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复杂条件下页岩气藏生产特征及规律_王南

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复杂 条件下 页岩 生产 特征 规律 王南
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第 19 卷第 6 期of 2, (65007, & D (65007, 00029, on of In of of It is is of of of as of on In is to of of at It is is of is to of In of of on a 层特征页岩储层具有分布广 、单层厚度大 、含气量低等特征 ,页岩气藏的存储形式可分为吸附气和游离气 。吸附气主要赋存在有机质颗粒与黏土颗粒的表面 , 而游离气则赋存于页岩基质孔隙和次生裂缝中[1 页岩储层作为多孔渗流介质 ,主要分为 4 个部分 ,分别是非有机质基质 、有机质干酪根 、天然裂缝及人工水力裂缝 。非有机质基质主要是页岩的矿物组分 , 一般占页岩总体积的 90%以上[6]。 在对四川威远地区井 1 页岩层进行矿物组分分析时发现 : 岩石碎屑成分主要为石复杂条件下页岩气藏生产特征及规律王南1,2,钟太贤3,刘兴元4,雷丹凤1,2(河北 廊坊 065007; 实验 )中心 ,河北 廊坊 065007;北京 100007; 北京 100029)摘 要 从页岩气藏的储层特征、生产机理及压裂施工后气井的产能特征着手,首先分析了页岩储层多孔介质的 4 个组成部分,确定了有机质孔隙是页岩气主要的储集体,有机质含量及孔隙发育特征直接影响页岩气藏的储量和产量;对页岩气藏的吸附、解析、扩散等渗流机理进行了细致分析,推算游离气与吸附气量,并用压力变化关系曲线解释含气量关系;在产能特征方面运用实例分析了页岩气井产能,确定了单井初期产量高、后期递减迅速和生产周期长等特征,证实了水力裂缝是页岩气藏最主要的气体渗流通道,水力裂缝的形态最终决定气井的产能。研究结果从多方面总结了页岩气藏复杂的生产机理及特征规律,为提高页岩气井产能、规模化开发页岩气藏提供了理论支撑。关键词 页岩气;开发;生产机理;产能;储层特征;递减分析中图分类号 :献标志码 :王南 ,钟太贤 ,刘兴元 ,等 J]2012,19(6):et of ]. 012,19(6):2012回日期 :2012者简介 :王南 ,男 ,1982年生 ,工程师 , 工程经济学硕士 ,2008年毕业于英国拉夫堡大学 , 主要从事非常规天然气储层评价 、 试井分析方面的研究工作 。 块 油 气 田 11 月2012 年 11 月断 块 油 气 田英 、长石 、方解石 、白云石和黏土矿物 。 其中石英和黏土矿物所占比例较高 , 占总矿物组分的 60%以上 ;方解石 、 白云石一般在 10%~20%, 主要是充填页岩孔隙 ;黄铁矿质量分数较低 ,通常呈颗粒状不均匀地分布在岩石内 。 石英具有脆性 ,有利于裂缝发育 ,但石英的增加会降低页岩的孔隙 ,使气体的储集空间减小[7]。方解石和白云石在埋藏过程中会产生胶结作用 , 同样会减少孔隙 。 这些都证明岩石组分变化会影响页岩的岩石力学性质和孔隙结构 , 在一定程度上减小或增大页岩气的储集空间 。有机质是页岩基质的另一重要组成部分 , 吸附气从有机质中生成 ,同时也吸附在有机质表面 ,因此有机质既是吸附气的生气源 ,也是储集体 。页岩中有机质越多 ,吸附气越多 。另外 ,在有机质成熟过程中 ,还会生成一些有机质孔隙 。图 1 为井 1 经过氩离子抛光后的岩心扫描图像 ,从中可以发现 ,页岩有机质孔隙相当发育 ,且孔隙间相互连通 ,孔隙直径为 5~60 分游离气就储存在这些干酪根发育的孔隙中 。 可以说有机质在大量生气阶段或充注过程中 , 既保存了较高的残余有机质丰度 ,储集了大量的吸附气 ,又能新增很多微孔隙 ,容纳部分游离气 ,有助于提高基质系统的渗透性 。a 放大 60 000 倍b 放大 3 000 倍图 1 氩离子抛光后不同尺度下的页岩孔隙表征页岩层中同时还发育天然裂缝 , 将一些单独发育的孔隙及其他裂缝连接在一起 ,形成裂缝体系 。裂缝在页岩层中既是游离气的储集体 ,又是渗流通道 。裂缝发育的数量和形态决定游离态页岩气的储集空间 。岩气等温吸附机理页岩气的赋存状态为吸附状和游离状 , 其组分主要为甲烷 ,以单层分子形式吸附在孔隙表面 ,或存在于页岩微孔隙中 。 页岩气的吸附机理可以用朗格缪尔等温吸附方程来描述 :V(p)=p(1)式中 :V(p)为在特定压力下的吸附气量 ,m3/t;p 为压力 ,m3/t;格缪尔吸附理论认为 ,在等温条件下 ,一定体积的页岩吸附气体积分数随着压力的增大而增加 , 当压力增大到某个临界值时 ,吸附气体积分数保持不变 ,不再随压力增大而增加 ,此时 ,吸附气体积分数就达到了极大值 ,即 当吸附气量达到 (1/2)如果 2 种参数产生变化 ,等温吸附曲线形态也会随之变化 (见图 2)。图 2 朗格缪尔等温吸附曲线朗格缪尔等温吸附过程是可逆的 , 因此推断页岩吸附气解吸过程也遵循等温吸附曲线 , 吸附气的采收率可以通过等温吸附曲线来确定[8]。 页岩气开采可分为 2 个阶段 (见图 3)。图 3 页岩开采过程示意在原始储层条件下 , 页岩中的有机质对甲烷的吸附处于饱和状态 (见图 3 中 A 点 )。原始地层压力为 含气量为 V、气藏游离气量为 附气量为 A。 随着地层孔隙压力的降低 ,游离气首先被采出 ,此为第一阶段 (见图 3 中线段 第一阶段只有768第 19 卷第 6 期游离气产出 ,无吸附气产出 ;由于游离气的产出 ,地层孔隙压力降至 B 点 ,达到吸附气解吸压力 吸附气开始解吸 (见图 3 中线段 吸附气与游离气同时产出 (见图 3 中线段 此为第二阶段 。 随着吸附气与游离气的同时产出 ,地层压力不断下降 ,直至废弃压力 井停止生产 。 因此 ,吸附气产量可以通过解吸压力 利用等温吸附曲线来计算 ,游离气累计产量可以通过 吸附气含气量计算公式为pp h (2)式中 :m3/t;ρkg/ 为储层表面积 ,m2;h 为储层有效厚度 ,m。游离气量计算公式为 g= )式中 :m3/t;准 为孔隙度 ;m3/℃;Z 为目前条件下气体偏差因子 ; 为温度 ,℃。吸附气与游离气总含气量为 pp h (4)式中 :m3/t。岩气扩散 孔隙结构的多尺度也决定了渗流的多尺度和多样式 ,从分子尺度到宏观尺度都有页岩气渗流发生 ,主要可以归纳为解吸 、扩散 、渗吸吸入 、达西渗流和非达西渗流[9]。 根据等温吸附原理可知 ,吸附气渗流过程主要包括解吸 、扩散 、渗流 (见图 4)[1]。a 从基质表面解吸 b 基质和孔隙扩散 c 进入裂缝形成达西流图 4 吸附气渗流过程示意当地层压力降至解吸压力以下时 , 吸附气开始逐步解吸 ,然后从页岩基质里开始扩散 ,进入天然裂缝或后期压裂形成的水力裂缝 ,形成裂缝线性流 ,最终经裂缝进入井筒 。而游离气不存在解吸过程 ,气体可直接经基质扩散进入裂缝 。扩散作用一般发生在远离裂缝的基质中 。 当吸附了天然气的有机质属于多孔介质时 , 绝大部分吸附气通过解吸作用直接释放到有机质孔隙中 , 此时 ,天然气流动以解吸附为主 , 扩散作用被极大地削弱了 。当存在吸附气的有机质不属于多孔介质时 , 只有基质孔隙或裂缝处的吸附气才能被直接释放 , 那些离孔隙和裂缝较远的吸附气 , 却只能沿着有机质表面以扩散作用运移 。页岩气的流动规律主要为非达西流动和达西流动 。当页岩气在无机质和有机质的孔隙中流动时 ,由于气体滑脱效应的影响 ,游离气的流动会偏离直线 ,呈现出非达西渗流特征 , 因此在基质孔隙中气体主要以非达西渗流为主导[10]。 如果吸附气或是游离气以运移的方式进入天然裂缝或水力诱导裂缝 , 此时气体流动则显示出线性流特征 ,裂缝中的渗流开始遵循达西定律 。2 层改造提高产能常规天然气气藏采收率一般在 60%以上 , 而页岩气藏通常为 20%左右 。在页岩中 ,基质与裂缝网络一起形成了页岩双重的孔隙介质 。但页岩基质渗透率极低 ,一般小于 1×10这种渗透率条件下 ,气体渗流极其缓慢 ,自然状态下没有页岩气产出 。而裂缝系统主要由水力压裂形成 , 其渗透率远远高于页岩基质渗透率 , 这使裂缝在生产过程中成为页岩气藏最主要的气体渗流通道 。因此 ,水力压裂成为页岩气藏有效开发的唯一手段 ,气井必须实施储层压裂改造后才能生产[11]。量递减快因为页岩气具有低孔 、低渗的特征 ,所以气井必须经过增产改造才可以获得工业气流 。 页岩气的生产特点 :1)初期单井产量高 、递减快 ,以游离气为主 ;2)后期王南 ,等 692012 年 11 月断 块 油 气 田产量稳定 、递减慢 ,以吸附气为主 ;3)大面积成藏使页岩气单井保持长期稳产[12]。为验证页岩气的生产特点 , 选取威远区块页岩气井 1 作为研究目标 ,运用 验递减法对井 1 进行历史产量拟合 (见图 5)。 拟合时选取 和递减方式 ,拟合后得到递减指数为 效递减率为 58%。从拟合结果来看 ,井 1 经过储层改造后 ,初期产量最高可达 14 000 m3/d (由于软件原因 , 图中数据不均等 )。但是稳产难以持续 ,100 d 后单井产量降至 10 000m3/d 以下 ,产量递减超过 25%。 其原因是地层压力持续下降 ,导致气井的产能迅速递减 。图 5 页岩气井 1 产周期长经过一段时间的关井复压后 , 气井产能短时间得到恢复 ,但产量递减的趋势依然维持不变 。井 1 在生产1 a 后 ,吸附气开始解吸和产出 ,气井产量依旧保持递减 ,但趋势有所减缓 。 根据拟合结果显示 ,井 1 投产第一年产量递减率高达 58%,第二年为 24%,5 a 后递减率将稳定在每年 10%左右 。 在美国 ,页岩气单井产量递减率第一年通常为 50%~80%, 有的地区可能会更高[13]。通过对比 ,可以确定威远地区井 1 的递减率属于正常范围 ,假设井 1 废弃产量为 1 000 m3/d,通过递减曲线预测该井最终可采储量为 (13~14)×106图6),生产周期为 5 300 d(约 15 a)。图 6 单井日产量与累计产量对比3 结论1)页岩储层有别于常规储层 ,页岩中的有机质决定了吸附气的含量 , 同时也为游离气提供连通的存储孔隙空间 ;作为页岩基质中主要的渗流扩散通道 ,有机质的含量及孔隙发育特征会直接影响页岩气藏的储量与产量 。2)页岩气井单井产能受页岩气吸附机理 (解吸 产出 )控制 ,气体的吸附能力决定吸附气解吸 、扩散速度 ,直接影响页岩气产能和稳产周期 。3)页岩气藏的孔隙结构决定了气体特殊的渗流方式 ,在基质孔隙中气体以非达西渗流为主 ;当气体流入裂缝时则遵循达西定律 。4)页岩气生产具有初期产量大 、递减迅速 ,后期稳产时间长等特点 , 运用水平井开发将有效提高页岩气产能 ,提高气井初始产量 。参 考 文 献[1] 成更生 ,董大忠 ,王世谦 ,等 ]2009,29(5):202] 张金川 ,金之钧 ,袁明生 J]2004,24(7):153] 李智锋 ,李治平 ,王杨 ,等 ]2011,18(6):7614] 陈会年 ,张卫东 ,谢麟元 ,等 ]2010,17(4):4395] 纪树培 ,李文魁 J]1994,1(4):16] 岩气藏增产措施 [J]2006,35(1):807] M,. ]. 19891,2008.[8] , A, A. ]. 25031,2009.[9] ,. of ]. 011.[10] ,,. of ]. 30370,2010.[11] ,. ]. 20271,2009.[12] S,. A of ]. 38149,2010.[13] D , . of ]. 38134,2010.(编辑 刘丽 )770
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