頁巖氣衰竭開采規律影響因素室內模擬

周玉萍 楊文新 鄭愛維 梁 榜

中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院

0 引言

頁巖氣是指賦存于富有機質頁巖中的非常規天然氣，一部分氣體以游離態儲存在頁巖孔隙和天然裂縫中，一部分以吸附態賦存于干酪根和黏土顆粒表面，與常規天然氣相比頁巖氣藏是一個“自生、自儲”系統，且部分氣體以吸附態存儲于頁巖基質中[1-4]。頁巖儲層物性差，孔隙度介于4%～6%，基質滲透率小于0.001 mD，氣井無自然產能，需要進行壓裂改造才能獲得商業價值[5-8]。同時頁巖氣在儲層中的流動包含解吸、擴散和滲流等多種流動方式，常規氣藏工程理論和方法不能應用于頁巖氣藏。頁巖氣在生產過程中，早期主要產出游離氣，產量較高但下降快，頁巖氣井具有很長的產量遞減期，隨著頁巖氣的開采，頁巖氣藏的壓力降低，吸附在孔隙表面的氣體解吸，氣體從微孔中擴散、孔隙表面解吸將直接影響著頁巖氣的產量及其遞減預測[9-13]。

在不同的地層條件下，同樣的生產方式，開發效果卻表現出明顯的差異，頁巖氣的衰竭開采規律和遞減特征也不相同。目前在室內模擬實驗及模擬開發過程的衰竭開采（定產、定壓）實驗的相關研究鮮有報道。因此筆者在室內模擬頁巖氣衰竭開采過程，研制了地層條件下的頁巖氣衰竭開采模擬裝置，通過開展系列的室內模擬現場不同條件下的頁巖氣衰竭開采實驗，研究頁巖氣衰竭開采遞減規律、遞減特征，建立遞減模型，劃分頁巖氣衰竭開采時流態，分析最終采出程度影響因素、合理開采速度、遞減期的遞減參數等，為優化合理配產或合理生產壓差，頁巖氣藏開發技術政策的制定提供依據，為評價頁巖氣可采儲量、采收率等提出技術支撐。

1 頁巖氣衰竭開采規律

1.1 衰竭開采實模擬裝置和實驗方法

1.1.1 實驗裝置

室內模擬現場頁巖氣衰竭開采方式（定產、定壓生產方式），并研制了衰竭開采模擬裝置，其工作流程如圖1所示，包括壓力控制系統、恒溫系統、巖心吸附模型、氣體計量系統、供氣系統五大部分，其中巖心吸附模型、氣體計量系統是關鍵部分。

圖1 頁巖氣衰竭開采模擬裝置流程圖

裝置特性：①適用條件為壓力0～70 MPa，溫度5～120℃；②排水法連續計量氣體，流量精度為0.01 mL/min；③巖心模型?25 mm 300 mm、?25 mm 600 mm，系統總體積小于5 mL；④壓力測量精度達0.2%FS。

1.1.2 實驗步驟

1)將鉆取的巖心在120℃下烘干24 h，冷卻后裝入模型，加環壓35 MPa，充入氣體試壓，不滲漏后將系統壓力升至地層壓力30 MPa，并及時補壓，直到模型入口和出口壓力穩定并達到平衡。

2）壓力穩定后將環壓提高到42 MPa，模型加壓穩定48 h，達到模擬地層滲透率的要求。

3）打開氣體流量計，打開出口閥門，調節出口流量控制閥，將流量控制在設定的流量值，開始衰竭開采實驗，記錄不同時間的進、出口壓力及出口氣體累計流量；并不斷調節流量閥，使流量控制在設定值，直到出口壓力降為0后，則不再調節，繼續讓入口壓力自然下降，至流量降為0.3 mL/min時開始降環壓，記錄累計氣量。

4）降低環壓到2 MPa，計量模型總氣量，用于計算采出程度、采收率參數。

5）改變實驗條件（調整流量和圍壓模擬滲透率、控制回壓模擬廢棄壓力、定壓方式等），開展定產、定壓式衰竭開采等實驗。

1.1.3 實驗數據處理

根據實驗目的及要求，處理數據、計算參數，繪制以下曲線：①流量、壓力、累積體積與時間關系曲線； ②規整化產量與物質平衡時間關系曲線，規整化產量為：Qn=Qi/（p02－pi2），物質平衡時間為：t=∑Q/Qi；③瞬時滲透率與時間關系曲線；④不同模型下采出程度、采收率曲線。

曲線可以分析衰竭開采壓力、穩產期及遞減期的變化規律及穩產期采出程度和最終采出程度的影響因素。

1.2 頁巖衰竭開采規律、遞減特征

1.2.1 不同流量的衰竭開采規律

按前述實驗方法在長度為30 cm的長巖心模型中相同圍壓下飽和同一系統壓力的甲烷氣體，設置相同的地層溫度，出口設計4組不同流量（10、20、30、40 mL/min）的氣體衰竭開采實驗，比較不同流量下頁巖氣衰竭開采實驗的累積產量與壓力差及流量與時間的關系（圖2、圖3）。

圖2 定產衰竭開采時流量與時間關系曲線圖

圖3 衰竭開采時生產壓力差與累積產量關系曲線圖

圖2表現出先期流量穩定階段，直到出口壓力變為0后，流量開始逐漸降低，進入遞減階段；高流量定產的穩產期短，后期的遞減期長，而低流量定產的穩產時間長，后期的遞減期相對短一些。

從圖3可以看出氣體累計產量增加時，出口壓力遞減，壓力差逐漸增大，當出口壓力降為0后壓力差達到最大值，穩產期結束，對應穩產流量開始遞減；在達到最大壓差時，流量越大，對應的累計產量越小，同時產出相同的累產量下，高流量所需的壓差越大，穩產期采出程度越低，也就是穩產期采出程度隨流量增大而減小。此外，從圖中可以看出在遞減期，不同流量下累產與壓力差曲線近似重合，最終累計產氣量相近，最終采出程度也相近。

氣體在地層中滲流表現為非線性流動，擬合方程為：

式中Δp表示壓差，MPa；A，B表示回歸系數；Q表示產量，m3/d。

研究表明，相關度超過95%，同時隨流量增加，壓差平方值增加，表現為當流量增加到一定程度，壓差平方值陡增，陡增點為臨界流量（圖4）。流量增加后氣體產生紊流，產生附加阻力，消耗能量。同一模型中，穩產期氣體采出程度隨流量增加而降低，說明穩產期存在合理的配產，配產高并不能提高頁巖氣穩產期采出程度，為經濟合理的開發，制定合理的配產制度，設定合理的配產產量。

圖4 頁巖氣流動時流量與壓差平方的關系曲線圖

1.2.2 頁巖衰竭開采流態的劃分

對頁巖巖心衰竭開采的實驗數據按照歸整化產量、物質平衡時間處理方法進行計算、繪圖，從圖5規整化產量與物質平衡時間曲線發現氣體流速10 mL/min低速衰竭開采時表現出3個線性段：第1階段裂縫和基質孔隙雙線性流，特征線斜率為-1/4；第2階段為基質線性流，特征線斜率為-1/2；第3階段邊界線性流，特征線斜率為-1，也就是理論曲線，在流速為20 mL/min時只表現2個線性段，-1/4和-1/2，同時繪制了生產井焦頁A井的流態圖（圖6），其流態劃分為2個階段，與室內實驗Q=20 mL/min的階段相同，即-1/4裂縫和基質孔隙雙線性流與-1/2基質線性流。

圖5 巖心模型衰竭開采規整化產量與物質平衡時間關系圖

圖6 焦頁A井流動階段劃分圖

1.2.3 頁巖氣室內實驗衰竭開采遞減特征

Arps遞減分析是目前油氣藏工程用于遞減規律研究最常用的方法，Arps遞減分析是基于大量生產數據基礎上提出的一種統計學分析方法，其根據遞減類型可分為指數遞減、雙曲遞減和調和遞減3 類[14-17]。即

式中D0表示初始遞減率，mon-1或a-1；Q0表示初始產量；n表示遞減指數；t表示遞減階段與Q對應的時間，mon或a。

室內開展了模擬不同滲透率級別的頁巖衰竭開采實驗，總結了12組不同滲透率級別的巖心衰竭開采實驗遞減規律，選擇4組不同滲透率級別的頁巖衰竭開采遞減階段流速與時間的關系曲線（圖7）。

圖7 遞減階段流速與時間關系曲線圖

建立的不同滲透率級別的頁巖衰竭開采遞減模型（表1），從這4組不同級別滲透率的頁巖遞減公式看遞減模型為調和遞減，從圖7遞減階段的實驗數據和擬合數據曲線發現調和遞減模型能更好地擬合實驗數據，擬合度都在95%以上，全遞減期擬合數據與實驗數據匹配。

表1 不同滲透率級別的頁巖氣衰竭遞減公式展示表

同時發現初始遞減率與滲透率有一定的相關關系，通過初始遞減率與滲透率的關系曲線（圖8）可以看出，不同滲透率的初始遞減率與滲透率成對數關系，滲透率越低，對數關系越明顯，表明頁巖滲透率的大小對頁巖衰竭開采的遞減速度起著重要的作用。

圖8 遞減階段初始遞減率與滲透率關系曲線圖

2 頁巖衰竭開采規律影響因素

頁巖衰竭開采影響因素較多，地化特征、儲層特征、含氣性特征、氣藏特征及地層壓裂改造的好壞等都可影響衰竭開采的遞減規律。

室內主要模擬不同地質條件下（滲透率、孔隙度、應力敏感）等條件下的頁巖氣衰竭開采實驗，并采用偏最小二乘法（PLS）模塊大數據分析方法，計算不同影響因素的權重（VIP值），確定最終采出程度和產能的主要影響因素。

選擇焦石壩區塊和江東區塊的不同滲透率級別（高、中、低）的巖心在不同的圍壓（35、42、47 MPa）下，模擬地層壓力和溫度開展了頁巖氣衰竭開采實驗，流量設計為10 mL/min，對比不同滲透率下、不同圍壓下頁巖氣穩產期和最終采出程度，找出地質條件不同對頁巖氣開發的遞減規律的影響因素。

2.1 應力敏的影響

頁巖儲層具有孔隙—裂縫的雙重介質特點，頁巖微裂縫發育，裂縫巖心的應力敏感性相當強烈，受圍壓的影響相當大，基質頁巖滲透率是納達西級別，滲透率范圍非常廣，因此，高、低滲透率不同的頁巖的應力敏感性特征也將表現出不同的形態特征，對氣體流動影響也不同，因此頁巖應力敏感性對頁巖氣開發有至關重要的影響。

不同小層不同圍壓下（35、42、47 MPa）下衰竭開采后的不同級別的滲透率與初始滲透率的對比結果

從表2可以看出，裂縫性巖心的應力敏感性相當強烈，受圍壓的影響相當大，基質巖心受圍壓的影響相對小些，不過也會造成滲透率的損害。

不同小層不同圍壓（35、42、47 MPa）下衰竭開采后最終采出程度如表2所示，可以看出最終采出程度與滲透率的關系有關，當巖心初始滲透率達到0.001 mD時，隨著圍壓的增加，最終采出程度下降幅度最明顯；在初始滲透率為0.01 mD時，隨著圍壓增加，最終采出程度下降較明顯；而初始滲透率達到0.1 mD時，存在微裂縫，最終采出程度則基本上不受圍壓，即巖石應力敏的影響。

表2 不同圍壓下衰竭開采后滲透率和最終采出程度對比表

2.2 滲透率的影響

由于頁巖儲層的復雜性，頁巖的滲透率大小不一，存在不同級別的滲透率，對頁巖的開采規律存在不同程度的影響。

通過室內實驗研究不同小層不同級別的滲透率巖心的衰竭開采所需的生產壓差與累計產量的關系曲線見圖9，從實驗結果看出滲透率越低，達到相同累計產量的時候所需的壓差越大，達到穩產期的時間越短，進入遞減期后累計產量增加的幅度越小，導致最終采出程度越小。

圖9 不同滲透率巖心衰竭開采壓力差與累計排量的關系圖

匯總不同小層、不同物性、不同流速下定產實驗結果（22樣次實驗數據），分析結果表明，穩產期和最終的采出程度與滲透率呈較強的正相關性（圖10），穩產期和最終采出程度隨滲透率增加而增加。表明滲透率是關鍵因素，滲透率越大，采出程度越大。同常規氣開采規律一樣，巖心滲透率參數是決定氣體采出程度大小的關鍵因素。

圖10 定產衰竭開采穩產和最終采出程度與滲透率關系圖

2.3 大數據影響因素分析

通過對大量的頁巖氣衰竭開采實驗數據的分析，將各因素按地質參數、壓力參數和配產制度3類共16項參數分類（表3），采用偏最小二乘方法（PLS），以最終采出程度為判別依據，找出各參數對最終采出程度的影響程度，通過選取VIP值，分析涪陵焦石壩區塊和江東區塊的最終采出程度的主控因素。

大數據分析方法主要是通過PLS法計算得到各參數的VIP值并進行排序，按照排序最終判斷影響最終采出程度的主控因素[18-20]。

在已有數據基礎上，建立開采效果分析模型：

式中Y表示最終采出程度；xn分別表示地質、壓力及配產制度3大類16項參數。利用偏最小二乘法對表3中的16項數據進行處理，通過MATLABR2014編程，建立多元線性回歸經驗公式。

表3 PLS模塊大數據分析參數選取表

變量投影重要性指標VIP值用以評價自變量對因變量的解釋能力，其定義式為：

表4 最終采出程度影響參數VIP值排序表

可見開采壓力、滲透率及頁巖品質是非常關鍵的因素，從前面分析滲透率的影響也可以看出最終采出程度與滲透率的相關性很高，因此需要提高最終采出程度，必須對地層進行壓裂改造，壓裂改造的好壞直接影響氣田的最終產量。

3 結論

1）頁巖氣高速衰竭開采時分2個階段，低速時分3個階段，生產井流態與之相似，衰竭開采時流速存在一個臨界值。

2）頁巖氣室內衰竭開采特征的遞減階段表現為調和遞減，初始遞減率與滲透率成正相關關系。

3）計算權重值結果表明最終采出程度的主要影響因素是滲流能力、開采壓力及頁巖品質。