裂縫氣藏氣井產能特征及產能方程修正方法研究

關鍵詞：裂縫性氣藏；氣井產能；修正方法；紊流效應；滲流規律

引言

裂縫性油氣藏是世界范圍內重要的油氣資源，全球已發現的50% 以上油氣資源賦存于這類油氣藏中，該類油氣藏通常具有儲量巨大、單井產能高的特點[1]。如塔里木盆地克深氣田、四川盆地安岳氣田探明儲量均超過了1×1012 m3，部分單井無阻流量超過107 m3/d[2]。由于裂縫和基質孔隙滲透率存在著數量級的差異，這類油氣藏與常規孔隙性儲層流體傳輸規律、產能特征存在一定的差異[3 4]。

單井產能評價是明確氣田開發規模、合理工作制度制定的基礎，目前關于氣井產能評價主要包括3 種方法：產能試井、一點法經驗公式和理論二項式產能方程[5 9]。產能試井是評價氣藏生產能力最主要的手段。一點法經驗公式只需要一個測試點相應的壓力和產量就可以簡便地評價氣井產能。理論二項式產能方程是目前氣井產能評價的重要方法，可有效表征氣井生產變化特征，但目前絕大部分氣井產能模型是基于均質儲層模型推導得到的[10 11]。筆者整理了四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地裂縫性氣藏產能測試結果，發現氣體在裂縫處匯聚，導致高速非達西效應明顯，實際二項式產能方程的二次項系數B 值遠遠高于二項式理論計算結果，表明裂縫性氣藏的紊流效應更加明顯。直接將壓力恢復試井解釋結果代入到產能方程中會錯估裂縫性油氣藏單井產能[12]。

針對上述問題，首先，基于裂縫性氣藏地層特征、產能試井及產氣剖面測試資料，明確了局部優勢井段（裂縫發育）非均勻供氣現象是裂縫性氣藏氣井紊流效應更強的原因。其次，基于理論二項式產能方程和克深氣田產能試井測試數據，確定了該區塊理論非達西流系數與實際非達西流系數的關系，并提出運用修正的非達西流系數代替理論非達西流系數的裂縫性氣藏產能修正方程。該方程有效地提升了壓力恢復試井資料在裂縫性氣藏氣井產能評價工作的應用效果，對合理認識氣井產能具有顯著的意義。

1 裂縫性氣藏氣井滲流規律及產出特征

克深氣田位于塔里木盆地庫車拗陷中部，由克深2、克深6 和克深8 等多個斷背斜砂巖氣藏構成，氣藏埋深普遍超過5 000 m，主力產氣層系為白堊系巴什基奇克組，儲層孔隙度在2%～8%，基質滲透率在0.01～0.50 mD。受多期構造運動復合疊加改造的影響，克深氣田各氣藏斷層和構造裂縫發育，為典型的超深層裂縫性砂巖氣藏群[13 17]，地質構造如圖1所示。

由于基質系統與天然裂縫系統滲流能力存在數量級的差異，裂縫性氣藏氣體產出特征與常規孔隙性氣藏存在較大的差異[18 21]。孔隙性氣藏（如澀北氣田）氣井產出剖面較為均勻，射開的各層組均有一定的供氣能力，而裂縫性氣藏（如靖邊氣田、克深氣田等）受到裂縫發育特征的影響，氣井產出剖面存在局部優勢供氣井段現象。如克深氣田某井單井日產氣32.95×104 m3，測井解釋儲層有效儲層厚度53 m，產氣剖面測試顯示供氣井段僅7 m，如圖2 所示。

試井曲線特征可有效反映儲層特征，克深氣田試井曲線與常規氣藏曲線存在一定的差異，主要表現為：1）壓力恢復曲線呈現“廠”字形，氣井壓力恢復較快，短時間內恢復程度超過95%；2）過渡流階段表現出高表皮特征，測試產量越高則解釋得到的表皮系數越大；3）絕大部分氣井測試前產量超過40×104 m3/d，但較長測試時間無徑向流特征[22]。氣井壓力恢復曲線特征表明該區塊儲層整體物性較差，井周發育有天然裂縫，生產壓降主要消耗在井筒周圍，如圖3 所示。

將克深氣田壓力恢復解釋結果代入產能方程中計算得到氣井流入動態曲線，與該井產能試井實測IPR 曲線進行對比。如圖4 所示，計算結果有一定的差別，原因是在裂縫性氣藏產出過程中，氣體具有極強的紊流效應。

將地質認識、試井和產氣剖面監測結果結合分析可知，井筒周圍發育高導裂縫是氣井高產的前提，裂縫性氣藏產出過程中紊流效應更加顯著。因此，需要修正理論二項式產能方程系數B，從而提高理論方程在裂縫性氣藏中的適用性。

2 氣井二項式產能模型修正方法

當多孔介質內氣體流動速度較高時，氣體流動狀態不再符合達西定律。目前，國內外多采用Forchheimer 方程描述高速非達西效應影響下的氣體滲流，該方程通過引入一個包含紊流系數的附加項修正達西方程，用于考慮紊流效應造成的壓力損失，其表達式為[23 24]

紊流系數的表達式是基于孔隙性滲流介質獲取得到的，這類儲層巖芯內氣體滲流速度遠小于裂縫性多孔介質，因此，造成產能常用的二項式理論公式在裂縫性氣藏內適用性較差。

對于裂縫性氣藏而言，其實際的非達西流系數比理論計算的結果更大，采用穩態二項式產能公式計算氣井產能時需要修正非達西流系數D，提高產能計算結果的精度。對于一個特定氣藏而言，理論非達西流系數與實際非達西流系數之間具有一定的關系，根據測試數據總結兩者之間的關系。

根據產能試井數據，統計得到理論計算的非達西流系數與實際非達西流系數之間的關系如圖5 所示，兩者有3～4 個數量級的差異。

沿著氣體流動方向從井筒到供給邊界進行積分，并換算到礦場單位制下，可以獲得氣井的穩態產能公式為[25]

3 實例應用及敏感性參數分析

3.1 修正產能模型驗證

克深氣田A 井位于構造高部位，該井同時開展了產能試井和壓力恢復試井，測試資料較為豐富，選取該井作為樣本井驗證修正產能模型的準確性。A 井儲層有效厚度136.2 m，地層壓力115.133 MPa，壓力恢復試井解釋得到滲透率為22.98 mD，表皮系數為211.86，井筒半徑為0.088 9 m，流量表皮3.33×10?4 d/m3，氣體黏度0.040 6 mPa·s，氣體偏差系數1.807 3。將試井基礎數據代入到圖版中，計算氣井真實非達西流系數D=0.000 332 8 d/m3，然后利用修正后的產能公式計算得到理論產量。兩者的計算結果如圖6 所示，理論計算的結果與測試產量的誤差為3.25%，表明該方法可有效地提升裂縫性氣藏氣井產能評價結果。

同時，根據測試數據擬合得到的二項式系數計算得到的氣井流入動態曲線與修正后的公式計算得到的流入動態曲線如圖6b 所示，理論模型的計算無阻流量與測試結果擬合得到的氣井流入動態曲線結果相近，表明了計算結果的準確性。

3.2 敏感性參數分析

對于裂縫性氣藏而言，氣井非達西流系數是決定產能的一個重要因素。計算了不同非達西流系數下的氣井流入動態曲線（圖7），隨著非達西流系數的增大，氣井流入動態曲線逐漸向左偏移。紊流效應對氣井產量的影響隨著生產壓差的增大而增大，因此，對于這類氣井控制生產壓差減少紊流壓力損失。

計算了不同非達西流系數下的氣井生產過程中紊流附加壓降占總生產壓降的比例如圖8所示。

從圖8 可以看出，隨著生產壓差的增大，紊流效應消耗的能量越大。對于常規孔隙性儲層氣井而言，達西流動是氣體產出的主要能量消耗，紊流效應能量消耗較少。對于裂縫性氣藏氣井而言，當生產壓差較小時紊流附加壓降的比例都很大了。因此，裂縫性氣藏需要控制生產壓差，減少氣藏能力浪費。

3.3 礦產“一點法”產能測試建議

受到開發成本、生產需求的影響，并不是每口氣井都實施產能試井和壓力恢復試井測試，因此，“一點法”經驗公式也是目前礦場運用較多的產能評價方法。目前，針對不同氣田大量學者和現場專家提出了適用于各自區塊的產能系數，“一點法”經驗公式為

“一點法”經驗公式產能評價結果的準確性與經驗系數 和測試條件（測試生產壓差）有關。相對于孔隙性儲層氣井而言，裂縫性氣藏內氣井生產時紊流效應更強，特別是在低壓差狀況下氣井生產指數更大，低生產壓差下測試產量結果容易造成計算氣井產能遠高于實際結果。

將二項式產能公式計算的結果代入陳元千提出的“一點法”經驗公式中，計算了不同生產壓差下的理論結果與氣井無阻流量之間的誤差，結果如圖9所示。從圖9 可以看出，隨著生產壓差的增大，理論結果誤差先減小后增大，過低的測試生產壓差會導致評價得到的氣井產能偏大，因此，采用“一點法”評價氣井產能時測試生產壓差建議取值為地層壓力的4%～10%。

4 結論

1）裂縫性氣藏開采時氣體滲流規律和產出特征與常規孔隙性儲層存在較大的差異，氣向裂縫匯聚后流入井筒中是裂縫性氣藏氣井紊流效應更加顯著的原因，現有的理論產能方程將會高估單井生產能力。

2）利用測試數據回歸了克深氣田氣井理論與實際非達西流系數的關系，建立了裂縫性氣藏二項式產能修正方法，運用測試數據驗證了該方法的有效性，擴展了二項式穩態產能模型在裂縫性氣藏的適用性，有利于提高氣井產能特征的認識。

3）裂縫性氣藏氣井開采過程中壓力主要消耗在紊流效應上，應該控制生產壓差，減少氣藏能量浪費。采用“一點法”經驗公式評價裂縫性氣藏氣井產能時，測試生產壓差建議取值為地層壓力的4%～10%。