涪陵頁(yè)巖氣田氣井生產(chǎn)階段劃分及動(dòng)態(tài)特征描述

沈金才 董長(zhǎng)新 常 振

1.中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司 2.中國(guó)石化江漢油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

頁(yè)巖氣井的動(dòng)態(tài)分析離不開(kāi)生產(chǎn)階段劃分及動(dòng)態(tài)特征描述[1]，眾多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)階段的研究主要從滲流力學(xué)角度建立了頁(yè)巖氣解吸、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散、基質(zhì)-裂縫耦合流動(dòng)數(shù)學(xué)模型來(lái)研究其微觀流動(dòng)[2-3]。李繼慶等[4]認(rèn)為頁(yè)巖氣井生產(chǎn)時(shí)可能存在裂縫線(xiàn)性流、雙線(xiàn)性流、基質(zhì)線(xiàn)性流、擬徑向流4個(gè)流動(dòng)階段，采用生產(chǎn)數(shù)據(jù)在規(guī)整化產(chǎn)量和規(guī)整化時(shí)間圖板上根據(jù)斜率識(shí)別，但是頁(yè)巖氣井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定線(xiàn)性流階段，很難準(zhǔn)確判斷當(dāng)前生產(chǎn)階段。因此有必要從礦場(chǎng)角度直觀開(kāi)展頁(yè)巖氣井生產(chǎn)階段劃分研究，確定分階段動(dòng)態(tài)描述內(nèi)容，建立統(tǒng)一可對(duì)比動(dòng)態(tài)描述指標(biāo)。筆者在常規(guī)氣井生產(chǎn)階段劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合涪陵頁(yè)巖氣田300余口生產(chǎn)井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征[5-7]，將頁(yè)巖氣井生產(chǎn)過(guò)程劃分為“兩大三小”生產(chǎn)階段，并確定每個(gè)階段動(dòng)態(tài)描述主要內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣井宏觀生產(chǎn)階段劃分和動(dòng)態(tài)描述的統(tǒng)一性，能更好地分析不同生產(chǎn)階段頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，針對(duì)性制定措施方案。

1 生產(chǎn)階段劃分

與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層相比頁(yè)巖儲(chǔ)層的特殊性體現(xiàn)在3個(gè)方面：①頁(yè)巖氣儲(chǔ)層未壓裂改造無(wú)自然產(chǎn)能[8-9]，需經(jīng)過(guò)壓裂后才有工業(yè)產(chǎn)量；②氣井壓裂改造的復(fù)雜度和體積大小決定產(chǎn)能和可采儲(chǔ)量的高低；③壓裂改造形成的縫網(wǎng)邊界即為流動(dòng)邊界、生產(chǎn)波及邊界。在生產(chǎn)階段，為降低儲(chǔ)層應(yīng)力敏感造成地層能量的損耗，進(jìn)而獲得最大的技術(shù)可采儲(chǔ)量[10]，涪陵頁(yè)巖氣田氣井按照頁(yè)巖氣井動(dòng)態(tài)合理配產(chǎn)方法指導(dǎo)生產(chǎn)，采用定產(chǎn)控壓生產(chǎn)方式和與產(chǎn)能相匹配的合理生產(chǎn)制度[11]；根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征，將生產(chǎn)過(guò)程劃分為“兩大三小”生產(chǎn)階段：定產(chǎn)降壓階段和定壓遞減階段，其中定壓遞減階段又細(xì)分為連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段、間歇生產(chǎn)階段、排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段(圖1、圖2)。

圖1 涪陵頁(yè)巖氣井生產(chǎn)模型示意圖

圖2 焦頁(yè)1HF井生產(chǎn)曲線(xiàn)

1.1 穩(wěn)產(chǎn)降壓階段

按頁(yè)巖氣合理配產(chǎn)方法[11]確定氣井合理產(chǎn)能，按照此合理產(chǎn)能穩(wěn)定生產(chǎn)，生產(chǎn)壓力遞減至接近外輸壓力（外輸壓力即管壓，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時(shí)生產(chǎn)壓力與外輸壓力的差值取決于氣井井口至外輸管道之間的管損壓力）后轉(zhuǎn)入產(chǎn)量遞減階段，穩(wěn)產(chǎn)降壓階段也定義為穩(wěn)產(chǎn)期，此階段是消耗地層能量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的穩(wěn)定。

1.2 定壓遞減階段

穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后，生產(chǎn)壓力已遞減至接近外輸壓力，無(wú)進(jìn)一步下降空間，隨著地層壓力進(jìn)一步降低，氣井生產(chǎn)壓差即地層壓力與井底流壓的差值逐漸降低，氣井產(chǎn)量下降，氣井進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段；當(dāng)氣井產(chǎn)量高于連續(xù)攜液流量前為產(chǎn)量遞減連續(xù)階段，當(dāng)產(chǎn)量低于連續(xù)攜液流量但高于臨界攜液流量時(shí)氣井不能連續(xù)生產(chǎn)，需要間歇關(guān)井恢復(fù)壓力實(shí)現(xiàn)周期性排液生產(chǎn)，當(dāng)間開(kāi)的生產(chǎn)時(shí)率低于50%或產(chǎn)量進(jìn)一步降低至臨界攜液流量后水淹關(guān)井，只能借助排水采氣工藝或增壓開(kāi)采工藝進(jìn)一步降低生產(chǎn)壓差維持生產(chǎn)。

1.2.1 連續(xù)生產(chǎn)階段

氣井進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段，當(dāng)產(chǎn)量高于連續(xù)攜液流量前為產(chǎn)量連續(xù)遞減階段，此階段生產(chǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短決定于氣井穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時(shí)產(chǎn)量、產(chǎn)量遞減率、連續(xù)攜液流量的高低。穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時(shí)產(chǎn)量越高、產(chǎn)量遞減率越低、連續(xù)攜液流量越低時(shí)，氣井產(chǎn)量遞減期連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)。

當(dāng)產(chǎn)氣低于連續(xù)攜液流量但高于臨界攜液流量時(shí)氣井不能連續(xù)生產(chǎn)，需要間歇關(guān)井恢復(fù)壓力實(shí)現(xiàn)周期性排液生產(chǎn)，即為氣井間歇生產(chǎn)階段。此階段生產(chǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短決定于氣井產(chǎn)量遞減率、水氣比、地層壓力恢復(fù)速度的大小。產(chǎn)量遞減率越低、水氣比越低、地層壓力恢復(fù)速度越快時(shí)，氣井間歇生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，通常當(dāng)間歇生產(chǎn)日均產(chǎn)氣量低于理論預(yù)測(cè)氣量的50%后，間歇效率較低，需要采取措施工藝維持生產(chǎn)。

1.2.3 排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段

當(dāng)間開(kāi)的生產(chǎn)時(shí)率低于50%或產(chǎn)量進(jìn)一步降低至臨界攜液流量后被迫水淹關(guān)井，只能借助排水采氣工藝或增壓開(kāi)采工藝進(jìn)一步降低生產(chǎn)壓差維持生產(chǎn)。此階段的生產(chǎn)效果由排采工藝的有效性決定，因頁(yè)巖氣井產(chǎn)量遞減較快，單位壓降產(chǎn)量有限，水氣比小于5 m3/104m3的氣井推薦優(yōu)先采用增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)，后期采用增壓開(kāi)采+泡排的復(fù)合工藝；水氣比大于等于5 m3/104m3的氣井采用泵排系列工藝。

2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征描述內(nèi)容

2.1 定產(chǎn)降壓階段

定產(chǎn)降壓階段主要描述分區(qū)壓力和彈性產(chǎn)率隨累產(chǎn)遞減規(guī)律，確定各累產(chǎn)階段下壓力保持水平和彈性產(chǎn)率，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)。

2.1.1 壓力保持水平

穩(wěn)產(chǎn)期壓力保持水平分為井底靜壓、井底流壓、井口油壓，3個(gè)壓力參數(shù)是相互依存的關(guān)系，在某個(gè)累產(chǎn)階段，井筒連續(xù)攜液下，井底靜壓、井底流壓、井口油壓變化規(guī)律一致，只是大小的差異。但是3個(gè)參數(shù)獲取的難度、頻次具有較大差異，靜壓需要關(guān)井測(cè)試，周期長(zhǎng)，生產(chǎn)時(shí)率影響較大；井底流壓需下井下壓力計(jì)測(cè)試，頻次受限，費(fèi)用高；井口油壓可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)錄取。因此我們?cè)谘芯恳?guī)律變化時(shí)選取分區(qū)產(chǎn)氣、產(chǎn)水平穩(wěn)、井筒攜液較好無(wú)積液氣井，用井口油壓研究其變化規(guī)律和遞減特征，進(jìn)而可以擴(kuò)展至井底流壓和靜壓的應(yīng)用。以涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，頁(yè)巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期壓力遞減呈現(xiàn)分區(qū)和分階段先快后慢的趨勢(shì)遞減，累產(chǎn)氣量2 000×104m3時(shí)：主體區(qū)壓力保持水平17.01 MPa，壓力下降45%；西區(qū)壓力保持水平18.41 MPa，壓力下降44%；東區(qū)壓力保持水平11.89 MPa，壓力下降57%；西南區(qū)壓力保持水平4.99 MPa，壓力下降 83%(圖3)。

圖3 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期壓力保持水平圖（井口壓力）

2.1.2 彈性產(chǎn)率

彈性產(chǎn)率也叫單位壓降產(chǎn)氣量，即氣井視地層壓力每下降1 MPa的采出氣量，焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣藏改造后是典型的異常高壓氣藏，在定產(chǎn)降壓階段使用彈性產(chǎn)率指標(biāo)描述其遞減特征。

壽司老嚇唬我，雖然我已經(jīng)習(xí)慣了，但還是時(shí)常被它的樣子嚇到。每次我去看它，它幾乎都在睡覺(jué)，并且睡覺(jué)的姿勢(shì)丑極了—它動(dòng)不動(dòng)就像蝙蝠滑翔一樣前腳、后腳全張開(kāi)仰躺在地上，老媽和伯伯見(jiàn)了都以為它死了。有時(shí)候它睡著了，全身還一抽一抽的，腳動(dòng)不動(dòng)抖一下，像抽筋，快不行了一樣，把我嚇壞了。在我被嚇的時(shí)候，鷯哥的籠子臭了，烏龜?shù)乃簿G了……

在計(jì)算彈性產(chǎn)率時(shí)，地層靜壓測(cè)試難度較大，穩(wěn)產(chǎn)期內(nèi)氣井滿(mǎn)足攜液狀態(tài)時(shí)，可用實(shí)測(cè)井底流壓或用井口油壓推算的井底流壓研究變化規(guī)律，以涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，頁(yè)巖氣井單位壓降產(chǎn)量隨累產(chǎn)呈現(xiàn)分區(qū)分階段的先快后慢趨勢(shì)增加，累產(chǎn)氣量2 000×104m3時(shí)：主體區(qū)192×104m3/MPa，東區(qū) 170×104m3/MPa，西區(qū) 142×104m3/MPa，西南區(qū)78×104m3/MPa(圖4)。

圖4 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期單位壓降產(chǎn)量圖（井口壓力）

2.1.3 穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間和穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)

給定相同的穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束條件，對(duì)比穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間和穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)大小可以較好描述開(kāi)發(fā)效果的差異，以涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，給定穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束條件為產(chǎn)量6×104m3/d，井口壓力為6 MPa（接近外輸壓力），氣井從投產(chǎn)至穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束的生產(chǎn)時(shí)間確定為穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，焦石壩區(qū)塊分區(qū)氣井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間存在較大差異，主體區(qū)2.4年，東區(qū)2.0年，西區(qū)2.0年，西南區(qū)0.7年；穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主體區(qū)9 200×104m3，東區(qū)5 812×104m3，西區(qū)6 009×104m3，西南區(qū) 1 584×104m3(圖5、圖6)。

圖5 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期時(shí)間柱狀圖

圖6 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)氣量柱狀圖

2.2 定壓遞減階段

2.2.1 連續(xù)生產(chǎn)階段

連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段主要描述遞減類(lèi)型、隨時(shí)間或者累產(chǎn)的遞減率、連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段累計(jì)時(shí)間。進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段后采用Arps遞減分析方法，用指數(shù)遞減、雙曲遞減、調(diào)和遞減3種類(lèi)型擬合，確定最大相關(guān)系數(shù)的初始遞減率、遞減指數(shù)，隨時(shí)間的遞減率，判斷產(chǎn)量遞減至連續(xù)攜液流量的時(shí)間。

涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊遞減特征明顯的179口井，遞減類(lèi)型均符合廣義雙曲遞減或調(diào)和遞減類(lèi)型，第1年的平均年對(duì)年遞減率為38.4%～47.4%，平均40.6%。第一年年末對(duì)年初遞減率為58.5%～66.8%，平均為60.4%(表1)。

表1 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊產(chǎn)量遞減率統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，北美各頁(yè)巖氣區(qū)塊以放大壓差或高配生產(chǎn)方式為主，產(chǎn)量遞減類(lèi)型為雙曲或調(diào)和遞減，遞減指數(shù)0.9～1.6，初始遞減率：58%～79%，平均70%，遞減末期轉(zhuǎn)換為指數(shù)遞減，最小遞減率3%～10%，與涪陵頁(yè)巖氣田進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段遞減特征基本一致(表2)。

表2 北美七大頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)遞減參數(shù)對(duì)比表

2.2.2 間歇生產(chǎn)階段

間歇生產(chǎn)階段主要描述間開(kāi)周期平均產(chǎn)量遞減率、間歇生產(chǎn)效率、間歇開(kāi)采有效期。進(jìn)入間歇生產(chǎn)階段后采用不穩(wěn)定產(chǎn)量分析方法（即RTA方法），擬合氣井階段日均產(chǎn)量遞減規(guī)律，確定平均產(chǎn)量遞減率[12-14]，用間開(kāi)階段日均產(chǎn)氣量與RTA理論預(yù)測(cè)值比值評(píng)價(jià)氣井的間歇生產(chǎn)效率，氣井產(chǎn)量低于臨界攜液流量確定分區(qū)氣井的間歇開(kāi)采有效期（圖7）。

圖7 焦頁(yè)1HF井間歇生產(chǎn)階段日產(chǎn)氣量與RTA預(yù)測(cè)日產(chǎn)量

間歇生產(chǎn)階段間開(kāi)制度研究包括關(guān)井時(shí)機(jī)、關(guān)井周期、開(kāi)井時(shí)機(jī)、開(kāi)井方式、開(kāi)井產(chǎn)量等。

涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊間開(kāi)特征明顯的85口井，間開(kāi)階段月均日產(chǎn)氣量遞減類(lèi)型符合對(duì)數(shù)遞減模型，第一年年末對(duì)年初遞減率為43%～50%，平均為47%（表3）。間開(kāi)階段日均產(chǎn)氣量與RTA預(yù)測(cè)理論日產(chǎn)氣量比值評(píng)價(jià)間開(kāi)氣井生產(chǎn)效率，焦石壩區(qū)塊氣井間開(kāi)初期生產(chǎn)效率64%～89%，平均75%。隨著間開(kāi)輪數(shù)增加，間歇生產(chǎn)氣井生產(chǎn)效率逐漸降低，當(dāng)氣井生產(chǎn)效率低于50%時(shí)，氣井需要長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井（往往關(guān)井時(shí)間大于15 d以上）壓力恢復(fù)后氣井開(kāi)井初期產(chǎn)量才能達(dá)到臨界攜液流量，此時(shí)井筒積液只能部分被帶出，氣井受井筒積液影響較大，通過(guò)間開(kāi)生產(chǎn)已基本失去效果，因此確定氣井間開(kāi)生產(chǎn)效率等于50%時(shí)的節(jié)點(diǎn)為氣井的間開(kāi)有效期，焦石壩區(qū)塊氣井間歇開(kāi)采有效期1.0～3.6年，平均2.2年（表3、圖8）。

表3 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊間開(kāi)情況統(tǒng)計(jì)表

圖8 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊間開(kāi)井產(chǎn)量

2.2.3 排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段

排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段主要描述介入排采或增壓工藝的時(shí)機(jī)、措施增氣量、措施后產(chǎn)量遞減率。氣井進(jìn)入間歇生產(chǎn)階段，產(chǎn)量低于連續(xù)攜液流量并高于臨界攜液流量前為排采工藝或增壓開(kāi)采措施的最佳時(shí)機(jī)[15-17]。

增壓開(kāi)采通過(guò)降低井底流壓、增加氣井生產(chǎn)壓差提高了氣井生產(chǎn)能力，氣井產(chǎn)量上升，需要計(jì)算措施增量；增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段需要描述井口油壓變化、產(chǎn)氣量變化、產(chǎn)水變化、壓縮機(jī)的吸氣壓力等參數(shù)。焦石壩區(qū)塊增壓遞減特征明顯的46口井，增壓開(kāi)采措施增氣量1.2～2.7×104m3/d，平均1.98×104m3/d，第一年年末對(duì)年初遞減率為38%～62%，平均為50%（表4）。

表4 涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊增壓情況統(tǒng)計(jì)表

排采工藝（包括鄰井氣舉、車(chē)載式壓縮機(jī)氣舉、柱塞、泡排、泵排等）通過(guò)解決井筒積液對(duì)氣井生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)氣井連續(xù)生產(chǎn)[18]。排采工藝措施后氣井實(shí)際產(chǎn)量曲線(xiàn)接近RTA預(yù)測(cè)的理論曲線(xiàn)遞減，排采工藝輔助生產(chǎn)階段描述氣井措施產(chǎn)量、研究措施適應(yīng)性、措施階段產(chǎn)量遞減規(guī)律。

3 結(jié)論

1）涪陵頁(yè)巖氣田氣井在采用動(dòng)態(tài)合理配產(chǎn)生產(chǎn)條件下，根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征，將生產(chǎn)過(guò)程劃分兩大三小生產(chǎn)階段：定產(chǎn)降壓階段和定壓遞減階段，其中定壓遞減階段又細(xì)分為連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段、間歇生產(chǎn)階段、排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段。

2）定產(chǎn)降壓階段主要描述分區(qū)壓力隨累產(chǎn)遞減規(guī)律，以確定各累產(chǎn)階段下壓力保持值和遞減幅度，還需描述穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間和相同穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間內(nèi)壓力遞減規(guī)律及相同穩(wěn)產(chǎn)時(shí)刻下壓力保持水平和遞減幅度。連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段主要描述遞減類(lèi)型、隨時(shí)間或者累產(chǎn)的遞減率、連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段累計(jì)時(shí)間。間歇生產(chǎn)階段主要描述間開(kāi)周期平均產(chǎn)量遞減率、間歇生產(chǎn)效率、間歇開(kāi)采有效期。排采工藝或增壓開(kāi)采輔助生產(chǎn)階段主要描述介入排采或增壓工藝的時(shí)機(jī)、措施增氣量、措施后產(chǎn)量遞減率。

3）目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣區(qū)塊尚未出現(xiàn)完全衰竭的氣井，后期是否會(huì)出現(xiàn)靠吸附氣貢獻(xiàn)為主導(dǎo)的長(zhǎng)期低壓低產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)階段，需根據(jù)礦場(chǎng)實(shí)際不斷完善頁(yè)巖氣井后期生產(chǎn)階段劃分和動(dòng)態(tài)描述內(nèi)容。