35production)

(3)增產改造對致密非均質儲層壓力變化影響。

圖4是 k1/k2=1.5/0.05(mD/mD)模型串聯儲層壓裂前后的壓力傳播圖，分析可以看出：①當配產Q=70 ml/min時，高滲區壓力下降很快，模型在1 h時已經接近廢棄壓力，而低滲區還殘余40 MPa的相當高的壓力，說明高滲區主要在生產早期階段產氣，而低滲區壓降幅度小，動用較困難。②壓裂改造前，即高滲區滲透率大(1.5 mD)且與低滲區滲透率(0.05 mD)級差較大時，井口(出口)壓力和過渡段壓力(平均壓力)變化趨勢基本一致，高滲區為主要的壓降區域，而增產改造后，高滲區壓降幅度減小，低滲區壓降幅度增大，即壓裂改造增加了低滲區向高滲區的壓降補給，縮小了壓降漏斗的范圍。③對于非均質儲層，結合圖5不難看出，壓裂以后，當滲透率極差為1.5/0.05(mD/mD)時，邊界剩余壓力的降低的幅度最大；當滲透率極差為1.5/0.5(mD/mD)時，邊界剩余壓力降低的幅度最小，基本無變化，也就是說壓裂改造后，高、低滲區兩端壓差均變小，同時高滲區入口壓力得到了有效補給，壓裂后壓降減緩，增加了壓力降低到廢棄壓力的時間，延長了穩產期。

圖4 壓裂前后壓力對比(k1/k2=1.5/0.05，70配產)Fig.4 The pressure comparison before and after fracturing (k1/k2=1.5/0.05, 70 production allocation)

圖5 壓裂前后邊界剩余壓力對比(70配產)Fig.5 comparison of Boundary residual pressure before and after fracturing (70 production allocation)

2.2 平面非均質儲層供氣特征

結合圖6，圖7可以看出，在穩產期，高、低滲區均以較高產量生產，且都隨配產的增加，瞬時產氣量增加，但高滲區產氣量始終大于低滲區，整個模型主要以高滲區產氣為主；當低滲區滲透率較低時，低滲區瞬時產氣量總體都比較低，配產為70 ml/min時，低滲區瞬時產氣量也不超過25 ml/min，而低滲區的滲透率大小對穩產期也有一定的影響，滲透率越低，穩產期越短。

從圖7我們可以看出高滲區模型的瞬時產氣量與總瞬時產氣量曲線很相似，都是在前期瞬時產氣量下降，穩產期逐漸趨于穩定，低滲區雖然前期瞬時產氣量有稍微上升，但也不影響整個模型的總產氣量趨勢，說明高滲區對總產氣量起著主要貢獻作用，不同滲透率儲層的產氣量特征為我們認識平面高、低滲串聯儲層的供氣特征提供了直觀的依據。

圖7儲層改造后，我們可以看到高滲區瞬時產氣量比壓裂前略有下降，而低滲區瞬時產氣量上升幅度較大，而且整個模型降低到廢棄壓力的時間延長，這說明壓裂主要是增加低滲區向高滲區的壓力補給，使低滲區的壓力能較好地傳到高滲區，從而延長穩產期的時間，提高采收率。

圖7 壓裂前后總瞬時產氣量(1.5/0.05,70配產)Fig.7 Total instantaneous gas production before and after fracturing (1.5/0.05,70 production)

2.3 平面非均質儲層采收率影響因素分析

表2，圖8 為不同滲透率極差、不同配產下壓裂前后非均質氣藏的總采收率，圖中可以看出，在高滲區滲透率均為1.5 mD時，在進行增產改造之前，配產越高，采收率越低，且低滲區滲透率越小，這種隨配產下降的低滲區采收率變化幅度越大，相反，配產對高滲區采收率的影響則明顯小于低滲區，在增產改造后，低滲區滲透率低的模型，其壓裂改造后對采收率的影響越明顯；在低滲區滲透率均為0.05 mD時，即低滲區滲透率相同時，可以看出，高滲區滲透率低的模型在相同配產下其采收率反而越高，但增產改造對其的采收率提高幅度小于高滲區滲透率大的模型。

綜上，非均質儲層高滲區與低滲區滲透率極差越小，非均質性越弱，其采收率越高，反之，非均質性越強，其低滲區的采收率越低，整個儲層的綜合采收率就越低；增產改造雖然增加了高滲區的滲流能力，即增加了高滲區與低滲區的滲透率極差，但改造后低滲區的采收率卻明顯增加，分析認為主要是壓裂造縫連通了高滲區與低滲區的壓力系統，使得高滲區的壓降能及時得到低滲區的補給，從而提高了采收率。

表2 不同滲透率極差、配產以及增產改造后采收率匯總Table 2 Summary of recovery for different permeability ranges, production allocation and fracture

圖8 配產和滲透率極差對采收率的影響Fig.8 The influence of recovery with production allocation and permeability range

2.4 平面非均質儲層高、低滲區產氣貢獻特征

定義產量貢獻率：高低滲區某時刻累計產氣量占該時刻模型總產氣量的百分數。

(1)配產對儲層產量貢獻率的影響。

當k1=1.5 mD時，k2=0.5 mD和0.05 mD的實驗中可以看出，k2越大，高滲區產量貢獻率下降的越快，達到平衡時(穩產期)對整個產量的貢獻率越小，而低滲區產量貢獻率增加的越快，達到平衡時(穩產期)對整個產量的貢獻率越高(圖9)。整個模型高滲區的產量貢獻率在模型開始時是迅速降低的，而低滲區的產量貢獻率早期是快速增加的，經過一段時間后逐漸趨于穩定，分析認為這主要是因為初期高滲區壓力下降較快，產量貢獻率較高，而低滲區由于儲層非均質性原因，對高滲區的壓力補給會隨高滲區壓力的降低而增強，從而增加產量貢獻率。圖10中，當k1/k2=1.5/0.05時，可以看出，配產從70 ml/min到20 ml/min的變化中，配產越高，高滲區的產量貢獻率在穩定時越高，低滲區產量貢獻率越低，即在一定范圍內配產的增加會增加高低滲區產量貢獻率的差距，如果是在實際生產中，就是過大的配產會使遠井區儲量動用減小，從而降低整個儲層的采收率。

圖9 不同低滲儲層滲透率模型產量貢獻率特征曲線(k1=1.5 mD，35配產)Fig.9 Characteristic of output contribution rate of permeability models with different low permeability (k1= 1.5 md, 35 production allocation)

圖10 不同配產高低滲儲層產量貢獻率變化特征(k1/k2=1.5/0.05)Fig.10 Variation characteristics of production contribute-on rate of low and high permeability reservoirs with different production distribution (k1/k2=1.5/0.05)

(2)儲層改造對高、低滲區產量貢獻的影響。

圖11為模型(k1/k2=1.5/0.05，70配產)在儲層改造前后產量貢獻率變化曲線，壓裂前，高滲區產量貢獻率由100%在極短的時間內下降到75%，最后穩定在70%附近，低滲區由0%迅速上升到25%，最終穩定在30%附近；進行增產改造后，高滲區產量貢獻率由100%在極短的時間內下降到75%，最后穩定在60%附近，低滲區由0%迅速上升到25%，最終穩定在40%，說明壓裂改造能增加遠井區對于近井區的能量補給，減小低滲區與高滲區的產量貢獻率差距，增加遠井區的儲量動用。

圖11 壓裂前后高低滲儲層產量貢獻率變化 特征(k1/k2=1.5/0.05，70配產)Fig.11 The production contribution rate of high and low permeability reservoir production before and after fracturing (k1/k2=1.5/0.05, 70 production allocation)

3 結論

(1)非均質儲層的滲透率極差(k1/k2)是決定該儲層能很好的開發動用的重要參數之一，低滲區物性相對越好，其對高滲區壓力補給就越大，高滲區壓力下降越緩慢，對儲層的動用程度越高。

(2)非均質性強的儲層在開發時，如果配產不合理，近井區壓力將很快下降，在早期形成大壓降漏斗，不僅會縮短穩產期，還會造成遠井區儲量動用困難，在開發后期殘余較大的剩余儲量。

(3)壓裂改造會促進非均質儲層遠井區對近井區的壓力補給能力，這種補給的效果在滲透率極差(k1/k2)較大時會更明顯，相應的對遠井區的儲量動用也就越高，采收率也會增加。

(4)非均質儲層開發早期的產量主要由近井區提供，隨后逐漸降低并趨于穩定，也就是進入穩產期，而低滲區在穩產期之前的產氣貢獻率是逐漸升高的，初期的配產過高會大大降低低滲區的產量貢獻率，造成遠井區儲量動用困難。