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考虑启动压力梯度的页岩气藏数值模拟_尹虎

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考虑 启动 压力梯度 页岩 数值 模拟 尹虎
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考 虑启动压力梯度的页岩气藏数值模拟尹 虎1王新海2刘 北 荆州 京 苏 泰州 225300摘要 :页岩气作为一种重要的非常规能源 ,其渗流及开发原理越来越受到关注 。 在页岩气井开采过程中 ,为了全面认识井底压力的响应特征及影响因素 ,根据页岩气渗流机理 、吸附气解吸特征 、渗流理论和质量守恒定理 ,建立双孔介质页岩气藏数学模型 。 模型以启动压力梯度和等温吸附的原理为前提 ,应用有限差分法 ,得到数值模型 ,编制相应程序对数值模型求解 ,分析了启动压力梯度 、几何因子 、储容比 、力 、积对气井井底压力变化的影响 。 结果表明 :双重介质模型能够准确描述吸附气在储层中的解吸过程 、基质系统和裂缝系统之间的窜流过程 ;考虑启动压力梯度更加接近实际地层 ;考虑吸附解吸作用使井底压力缓慢降低 ,探测地层边界较晚 ;利用地层参数分析及室内实验可以间接求出页岩气藏解吸附过程中 力和 积 ,这对气井井底压力分析和产能预测非常重要 。关键词 :页岩气 ;启动压力梯度 ;双重孔隙介质 ;数值模拟 ;井底压力文献标识码 :1006012)04言页岩气藏是一种非常规气藏 ,表现为原地成藏的模式 。 含气页岩既是烃源岩也是圈闭 、储层和盖层 ,岩石组分包括纯页岩 、细砂岩 、粉砂岩 、灰岩和粉砂质泥岩等 ;矿物成分包括粘土质 、硅质 、有机碳和钙质等 。气藏中的天然气主要包括游离气 、 吸附气和溶解气 ,游离气储集在天然裂缝和岩石孔隙中 ,吸附气储集在粘土颗粒表面和干酪根中 ,溶解气含量较少 ,溶解在干酪根和沥青质中 。 聂海宽总结了中国海相页岩 “一新二杂三高 ” 和陆相页岩 “一新一深二低 ” 的特点[1~2];雷宇对鄂尔多斯盆地众生界页岩气藏地质条件进行了全面分析[3];王祥 、张金川及白兆华等对页岩气成藏影响因素及聚集机理进行了研究[4~6];孙海成分析了储层裂缝系统对产能的影响[7];段永刚建立页岩气藏双重介质压裂井数学模型 ,对渗流机理和产能评价进行了研究[8~9]。目前对页岩气井井底压力分析研究处于起步阶段 ,考虑启动压力梯度 、吸附气解吸特征 ,结合气体渗流机理和质量守恒定理 ,建立了双重介质页岩气藏渗流数学方程 ,并应用有限差分方法 ,求得数值模型 ,编制相应程序对数值模型求解 ,分析了各种地层参数对气井井底压力的影响 。收稿日期 :2012国家油气重大专项 “大型油气田及煤层气开发 ”(2011者简介 :尹 虎 (1987-),男 ,湖北襄阳人 ,硕士研究生 ,主要从事试井 、油藏工程方面的研究工作 。油气田开发0 卷 第 4 期43天 然气与石油 8 月1 启动压力梯度和等温吸附方程低渗透低孔隙页岩气藏中 ,气体渗流规律不符合达西定律 ,在渗流时除粘滞阻力外 ,还要克服吸附层的阻力 ,当外加压力梯度大于启动压力梯度时 ,气体才发生流动 ; 当外加压力梯度小于启动压力梯度时 ,气体不发生流动 ; 当外加压力梯度较小时偏离线性 。目前 ,采用具有启动压力梯度的简化模型[10]:式中 v——渗流速度 ,m/s;k——渗透率 ,μ——粘度 ,s;鄣压力梯度 ,m;η——启动压力梯度 ,m。页岩气藏中吸附气含量占总含量的 20 %~85 %,主要吸附在粘土颗粒表面和干酪根中 ,气井在开采过程中 ,地层压力不断降低 ,吸附在基质表面的吸附气发生解吸 ,变成游离气 。 随着吸附气的解吸 ,基质系统内部和表面形成浓度差 ,内部气体以扩散方式向外运移 。 1916 年提出固体对气体的吸附理论 ,并推导出等温吸附方程[11],表示吸附量与地层压力的关系 。 1855 年提出的拟稳态扩散定律[12],表示扩散量与吸附气平均含量变化率成正比 。g(2)鄣m--e(3))式中 等温吸附量 ,m3/L——饱和吸附气含量 ,m3/L——吸附气含量达到最大吸附量的 50%压力 ,g——气体压力 ,m——吸附气平均含量 ,m3/m——扩散系数 ;形状因子 ;τ——吸附时间常数 ;扩散量 ,m3·d);几何因子 。2 设条件将页岩气藏简化成双重孔隙介质模型 ,建立考虑表皮系数和井筒储集系数的数学模型[13],假设条件 :a)气井以定产量生产 ,裂缝系统中的游离气以层流形式流向井筒 ,服从达西定律 ;地层压力降低 ,基质中的吸附气开始解吸变成游离气 ,服从 温吸附方程和 散定律 ;基质系统和裂缝系统在压力差作用下发生窜流 ,视为拟稳态 。b)地层岩石微可压缩 ,且压缩系数为常数 。c)地层流体为单相微可压缩 ,压缩系数为变值 。d)考虑表皮系数和井筒储集系数 ,忽略重力作用 。e)不考虑开采过程中页岩气藏温度变化 ,渗流为等温过程 。f)气体粘度为常数 。本渗流方程裂缝系统 :1ρf- -=鄣 ρ-)基质系统 :- -f -ρ ρ-)根据质量守恒定律 ,综合式 (1)~(6)可得页岩气渗流总方程 :1 -η- -% =鄣 ρ-鄣t+ρ ρ-)内边界条件 :2π-r=8)Pw f=P--r=)外边界条件 :-r=(10)式中 q——气体产量 ,m3/d;B——天然气体积系数 ;r——渗流半径 ,m;ρg——气体密度 ,kg/f——裂缝孔隙度 ;Φm——基质孔隙度 ;α——形状因子 ,1/m——基质系统压力 ,f——裂缝系统压力 ,η鄣≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤η(1)v=0v= -η44井底压力 ,基质渗透率 ,μm2;裂缝渗透率 ,μ——表皮系数 ;C——井筒储集系数 , 动压力梯度对井底压力的影响如图 1 所示 ,其它参数不变 ,不考虑启动压力梯度 ,压力导数中 “凹子 ”后期出现水平段 ;考虑启动压力梯度 ,压力导数曲线中 “凹子 ”后期出现上翘 ,随着启动压力梯度增加 ,渗流过程中能量损失增加 ,双对数曲线整体上翘幅度增大 。何因子对井底压力的影响如图 2 所示 , 当 时 ,扩散量为 0,即不考虑吸附气解吸作用 ;当 时 , 表示吸附气解吸生产的游离气参与流体渗流 ,由于吸附气主要存在于基质系统中 ,在双对数压力曲线上表现在过渡段的 “凹子 ”变深和探测地层边界较晚 。容比对井底压力的影响如图 3 所示 ,弹性储容比 (ω)表示裂缝系统中原油的弹性储量与总系统弹性储量之比 。 其它参数不变 ,储容比越小 ,基质系统向裂缝系统提高气量越多 ,双对数压力导数曲线下凹越深 。积对井底压力的影响如图 4 所示 ,积即等温吸附方程中示饱和吸附气含量 ,其它参数不变 ,积越大 ,气藏中吸附气含量越多 ,双对数曲线上压力导数中 “凹子 ”以后曲线向下移动 ,而 力(井底压力变化的影响在双对数曲线上表现不明显 。4 结论a)页岩气藏渗透率和孔隙度极低 ,气体渗流过程中 ,考虑启动压力梯度更加接近实际地层 ,考虑吸附解吸作用 ,使井底压力缓慢降低 ,探测地层边界较晚 。b)建立双重介质模型 ,能够准确描述吸附气在储层中的解吸过程 、基质系统和裂缝系统之间的窜流过程 ,以及裂缝系统中的低速非达西渗流过程 。c)通过对地层参数分析及室内实验 ,求出页岩气藏解吸附过程中 力和 积 ,对气井井底压力分析和产能预测非常重要 。参考文献:[1] 聂海宽,何发岐,包书景. 中国页岩气地质特殊性及其勘探对策[J]. 天然气工业,2011,31(11):12] 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(下转第 57 页 )图 1 启动压力梯度对压力导数曲线的影响图 2 几何因子对压力导数曲线的影响图 3 储容比对压力导数曲线的影响图 4 积对压力导数曲线的影响油气田开发0 卷 第 4 期45(上接第 45 页 )[3] 雷 宇,王凤琴,刘红军,]. 天然气与石油,2011,29(6):494] 王 祥,刘玉华,张 敏,]010,21(2):3505] 张金川,金之钧,袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气工业,2004,24(7):156] 白兆华,时保安,左学敏. 页岩气及其聚集机理研究[J]. 天然气与石油,2011,29(3):547] 孙海成,汤达祯,蒋廷学. 页岩气储层裂缝系统影响产能的数值模拟研究[J]011,39(5):638] 段永刚,魏明强,李建秋,]011,34(4):629] 段永刚, ]010,30(10):110] 张建国,雷光伦,张艳玉. 油气层渗流力学[M]. 东营:中国石油大学出版社,2006,1211] R,,. of ]. 986,1(2):16512] ,,. ]. at 010,113] K, W. of J]. at 990,7(4):1 , 流体的渗流阻力主要是启动压力梯度时产生的附加阻力 ,随着压差的增大 ,应力敏感效应引起的 “应力污染 ”增大 ,造成流体渗流附加压降更大 。 因此 ,在实际生产中 ,应选择合理生产压差 ,避免生产压差过大造成应力敏感效应引起 “应力污染 ”严重 ,降低油井产能 。3 结论a)根据压裂后流体渗流规律的变化 ,基于稳定渗流理论 ,建立了考虑启动压力梯度 、应力敏感共同影响下的低渗油藏垂直裂缝井产能方程 。b)启动压力梯度和应力敏感效应使油井产能下降 ,随着启动压力梯度增大 ,油井产能下降幅度随压差增大而减小 ,随着渗透率变化系数增大 ,油井产能下降幅度随压差增大而增大 ,同时地层污染导致油井产能下降的幅度随压差增大而增大 。c)当生产压差较小时 , 启动压力梯度的影响显著 ;生产压差较大时 ,应力敏感效应的影响明显增强 。油藏开发中必须考虑选择合理生产压差 ,避免应力敏感效应引起的 “应力污染 ”严重 。参考文献:[1] 罗瑞兰,冯金德,唐明龙,]. 西南石油大学学报(自然科学版),2008,30(5):1612] 吕成远,王 建,孙志刚. 低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究[J]002,29(2):863] 蔡明金,陈方毅,张利轩,]008,15(2):694] 李晓良,王厉强,李 彦,等. 启动压力梯度动态变化对 ]007,35(2):705] 罗天雨,曹文江,曾 平. 脱气变形介质油藏产能模型研究[J]004,11(6):546] 姜 永,王新海,袁恒龙,]011,29(6):597] 宋付权. 变形介质低渗透油藏的产能分析[J]. 特种油气藏,2002,9(4):338] 熊 健,王 婷,郭 平,]012,30(1):409] 王厉强,王洪辉,寇秀玲,]006,34(5):7310] 李 生,李 霞,曾志林,等. 低渗透油藏垂直裂缝井产能评价[J]005,24(1):5411] 杨 勇. 低渗透压敏油藏产量递减动态预测方法研究[J]008,27(3):6412] ]987,8(3):69!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!油气田开发0 卷 第 4 期5730 4 2012of of # 12000,o.,02200,2012, 30( 4): 39~42# is in of is # 40m 244.5 mm to a 39 m. in 031m 177.8 mm to a 030 in so as to of of as to it of g/a 8 Pa a of to a/s. It to m. 732 m,114.3 mm to a m. of m/h,2 in -V in a 8 to to of to u, il 34023,02249,25300,2012, 30( 4): 43~45is a is a to of on to a is a to of on of in be to in is to i ’i ’10065, 18500,2012, 30( 4): 46~49In be a is On be a to be so as to pa-
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