李進(jìn)步 王繼平 李 婭 胡 勇 謝 坤

1. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 2. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 4. 東北石油大學(xué)

0 引言

致密氣開(kāi)發(fā)最早起源于北美，以圣胡安盆地、阿爾伯達(dá)盆地最為典型。中國(guó)致密氣勘探開(kāi)發(fā)1972年始于四川盆地須家河組致密氣田，2006年后以蘇里格為代表的致密氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入大發(fā)展階段。致密氣典型的特征是儲(chǔ)層致密、儲(chǔ)集層物性差、含氣飽和度低、滲流能力差、單井產(chǎn)量低、總體經(jīng)濟(jì)效益差。早期致密氣成功開(kāi)發(fā)依賴于致密氣成藏理論的突破、甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選技術(shù)的進(jìn)步及壓裂改造工藝的升級(jí)[1]。隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)一步深入，致密氣開(kāi)發(fā)面臨資源劣質(zhì)化、對(duì)象復(fù)雜化的新挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：①主力層儲(chǔ)層厚度變薄、含氣飽和度降低；②投產(chǎn)井生產(chǎn)指標(biāo)較氣田上產(chǎn)階段下降明顯，產(chǎn)量遞減率更高；③剩余儲(chǔ)量碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，提高采收率難度大[2]。因此，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜致密砂巖氣藏精細(xì)開(kāi)采是下一步致密氣藏開(kāi)發(fā)的攻關(guān)方向。

受地質(zhì)沉積環(huán)境影響，致密氣田儲(chǔ)層致密、非均質(zhì)性強(qiáng)，砂體相互疊置，氣水關(guān)系復(fù)雜[3-7]，儲(chǔ)層供氣能力、儲(chǔ)量動(dòng)用特征有待深入研究。與常規(guī)砂巖相比，致密砂巖孔喉尺寸明顯變小，連通性變差，以微納米孔喉為主，基質(zhì)供氣能力弱，加之地層原始含水影響，致密砂巖氣藏在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中面臨著動(dòng)用邊界有限和有效產(chǎn)氣周期短等問(wèn)題[8-13]?，F(xiàn)有研究表明，低滲透率致密砂巖氣藏動(dòng)用特征較之常規(guī)砂巖氣藏存在差異，常規(guī)砂巖氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度受砂體邊界控制明顯；低滲透率致密氣藏基質(zhì)供氣慢，動(dòng)用邊界逐步擴(kuò)大，小于等于砂體邊界，其儲(chǔ)量動(dòng)用受砂體邊界和動(dòng)用邊界雙重控制，與原始地層壓力、含水飽和度和生產(chǎn)制度等因素關(guān)系密切[14-18]。

目前常用的氣藏開(kāi)采室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究主要利用定容配產(chǎn)衰竭開(kāi)采方式研究四川盆地、鄂爾多斯盆地氣藏開(kāi)發(fā)特征[17-21]，即在實(shí)驗(yàn)巖心充注氣體后，通過(guò)設(shè)置單井配產(chǎn)進(jìn)行衰竭開(kāi)采，為模擬氣藏開(kāi)采過(guò)程提供了一種有效手段，獲得的成果和認(rèn)識(shí)較好地反映了生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律，但該方法難以揭示不同生產(chǎn)階段儲(chǔ)層壓力、供氣能力以及儲(chǔ)量動(dòng)用變化特征，難以指導(dǎo)探索提高類似氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用和采收率。

筆者在前期蘇里格氣田儲(chǔ)層物性、微觀結(jié)構(gòu)特征和定容配產(chǎn)衰竭開(kāi)采方式研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)致密砂巖氣儲(chǔ)量動(dòng)用規(guī)律不清楚、提高采收率方向不明確等關(guān)鍵難題，建立了能夠反映蘇里格氣田開(kāi)采模式的衰竭式開(kāi)采模擬方法，選用蘇里格氣田主力層位盒8儲(chǔ)層段天然基質(zhì)巖心，建立一定初始含水飽和度，開(kāi)展了生產(chǎn)壓差分別為3.5 MPa、5.5 MPa、7.0 MPa逐級(jí)降壓衰竭開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，揭示了儲(chǔ)層壓力、供氣能力以及儲(chǔ)量動(dòng)用等關(guān)鍵指標(biāo)全生命周期變化規(guī)律，明確了儲(chǔ)量充分動(dòng)用的臨界地層壓力，為探索提高采收率新方法奠定了理論依據(jù)。

1 逐級(jí)降壓衰竭開(kāi)采實(shí)驗(yàn)方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

致密砂巖氣藏流體滲流通道以納米、微毛細(xì)管孔喉為主，對(duì)巖石中流體流動(dòng)起控制作用，流體流動(dòng)阻力較大。因此，致密氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)量由近井到遠(yuǎn)井逐漸動(dòng)用，儲(chǔ)層中會(huì)形成凹深的壓降漏斗（圖1），其中Lw表示井底位置，Le表示單氣藏物理邊界位置，pw表示井底壓力，pe表示氣藏物理邊界壓力。為了再現(xiàn)氣藏開(kāi)采過(guò)程中的壓降特征，建立一套逐級(jí)降壓開(kāi)采方式物理模擬實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將實(shí)驗(yàn)用巖心首先恢復(fù)至地下孔隙壓力和含水飽和度條件，然后逐級(jí)降壓開(kāi)采，相當(dāng)于將至動(dòng)用邊界的儲(chǔ)層等分成i份，n1、n2～ni；其中單次衰竭壓差Δp=(pe-pw)/i，分別模擬每個(gè)壓力等份條件下的氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度，最后將各等份條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行組合（圖2），認(rèn)識(shí)氣藏動(dòng)用范圍內(nèi)壓降特征、儲(chǔ)層供氣能力和儲(chǔ)量動(dòng)用特征。

圖1 致密砂巖氣藏開(kāi)采示意圖

圖2 逐級(jí)降壓開(kāi)采方式物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1）選取樣品：選取實(shí)驗(yàn)所需巖心，單塊巖心長(zhǎng)度不低于5 cm，將滲透率相近的巖心進(jìn)行拼接組合成長(zhǎng)巖心，本次實(shí)驗(yàn)選擇巖心滲透率為0.1 mD，孔隙度約為10%的4塊巖心串聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（表1）。

表1 逐級(jí)降壓開(kāi)采實(shí)驗(yàn)方案表

2）建立含水飽和度：采用抽空飽和水的方法對(duì)巖心飽和水，然后進(jìn)行氣驅(qū)，確保巖心保持實(shí)驗(yàn)所需的含水飽和度，本次實(shí)驗(yàn)巖心平均含水飽和度為50%。

3）飽和氣：將滿足含水飽和度要求的巖心裝入耐高壓夾持器，加圍壓至35.0 MPa，然后從巖心兩段同時(shí)加壓飽和氣，當(dāng)兩端壓力達(dá)到30.0 MPa且1～2 h保持不變時(shí)，飽和氣完畢。

4）逐級(jí)降壓開(kāi)采實(shí)驗(yàn)：采用自動(dòng)控制回壓系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)單次壓降值，從出口端逐級(jí)降壓開(kāi)采，記錄降壓過(guò)程中巖心兩端壓力、出口氣流量、累計(jì)氣流量、水流量、累計(jì)水流量等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)出口不產(chǎn)氣后再進(jìn)行二次降壓開(kāi)采，記錄相同參數(shù)，如此逐級(jí)下降，直至出口至廢棄地層壓力?？紤]實(shí)驗(yàn)周期、實(shí)驗(yàn)效果及蘇里格生產(chǎn)實(shí)際，采用實(shí)驗(yàn)壓差分別為3.5 MPa、5.5 MPa 及 7.0 MPa。

5）對(duì)步驟4）中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，歸納儲(chǔ)量動(dòng)用規(guī)律。

為保證實(shí)驗(yàn)效果，本次實(shí)驗(yàn)采用巖心膠皮套定點(diǎn)部署測(cè)壓孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心內(nèi)部孔隙壓力實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)，攻關(guān)了常規(guī)實(shí)驗(yàn)只能測(cè)得端點(diǎn)壓力而不能測(cè)得壓力剖面的技術(shù)難題，為揭示致密砂巖滲流邊界與儲(chǔ)量動(dòng)用特征評(píng)價(jià)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐；采用高精度回壓、圍壓等控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣井衰竭開(kāi)采實(shí)驗(yàn)?zāi)M，可以模擬氣井任意配產(chǎn)或任意生產(chǎn)壓差條件下的開(kāi)采過(guò)程。

2 開(kāi)發(fā)規(guī)律認(rèn)識(shí)與啟示

2.1 實(shí)驗(yàn)規(guī)律

2.1.1 儲(chǔ)層壓力變化規(guī)律

以生產(chǎn)壓差3.5 MPa為例，分析揭示逐級(jí)降壓開(kāi)采過(guò)程中邊界壓力（巖心注入端壓力）、井底壓力（巖心采出端壓力）變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。分析揭示了致密含水砂巖氣不同開(kāi)發(fā)階段儲(chǔ)層壓力變化規(guī)律：①在地層壓力較高的開(kāi)發(fā)早期階段（圖3中的實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 000 s之前），巖心邊界端壓力逐步下降至出口端壓力即井底壓力，兩個(gè)壓力達(dá)到平衡，儲(chǔ)量動(dòng)用充分；②在地層壓力較低的開(kāi)發(fā)中后期階段（圖3中的實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 000 s之后），開(kāi)采過(guò)程中，巖心邊界端壓力也會(huì)逐步下降，但邊界壓力下降緩慢且不能下降至井底壓力，隨儲(chǔ)層壓力進(jìn)一步下降，邊界壓力與井底壓力的差異越明顯，表明該階段遠(yuǎn)井區(qū)儲(chǔ)量難以得到充分動(dòng)用。因此儲(chǔ)層壓力對(duì)儲(chǔ)量動(dòng)用程度有決定性的影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)入口端壓力與出口端壓力變化規(guī)律圖

在生產(chǎn)壓差3.5 MPa實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了放大壓差（5.5 MPa、7.0 MPa）開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)，揭示逐漸降壓開(kāi)采過(guò)程中邊界壓力（巖心注入端壓力）與井底壓力（巖心采出端壓力）差異特征，結(jié)果如圖4所示。在5 000 s后，邊界壓力與井底壓力差異逐漸顯現(xiàn)；生產(chǎn)壓差越大，壓力差異出現(xiàn)越早；隨著開(kāi)采的繼續(xù)其差異越大。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于致密含水砂巖氣藏，放大壓差生產(chǎn)對(duì)于遠(yuǎn)井區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用的影響存在較大影響。

圖4 不同生產(chǎn)壓差條件下邊界壓力與井底壓力差圖

2.1.2 儲(chǔ)層供氣能力規(guī)律

進(jìn)一步將不同生產(chǎn)壓差下儲(chǔ)層瞬時(shí)流量與地層壓力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。分析可以看到在不同儲(chǔ)層壓力階段儲(chǔ)層供氣能力存在明顯差異，在儲(chǔ)層壓力大于等于15.0 MPa時(shí)，儲(chǔ)層供氣能力總體較強(qiáng)，且隨生產(chǎn)壓差增加而增強(qiáng)，當(dāng)儲(chǔ)層壓力下降至15.0 MPa以下，儲(chǔ)層供氣能力總體較低，即使放大壓差也難以有效提產(chǎn)。這一認(rèn)識(shí)表明以實(shí)驗(yàn)巖心為代表的蘇里格氣田Ⅲ、Ⅳ類儲(chǔ)層，可探索補(bǔ)充地層能量方法，確保氣藏維持在較高地層壓力生產(chǎn)是保障氣藏高產(chǎn)的重要條件。

圖5 瞬時(shí)流量與地層壓力關(guān)系圖

2.1.3 儲(chǔ)量動(dòng)用規(guī)律

將不同生產(chǎn)壓差條件下采收率情況繪制成圖，結(jié)果如圖6所示，采收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。分析可以得出：無(wú)論生產(chǎn)壓差大與小，開(kāi)發(fā)早期采出程度上升較快，開(kāi)發(fā)中后期采收率上升幅度較平緩；而生產(chǎn)壓差越高，則生產(chǎn)周期越短，儲(chǔ)量難以得到充分動(dòng)用，最終采收率隨生產(chǎn)壓差增大而降低。生產(chǎn)壓差為7.0 MPa的儲(chǔ)層采收率僅為32.9%，較3.5 MPa生產(chǎn)壓差下的采收率低16.4%。因此，設(shè)定合理生產(chǎn)壓差是提高采收率的良好方法。

表2 采收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖6 采收率評(píng)價(jià)圖

2.2 生產(chǎn)規(guī)律

選擇蘇f-e井和蘇d井兩口井為例，分析不同配產(chǎn)條件下的生產(chǎn)特征，揭示生產(chǎn)實(shí)際開(kāi)發(fā)規(guī)律。

蘇f-e井生產(chǎn)層位為盒8段、山1段，有效厚度分別為10.3 m、6.5 m，孔隙度分別為9.44%、11.48%，滲透率分別為 0.47 mD、0.56 mD，含氣飽和度分別為55.52%、62.04%，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征曲線如圖7所示。當(dāng)初期配產(chǎn)為3.0×104m3/d時(shí)，該井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間大約為6個(gè)月（不包括關(guān)井3個(gè)月），穩(wěn)產(chǎn)期累計(jì)產(chǎn)氣量為688.56×104m3。當(dāng)配產(chǎn)降為 2.0×104m3/d、1.3×104m3/d、1.0×104m3/d 時(shí)， 生 產(chǎn) 壓 差 減 小，穩(wěn)產(chǎn)期逐次延長(zhǎng)，配產(chǎn)為1.0×104m3/d時(shí)，穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)達(dá)120余月之久。

圖7 蘇f-e井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征圖

蘇d井生產(chǎn)層位為盒8段，有效厚度為15 m，孔隙度為10.9%，滲透率為0.99 mD，含氣飽和度為64.3%，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征曲線如圖8所示。當(dāng)初期配產(chǎn)為6.0×104m3/d時(shí)，該井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間大約僅為3個(gè)月就開(kāi)始呈現(xiàn)快速遞減趨勢(shì)。當(dāng)減小生產(chǎn)壓差，將配產(chǎn)降為1.0×104m3/d時(shí)，該井穩(wěn)產(chǎn)期可以達(dá)到30個(gè)月。兩口井的配產(chǎn)對(duì)穩(wěn)產(chǎn)期生產(chǎn)的影響如表3所示。

圖8 蘇d井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征圖

從表3可以看出，蘇f-e井當(dāng)配產(chǎn)從3.0×104m3/d降到2.0×104m3/d時(shí)，I類井穩(wěn)產(chǎn)期可以延長(zhǎng)到4倍左右，穩(wěn)產(chǎn)期累計(jì)產(chǎn)氣量也可以增加到2.6倍左右。

表3 配產(chǎn)對(duì)穩(wěn)產(chǎn)期生產(chǎn)影響表

2.3 啟示

物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)結(jié)果均表明：①初期配產(chǎn)越高，生產(chǎn)壓差越大，遞減越快，對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，在相關(guān)條件允許范圍內(nèi)，適當(dāng)降低配產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)壓差，可以保持地層壓力，延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期，增加穩(wěn)產(chǎn)期累計(jì)產(chǎn)氣量；②地層壓力越高，儲(chǔ)層流體流動(dòng)越充分，儲(chǔ)量動(dòng)用程度越高，尋找高壓甜點(diǎn)區(qū)是氣藏勘探開(kāi)發(fā)的重要方向和目標(biāo)，對(duì)于蘇里格氣田廣泛分布的Ⅲ、Ⅳ類儲(chǔ)層，未來(lái)可大膽探索補(bǔ)充地層能量新方法，確保氣藏維持在較高地層壓力下以合理生產(chǎn)壓差開(kāi)采，保障氣藏產(chǎn)能和提高采收率[21]。另外，增大泄流面積，減少滲流距離，同樣可提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，目前“水平井部署+儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)+密切割改造”組合技術(shù)已在蘇里格氣田實(shí)施，其有效性已得到驗(yàn)證，有效提高了致密含水砂巖氣藏采收率。

3 機(jī)理分析

3.1 微觀滲流機(jī)理

微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征（孔喉大小及數(shù)量比例）決定了儲(chǔ)層的物性，也決定了氣、水滲流能力。致密砂巖氣藏流體滲流通道以納米孔喉（小于0.01 μm）、微毛細(xì)管孔喉（0.1～0.01 μm）為主，這兩種孔喉占總孔喉數(shù)量比例超過(guò)70%[11]（表4）。喉道是決定儲(chǔ)層滲流能力的關(guān)鍵，喉道細(xì)小，流體滲流時(shí)阻力較大，毛細(xì)管壓力曲線顯示其排驅(qū)壓力超過(guò)1.0 MPa。因此，保持較高的地層能量及一定的生產(chǎn)壓差有助于致密砂巖儲(chǔ)層流體流動(dòng)。

3. 2 氣體膨脹機(jī)理

對(duì)于致密巖性圈閉氣藏，氣體膨脹力是天然氣流動(dòng)進(jìn)入井筒的主要?jiǎng)恿22]。在高壓階段，氣相膨脹能遠(yuǎn)大于水相，易形成連續(xù)流，在低壓階段，氣相膨脹能減小，易被水封隔，難以形成連續(xù)流（圖9）。而隨著氣藏壓力降低，氣體膨脹力減小，當(dāng)壓力下降到臨界地層壓力，微細(xì)喉道中的可動(dòng)水大量進(jìn)入主流喉道，氣相從連續(xù)相被逐漸卡斷為斷續(xù)狀氣泡，在賈敏效應(yīng)下，滲流阻力持續(xù)增大，導(dǎo)致氣體無(wú)法流動(dòng)。另外，地層壓力下降，有效應(yīng)力增大，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力敏感，造成巖石滲流通道不可逆的破壞性，使儲(chǔ)層物性變差，流動(dòng)阻力也會(huì)呈增大趨勢(shì)（圖10，圖中Ki表示實(shí)驗(yàn)后滲透率；Ko表示原始滲透率）。由圖10可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)巖心凈圍壓先升壓后降壓，測(cè)試滲透率比原始滲透率下降15.8%。

3.3 儲(chǔ)量動(dòng)用機(jī)理

物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：生產(chǎn)壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力剖面和動(dòng)用邊界存在影響（圖11）。由于儲(chǔ)層致密、強(qiáng)非均質(zhì)性、氣水關(guān)系復(fù)雜以及原始地層壓力低等原因，生產(chǎn)壓差較大時(shí)，廢棄地層壓力越高，動(dòng)用范圍越小，動(dòng)用范圍內(nèi)邊界壓力下降程度越低，天然氣彈性能量難以獲得充分釋放，儲(chǔ)量難以充分動(dòng)用，故采收率越低。實(shí)驗(yàn)中不同生產(chǎn)壓差3.5 MPa、5.5 MPa、7.0 MPa對(duì)應(yīng)廢棄地層壓力分別為 8.0 MPa、9.0 MPa、11.0 MPa。

4 結(jié)論

1）針對(duì)蘇里格氣田目前儲(chǔ)量動(dòng)用規(guī)律不清楚、提高采收率方向不明確等關(guān)鍵難題，通過(guò)建立一套逐級(jí)降壓開(kāi)采方式物理模擬實(shí)驗(yàn)方法和流程，選用蘇里格氣田盒8段主力儲(chǔ)層巖心，開(kāi)展了不同生產(chǎn)壓差下逐漸降壓衰竭開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，揭示了儲(chǔ)層壓力、供氣能力以及儲(chǔ)量動(dòng)用等關(guān)鍵指標(biāo)全生命周期變化規(guī)律。

2）明確了蘇里格致密含水砂巖氣藏Ⅲ、Ⅳ類儲(chǔ)層儲(chǔ)量充分動(dòng)用的臨界儲(chǔ)層壓力約為15.0 MPa，認(rèn)識(shí)到在儲(chǔ)層壓力大于等于15.0 MPa時(shí)，生產(chǎn)壓差越大則儲(chǔ)層供氣能力越強(qiáng)，儲(chǔ)量動(dòng)用充分；隨儲(chǔ)層壓力下降至15.0 MPa以后，儲(chǔ)層供氣能力降低，近井區(qū)和遠(yuǎn)井區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用存在差異，遠(yuǎn)井區(qū)儲(chǔ)量難以得到充分動(dòng)用，為探索提高采收率新方法奠定了理論依據(jù)。

3）驗(yàn)證了致密含水砂巖氣藏提高采收率方法“水平井部署+儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)+密切割改造”組合技術(shù)在蘇里格氣田的有效性。另外，應(yīng)積極探索補(bǔ)充地層能量新方法，確保氣藏維持在較高地層壓力下以合理生產(chǎn)壓差開(kāi)采，保障氣藏產(chǎn)能和高采收率。