頁巖氣藏注CO2滲透率界限及開發參數優化

衛詩豪， 段永剛， 蔣天遙， 李政瀾， 伍梓健

(西南石油大學石油與天然氣工程學院， 成都 610500)

頁巖氣賦存形式主要有吸附態、游離態以及少量的溶解態,其中吸附態通常占到總量的20%～85%[1]。中國目前正處于頁巖氣開發的重要階段[2-4]。通過水平井鉆完井技術與水力壓裂技術來開發中國“非甜點區”的頁巖氣藏，短期內很難獲得經濟效益[5-6]。為了進一步提高頁巖氣藏采收率，克服水平鉆井與水力壓裂后產量驟減的問題。利用CO2置換有機質中的CH4的方法是目前解吸開采的重要發展方向[7]。

向頁巖氣藏注入CO2提高采收率這一技術的可行性，無論從理論還是實際實驗角度都得到了大量學者的論證[8-11]，許多研究表明在頁巖氣藏中CO2具有比甲烷更好的吸附能力，為3～5倍，這使得在吸附在巖石上的CH4能夠被CO2有效的置換出來[12-13]，隋宏光等[14]研究發現干酪根對于CH4和CO2吸附行為有重要的意義，指出CO2會在較小的壓力下達到飽和，將CO2注入頁巖氣藏不僅可以提高采收率還能明顯縮短開采周期。在頁巖氣藏中不同CO2和CH4混合比例對頁巖氣藏滲透率有不同的影響[15]。Li[16]探究了CO2與N2混合注入時頁巖氣藏的采收效果發現，一定比例的N2能提高頁巖氣藏采收率，但較大比例的N2會導致采收率下降。連續性注CO2與吞吐式注入是兩種最為常見的頁巖氣藏注CO2方法，但實際情況表明兩種方式對不同的頁巖氣藏采收率的提升不盡相同[17]。陳強等[18]通過巖芯流動實驗，發現連續驅替比吞吐更容易置換納米孔隙內游離的甲烷。在不同的地質條件下，連續注入CO2和吞吐式注入CO2對于氣藏采收率的提升效果存在差異。Meng等[19]通過頁巖巖心設計了吞吐式注氣CO2和連續氣驅對比，吞吐式氣驅能夠更好地提高頁巖氣凝析凝析油采收率。

總的來說頁巖氣藏注CO2提高采收率技術在機理模型建立、實驗模擬方法都得到了巨大發展，但目前中外對于連續驅替和吞吐式注入CO2方法在確定儲層條件下的效果差異尚未進行研究。現通過建立數值模型進行數值模擬，找到不同注入方式所適用的滲透率范圍，同時對滲透率劃分的不同開發方式進行開發參數優化，以期為現場注CO2開采頁巖氣方法的選擇與開發方案的設計提供依據。

1 數值模型建立

頁巖氣藏普遍具有基質孔隙度高、滲透率低而裂縫滲透率高的特點，選擇雙孔或者雙滲介質模型進行模擬研究更具有針對性和代表性。同時頁巖氣藏的賦存運移機理復雜多樣，具有吸附/解吸、擴散、滲流等多重運移機制。

通過CMG數值模擬軟件的GEM模塊，運用局部網格化的方法對水力壓裂進行模擬，達到準確描述頁巖基質向裂縫的運移行為。建立模型如圖1所示，模型的規格為1 600 m×1 000 m×90 m；網格數80×50×10；在模型中設置了兩口水平壓裂井，水平井長度800 m，水平井間距400 m。每一口水平井有9個壓裂段，裂縫寬度0.001 m，裂縫滲透率3 000 mD。數值模型基本參數如表1所示。

該模型滿足Langmuir等溫吸附定律，CH4最大吸附量1.5 m3/t；CH4的Langmuir壓力常數為4.8 MPa；CO2最大吸附量14.2 m3/t；CO2的Langmuir壓力常數為6 MPa，如圖2所示。

圖1 基本模型示意圖Fig.1 Basic model diagram

表1 數值模型地層參數

圖2 CH4與CO2 Langmuir吸附曲線Fig.2 Langmuir graph of CH4 and CO2

2 采收率影響因素分析

2.1 正交試驗設計

由于影響頁巖氣藏采收率因素較多，需要找到影響采收率的主控因素進行界限研究。

針對孔隙度、滲透率、產層厚度、CH4最大吸附量、CH4的Langmuir壓力常數、CO2最大吸附量、CO2的Langmuir壓力常數這些影響參數，運用正交表設計了多因素試驗方案。

同時運用極差分析法，對比分析確定試驗參數的對采收率的影響程度。

設Kij(i=1,2,…，a；j=1,2,…，b)表示第j個參數的第i個水平值H次試驗指標之和，則指標的平均值為

(1)

第j個因子的極差為

(2)

R的大小表征因素的影響重要程度。利用正交設計表對裂縫滲透率、孔隙度、儲層厚度、甲烷最大吸附量[VL(CH4)]、甲烷Langmuir壓力常數[PL(CH4)]、二氧化碳最大吸附量[VL(CO2)]、二氧化碳Langmuir壓力常數[PL(CO2)]進行設計，建立了18種方案，如表2所示，計算了各影響參數的水平值，如表3所示，并作極差百分比分析圖，如圖3所示。

表2 正交試驗表

表3 各因素極差

圖3 各因素極差(R)百分比Fig.3 Percent of ranges (R) of each factor

2.2 正交試驗結果分析

試驗結果表明影響采收的第一大因素為儲層厚度，這是由于儲層厚度的增加直接會導致整個油氣藏儲量的增長，對于已經探明的地區這一因素可以不予考慮。因此選擇第二大影響因素滲透率作為劃分注氣方式的主控因素。針對儲層滲透率進行了兩種注CO2開發方式的滲透率界限的研究。

3 滲透率界限研究

由第2節可知，滲透率對頁巖氣藏的累計采氣量有較大作用。現將設計不同的滲透率條件，進行CO2直接驅替方法與吞吐方法的累產氣量的對比，找到不同方式所適用的滲透率范圍。

在此設定滲透率k為0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01 mD 5種情況下的直接驅替與吞吐的10種模擬方案。比較在相同滲透率條件下，兩種不同注氣方式18年的累積產氣量。模擬結果如圖4所示，不同滲透率下的累計產量結果如表4與圖5所示。

圖4 累積采氣量模擬結果Fig.4 Simulated result of cumulative gas production in

表4 不同滲透率下連續驅替與吞吐方式的累積產氣量模擬結果

圖5 不同滲透率累計產氣量模擬結果Fig.5 Simulated result of cumulative gas production in different permeability condition

模擬結果表明：在生產年限為18年的前提下，隨著儲層滲透率的增加，兩種驅替方式下的累計產量都有了明顯地增高，在滲透率為0.000 1 mD和0.000 5 mD時，連續注入的累計產量依舊略高于吞吐式注氣的，當滲透率達到0.001 mD時吞吐式注氣的累計產量開始出現反超，并隨著儲層滲透的增大吞吐式注氣的累計產量超越連續注氣的也越多。

4 開發技術參數優化

在以裂縫滲透率為0.001 mD的界限劃分區域開發方式后，針對選擇連續注氣開發方式的地區進行了布縫模式與注氣井井位的參數優化；針對選擇吞吐式注氣開發方式的地區進行了悶井時間的優化。

4.1 連續注入方式布縫模式的優化

裂縫是氣藏流體主要的滲流通道，裂縫的分布影響著井筒與儲層之間的連通。本模擬設置了標準布縫與交叉布縫兩種模型，模擬了兩口井在相同注氣量同樣生產年限的情況下，不同布縫模式下的累計產氣量，布縫模式示意圖如圖6所示，模擬結果如圖7所示。

圖6 兩種布縫形態示意圖Fig.6 Two fracture arrangements

圖7 不同布縫模式下的累積產氣量模擬結果Fig.7 Simulated result of cumulative gas production in different fracture arrangements

從模擬結果曲線可以看出交叉布縫模式相對標準布縫更高，這是得益于交叉模式下CO2具有更好地擴散性質，使得在相同時間內，擴散面積更大，能夠更好地發生競爭吸附，將CH4置換出來，達到提高累計產氣量的目的。

4.2 連續注入方式注氣井井位優化

注氣井的位置不同會直接影響頁巖氣藏壓力場和驅替方向的不同，CO2不同的擴散方向影響著CH4的驅替效果，合理的安置注氣井與生產井的位置，以能獲得更好的累計產氣量為目標，對井位排列進行參數優化。

注氣井井位優化考慮同時有兩口注氣井與兩口生產井的情況，通常排列方式分為注氣井在兩側、注氣井在中間、注氣井與生產井交叉，如圖8所示。對3種不同的注氣方式以相同的注氣量注入同樣的時間，對比各個排列方式下的累計產氣量，生產井的累積產氣量模擬結果如圖9所示。

圖8 不同排列方式示意圖Fig.8 Different arrangement of well

當注入井在兩側生產井排列中間時，累積產氣量最大。從兩側注氣的方式能夠更好地向中部集中，使得中間井周圍氣藏能獲得更好地驅替效果。

4.3 吞吐注入方式燜井時間優化

吞吐注入方式相對連續注氣的主要區別在于吞吐注入方式會有一段關井燜井時間。燜井主要是為了給予CO2在頁巖氣藏與CH4發生置換的時間，使得CO2能夠往氣藏更深處移動，并置換出CH4。但燜井時間的過長會直接影響到氣井的生產，以在相同的開發年限內獲得最大的累計產氣量為目的，對燜井時間進行合理優化。

模擬以相同注氣量生產相同時間為基準，在生產的第四年開始燜井，分別模擬了燜井時間為1個月、3個月、6個月、9個月4種情況下的吞吐式注入的情況，結果如圖10所示。

圖9 不同井位排列累積產氣量模擬結果Fig.9 Simulated result of cumulative gas production in different well arrangement

圖10 不同燜井時間累計產氣量模擬結果Fig.10 Simulated result of cumulative gas production in different soak time

隨著生產年限的增加，4種不同長度的燜井時間的累計產氣量基本一致，燜井時間長短影響著開井后的產氣速度，燜井時間越長開井后的續產氣速度也越快。這燜井使得氣藏內的CO2和CH4充分接觸，在開井后CH4能夠快速產出，但由于CO2擴散范圍有限導致累計產氣量沒有得到明顯提升，假設只考慮累計產氣量，燜井時間為1個月更好。

5 結論

(1)通過儲層厚度、儲層滲透率、CH4最大吸附量、CH4的Langmuir壓力常數、CO2最大吸附量、CO2的Langmuir壓力常數對頁巖氣藏采收率效果影響的正交試驗。確定滲透率為影響頁巖氣藏開發效果的重大因素。在采用注CO2提高頁巖氣藏采收率的方法時，需要根據實際儲層滲透率情況進行連續驅替與吞吐式注入方法的優選。不同的滲透率下兩種注入方式結果存在差異。建立數值模型，運用數值模擬方法，設置了兩種不同注氣方式在5個不同滲透率條件下的增產開發效果模擬。結果顯示應以滲透率為0.001 mD劃分兩種注氣開發方式。當滲透率小于0.001 mD時選擇連續注氣的方式進行開采效果更好，而當滲透率大于0.001 mD時選擇吞吐注氣的方式更好。

(2)基于滲透率界限劃分了注氣開發方式后，對于兩種不同的注氣方式分別進行了關鍵施工參數的優化。連續注氣方式應選擇交叉布縫模式，同時應該將注氣井排列在生產井兩邊，增加頁巖氣藏的驅替效果；吞吐式注氣方式針對燜井時間模擬了4種不同時長的燜井制度，由結果可以看出長時間的燜井對采收率的影響不大，但卻可以在短時間內獲得較大的累計產量，因此應該更具氣藏以及開發方案合理設計吞吐注氣時的燜井時間，以滿足開發需求。