馮 毅，魏攀峰，段長江，王海平，劉 皓.

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457； 2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

室內(nèi)定量試驗評價臨興地區(qū)致密砂巖氣兩層合采產(chǎn)量變化

馮 毅1，魏攀峰2，段長江1，王海平1，劉 皓2.*

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457； 2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

為定量評價臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采產(chǎn)能干擾程度，利用直徑25 mm的砂巖柱塞模擬石盒子組上段和下段致密砂巖地層，柱塞入口接定容量衰減高壓空氣模擬地層能量變化，柱塞溫度為試采獲得地層實(shí)際溫度46～50 ℃，柱塞出口壓力模擬現(xiàn)場試采油壓1.5～4.5 MPa。試驗測定柱塞入口壓力衰減由15 MPa至14.5 MPa時，臨興地區(qū)石盒子組上下段致密砂巖單層獨(dú)立開發(fā)模擬試驗氣體平均流速為187.57～2553.50 mL/min；兩枚柱塞出口并聯(lián)模擬試驗氣體平均流速為157.79～2358.07 mL/min。定義致密砂巖柱塞并聯(lián)試驗氣體平均流速相對單層獨(dú)立試驗平均流速降幅為合采單層干擾指數(shù)Do，并聯(lián)試驗氣體總流速均值相對兩枚柱塞單層獨(dú)立試驗平均流速之和的降幅為整體干擾指數(shù)Da。14枚砂巖柱塞合采試驗計算得到Do范圍為0.80%～15.88%，Da范圍為1.83%～10.13%。研究表明，臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采初期層間流體回灌是現(xiàn)場合采產(chǎn)能低的主要誘因。合采地層井口壓力差越小、地層滲透率比值越大，合采產(chǎn)能干擾程度越小。研究為臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采地層組合選擇、地層工藝參數(shù)提供選擇試驗依據(jù)。

砂巖氣；多層合采；層間干擾；試驗?zāi)M；儲層傷害

臨興地區(qū)位于山西省臨興和興縣境內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡和晉西撓摺帶。前期多口探井鉆遇下石盒子組、太原組致密砂巖氣層中工業(yè)氣流跡象明顯，致密砂巖氣資源量豐富[1]。臨興地區(qū)垂直方向本溪組、山西組、太原組、石盒子組上下段、石千峰組等多個不同深度致密砂巖層段均發(fā)現(xiàn)有利砂體發(fā)育，氣層平均厚度為3.22 m，差氣層平均厚度為2.31 m，部分地層試采產(chǎn)量超過10×104m3/d[2]。臨興地區(qū)致密砂巖有利層總體呈現(xiàn)垂直方向?qū)佣螖?shù)量多、含氣量可觀、單個層段厚度小的特點(diǎn)，通過單井溝通多個致密砂巖層實(shí)現(xiàn)多層合采地質(zhì)條件突出[3]。

一般認(rèn)為，單井兩層合采相比分層開發(fā)有效提高單井資源動用率、降低采氣成本。但不同地層物性、地層壓力不同，合采是否存在干擾以及干擾程度決定合采效果。對此，部分學(xué)者利用數(shù)值分析的方法開展研究。熊燕莉等運(yùn)用數(shù)值試井理論分析方法研究灰?guī)r多層合采效果指出，地層物性差異較小，多層合采與分層單采效果接近[4]。熊鈺等利用層間無竄流雙層模型研究指出，當(dāng)合采地層滲透率、地層壓力接近時，層間干擾較弱[5]。王都偉等建立以時間為變量的多層氣藏節(jié)點(diǎn)分析方法，研究同樣指出地層物性、地層壓力差異小，合采層間干擾弱[6]。萬玉金等采用數(shù)值模擬方法研究澀北氣田多層合采效果指出，合采氣層均質(zhì)性越強(qiáng)，合采層間干擾越低[7]。王淵建立氣井層間干擾系數(shù)的計算方法分析16口氣井多層合采效果指出，地層壓力、層間距離等因素合適，氣層合采干擾較小[8]。向祖平等利用單井多層氣藏雙孔介質(zhì)模型計算指出，當(dāng)合采地層孔隙度、地層壓力差異合理時，兩層合采可行[9]。楊學(xué)鋒等利用單井?dāng)?shù)值模擬技術(shù)研究指出，合采地層物性及地層壓力差異導(dǎo)致合采初期低滲儲層產(chǎn)能受到抑制，但長周期下合采產(chǎn)能與分采效果相當(dāng)[10]。顧岱鴻等針對靖邊氣田建立砂巖合采數(shù)值模擬模型研究指出，砂巖多層合采有利于挖掘低產(chǎn)地層產(chǎn)能[11]。徐軒等利用雙層無竄流均質(zhì)氣藏模型計算多層合采效果指出，高滲低壓氣層與低滲高壓氣層合采層間干擾程度低，合采產(chǎn)能理想[12]。這些研究表明，氣層多層合采提高單井產(chǎn)量，降低作業(yè)成本可行。

此外，部分學(xué)者嘗試通過室內(nèi)物理模型評價多層合采效果。胡勇等并聯(lián)兩個夾持器出口，利用定容衰減法模擬滲透率0.1 mD高壓氣層(9 MPa)與低壓氣層(6～9 MPa)在50、100、200 mL/min等3種采氣速度的合采效果。試驗指出，兩個砂巖地層合采不同階段，高壓氣層與低壓氣層產(chǎn)能貢獻(xiàn)程度不同，但合采整體采收率高于90%，合采可行[13]。朱華銀等利用相似試驗方法評價柴達(dá)木盆地多個砂巖氣層合采效果。試驗中，地層入口壓力為20 MPa，柱塞滲透率為0.001～10 mD。試驗發(fā)現(xiàn)，合采初期高壓地層產(chǎn)能貢獻(xiàn)率高于低壓地層，但未定量計算合采產(chǎn)能相對單層分采的變化幅度[14]。譚玉淵等利用壓力衰減法試驗評價鄂爾多斯盆地大牛地氣田砂巖多層合采效果，地層壓力為23～27 MPa，地層滲透率為0.1～1.5 mD。試驗發(fā)現(xiàn)，合采初期高壓氣層氣流回灌抑制低壓地層產(chǎn)能貢獻(xiàn)，但最終氣體采出程度接近70%[15]。

這些研究表明，地層壓力、物性接近的砂巖地層合采最終產(chǎn)能采出程度大于70%。但臨興地區(qū)現(xiàn)場試采X、Y井，兩井合采地層壓力、物性接近兩個砂巖地層合采產(chǎn)量相對分層采氣產(chǎn)能之和降幅超過50%，合采干擾程度遠(yuǎn)高于預(yù)期。分析不同學(xué)者數(shù)值模擬以及室內(nèi)試驗方法中地層壓力、滲透率等參數(shù)與臨興地區(qū)致密砂巖地層差異較大，且室內(nèi)模擬試驗未明確計算相同條件下氣層單采與合采之間產(chǎn)能變化幅度。為此，利用臨興地區(qū)實(shí)際鉆取巖心柱塞，根據(jù)現(xiàn)場試井測試數(shù)據(jù)，試驗評價兩層合采產(chǎn)能效果。

1 室內(nèi)試驗

利用巖心柱塞模擬實(shí)際地層，根據(jù)現(xiàn)場試采資料控制柱塞溫度、壓力環(huán)境與地層實(shí)際接近。試驗?zāi)M地層壓力衰減幅度相同條件下，測定柱塞出口氣體平均流速表征現(xiàn)場氣體產(chǎn)量。對比兩個致密砂巖單層獨(dú)立開發(fā)氣體產(chǎn)量之和與兩層合采氣體總產(chǎn)量大小，評價臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采氣體產(chǎn)量干擾程度。

1.1 試驗原理

利用現(xiàn)場鉆取直徑25 mm的致密砂巖柱塞，參考地層試采資料上覆巖石應(yīng)力、地層溫度以及井口油壓等參數(shù)，設(shè)定柱塞圍壓、溫度和出口壓力值。以定體積(3L)氣瓶充滿高壓空氣并接入柱塞入口提供氣源，單套試驗控制氣瓶壓力由15 MPa衰減至14.5 MPa，模擬地層能量前期衰減過程。試驗記錄壓力衰減過程中兩枚柱塞出口氣體的流速變化?？刂苾擅吨麌鷫?、溫度以及出口壓力不變，并聯(lián)柱塞出口并接入總管線，重復(fù)測量高壓氣瓶壓力由15 MPa衰減至14.5 MPa時，兩枚柱塞出口氣體的流速變化。試驗使用了天然氣儲層多層合采產(chǎn)能模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 致密砂巖兩層合采試驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of experiment of dual reservoir commingled production of tight sandstone gas

1.2 試驗方法

1.2.1 致密砂巖單層單采產(chǎn)能模擬試驗

參考GB/T 27192—2012《巖心分析方法》[16]完成巖心柱塞清洗、烘干及抽真空操作后裝入巖心夾持器。根據(jù)地層埋深，以1.2 MPa/100 m計算柱塞圍壓。柱塞溫度分別46 ℃和50 ℃，柱塞出口壓力與試采油壓一致。兩枚柱塞入口分別接高壓氣瓶，氣瓶充滿空氣至壓力為15 MPa。打開氣瓶與柱塞入口閥門，記錄高壓氣瓶壓力衰減0.5 MPa過程中柱塞出口氣體的流速變化。

1.2.2 致密砂巖兩層合采產(chǎn)能模擬試驗

完成單層單采產(chǎn)能模擬試驗后，保持兩枚砂巖柱塞圍壓、溫度不變，并聯(lián)兩枚柱塞出口至總管線，調(diào)整總管線壓力與試采油壓一致。升高氣瓶壓力至15 MPa。記錄氣瓶壓力衰減0.5 MPa過程中兩枚柱塞出口氣體的流速變化。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

以臨興地區(qū)石盒子組致密砂巖為研究目標(biāo)，試驗評價14枚致密砂巖柱塞單層單采和兩層合采試驗共7套。以砂巖柱塞A1與B1試驗為例，柱塞入口壓力由15 MPa衰減至14.5 MPa期間，記錄兩枚柱塞出口氣體流速隨時間變化的趨勢(圖2)。

圖2 砂巖A1與B1單層及兩層合采氣體流速變化Fig.2 Variation of the gas velocity of single and dual reservoir commingled production of sandstone A1 and B1

圖2中，單層單采試驗柱塞A1與B1出口氣體平均流速分別為664.28 mL/min、800.23 mL/min。兩層合采試驗柱塞A1與B1出口氣體平均流速分別為654.52 mL/min、735.96 mL/min，均低于單層單采試驗流速值。

試驗對比7套不同致密砂巖柱塞單層單采和兩層合采試驗中柱塞出口氣體平均流速大小，結(jié)果如圖3所示。

圖3 砂巖單層單采及雙層合采試驗出口氣體平均流速對比Fig.3 Comparison of the gas mean velocity of single and dual reservoir commingled production of tight sandstone

圖3中，14枚致密砂巖柱塞單層單采試驗氣體平均流速為187.57～2553.50 mL/min，7套兩層合采試驗氣體平均流速為157.79～2358.07 mL/min。兩枚柱塞合采后氣體的平均流速相對單層氣體平均流速之和下降。

試驗監(jiān)測兩層合采試驗中接入總管線的瞬間，兩枚柱塞出口存在快速氣體回灌的現(xiàn)象，持續(xù)周期小于20 s。以砂巖柱塞A1與B1合采瞬間氣體的回灌現(xiàn)象為例，如圖4所示。

圖4 砂巖柱塞并聯(lián)瞬間氣體流速變化趨勢Fig.4 Variation trend of gas velocity in the instant when the export of two sandstone docked

圖4中，兩枚巖心柱塞接入總管線20 s內(nèi)，柱塞A1出口氣體流速由49.92 mL/min升至394.27 mL/min，單位時間增幅30.16 mL/min2。柱塞B1出口氣體流速由1326.94 mL/min降至734.74 mL/min，單位時間降幅29.61 mL/min2。20 s后，兩枚柱塞出口流量穩(wěn)定，未再發(fā)生回灌現(xiàn)象。7套合采試驗均發(fā)現(xiàn)回灌現(xiàn)象，且回灌周期小于20 s。

3 試驗數(shù)據(jù)分析與討論

根據(jù)致密砂巖單層單采及兩層合采試驗數(shù)據(jù)，分析臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采氣體產(chǎn)量干擾程度。

定義致密砂巖兩層合采單層干擾指數(shù)Do，即入口壓力由15 MPa降至14.5 MPa期間，巖心柱塞并聯(lián)后出口氣體平均流速相對單層單采氣體平均流速的降幅，計算公式見式(1)。

(1)

式中Do——兩層合采單層干擾指數(shù)；

Qd——單層單采試驗氣體平均流速，mL/min；

Qs——兩層合采試驗氣體平均流速，mL/min。

定義致密砂巖兩層合采整體干擾指數(shù)Da，即入口壓力由15 MPa降至14.5 MPa期間，兩枚柱塞出口并聯(lián)后總管線氣體平均流速相對兩枚柱塞單層單采試驗氣體平均流速之和的降幅，計算公式見式(2)。

(2)

式中Da——兩層合采整體干擾指數(shù)；

Qda——單層單采試驗氣體平均流速之和，mL/min；

Qsa——雙層合采試驗總管線氣體平均流速，mL/min。

對比臨興地區(qū)7套致密砂巖兩層合采單層干擾指數(shù)和整體干擾指數(shù)大小，如圖5所示。

圖5 砂巖兩層合采單層及整體干擾指數(shù)分布Fig.5 Single and entirety interference index of dual reservoir commingled production of tight sandstone gas

圖5中，14枚致密砂巖柱塞兩層合采單層干擾指數(shù)Do的范圍為0.80%～15.88%，整體干擾指數(shù)Da的范圍為1.83%～10.13%。

試驗控制單枚柱塞入口壓力降幅一致，出口壓力根據(jù)現(xiàn)場試采井口油壓選擇1.5 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa三個取值點(diǎn)，不同試驗中砂巖柱塞滲透率不同。分析試驗中致密砂巖柱塞出口壓力、石盒子組上段致密砂巖柱塞與下段柱塞滲透率比值與合采整體干擾指數(shù)的關(guān)系，如圖6所示 。

圖6 合采整體干擾指數(shù)隨柱塞出口壓力以及滲透率比值變化Fig.6 Change of the entirety interference index of commingled production with the outlet pressure and permeability ratio

圖6中，出口壓力1.5 MPa整體干擾指數(shù)為1.84%～3.87%，均值為2.84%。出口壓力3.6 MPa整體干擾系數(shù)分別為5.09%、7.21%，均值為6.15%。出口壓力4.50 MPa整體干擾系數(shù)分別為9.22%、10.13%，均值為9.68%。柱塞出口壓力越大，合采整體干擾指數(shù)越小。出口壓力相同時，上下段巖心柱塞滲透率比值越大，合采整體干擾指數(shù)越小。

分析室內(nèi)完成臨興地區(qū)致密砂巖兩層合采產(chǎn)能模擬試驗的結(jié)果，形成研究結(jié)論3條。

(1)試驗表明，臨興地區(qū)石盒子組致密砂巖上下層段兩層直接合采存在層間干擾，兩層合采氣體產(chǎn)能低于兩層分采；室內(nèi)試驗條件下，合采氣體產(chǎn)能降幅最高10.13%。

(2)合采井口壓力和地層滲透率比值是影響臨興地區(qū)石盒子組致密砂巖上下層段兩層合采產(chǎn)能的兩大因素。當(dāng)?shù)貙訅毫咏鼤r，井口油壓越大，上下段地層滲透率比值越小，合采干擾程度越高。相對而言，井口油壓的影響程度更高。

(3)試驗中，臨興地區(qū)石盒子組致密砂巖兩層直接合采，單個井筒同時打開兩個地層瞬間，地層出口存在高強(qiáng)度氣體回灌，回灌周期小于20 s。地層流體相互竄層潛在儲層傷害巨大。

4 結(jié)論與建議

(1)利用定容氣瓶模擬地層能量衰減過程，并聯(lián)兩枚實(shí)際鉆取致密砂巖柱塞出口端模擬兩層合采的試驗方法，評價臨興地區(qū)致密砂巖地層兩層合采產(chǎn)能結(jié)果定量直觀，方法適用性良好。

(2)臨興地區(qū)致密砂巖地層兩層合采，合采地層氣體壓力不同、地層對氣體流動的阻力不同，引發(fā)層間干擾，兩層合采產(chǎn)能下降。

(3)現(xiàn)場已鉆井試采產(chǎn)能干擾程度遠(yuǎn)高于試驗結(jié)果的原因在于，合采地層接入井筒處氣流壓力不同，地層殘留的鉆井液、壓裂液等液體隨著氣流回灌，加深合采地層整體水敏的傷害程度，造成合采產(chǎn)能大幅度下降。通過工藝措施降低回灌傷害是臨興地區(qū)致密砂巖合采高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

(4)以降低合采氣體產(chǎn)能層間干擾優(yōu)化臨興地區(qū)致密砂巖合采效果，從采氣工藝上應(yīng)盡量選擇直徑較大的油嘴，降低井口油壓。從合采地層的選擇上來，應(yīng)盡量選擇物性相差較大的氣層合采。

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QuantitativeEvaluationontheChangeofDualReservoirCommingledProductionofTightSandstoneGasinLinxingAreaThroughIndoorExperiment

Feng Yi1, Wei Panfeng2, Duan Changjiang1, Wang Haiping1, Liu Hao2

(1.EngineeringandTechnologyBranch,CNOOCEnergyTechnologyandServicesLimited,Tianjin300457,China；2.ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

To quantitatively evaluate the interference degree of dual reservoir commingling production of tight sand gas in Linxing area. Take sandstone plugs with diameter of 25 mm to emulate the Upper and Lower Shihezi formation, connect the entrance of sandstone plug to constant volume of high pressure air that damping natural to emulate the condition of stratum energy. The formation temperature was 46 ℃ to 50 ℃ and the outlet pressure was wellhead tubing pressure that among 1.5 MPa to 4.5 MPa. The entrance pressure of plug damped from 15 MPa to 14.5 MPa during experiment, the average flow velocity of gas out of sandstone plug in single layer independent development was among 187.57 mL/min to 2553.50 mL/min; when 2 layers of sandstone plugs in parallel connection, the average flow of outlet from the two plugs was 157.79 mL/min～2358.07 mL/min. The single layer interference index of commingling was expressed asDo, which represented for decreasing rate of average flow velocity which compare parallel connection test with single layer test. The whole interference index was expressed asDa, which represented for decreasing rate of flow velocity which compare the mean value of total flow velocity in parallel connection experiment with independence experiment for the sum of flow velocity of two plugs. According to the experimental consequence of fourteen sandstone plugs,Dowas among 0.80% to 15.88% andDawas among 1.83% to 10.13%. Researches showed that the primary cause of low commingling production in field was the interlamination flow backward in the initial stage of dual reservoir commlingled production. The lower wellhead pressure and higher specific value of permeability of formation in favor of commingled production, the conclusion above has provided the basis of combination selection of formation in dual reservoir commingled formation and the selection of formation technological parameter of tight sandstone gas in Linxing area.

sandstone gas; commingled production of dual reservoir; interlayer interference; experimental stimulation; formation damage

國家科技重大專項“臨興—神府地區(qū)煤系地層煤層氣、致密氣、頁巖氣合采示范工程”(2016ZX05066)資助。

馮毅(1969—)，男，碩士，高級工程師，主要從事油氣田開發(fā)方面的科研工作。郵箱：fengyi2@cnooc.com.cn.

魏攀峰(1990—)，男，在讀博士，主要研究方向為油氣井儲層傷害。郵箱：wei.panfeng@163.com.

TE122

A