郭 平 董 超 劉 旭 汪譽(yù)高 汪周華 胡義升

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500)

W氣藏為海上低滲-致密氣藏，平面及縱向上物性差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)[1]。平面非均質(zhì)性是由河道水體能量不均勻和水體流動(dòng)方向所決定的[2]。對(duì)于平面非均質(zhì)氣藏，尋找儲(chǔ)層物性好的“甜點(diǎn)”部署生產(chǎn)井，或通過壓裂來提高近井區(qū)滲透率，能有效帶動(dòng)外圍致密氣，提高遠(yuǎn)井低滲儲(chǔ)層的儲(chǔ)量動(dòng)用程度[3]。為了能有效制定氣藏的技術(shù)開發(fā)政策，提升開發(fā)效果，需要明確平面非均質(zhì)性低滲氣藏的滲流機(jī)理。

針對(duì)非均質(zhì)性氣藏的供氣機(jī)理，國內(nèi)外從巖石物理、數(shù)值模擬、試井分析、物理模擬等多方面進(jìn)行了論證和研究[4-10]。在物理模擬方面，2007年胡勇 等[10]建立了高低滲區(qū)“串聯(lián)”的平面非均質(zhì)滲流物理模擬方法，研究了平面非均質(zhì)低滲氣藏的供氣機(jī)理，實(shí)驗(yàn)流體壓力為9 MPa；2014年廖毅[2]運(yùn)用該物理模擬方法研究了不同滲透率級(jí)差下致密砂巖平面非均質(zhì)供氣機(jī)理，實(shí)驗(yàn)流體壓力為1.6 MPa;該物理模擬方法的優(yōu)點(diǎn)是能將近井高滲區(qū)域和遠(yuǎn)井低滲區(qū)域分別作為目標(biāo)來研究供氣機(jī)理，實(shí)驗(yàn)采用固定配產(chǎn)衰竭式生產(chǎn)，可以得到高滲區(qū)與低滲區(qū)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化和分區(qū)壓差變化。

但是，目前平面非均質(zhì)氣藏供氣機(jī)理物理模擬的實(shí)驗(yàn)壓力偏低，且未對(duì)壓裂前后進(jìn)行對(duì)比。由于低滲-致密儲(chǔ)層含有束縛水，實(shí)驗(yàn)壓力和原始地層壓力的差異會(huì)導(dǎo)致巖心的充滿程度不一樣；同時(shí)流動(dòng)過程還有啟動(dòng)壓力的影響，壓力對(duì)采收率影響也很明顯。另外，對(duì)于低滲-致密儲(chǔ)層，常規(guī)測試無法獲得自然產(chǎn)能，只能通過壓裂改造達(dá)到增產(chǎn)目的[11]，因此研究壓裂前后供氣機(jī)理有重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。本文在實(shí)際地層壓力條件下進(jìn)行高壓物理模擬，并將壓裂作為一個(gè)對(duì)比因素進(jìn)行考慮；同時(shí)結(jié)合物理模擬和數(shù)值模擬方法，研究配產(chǎn)大小、滲透率級(jí)差、儲(chǔ)層物性與平面非均質(zhì)滲流能力的關(guān)系以及壓裂改造帶動(dòng)遠(yuǎn)井低滲區(qū)域增產(chǎn)的機(jī)理，以期為提高低滲非均質(zhì)氣藏整體采收效果提供理論依據(jù)，指導(dǎo)低滲非均質(zhì)氣藏的高效開發(fā)生產(chǎn)。

1 高壓平面非均質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谡鎸?shí)地層壓力條件下研究平面非均質(zhì)滲流機(jī)理，實(shí)驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[10]中高低滲“串聯(lián)”氣層供氣機(jī)理物理模擬實(shí)驗(yàn)方法。由于低滲氣藏平面非均質(zhì)滲流過程復(fù)雜多樣，難以通過室內(nèi)試驗(yàn)完全模擬，文獻(xiàn)[10]將儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性簡化成近井區(qū)遠(yuǎn)井區(qū)兩個(gè)不同物性的儲(chǔ)層區(qū)域，在單井控制范圍內(nèi)，低滲氣藏的平面非均質(zhì)滲流可以簡化為若干個(gè)一維非均質(zhì)線性滲流，如圖1所示，可以分別對(duì)近井高滲區(qū)域和遠(yuǎn)井低滲區(qū)域進(jìn)行供氣機(jī)理研究。

圖1 高低滲“串聯(lián)”供氣機(jī)理示意圖Fig .1 Schematic diagram of the high-low permeable serial-connection gas supplying mechanism

該滲流模型為簡化的機(jī)理模型，不能完全滿足實(shí)際低滲非均質(zhì)地層復(fù)雜滲流場的相似性，但在其他相似條件上盡可能與原始地層條件一致，本次研究選取了具有代表性的實(shí)際地層巖心，滿足孔隙度相似和滲透率級(jí)差相似；建立實(shí)際地層束縛水條件，滿足含氣飽和度相似；由于壓力對(duì)巖石孔隙充滿程度、低滲儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力、采收率均有影響，本次實(shí)驗(yàn)將采用原始地層壓力和實(shí)際生產(chǎn)的廢棄壓力，滿足動(dòng)力相似。該模型適用于大致呈現(xiàn)近井高滲、遠(yuǎn)井低滲的平面非均質(zhì)低滲氣藏。

由于目前壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展機(jī)理的認(rèn)知還比較有限，無法直接觀察到現(xiàn)場壓裂裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展型態(tài)[12]，因此本次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的壓裂模擬并非具體考慮楔形裂縫/體積壓裂等數(shù)學(xué)模型，僅僅是將壓裂作為一個(gè)對(duì)比因素進(jìn)行考慮，研究重點(diǎn)是壓裂前后低滲區(qū)高滲區(qū)分區(qū)供氣能力的變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程和方案

實(shí)驗(yàn)流程參見文獻(xiàn)[10]并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，選用承壓能力更高的實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)流程滿足最高45 MPa的原始地層壓力，實(shí)驗(yàn)流程圖見圖2，將近井高滲區(qū)巖心和遠(yuǎn)井低滲區(qū)巖心串聯(lián)，通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行定產(chǎn)量衰竭生產(chǎn)，記錄邊界壓力、井底流壓變化，當(dāng)井底流壓達(dá)到廢棄壓力5 MPa時(shí)終止實(shí)驗(yàn)，

圖2 高壓平面非均質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)流程圖Fig .2 High pressure lateral heterogeneous experiment flow diagram

計(jì)算高滲區(qū)低滲區(qū)壓差、采收率、貢獻(xiàn)率等參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)高滲區(qū)巖心壓裂至原滲透率的3倍，低滲區(qū)巖心保持不變，再次進(jìn)行串聯(lián)供氣機(jī)理實(shí)驗(yàn)，研究壓裂前后平面非均質(zhì)滲流特征的變化。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置參考了海上氣田W氣藏重點(diǎn)層位的真實(shí)滲透率級(jí)差，實(shí)驗(yàn)用巖心來自氣田現(xiàn)場取心，巖心直徑均為2.5 cm，取5塊孔滲參數(shù)相近的巖心為一組，組成高滲區(qū)或低滲區(qū)巖心，每組巖心總長均為30 cm左右，實(shí)驗(yàn)用地層水根據(jù)現(xiàn)場地層水測試報(bào)告進(jìn)行配制，建立巖心束縛水飽和度。實(shí)驗(yàn)用氣體為N2。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

表2 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)表Table 2 Experimental core parameters

1.3 結(jié)果分析

1) 不同配產(chǎn)下井底流壓與瞬時(shí)產(chǎn)量。

以0.4/2.4 mD組為例，在達(dá)到廢棄壓力前，平面非均質(zhì)供氣系統(tǒng)始終保持穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)。配產(chǎn)越大，井底流壓快速降落至廢棄壓力，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間越短(圖3)。

圖3 不同配產(chǎn)下瞬時(shí)產(chǎn)量和井底流壓隨時(shí)間變化(0.4/2.4 mD)Fig .3 Instantaneous production rate and bottom hole flow pressure versus time at different production rates(0.4/2.4 mD)

2) 壓裂前后高滲區(qū)低滲區(qū)兩端壓差變化。

以3.4/6.5 mD組為例，在整個(gè)生產(chǎn)過程中高滲區(qū)和低滲區(qū)兩端壓差均隨時(shí)間增長，直至穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束壓差迅速下降(圖4)。但壓裂前后高低滲區(qū)兩端壓差出現(xiàn)明顯變化：壓裂前，高滲區(qū)兩端壓差始終大于低滲區(qū)，壓裂后，高滲區(qū)兩端壓差顯著降低而低滲區(qū)兩端壓差升高，有利于提升低滲區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用程度，提高整體采收率。

圖4 壓裂前后高滲區(qū)低滲區(qū)兩端壓差隨時(shí)間變化(3.4/6.5 mD，300 mL/min)Fig .4 Pressure difference at both ends of high/low permeability zone versus time before and after fracturing(3.4/6.5 mD，300 mL/min)

3) 壓裂前后采收率變化。

以0.4/0.8 mD組為例，配產(chǎn)越大，總采收率和各區(qū)采收率越低，但總體采收率均達(dá)到80%以上(圖5)。高滲區(qū)壓裂后，總采收率和分區(qū)采收率均升高，高滲區(qū)采收率增幅大于低滲區(qū)。

圖5 壓裂前后高低滲區(qū)采收率和總采收率變化(0.4/0.8 mD)Fig .5 High/low permeability zone recovery factor and overall recovery factor changing before and after fracturing (0.4/0.8 mD)

對(duì)比儲(chǔ)層物性和壓裂后采收率提高程度，0.4/0.8 mD組物性差，壓裂前后總采收率平均提高1.57%，3.4/6.5 mD組物性較好，壓裂前后總采收率平均提高0.56%。儲(chǔ)層平均滲透率越低，壓裂提高采收率效果越明顯，說明壓裂對(duì)低滲儲(chǔ)層的影響較大，是重要的增產(chǎn)及提高采收率技術(shù)。

4) 不同配產(chǎn)下高滲區(qū)低滲區(qū)貢獻(xiàn)率變化。

貢獻(xiàn)率指的是高滲區(qū)或低滲區(qū)當(dāng)前累計(jì)產(chǎn)氣量與總產(chǎn)氣量比值的百分?jǐn)?shù)[13]。生產(chǎn)前期一個(gè)很短暫的階段，貢獻(xiàn)率受近井高滲區(qū)控制，高滲區(qū)貢獻(xiàn)率顯著大于低滲區(qū)(圖6)，之后壓力波很快傳播到低滲區(qū)邊界進(jìn)入穩(wěn)定期，高滲區(qū)貢獻(xiàn)率從60%左右快速降低并穩(wěn)定在52%。高滲區(qū)、低滲區(qū)最終貢獻(xiàn)率受各區(qū)儲(chǔ)量控制，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，配產(chǎn)大小對(duì)貢獻(xiàn)率影響很小。

圖6 不同配產(chǎn)下貢獻(xiàn)率隨時(shí)間變化(0.8/4.62 mD)Fig .6 Gas production contribution rate versus time at different production rate(0.8/4.62 mD)

2 單井?dāng)?shù)值模擬

物理模擬研究了一維線性滲流的滲流機(jī)理，且?guī)r心滲透率組合有一定限制。運(yùn)用物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬軟件，能進(jìn)一步研究二維平面上的單井非均質(zhì)徑向滲流機(jī)理，并能研究多種不同滲透率級(jí)差的滲流情況。結(jié)合物理模擬參數(shù)，建立單井?dāng)?shù)值模擬單層機(jī)理模型，研究近井區(qū)遠(yuǎn)井區(qū)非均質(zhì)對(duì)單井徑向滲流機(jī)理的影響。

2.1 模型建立

首先建立與實(shí)驗(yàn)尺寸、物性參數(shù)一致的數(shù)值模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證，物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果相符合(圖7)。由于物理模型空間尺度小，整體采收率高，需要建立更接近實(shí)際氣井控制半徑的單井?dāng)?shù)值模擬模型，研究實(shí)際空間尺度上的近井區(qū)遠(yuǎn)井區(qū)非均質(zhì)對(duì)單井徑向滲流機(jī)理的影響。

以平面非均質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Eclipse數(shù)值模擬軟件建立單井平面非均質(zhì)數(shù)值模擬機(jī)理模型。模型大小2 000 m×2 000 m×10 m，是僅有一層網(wǎng)格的機(jī)理模型，研究重點(diǎn)是二維徑向滲流機(jī)理，網(wǎng)格步長10 m×10 m，采氣井設(shè)置在模型正中央位置，近井區(qū)域設(shè)置為高滲區(qū)，遠(yuǎn)井區(qū)為低滲區(qū)，設(shè)置500、200、100 m三種高滲區(qū)半徑。滲透率級(jí)差、廢棄壓力、儲(chǔ)層物性參數(shù)及流體參數(shù)與巖心實(shí)驗(yàn)一致，生產(chǎn)方式采用定產(chǎn)量衰竭式生產(chǎn)，配產(chǎn)分別為無阻流量的1/4、1/5、1/6、1/7、1/8。壓裂模型中，裂縫半長150 m，裂縫寬3 cm，對(duì)裂縫網(wǎng)格進(jìn)行加密，裂縫滲透率為基質(zhì)滲透率的100倍，壓裂方案和未壓裂方案配產(chǎn)一致。

圖7 物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬平均地層壓力對(duì)比(0.8/1.54 mD)Fig .7 Comparison of average formation pressure between experimental result and numerical simulation result(0.8/1.54 mD)

2.2 結(jié)果分析

1) 高滲區(qū)半徑對(duì)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間和采收率的影響。

以0.4/0.8 mD組為例，在相同配產(chǎn)下，高滲區(qū)半徑越大，穩(wěn)產(chǎn)期越長，總體采收率越高(圖8)，因此尋找儲(chǔ)層物性好的“甜點(diǎn)”是提高采收率和開發(fā)效果的重要方向。

圖8 高滲區(qū)半徑與穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間、總采收率關(guān)系圖(0.4/0.8 mD，1/4配產(chǎn))Fig .8 High pressure zone radius versus recovery factor and time of stable production(0.4/0.8 mD，1/4 proration plan)

2) 壓裂前后單井壓降漏斗曲線變化。

原始地層壓力45 MPa，當(dāng)井底壓力降至5 MPa時(shí)停止生產(chǎn)，對(duì)比停產(chǎn)時(shí)刻的壓降漏斗曲線(圖9)，壓裂后壓降漏斗明顯較低，儲(chǔ)層邊界壓力由壓裂前的27.30 MPa下降至壓裂后的21.34 MPa，壓裂后總的采出程度顯著增加。

圖9 生產(chǎn)結(jié)束時(shí)刻壓裂前后壓降漏斗曲線對(duì)比(0.4/0.8 mD，高滲半徑500 m)Fig .9 Pressure cone of depression changes before and after fracturing at the end of production(0.4/0.8 mD， high permeability zone radius 500 m)

對(duì)比高低滲分界點(diǎn)地層壓力，生產(chǎn)結(jié)束時(shí)壓裂前分界點(diǎn)壓力為25.53 MPa，壓裂后分界點(diǎn)壓力為19.43 MPa。儲(chǔ)層邊界壓力與分界點(diǎn)壓力之差為低滲區(qū)壓差，壓裂前后低滲區(qū)兩端壓差由1.77MPa升高至1.91 MPa。壓裂后高滲區(qū)壓差降低，低滲區(qū)壓差增高，說明了壓裂不但能提高近井高滲帶的滲流能力，還能促使外圍低滲區(qū)壓差增大，能有效帶動(dòng)遠(yuǎn)井低滲區(qū)地層能量，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。

3) 壓裂前后采收率變化。

配產(chǎn)越大，分區(qū)采收率越小(圖10)。壓裂后高滲區(qū)低滲區(qū)分區(qū)采收率均增大，總采收率增大。高滲區(qū)采收率平均增加10.33%，低滲區(qū)采收率平均增加8.3%，壓裂改造后高滲區(qū)采收率增幅大于低滲區(qū)，與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖10 壓裂前后高低滲區(qū)采收率變化(0.8/1.54 mD，高滲半徑200 m)Fig .10 Recovery factor of high/low permeability zone changes before and after fracturing(0.8/1.54 mD， high permeability zone radius 200 m)

2.3 不同滲透率級(jí)差對(duì)平面非均質(zhì)滲流的影響

由于實(shí)驗(yàn)采用的3組巖心的滲透率級(jí)差相近且均較小，另設(shè)置3.4/6.5 mD、0.65/6.5mD、0.32/6.5 mD、0.1/6.5 mD、0.05/6.5 mD五種滲透率級(jí)差，即2倍、10倍、20倍、65倍、130倍級(jí)差，一方面研究滲透率級(jí)差增大對(duì)單井平面非均質(zhì)滲流機(jī)理的影響，另一方面研究低滲氣藏基質(zhì)滲透率界限。

滲透率級(jí)差增大，低滲區(qū)高滲區(qū)物性差異增大。從滲透率級(jí)差與壓降漏斗曲線來看(圖11)，滲透率級(jí)差小于10倍時(shí)，壓降漏斗整體較為平緩，高滲區(qū)較強(qiáng)的滲流能力可以有效提高外圍低滲區(qū)域的儲(chǔ)量動(dòng)用程度，起到“甜點(diǎn)”的作用；滲透率級(jí)差大于10倍時(shí)，低滲區(qū)采出程度較低，對(duì)單井貢獻(xiàn)變小，生產(chǎn)周期變短；當(dāng)滲透率級(jí)差大于50倍時(shí)，即基質(zhì)滲透率低于0.1 mD時(shí)，采氣井達(dá)到廢棄壓力后壓力波仍未傳播到儲(chǔ)層邊界，近井高滲“甜點(diǎn)”并不能有效激活遠(yuǎn)井低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)層總體采出程度低。

圖11 滲透率級(jí)差與壓降漏斗曲線(高滲半徑200 m)Fig .11 Pressure cone of depression at different permeability ratios(high permeability zone radius 200 m)

滲透率級(jí)差增大，總采收率和低滲區(qū)采收率顯著降低(圖12)。滲透率級(jí)差為10倍時(shí)，隨配產(chǎn)不同，低滲區(qū)采收率為15%～40%，滲透率級(jí)差大于50倍時(shí)，穩(wěn)產(chǎn)期很短，截止到穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后采收率低至5%～10%。比較不同滲透率級(jí)差下的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，2倍級(jí)差穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間為3.02 a，10倍級(jí)差穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間為1.8 a，65倍級(jí)差穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間為0.48 a，滲透率級(jí)差增大穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間顯著縮短。

圖12 滲透率級(jí)差與總采收率關(guān)系(高滲半徑200 m)Fig .12 Overall recovery factor curve at different permeability ratios(high permeability zone radius 200 m)

3 結(jié)論

1) 開展了高低滲區(qū)“串聯(lián)”的高壓平面非均質(zhì)滲流物理模擬，結(jié)果表明單井配產(chǎn)過高會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間縮短，總采收率降低，生產(chǎn)中需要優(yōu)化配置氣井產(chǎn)量。生產(chǎn)初期近井高滲區(qū)貢獻(xiàn)率大于低滲區(qū)，高滲區(qū)、低滲區(qū)最終貢獻(xiàn)率受各區(qū)儲(chǔ)量及物性控制。

2) 壓裂后近井高滲區(qū)兩端壓差變小，遠(yuǎn)井低滲區(qū)壓差增大，壓裂降低了井底附近的滲流阻力，使近井區(qū)域壓差減小，同時(shí)促使外圍低滲區(qū)壓差增大，有助于遠(yuǎn)井低滲區(qū)地層能量采出。對(duì)于平均滲透率越低的儲(chǔ)層，壓裂改造提高采收率效果越明顯。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，高滲區(qū)半徑越大，穩(wěn)產(chǎn)期越長，總體采收率越高，因此尋找儲(chǔ)層物性好的“甜點(diǎn)”是提高采收率和開發(fā)效果的重要方向。

4) 當(dāng)氣藏基質(zhì)滲透率在0.1 mD以下，且滲透率級(jí)差大于50倍時(shí)，生產(chǎn)井達(dá)到廢棄壓力后壓力波仍未傳播到儲(chǔ)層邊界，相同配產(chǎn)下穩(wěn)產(chǎn)期顯著縮短，采收率低，近井高滲區(qū)無法起到“甜點(diǎn)”作用，不能帶動(dòng)外圍低滲儲(chǔ)層增產(chǎn)。