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页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价

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页岩 渗流 机理 压裂井 产能 评价
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第34卷第4期 2011年4月 舌 大学学 4 章编号:1000—582X(201 1)04—062 05 页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价 段永刚 ,魏明强 ,李建秋 ,唐 艳 (1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500; 2.西南油气田分公司蜀南气矿,四川泸州646001) 摘 要:为了掌握页岩气藏生产动态特征,提高页岩气井产能,对页岩气藏渗流机理及产能评 价进行研究。页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性。利用源函数及质量守恒法,结合页岩气渗流特征建立 双重介质压裂井渗流数学模型,通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版。分析了 性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的 影响。 关键词:页岩气;渗流机理;产能评价;压裂;图分类号:献标志码:A 1.il 10500,..o,46001,.R o of to it is to on he is — to it By it on of 前页岩气勘探开发已成为世界焦点,美国、加 拿大已在多个盆地进行了页岩气商业性开采,2009 年美国页岩气产量占全美天然气总量近15 口]。 研究表明中国也拥有丰富的页岩气资源,初步计算 页岩气资源量约为(15~30)×10 。m。,开发前景广 阔_2 ]。在储层条件下页岩气藏中20 ~8O 的气 体以吸附态储存在页岩基质颗粒表面,其余绝大部 分以游离态储存于孔隙和裂缝中。针对页岩气存在 特有的吸附解吸特性,国外许多学者通过修正物质 平衡时间 ]、建立半解析数学模型[7 及整合方法在页岩气产能方面取得 了一系列研究成果,但其将页岩气藏假设为均质储 收稿日期:2010—12—20 基金项目:国家重大专项资助项目(200801 02作者简介:段永刚(1963一),西南石油大学教授,博士,主要从事油气藏渗流理论、试井及油气藏动态分析与研究工作, (28—83037532;(E 63.第4期 段永刚,等:页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价 层,不能很好的体现页岩气藏渗流特征。目前国内 对于页岩气渗流机理及产能评价的研究仍处于一片 空白,因此笔者在考虑页岩气的吸附解吸特性的基 础上,利用点源函数法及质量守恒法则,结合页岩气 藏渗流特征对传统的渗流微分方程进行修正,建立 双重介质压裂井渗流数学模型,通过数值反演及计 算机编程绘制了产能递减曲线并对其影响因素进行 分析。 1 页岩气渗流机理及解吸特性 页岩气藏是一种“自生自储式”气藏 ,开采过 程中,地层压力降低,打破原来的吸附平衡,原先吸 附在页岩基质表面的气体将发生解吸,形成游离态 气体,最终重新到达平衡。页岩气穿过页岩孑的流动可描述为图1所示的解吸、扩散和渗流这 3个过程 “ 。 嚼露 天然裂 基质表面解吸流入基质孔隙 鋈 黍 图1 裂缝页岩气生成模式 页岩气在裂缝和基质中流动机理:①裂缝中游 离气向井底流动,裂缝中压力降低;②在压降的作用 下,页岩气由基质向内表面解吸;③在浓度差作用 下,页岩气由基质向裂缝中扩散;④在流体势作用 下,页岩气遵循达西定律流向井简。 页岩气与常规天然气藏最主要区别是页岩气主 要以吸附状态储存于页岩基质中。I 附曲线能描述在恒温条件下页岩气吸附解吸的平 衡关系。等温吸附曲线能定量描述吸附气体的压力 和被吸附量之问的关系。由于吸附是解吸的可逆过 程,等温吸附曲线可以表征页岩气的解吸特征。 1918年,I 出了单 分子层吸附的状态方程,即I. V ===辫。 ㈩ 式中: .一I 附气的最大体积), m。/t;m。/t;LI 附 量达到最大吸附量的50%的压力),实验和理论分析表明,I 司样适用页岩气的吸附解吸特性,因此目前主要运 用吸。 2 页岩气考虑解吸的点源解推导 页岩脆性较强,外力作用下易形成天然裂缝和 诱导裂缝,通常将页岩气藏简化成双重介质孔隙结 构模型。考虑页岩气解吸特性,利用点源法推导了 考虑页岩气解吸的压裂井数学模型 。 。 运用质量守恒和达西定律,获得在页岩裂缝中 气体流动方程 ( )一 c ,+ c +阻 。 (2) 联立(1),(2)式得 ( r) + + ] L ’10 (p r + ) J 。 、 相关定义: 拟压力 一2j: 蠹基质的综合压缩系数_ 无因次时间 。一J' 再k , d ; 无因次半径r 一 流系数 一 r z; ;性储容比 O,缉 一。 一—————————————~o gf‘g._q) S , L 十 “一 ’( )。 点源函数渗流方程及边界条件 ( )一嘶一00,1 一“ 一’J A (T")一0, (4) li 丌L。(rI】z )一一1。 i 对方程组(4)求解,运用叠加原理和镜像反映得到上 下边界为不渗透边界的连续点源解 64 重庆大学学报 第34卷 (p)一 r。 )]+ r。√“+ )cO zI)㈦ 上面(2)一(5)式中:P ~压力,一拟压力; 一气体的压缩因子,无量纲;; 一气体密度,kg/m。;r 一泄油半径,m; r ~井筒半径,m; ~拉普拉斯转换变量; ~孔隙 度,无量纲; 一气体压缩系数,下气体的压缩系数, 一基质的综合压缩 系数,~表皮,无因次;K。,K 一修正二类 贝塞尔函数,无 因次半径; ~窜流系数,m ;∞一弹性储容比,无量 纲;c。表示无因次井储系数,无量纲, 裂缝半长, m。下标f,m,标准 状态。 3 页岩气压裂井物理模型及求解 双重介质封闭页岩气藏中一口垂直井的物理模 型如图2所示,假设条件为: 1)储层顶部z—层 在水平方向的半径为r 的封闭外边界; 2)垂直裂缝长度为2L,高度为h,中心在(.7C , Y , )处; 3)储集层各向同性,即各方向渗透率相等; 4)忽略重力和毛管力的影响。 y 图2 页岩气藏封闭储层垂直裂缝井物理模型 点源解式(5)在[z 一~对 积分, 再在[z 一L /2, +L /23上对z 积分,并考虑井 筒储效应和表皮因子的影响,即可得到I 顶底封闭圆形边界储层垂直压裂井井底的压 力响应 吾 厶J L J。( √“ 1(, √“) I】( ) 4 页岩气井不稳定产能分析 和定产生产 的无因次拟压力 之间存在以下关系: 一 。 ㈤ 利用 获得实空问无因次产量q。与无因次时间t。的关 系,进一步绘制了无限导流垂直压裂井产能动态 曲线。 根据式(5)一(6)得出了曲线的控制参数主要有 P V , , 。下面对各参数对页岩气藏产能动 态特征曲线曲线影响进行分析。 图3反映了考虑吸附解吸与不考虑吸附解吸对 压裂页岩气井产能动态曲线的影响。页岩气藏考虑 解吸吸附比不考虑了解吸吸附产量递减更慢且生产 时问更长,产量更加稳定。 图3 考虑解吸吸附与不考虑解吸对产能的影响 图4反映了L)对压裂页岩气 井产能动态曲线的影响。在同一V )下, )越大,压力传播越快, 产量递减越快。 s 图4 L “’对产能的影响 [ }出 。6) 图5反映了)对压裂页岩气 井产能动态曲线的影响。在 )相 同的情况下,)越大压力传播越 第4期 段永刚,等:页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价 慢,产量递减越慢。 l l 1 l 5 , )对产能的影响 图6反映了弹性储容比( )对压裂页岩气井产 能动态曲线的影响。弹性储容比对裂缝流动阶段的 产能影响显著,弹性储容比越小,产量越低。 图6弹性储容比(∞1对产能的影响 图7反映了窜流系数( )对压裂页岩气井产能 动态曲线的影响。窜流系数越大,窜流发生的时问 越早,窜流阶段的产量越高。 图7 窜流系数的对压裂页岩气井的影响 图8反映了裂缝长度( )对压裂页岩气井产能 动态曲线的影响。压裂裂缝长度只能短期增加产 量,压裂裂缝长度越长产量越高,在后期产能基 本一致。 图9反映了边界对压裂页岩气井动态产能曲线 的影响。压力波传到边界时产量急剧下降,边界越 大,压力波到达边界的时间越长。 10—6 10- 10+o 10+ 10+4 10 lO 8压裂裂缝长度(压裂页岩气井的影响 图9边界(r 。)对压裂页岩气井产能的影响 5 结 论 1)与常规气藏的主要区别是页岩气存在吸附解 吸特性,把吸附解吸特性考虑到压缩系数中,可以得 出与常规气藏渗流方程相一致的形式。 2)页岩的解吸特性,使得气井产量递减更慢且 生产时间更长。力传播越 慢,产量递减越慢;I 力传播越 慢,产量递减越慢。 3)弹性储容比越大,裂缝流动流动阶段产能越 大,窜流系数对窜流阶段的产能影响显著,窜流系数 越大,进入窜流阶段时间就越早。 4)压裂裂缝长度只能短期增加产量,压裂裂缝 长度越长产量越高,在后期产能基本一致。 5)压力波到到达边界的时间由边界控制,压力 波达到边界时产量急剧下降,边界越大,压力波到达 边界时间越晚。 参考文献: [1]胡文瑞,翟光明,李景明.中国非常规油气的潜力和发 展_J].中国工程科学,2010,12(5):25 29. I of ].2(5):25 29. [2]张金川,徐波,聂海宽等.中国页岩气资源勘探潜力[J]. 天然气工业,2008,28(6):136一1 口 ● ● l 66 重庆大学学报 第34卷 U et of ].008,28(6):136 140. [3]雷群,王红岩,赵群,等.国内外非常规油气资源勘探开 发现状及建议天然气工业,2008,28(12):70UN,et on of ].008,28(12):7[4]李海平,贾爱林,何东博,等.中国石油的天然气开发技 术进展及展望[J].天然气工业,2010,30(1):5I~E 0,et of J].20(1):5[5]赵群,王红岩,刘人和等.世界页岩气发展现状及我国 勘探前景[J].天然气技术,2008,2(3):11—14. 0 E, et s ].008,2(3): 11—14. r 6] of ]// en 21 24 008:r 7],,,et of c]//ro .S.A.,1 6 008:9897. [8] L, M, A. A of ]//4 1 6 A— 009 :[9]孙超,朱筱敏,陈菁,等.页岩气与深盆气成藏的相似 与相关性油气地质与采收率,2007,14(1):26 31. et on ].2007.14(1):26—31. [1玉华,张敏等.页岩气形成条件及成藏影响因 素研究[J].天然气地球科学,2010,21(2):350—355. U—IN,et of ~.010,21(2):350—355. [11]A 孔介质中的渗流物理方程[M].王鸿勋, 译.北京:石油工业出版社,1982. ]. 988. 。.].991, 6(3):359 368. ,.ti—]. 1991,6(3):369 378. ,.c]//5—28 994,[16].c]//994, 永刚,李建秋.页岩气无限导流压裂井压力动态分析 [J].天然气工业,2010.30(10):0I of 010.30(10):1—4. [18] F,.to in 949:186,305—324. .of 1970, 13(1):47—49. (编辑张一1、强)
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