沈金才 董長新 常 振

1.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司 2.中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

頁巖氣井的動態(tài)分析離不開生產(chǎn)階段劃分及動態(tài)特征描述[1]，眾多學(xué)者對頁巖氣井生產(chǎn)階段的研究主要從滲流力學(xué)角度建立了頁巖氣解吸、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散、基質(zhì)-裂縫耦合流動數(shù)學(xué)模型來研究其微觀流動[2-3]。李繼慶等[4]認(rèn)為頁巖氣井生產(chǎn)時可能存在裂縫線性流、雙線性流、基質(zhì)線性流、擬徑向流4個流動階段，采用生產(chǎn)數(shù)據(jù)在規(guī)整化產(chǎn)量和規(guī)整化時間圖板上根據(jù)斜率識別，但是頁巖氣井實(shí)際生產(chǎn)過程中長期處于不穩(wěn)定線性流階段，很難準(zhǔn)確判斷當(dāng)前生產(chǎn)階段。因此有必要從礦場角度直觀開展頁巖氣井生產(chǎn)階段劃分研究，確定分階段動態(tài)描述內(nèi)容，建立統(tǒng)一可對比動態(tài)描述指標(biāo)。筆者在常規(guī)氣井生產(chǎn)階段劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合涪陵頁巖氣田300余口生產(chǎn)井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征[5-7]，將頁巖氣井生產(chǎn)過程劃分為“兩大三小”生產(chǎn)階段，并確定每個階段動態(tài)描述主要內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣井宏觀生產(chǎn)階段劃分和動態(tài)描述的統(tǒng)一性，能更好地分析不同生產(chǎn)階段頁巖氣井的生產(chǎn)動態(tài)，針對性制定措施方案。

1 生產(chǎn)階段劃分

與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲層相比頁巖儲層的特殊性體現(xiàn)在3個方面：①頁巖氣儲層未壓裂改造無自然產(chǎn)能[8-9]，需經(jīng)過壓裂后才有工業(yè)產(chǎn)量；②氣井壓裂改造的復(fù)雜度和體積大小決定產(chǎn)能和可采儲量的高低；③壓裂改造形成的縫網(wǎng)邊界即為流動邊界、生產(chǎn)波及邊界。在生產(chǎn)階段，為降低儲層應(yīng)力敏感造成地層能量的損耗，進(jìn)而獲得最大的技術(shù)可采儲量[10]，涪陵頁巖氣田氣井按照頁巖氣井動態(tài)合理配產(chǎn)方法指導(dǎo)生產(chǎn)，采用定產(chǎn)控壓生產(chǎn)方式和與產(chǎn)能相匹配的合理生產(chǎn)制度[11]；根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征，將生產(chǎn)過程劃分為“兩大三小”生產(chǎn)階段：定產(chǎn)降壓階段和定壓遞減階段，其中定壓遞減階段又細(xì)分為連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段、間歇生產(chǎn)階段、排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段(圖1、圖2)。

圖1 涪陵頁巖氣井生產(chǎn)模型示意圖

圖2 焦頁1HF井生產(chǎn)曲線

1.1 穩(wěn)產(chǎn)降壓階段

按頁巖氣合理配產(chǎn)方法[11]確定氣井合理產(chǎn)能，按照此合理產(chǎn)能穩(wěn)定生產(chǎn)，生產(chǎn)壓力遞減至接近外輸壓力（外輸壓力即管壓，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時生產(chǎn)壓力與外輸壓力的差值取決于氣井井口至外輸管道之間的管損壓力）后轉(zhuǎn)入產(chǎn)量遞減階段，穩(wěn)產(chǎn)降壓階段也定義為穩(wěn)產(chǎn)期，此階段是消耗地層能量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的穩(wěn)定。

1.2 定壓遞減階段

穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后，生產(chǎn)壓力已遞減至接近外輸壓力，無進(jìn)一步下降空間，隨著地層壓力進(jìn)一步降低，氣井生產(chǎn)壓差即地層壓力與井底流壓的差值逐漸降低，氣井產(chǎn)量下降，氣井進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段；當(dāng)氣井產(chǎn)量高于連續(xù)攜液流量前為產(chǎn)量遞減連續(xù)階段，當(dāng)產(chǎn)量低于連續(xù)攜液流量但高于臨界攜液流量時氣井不能連續(xù)生產(chǎn)，需要間歇關(guān)井恢復(fù)壓力實(shí)現(xiàn)周期性排液生產(chǎn)，當(dāng)間開的生產(chǎn)時率低于50%或產(chǎn)量進(jìn)一步降低至臨界攜液流量后水淹關(guān)井，只能借助排水采氣工藝或增壓開采工藝進(jìn)一步降低生產(chǎn)壓差維持生產(chǎn)。

1.2.1 連續(xù)生產(chǎn)階段

氣井進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段，當(dāng)產(chǎn)量高于連續(xù)攜液流量前為產(chǎn)量連續(xù)遞減階段，此階段生產(chǎn)時間的長短決定于氣井穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時產(chǎn)量、產(chǎn)量遞減率、連續(xù)攜液流量的高低。穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時產(chǎn)量越高、產(chǎn)量遞減率越低、連續(xù)攜液流量越低時，氣井產(chǎn)量遞減期連續(xù)生產(chǎn)時間越長。

當(dāng)產(chǎn)氣低于連續(xù)攜液流量但高于臨界攜液流量時氣井不能連續(xù)生產(chǎn)，需要間歇關(guān)井恢復(fù)壓力實(shí)現(xiàn)周期性排液生產(chǎn)，即為氣井間歇生產(chǎn)階段。此階段生產(chǎn)時間的長短決定于氣井產(chǎn)量遞減率、水氣比、地層壓力恢復(fù)速度的大小。產(chǎn)量遞減率越低、水氣比越低、地層壓力恢復(fù)速度越快時，氣井間歇生產(chǎn)時間越長，通常當(dāng)間歇生產(chǎn)日均產(chǎn)氣量低于理論預(yù)測氣量的50%后，間歇效率較低，需要采取措施工藝維持生產(chǎn)。

1.2.3 排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段

當(dāng)間開的生產(chǎn)時率低于50%或產(chǎn)量進(jìn)一步降低至臨界攜液流量后被迫水淹關(guān)井，只能借助排水采氣工藝或增壓開采工藝進(jìn)一步降低生產(chǎn)壓差維持生產(chǎn)。此階段的生產(chǎn)效果由排采工藝的有效性決定，因頁巖氣井產(chǎn)量遞減較快，單位壓降產(chǎn)量有限，水氣比小于5 m3/104m3的氣井推薦優(yōu)先采用增壓開采輔助生產(chǎn)，后期采用增壓開采+泡排的復(fù)合工藝；水氣比大于等于5 m3/104m3的氣井采用泵排系列工藝。

2 生產(chǎn)動態(tài)特征描述內(nèi)容

2.1 定產(chǎn)降壓階段

定產(chǎn)降壓階段主要描述分區(qū)壓力和彈性產(chǎn)率隨累產(chǎn)遞減規(guī)律，確定各累產(chǎn)階段下壓力保持水平和彈性產(chǎn)率，穩(wěn)產(chǎn)時間，穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)。

2.1.1 壓力保持水平

穩(wěn)產(chǎn)期壓力保持水平分為井底靜壓、井底流壓、井口油壓，3個壓力參數(shù)是相互依存的關(guān)系，在某個累產(chǎn)階段，井筒連續(xù)攜液下，井底靜壓、井底流壓、井口油壓變化規(guī)律一致，只是大小的差異。但是3個參數(shù)獲取的難度、頻次具有較大差異，靜壓需要關(guān)井測試，周期長，生產(chǎn)時率影響較大；井底流壓需下井下壓力計(jì)測試，頻次受限，費(fèi)用高；井口油壓可實(shí)現(xiàn)實(shí)時連續(xù)錄取。因此我們在研究規(guī)律變化時選取分區(qū)產(chǎn)氣、產(chǎn)水平穩(wěn)、井筒攜液較好無積液氣井，用井口油壓研究其變化規(guī)律和遞減特征，進(jìn)而可以擴(kuò)展至井底流壓和靜壓的應(yīng)用。以涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期壓力遞減呈現(xiàn)分區(qū)和分階段先快后慢的趨勢遞減，累產(chǎn)氣量2 000×104m3時：主體區(qū)壓力保持水平17.01 MPa，壓力下降45%；西區(qū)壓力保持水平18.41 MPa，壓力下降44%；東區(qū)壓力保持水平11.89 MPa，壓力下降57%；西南區(qū)壓力保持水平4.99 MPa，壓力下降 83%(圖3)。

圖3 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期壓力保持水平圖（井口壓力）

2.1.2 彈性產(chǎn)率

彈性產(chǎn)率也叫單位壓降產(chǎn)氣量，即氣井視地層壓力每下降1 MPa的采出氣量，焦石壩區(qū)塊頁巖氣藏改造后是典型的異常高壓氣藏，在定產(chǎn)降壓階段使用彈性產(chǎn)率指標(biāo)描述其遞減特征。

壽司老嚇唬我，雖然我已經(jīng)習(xí)慣了，但還是時常被它的樣子嚇到。每次我去看它，它幾乎都在睡覺，并且睡覺的姿勢丑極了—它動不動就像蝙蝠滑翔一樣前腳、后腳全張開仰躺在地上，老媽和伯伯見了都以為它死了。有時候它睡著了，全身還一抽一抽的，腳動不動抖一下，像抽筋，快不行了一樣，把我嚇壞了。在我被嚇的時候，鷯哥的籠子臭了，烏龜?shù)乃簿G了……

在計(jì)算彈性產(chǎn)率時，地層靜壓測試難度較大，穩(wěn)產(chǎn)期內(nèi)氣井滿足攜液狀態(tài)時，可用實(shí)測井底流壓或用井口油壓推算的井底流壓研究變化規(guī)律，以涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，頁巖氣井單位壓降產(chǎn)量隨累產(chǎn)呈現(xiàn)分區(qū)分階段的先快后慢趨勢增加，累產(chǎn)氣量2 000×104m3時：主體區(qū)192×104m3/MPa，東區(qū) 170×104m3/MPa，西區(qū) 142×104m3/MPa，西南區(qū)78×104m3/MPa(圖4)。

圖4 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期單位壓降產(chǎn)量圖（井口壓力）

2.1.3 穩(wěn)產(chǎn)時間和穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)

給定相同的穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束條件，對比穩(wěn)產(chǎn)時間和穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)大小可以較好描述開發(fā)效果的差異，以涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊為例，給定穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束條件為產(chǎn)量6×104m3/d，井口壓力為6 MPa（接近外輸壓力），氣井從投產(chǎn)至穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束的生產(chǎn)時間確定為穩(wěn)產(chǎn)時間，焦石壩區(qū)塊分區(qū)氣井穩(wěn)產(chǎn)時間存在較大差異，主體區(qū)2.4年，東區(qū)2.0年，西區(qū)2.0年，西南區(qū)0.7年；穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)時間存在較好的對應(yīng)關(guān)系，主體區(qū)9 200×104m3，東區(qū)5 812×104m3，西區(qū)6 009×104m3，西南區(qū) 1 584×104m3(圖5、圖6)。

圖5 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期時間柱狀圖

圖6 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊分區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)氣量柱狀圖

2.2 定壓遞減階段

2.2.1 連續(xù)生產(chǎn)階段

連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段主要描述遞減類型、隨時間或者累產(chǎn)的遞減率、連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段累計(jì)時間。進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段后采用Arps遞減分析方法，用指數(shù)遞減、雙曲遞減、調(diào)和遞減3種類型擬合，確定最大相關(guān)系數(shù)的初始遞減率、遞減指數(shù)，隨時間的遞減率，判斷產(chǎn)量遞減至連續(xù)攜液流量的時間。

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊遞減特征明顯的179口井，遞減類型均符合廣義雙曲遞減或調(diào)和遞減類型，第1年的平均年對年遞減率為38.4%～47.4%，平均40.6%。第一年年末對年初遞減率為58.5%～66.8%，平均為60.4%(表1)。

表1 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊產(chǎn)量遞減率統(tǒng)計(jì)表

通過文獻(xiàn)調(diào)研可知，北美各頁巖氣區(qū)塊以放大壓差或高配生產(chǎn)方式為主，產(chǎn)量遞減類型為雙曲或調(diào)和遞減，遞減指數(shù)0.9～1.6，初始遞減率：58%～79%，平均70%，遞減末期轉(zhuǎn)換為指數(shù)遞減，最小遞減率3%～10%，與涪陵頁巖氣田進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段遞減特征基本一致(表2)。

表2 北美七大頁巖氣產(chǎn)區(qū)遞減參數(shù)對比表

2.2.2 間歇生產(chǎn)階段

間歇生產(chǎn)階段主要描述間開周期平均產(chǎn)量遞減率、間歇生產(chǎn)效率、間歇開采有效期。進(jìn)入間歇生產(chǎn)階段后采用不穩(wěn)定產(chǎn)量分析方法（即RTA方法），擬合氣井階段日均產(chǎn)量遞減規(guī)律，確定平均產(chǎn)量遞減率[12-14]，用間開階段日均產(chǎn)氣量與RTA理論預(yù)測值比值評價氣井的間歇生產(chǎn)效率，氣井產(chǎn)量低于臨界攜液流量確定分區(qū)氣井的間歇開采有效期（圖7）。

圖7 焦頁1HF井間歇生產(chǎn)階段日產(chǎn)氣量與RTA預(yù)測日產(chǎn)量

間歇生產(chǎn)階段間開制度研究包括關(guān)井時機(jī)、關(guān)井周期、開井時機(jī)、開井方式、開井產(chǎn)量等。

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊間開特征明顯的85口井，間開階段月均日產(chǎn)氣量遞減類型符合對數(shù)遞減模型，第一年年末對年初遞減率為43%～50%，平均為47%（表3）。間開階段日均產(chǎn)氣量與RTA預(yù)測理論日產(chǎn)氣量比值評價間開氣井生產(chǎn)效率，焦石壩區(qū)塊氣井間開初期生產(chǎn)效率64%～89%，平均75%。隨著間開輪數(shù)增加，間歇生產(chǎn)氣井生產(chǎn)效率逐漸降低，當(dāng)氣井生產(chǎn)效率低于50%時，氣井需要長時間關(guān)井（往往關(guān)井時間大于15 d以上）壓力恢復(fù)后氣井開井初期產(chǎn)量才能達(dá)到臨界攜液流量，此時井筒積液只能部分被帶出，氣井受井筒積液影響較大，通過間開生產(chǎn)已基本失去效果，因此確定氣井間開生產(chǎn)效率等于50%時的節(jié)點(diǎn)為氣井的間開有效期，焦石壩區(qū)塊氣井間歇開采有效期1.0～3.6年，平均2.2年（表3、圖8）。

表3 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊間開情況統(tǒng)計(jì)表

圖8 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊間開井產(chǎn)量

2.2.3 排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段

排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段主要描述介入排采或增壓工藝的時機(jī)、措施增氣量、措施后產(chǎn)量遞減率。氣井進(jìn)入間歇生產(chǎn)階段，產(chǎn)量低于連續(xù)攜液流量并高于臨界攜液流量前為排采工藝或增壓開采措施的最佳時機(jī)[15-17]。

增壓開采通過降低井底流壓、增加氣井生產(chǎn)壓差提高了氣井生產(chǎn)能力，氣井產(chǎn)量上升，需要計(jì)算措施增量；增壓開采輔助生產(chǎn)階段需要描述井口油壓變化、產(chǎn)氣量變化、產(chǎn)水變化、壓縮機(jī)的吸氣壓力等參數(shù)。焦石壩區(qū)塊增壓遞減特征明顯的46口井，增壓開采措施增氣量1.2～2.7×104m3/d，平均1.98×104m3/d，第一年年末對年初遞減率為38%～62%，平均為50%（表4）。

表4 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊增壓情況統(tǒng)計(jì)表

排采工藝（包括鄰井氣舉、車載式壓縮機(jī)氣舉、柱塞、泡排、泵排等）通過解決井筒積液對氣井生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)氣井連續(xù)生產(chǎn)[18]。排采工藝措施后氣井實(shí)際產(chǎn)量曲線接近RTA預(yù)測的理論曲線遞減，排采工藝輔助生產(chǎn)階段描述氣井措施產(chǎn)量、研究措施適應(yīng)性、措施階段產(chǎn)量遞減規(guī)律。

3 結(jié)論

1）涪陵頁巖氣田氣井在采用動態(tài)合理配產(chǎn)生產(chǎn)條件下，根據(jù)產(chǎn)量和壓力遞減特征，將生產(chǎn)過程劃分兩大三小生產(chǎn)階段：定產(chǎn)降壓階段和定壓遞減階段，其中定壓遞減階段又細(xì)分為連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段、間歇生產(chǎn)階段、排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段。

2）定產(chǎn)降壓階段主要描述分區(qū)壓力隨累產(chǎn)遞減規(guī)律，以確定各累產(chǎn)階段下壓力保持值和遞減幅度，還需描述穩(wěn)產(chǎn)時間和相同穩(wěn)產(chǎn)時間內(nèi)壓力遞減規(guī)律及相同穩(wěn)產(chǎn)時刻下壓力保持水平和遞減幅度。連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段主要描述遞減類型、隨時間或者累產(chǎn)的遞減率、連續(xù)自然遞減生產(chǎn)階段累計(jì)時間。間歇生產(chǎn)階段主要描述間開周期平均產(chǎn)量遞減率、間歇生產(chǎn)效率、間歇開采有效期。排采工藝或增壓開采輔助生產(chǎn)階段主要描述介入排采或增壓工藝的時機(jī)、措施增氣量、措施后產(chǎn)量遞減率。

3）目前國內(nèi)開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊尚未出現(xiàn)完全衰竭的氣井，后期是否會出現(xiàn)靠吸附氣貢獻(xiàn)為主導(dǎo)的長期低壓低產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)階段，需根據(jù)礦場實(shí)際不斷完善頁巖氣井后期生產(chǎn)階段劃分和動態(tài)描述內(nèi)容。