致密砂巖氣藏體積改造增產(chǎn)效果數(shù)值模擬

段瑤瑤，王欣，王永輝，嚴(yán)星明，鄢雪梅

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

摘要：隨著勘探開(kāi)發(fā)工作深入，致密砂巖氣藏儲(chǔ)量所占比例不斷提高，體積改造是實(shí)現(xiàn)該類氣藏突破的重要技術(shù)手段。為研究體積改造在致密砂巖氣藏中的增產(chǎn)效果，采用Eclipse油藏?cái)?shù)值模擬軟件，以蘇里格致密砂巖氣藏為基礎(chǔ)，基于數(shù)值模擬方法對(duì)體積改造與常規(guī)壓裂的開(kāi)發(fā)效果進(jìn)行對(duì)比，研究了不同基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距對(duì)體積改造增產(chǎn)效果的影響。結(jié)果表明，基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距對(duì)體積改造的有效性起關(guān)鍵作用；基質(zhì)滲透率越低，裂縫網(wǎng)絡(luò)間距越小，體積改造的增產(chǎn)效果越好；當(dāng)基質(zhì)滲透率達(dá)到一定界限時(shí)，體積改造的增產(chǎn)效果有限，不適合大規(guī)模體積改造；降低裂縫網(wǎng)絡(luò)間距，可提高體積改造有效性的基質(zhì)滲透率界限。該研究對(duì)致密砂巖氣藏進(jìn)行體積改造，提高單井產(chǎn)量和氣田開(kāi)發(fā)效果具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：致密砂巖氣；體積改造；基質(zhì)滲透率；裂縫網(wǎng)絡(luò)間距；增產(chǎn)效果

中圖分類號(hào):TE371

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05013)資助。

作者簡(jiǎn)介：第一段瑤瑤(1983年生)，女，工程師， 2007年畢業(yè)于中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，現(xiàn)從事致密氣藏儲(chǔ)層改造工作。郵箱：duanyy69@petrochina.com.cn。

Numerical Simulation of Stimulation Effect by Volume Transformation of Tight

Sandstone Gas Reservoir

Duan Yaoyao, Wang Xin, Wang Yonghui, Yan Xingming, Yan Xuemei

(ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment-LangfangBranch,Langfang，HebeiProvince065007,China)

Abstract:With further exploration and development, and the increasing proportion of tight sandstone gas reservoir, volume transformation is an important technical means for the breakthrough in achieving this kind of gas. By means of eclipse software, based on the data of Sulige tight sandstone gas, we compared the development effect of numerical simulation method with the conventional methods, and studied the impact of different matrix permeability and fracture network spacing on the yield-increasing effect of volume fracturing. Results showed that the matrix permeability and fracture network spacing played a key role on the validity of volume fracturing; the lower the matrix permeability and the smaller the network fracture spacing, the higher the production contribution of network fracture; when matrix permeability reached a certain limit, the stimulation effect of network fracture was limited, so it was not suitable for large-scale volume fracturing; reducing the fracture network spacing could enhance the limit of matrix permeability which was suitable for volume fracturing. The study had a guiding significance for improving the effect of single well production and gas field development of tight sandstone gas reservoir by means of SRV.

Key words: tight sandstone gas; volume transformation; matrix permeability; fracture network spacing; stimulation effect

致密砂巖氣藏(簡(jiǎn)稱致密氣藏)是指基質(zhì)覆壓滲透率小于 0.1mD的砂巖氣，單井一般無(wú)自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限，但在一定經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)措施下可獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量[1]。目前致密氣藏已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域，我國(guó)致密氣藏探明儲(chǔ)量豐富、可采資源量大，通過(guò)體積改造形成規(guī)模產(chǎn)量具有較好的現(xiàn)實(shí)性[2]。借鑒國(guó)外頁(yè)巖氣體積改造的理念和施工工藝，國(guó)內(nèi)提出了對(duì)致密油氣藏進(jìn)行體積改造的設(shè)想，并在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了先導(dǎo)性試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了較好效果，如蘇里格氣田和隴東油田[3，4]。與常規(guī)壓裂相比，體積改造施工風(fēng)險(xiǎn)大、投入成本高，因此有必要進(jìn)行數(shù)值模擬研究，評(píng)價(jià)其增產(chǎn)效果，為壓裂方案優(yōu)選提供依據(jù)。

有關(guān)頁(yè)巖氣體積改造增產(chǎn)效果的研究[5-7]表明，頁(yè)巖氣體積改造增產(chǎn)效果的主要影響因素有改造體積、基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距。由于改造體積主要由施工規(guī)模決定，因此致密氣藏體積改造增產(chǎn)效果的研究主要考慮基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距兩個(gè)因素。本文以蘇里格致密砂巖氣藏為例，采用數(shù)值模擬方法，研究了在不同基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距下，與常規(guī)壓裂形成的單一裂縫相比，體積改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)的增產(chǎn)效果，取得了規(guī)律性認(rèn)識(shí)，為判斷致密氣藏體積改造的必要性提供借鑒作用。

1 模型建立

圖1　常規(guī)壓裂形成一條主裂縫示意圖 Fig. 1　A major fracture formed by conventional fracturing

根據(jù)前人研究[8-10]，常規(guī)壓裂是建立在以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典理論的技術(shù)，該技術(shù)假設(shè)人工裂縫起裂為張開(kāi)型，且射孔層段沿井筒形成雙翼對(duì)稱裂縫，以一條主裂縫為主導(dǎo)改善儲(chǔ)層滲流能力(圖1)。體積改造(SRV)是指通過(guò)壓裂的方式將具有滲流能力的有效儲(chǔ)集體“打碎”，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，使裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積增大，使得油氣從任意方向由基質(zhì)向裂縫的滲流距離“最短”，極大提高儲(chǔ)層整體滲透率，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)集體在長(zhǎng)、寬、高三維方向的“立體改造”(圖2)。

圖2　體積改造形成裂縫網(wǎng)絡(luò)示意圖 Fig. 2　Fracture network by volume transformation

對(duì)常規(guī)壓裂形成的單一主裂縫和體積改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和數(shù)值化，如圖3所示，采用Eclipse軟件的三維兩相黑油模型，用塊中心網(wǎng)格來(lái)描述單井的網(wǎng)格模型，用等效導(dǎo)流能力方法描述裂縫，用多重網(wǎng)格加密方法處理裂縫網(wǎng)絡(luò)，以蘇里格氣田物性參數(shù)為例，建立致密氣藏與裂縫網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值模擬模型，以產(chǎn)量為目標(biāo)，保持改造體積不變，考察基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距對(duì)體積改造增產(chǎn)效果的影響程度。

圖3　數(shù)值化單一主裂縫(a)和裂縫網(wǎng)絡(luò)(b)圖 Fig. 3　Numeralization of a single major fracture (a) and fracture network (b)

2 儲(chǔ)層及裂縫參數(shù)

基質(zhì)滲透率的選取以基本覆蓋蘇里格致密氣藏的滲透率范圍為準(zhǔn)。裂縫間距與裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度有關(guān)，通常裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，裂縫間距越小，選取5m和2m來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究。

2.1 儲(chǔ)層參數(shù)

(1)基質(zhì)滲透率：0.0001mD、0.0005mD、0.001mD、0.005mD、0.01mD、0.05mD、0.1mD。

(2)孔隙度：0.073。

(3)氣層厚度：10m。

(4)氣藏深度：3200m。

(5)地層壓力： 28.5MPa。

(6)單井控制面積：2000m×2000m。

2.2 裂縫參數(shù)

(1)主裂縫半縫長(zhǎng)：300m。

(2)主裂縫導(dǎo)流能力：20D·cm。

(3)平行于主裂縫方向的次裂縫導(dǎo)流能力：10D·cm。

(4)垂直于主裂縫方向的次裂縫導(dǎo)流能力：5D·cm。

(5)裂縫網(wǎng)絡(luò)間距：5m、2m。

3 模擬結(jié)果及分析

致密氣藏儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率低，無(wú)自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限，多通過(guò)壓裂投產(chǎn)。因此，本文的增產(chǎn)效果考察的是體積改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)和常規(guī)壓裂形成的單一主裂縫的產(chǎn)量對(duì)比，即裂縫網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率公式為：

式中Rpr——裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率；

Q——體積改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)的累計(jì)產(chǎn)量，104m3；

Q0——常規(guī)壓裂形成的單一主裂縫的累計(jì)產(chǎn)量，104m3。

模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同基質(zhì)滲透率條件下不同間距的裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率圖 Fig. 4　Fracture network capacity contribution of different distance and different matrix permeability

總體來(lái)看，相對(duì)于單一主裂縫，體積改造形成裂縫網(wǎng)絡(luò)都有不同程度的增產(chǎn)，裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率在17%～966%之間不等。

從不同基質(zhì)滲透率來(lái)對(duì)比：

(1)當(dāng)基質(zhì)滲透率小于0.001mD時(shí)，5m間距的裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上，具有較好的增產(chǎn)效果，可以考慮通過(guò)一定的工藝措施來(lái)促使裂縫網(wǎng)絡(luò)形成，大幅度提高單井產(chǎn)量；

(2)當(dāng)基質(zhì)滲透率大于0.05mD時(shí),5m間距的裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率小于20%，由于致密氣藏普遍具有微觀孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，儲(chǔ)集空間類型與滲流機(jī)理復(fù)雜，對(duì)外來(lái)流體的傷害更加敏感，要形成裂縫網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必需要加大改造規(guī)模，這一方面會(huì)帶來(lái)壓裂成本的上升，一方面大規(guī)模液量會(huì)對(duì)地層造成更大傷害，因此綜合考慮壓裂成本、施工風(fēng)險(xiǎn)和儲(chǔ)層傷害，單一主裂縫的常規(guī)壓裂對(duì)基質(zhì)滲透率較高的儲(chǔ)層更具經(jīng)濟(jì)效益，不建議對(duì)該類儲(chǔ)層進(jìn)行大規(guī)模的體積改造。

總體而言，基質(zhì)滲透率越低，裂縫網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)能貢獻(xiàn)中的作用越明顯，體積改造效果越好，當(dāng)基質(zhì)滲透率達(dá)到一定界限時(shí)，體積改造未必能取得比常規(guī)壓裂更好的效益。

從不同的裂縫網(wǎng)絡(luò)間距看，在全部基質(zhì)滲透率范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫網(wǎng)絡(luò)間距為5m時(shí)，裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率為17%(基質(zhì)滲透率為0.1mD)～96%(基質(zhì)滲透率為0.0001mD)；裂縫網(wǎng)絡(luò)間距為2m時(shí)，裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率為204%(基質(zhì)滲透率為0.1mD)～966%(基質(zhì)滲透率為0.0001mD)。在同一基質(zhì)滲透率條件下，裂縫網(wǎng)絡(luò)間距從5m降至2m，裂縫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率增至10倍。由此可見(jiàn)，裂縫網(wǎng)絡(luò)間距對(duì)改造效果影響非常大，裂縫間距越小，改造效果越好。因此，通過(guò)工藝措施增加裂縫的復(fù)雜程度可以帶來(lái)更好的增產(chǎn)效果，同時(shí)能提高體積改造有效性的基質(zhì)滲透率界限。如基質(zhì)滲透率大于0.05mD時(shí)，5m間距的裂縫網(wǎng)絡(luò)與單一主裂縫相比，其增產(chǎn)效果已不明顯；而如果通過(guò)多簇射孔、縫間干擾、控制凈壓力、新材料暫堵等工藝措施增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，使裂縫網(wǎng)絡(luò)間距降至2m，其增產(chǎn)效果可以達(dá)到單一主裂縫的306%，從而使體積改造變得更有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)致密氣藏體積改造形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的增產(chǎn)效果好于單一裂縫，基質(zhì)滲透率和裂縫網(wǎng)絡(luò)間距是決定體積改造有效性的關(guān)鍵因素。

(2)基質(zhì)滲透率越低，裂縫網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率越高，體積改造增產(chǎn)效果越好，當(dāng)滲透率達(dá)到一定界限時(shí)，體積改造的增產(chǎn)效果有限，不適合大規(guī)模體積改造。

(3)裂縫網(wǎng)絡(luò)間距越小，裂縫網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率越高，體積改造增產(chǎn)效果越好，通過(guò)工藝措施增加裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，降低裂縫網(wǎng)絡(luò)間距，可提高體積改造有效性的基質(zhì)滲透率界限。

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