陸 程，劉 雄，程敏華，李 兵

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029;2.中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

引 言

體積壓裂水平井是開發(fā)頁(yè)巖氣的重要技術(shù)之一。由于頁(yè)巖氣特殊的賦存機(jī)理，以及儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育、脆性系數(shù)高等特點(diǎn)，常規(guī)的單一對(duì)稱雙翼裂縫模型已不能滿足頁(yè)巖氣建產(chǎn)的需要，只有不斷提高有效的儲(chǔ)層改造體積，形成最大化的縫網(wǎng)展布，擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)滲流通道，才能實(shí)現(xiàn)提高單井日產(chǎn)和最終采收率的目的。雖然國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者參與到頁(yè)巖氣研究的課題中來，但有關(guān)頁(yè)巖氣滲流機(jī)理尚未定論，建立適用于體積壓裂水平井頁(yè)巖氣的產(chǎn)能評(píng)價(jià)方程還有一定難度。

筆者在陸程[1]研究的基礎(chǔ)上，建立了頁(yè)巖氣藏水平井體積壓裂模型，研究對(duì)比各優(yōu)選參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)高低，以期為頁(yè)巖氣的高效開發(fā)提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 建模條件

根據(jù)已有資料[2－9]，水平井壓裂過程中與頁(yè)巖層中天然裂縫相交互錯(cuò)，生成眾多誘導(dǎo)裂縫，進(jìn)一步形成人工裂縫、天然微裂縫和誘導(dǎo)裂縫相互交錯(cuò)的體積壓裂區(qū)。當(dāng)賦存在基質(zhì)孔隙和微裂縫中的游離氣被采出后[1，5]，吸附氣將通過解吸作用進(jìn)入天然微裂縫和誘導(dǎo)裂縫，再匯聚到人工裂縫，最終流入井筒生產(chǎn)出來(圖1)。

針對(duì)頁(yè)巖氣體積壓裂后3種裂縫網(wǎng)格互相交錯(cuò)彼此連通的復(fù)雜性，以及3種裂縫網(wǎng)格各自與頁(yè)巖基質(zhì)孔隙模型的連通關(guān)系，選取經(jīng)典的Warren and Root模型。

利用該模型進(jìn)行如下動(dòng)態(tài)過程的模擬:①基質(zhì)系統(tǒng):內(nèi)部不考慮滲流，只發(fā)生擴(kuò)散。表面采用純氣體Langmuir等溫吸附方程考慮吸附解吸作用;②裂縫系統(tǒng):在滿足有限導(dǎo)流和達(dá)西滲流條件下，模擬天然微裂縫、誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)格和人工裂縫3套網(wǎng)格，建立有效的儲(chǔ)層體積改造區(qū)SRV，并考慮高速非達(dá)西校正;③前2套系統(tǒng)的耦合關(guān)系:參照Warren and Root模型中的sigma系數(shù)進(jìn)行修正。

1.2 模型參數(shù)

在ECLIPSE中選擇Warren and Root模型，考慮規(guī)則體積壓裂，建立9段等間距人工壓裂水平井頁(yè)巖氣模型，再建立與人工裂縫相垂直和平行的等間距誘導(dǎo)裂縫(圖2)，模型參數(shù)如表1所示。

圖1 頁(yè)巖氣體積壓裂水平井氣體流動(dòng)狀態(tài)

圖2 頁(yè)巖氣體積壓裂水平井3D、2D模型

表1 ECLIPSE頁(yè)巖氣體積壓裂水平井模型參數(shù)[1，8]

根據(jù)王曉冬和陸程[1，7]的研究，上述模型滿足有限導(dǎo)流條件。

2 影響因素分析

頁(yè)巖儲(chǔ)層通過壓裂改造后被集體“打碎”，最大限度地將具有極小導(dǎo)流能力的微裂縫、誘導(dǎo)裂縫和具有較大導(dǎo)流能力的人工裂縫聯(lián)系在一起，致使流體從基質(zhì)流經(jīng)人工裂縫最后到井筒的距離最短，極大提高儲(chǔ)層動(dòng)用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層在長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向的“立體改造”。

鑒于此，討論了典型參數(shù)對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的影響，具體為:①壓裂改造系統(tǒng):人工裂縫導(dǎo)流能力、誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力、誘導(dǎo)裂縫密度、SRV大小、非達(dá)西因子;②儲(chǔ)層系統(tǒng):微裂縫滲透率、基質(zhì)—裂縫sigma系數(shù)，結(jié)果見表2。

由表2可知，對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響最大的參數(shù)是人工裂縫導(dǎo)流能力，其次為微裂縫滲透率和改造體積，兩者所占比例幾乎相當(dāng)。誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力及其密度對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)微乎其微，這與以往認(rèn)為在體積壓裂中，形成的次生裂縫越多、導(dǎo)流能力越強(qiáng)、氣井產(chǎn)量就越高的認(rèn)識(shí)有所不同。下面對(duì)各影響因素進(jìn)行逐一分析。

表2 敏感參數(shù)對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)

2.1 人工裂縫導(dǎo)流能力

人工壓裂的結(jié)果是在近井地層中留下一條高傳導(dǎo)能力的滲流通道，便于流體從遠(yuǎn)井地帶流到井底或注入劑由井底向地層疏散。由圖3可知，人工裂縫導(dǎo)流能力由0.305×10－3μm2·m增至15.25×10－3μm2·m，累計(jì)產(chǎn)氣量隨著導(dǎo)流能力的提高增幅顯著，壓降漏斗波及范圍變大。尤其是有效SRV區(qū)域內(nèi)。在開采初期，累計(jì)產(chǎn)氣量的增幅速率明顯高于低導(dǎo)流能力時(shí)，貢獻(xiàn)率接近30%。從某種程度上說，裂縫導(dǎo)流能力要比裂縫半長(zhǎng)對(duì)增產(chǎn)效果的影響更加重要[7]。而裂縫導(dǎo)流能力實(shí)際上是通過裂縫滲透率和已支撐裂縫寬度來決定的，其實(shí)質(zhì)為單位壓力梯度下裂縫允許儲(chǔ)層輸送流體的流量[7]。顯而易見，對(duì)于頁(yè)巖氣體積壓裂而言，人工裂縫在儲(chǔ)層和井筒之間起到不可替代的運(yùn)移通道作用，只有裂縫允許流體進(jìn)入的流量越大，生產(chǎn)井的產(chǎn)量才會(huì)越高。在整個(gè)系統(tǒng)中(圖1、2)，無論其他參數(shù)對(duì)系統(tǒng)有什么影響，如果人工裂縫允許流體進(jìn)入流量的能力減弱，則會(huì)影響單井產(chǎn)量及最終采收率。

當(dāng)壓裂液泵注結(jié)束后，往往壓裂液壓力下降到不足以維持裂縫張開水平，導(dǎo)致裂縫閉合，勢(shì)必影響其導(dǎo)流能力。因此，體積壓裂完井階段要選用適當(dāng)類型的支撐劑，以便生產(chǎn)過程中裂縫內(nèi)的壓力損失降低到最低水平，達(dá)到維持裂縫最佳導(dǎo)流能力的效果。

圖3 人工裂縫導(dǎo)流能力對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響

2.2 誘導(dǎo)裂縫

鑒于體積壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)微裂縫與人工裂縫和天然微裂縫之間構(gòu)成復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)。為此，圍繞該體系中誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力及其密度2個(gè)因素對(duì)單井累計(jì)產(chǎn)氣量的影響展開研究。

由圖4可知，誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力由0.153×10－3μm2·m 增至 1.530 ×10－3μm2·m，但累計(jì)產(chǎn)氣量的增幅非常微弱，尤其是投產(chǎn)初期幾乎沒有任何變化。這是由于誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力的高低只能代表單位壓力梯度下誘導(dǎo)裂縫允許進(jìn)入縫內(nèi)流體的流量大小，無論是從天然微裂縫或基質(zhì)孔隙進(jìn)入其中的游離氣，還是從基質(zhì)表面擴(kuò)散后進(jìn)入其中的解吸氣，兩者均不與井筒之間發(fā)生直接的滲流關(guān)系。在誘導(dǎo)裂縫內(nèi)經(jīng)過壓力損失后，進(jìn)入人工裂縫的剩余流體也只是起到為人工裂縫補(bǔ)充儲(chǔ)層流體的作用，而最終影響產(chǎn)量的關(guān)鍵還需考慮人工裂縫的導(dǎo)流能力。

圖4 誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響

在2條人工裂縫中間不斷添加誘導(dǎo)裂縫條數(shù)，達(dá)到模擬增加有效儲(chǔ)層與人工裂縫之間滲流通道數(shù)量對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量有何種影響的目的。由圖5可知，不但投產(chǎn)初期裂縫條數(shù)對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量沒有影響，而且隨著條數(shù)的增加累計(jì)產(chǎn)氣量幾乎沒有變化。這是由于投產(chǎn)初期的產(chǎn)氣量是由聚集在天然微裂縫和基質(zhì)孔隙中的游離氣匯聚到人工裂縫后流入井筒被開采出來的，這也從一方面驗(yàn)證了頁(yè)巖氣開采過程中氣體分階段流動(dòng)過程的正確性[1]。在開采的中后期，隨著誘導(dǎo)裂縫密度增加，縫間距減小，勢(shì)必出現(xiàn)壓降漏斗疊加，發(fā)生縫間相互干擾的情況，結(jié)果使流入誘導(dǎo)裂縫內(nèi)的流量減弱，因此，在誘導(dǎo)裂縫密度達(dá)到一定范圍后，進(jìn)一步考慮其對(duì)產(chǎn)能的影響是沒有必要的，而且在實(shí)際壓裂后這部分參數(shù)信息也極難獲取和定量分析。

2.3 改造體積大小

由于水平井長(zhǎng)度固定，改造體積整體的長(zhǎng)度即為固定的915.0 m，而后通過模擬寬度和高度的變化，達(dá)到研究改造體積體積變化對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量和近井地帶壓力分布特征的影響。由圖6可知，隨著改造體積體積的增大，累計(jì)產(chǎn)氣量增幅明顯，近井地帶的壓降范圍明顯擴(kuò)大。

頁(yè)巖氣開發(fā)中，人工裂縫在具有最大的導(dǎo)流能力的同時(shí)，還應(yīng)具有絕對(duì)大的橫截面積，這樣才能保證地層很容易的將流體運(yùn)移到裂縫內(nèi)。裂縫橫截面積是通過產(chǎn)氣帶內(nèi)的裂縫高度和有效裂縫半長(zhǎng)來確定的，有效儲(chǔ)層的厚度都是有限的，這就意味著裂縫高度范圍將受到一定限制，需要設(shè)計(jì)盡可能大的裂縫半長(zhǎng)用以彌補(bǔ)裂縫的橫截面積。由圖2、6可知，增加改造體積有效寬度等效于延伸了裂縫半長(zhǎng)，而增加改造體積高度實(shí)際上與增加裂縫高度是等同的，因此，擴(kuò)大儲(chǔ)層體積改造的本質(zhì)從一定程度上講也就是延長(zhǎng)裂縫半長(zhǎng)，擴(kuò)大裂縫的橫截面積。

圖5 誘導(dǎo)裂縫密度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響

圖6 儲(chǔ)層改造體積對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響

另外，像頁(yè)巖氣這種極低滲透儲(chǔ)層對(duì)于有效裂縫長(zhǎng)度的壓力損失非常敏感，由于裂縫寬度有限，尤其是在裂縫端部其導(dǎo)流能力相對(duì)較弱。而增加裂縫半長(zhǎng)，不但可以提高裂縫的橫截面積，還可以通過長(zhǎng)度的增加彌補(bǔ)導(dǎo)流能力的損失[7]，即低滲透儲(chǔ)層扁(裂縫寬度)、長(zhǎng)(裂縫半長(zhǎng))型裂縫開發(fā)效果好。

2.4 微裂縫滲透率及其他

除以上因素，天然微裂縫滲透率、基質(zhì)—微裂縫sigma系數(shù)和非達(dá)西等3個(gè)因素，同樣也對(duì)單井產(chǎn)量大小起到不可忽視的影響作用。尤其是天然微裂縫滲透率對(duì)了累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率接近四分之一，這一結(jié)果與M.D.Zuber和陸程研究指出的地層滲透率是優(yōu)化單井增產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵性指標(biāo)相一致。而由儲(chǔ)層自身品位所決定的因素，即微裂縫滲透率和基質(zhì)—微裂縫sigma系數(shù)之和在累計(jì)產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)中所占比例已經(jīng)接近40%(表2)。由此可見，壓裂工藝和完井措施的好壞直接影響人工裂縫導(dǎo)流能力和改造體積大小，其對(duì)單井產(chǎn)能的影響固然重要，然而在頁(yè)巖氣藏規(guī)模建產(chǎn)前，應(yīng)對(duì)詳查階段的儲(chǔ)層巖心進(jìn)行常規(guī)測(cè)試分析，優(yōu)選品位良好的目標(biāo)層進(jìn)行施工設(shè)計(jì)同樣不可或缺。

3 結(jié)論

(1)建立新型水平井開采頁(yè)巖氣體積壓裂模型，對(duì)比研究裂縫和儲(chǔ)層2套系統(tǒng)中不同參數(shù)對(duì)單井產(chǎn)能的影響。

(2)裂縫系統(tǒng)中人工裂縫導(dǎo)流能力和改造體積大小是影響單井產(chǎn)量最主要的因素，而誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力和誘導(dǎo)裂縫密度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的直接影響微弱;儲(chǔ)層系統(tǒng)中天然微裂縫滲透率和sigma系數(shù)對(duì)單井產(chǎn)量的影響尤為重要，當(dāng)裂縫中的流動(dòng)完全滿足達(dá)西滲流時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量是最高的。

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