滑脱效应对页岩气井产能影响的分析

摘 要

摘要:页岩气具有极低的渗透率且气井产能小,搞清滑脱效应存在条件及滑脱效应对气井产能的影响大小尤为重要。在物理模拟研究滑脱效应的基础上,根据页岩气开发特征,建立了考虑人工

摘要:页岩气具有极低的渗透率且气井产能小,搞清滑脱效应存在条件及滑脱效应对气井产能的影响大小尤为重要。在物理模拟研究滑脱效应的基础上,根据页岩气开发特征,建立了考虑人工压裂和气体滑脱效应的气井产能公式,研究了不同储层压力条件下滑脱系数对于气井产能和生产压差的影响程度。结果表明:页岩储层在孔隙压力较低(小于10MPa)的情况下,气体渗流存在较强的滑脱效应,而在孔隙压力较高的情况下气体滑脱效应不明显;浅层页岩气储层滑脱效应对气井产能和生产压差影响很大;中深层页岩气储层滑脱效应对于气井产能和生产压差存在一定程度的影响;深层页岩气储层滑脱效应对于气井产能和生产压差的影响可以忽略不计;压裂井无阻流量约是直井无阻流量的5.5倍。该研究成果对于页岩气储层的合理、有效开发具有一定的指导意义。
关键词:页岩气;开发;滑脱效应;压裂;无阻流量;影响;孔隙压力;深度
页岩气储层一般具有埋藏浅、孔隙压力低、储层厚、孔隙度小、渗透率特低等储层物性特征,这些特征决定了页岩气储层气井单井产量低、开发周期长的开发特征,气井日产气量一般小于1×104m3[1]。低渗气藏岩样在室内实验条件下出现滑脱效应,但在高孔隙压力条件下滑脱效应趋弱[2~4]。由于页岩气具有更低的渗透率,且气井产能小,弄清滑脱效应存在条件及滑脱效应对气井产能影响大小就显得尤为重要。另一方面,由于页岩气储层流动性较差,通常先压裂后开采[5~6],故而需要建立压裂井气井产能模型。因此,在物理模拟实验研究滑脱效应的基础上,建立了考虑人工压裂和滑脱效应影响的气井产能模型,运用该模型可以有效预测不同储层压力条件下滑脱系数对于气井产能和生产压力变化的影响。研究成果可以有效评价不同页岩气藏的气井产能,对于页岩气储层的合理、有效开发具有一定的指导意义。
1 页岩气藏岩样滑脱效应物理模拟实验研究
两块实验岩样取自页岩气层,渗透率分别为0.0085mD和0.0007mD。实验过程中通过增加岩样出口的回压来模拟不同储层孔隙压力条件下气体的渗流特征,回压由初始的0.1MPa逐次增加到1MPa、2MPa、4MPa、6MPa、8MPa和10MPa,实验过程中计算并绘制不同回压状态下对应的气体渗流特征曲线 (图1)。可以看出:在低孔隙压力(小于1MPa)条件下,气体在岩样中的滑脱效应显著;随着孔隙压力增加,气体在岩样中的滑脱效应明显减弱,当孔隙压力达到6MPa时,气体滑脱效应引起的渗透率增加值已经不足5%;当孔隙压力继续增加到8MPa以上时,气体滑脱效应引起的渗透率增加值已经小于1%,可见储层孔隙压力大小直接决定了气体渗流过程中滑脱效应的强弱,如果储层孔隙压力大于1OMPa,那么页岩气藏开发过程中就没有必要考虑滑脱效应对于气井产能和生产压力的影响。换算到地层条件下就是如果气藏压力系数等于1,那么深度大于1000m的气藏开发就可以不必考虑滑脱效应的影响;如果气藏压力系数等于0.5,那么深度大于2000m的气藏开发就不受滑脱效应的影响,但是对于1000m的气藏,滑脱效应对于气藏的开发效果有一定的影响,这种影响对于产能极低的页岩气藏来讲是不可忽视的。
2 稳态渗流数学模型
2.1 模型的基本假设
    基本假设为:①垂直裂缝,且对称分布于气井的两边;②裂缝剖面为矩形,高度等于页岩气储层有效厚度;③裂缝宽度相对页岩气储层供给半径来说非常小,忽略不计;④裂缝内导流能力为无限导流;⑤页岩气储层及裂缝内流动为单相流,且符合达西线性定律;⑥稳态渗流,不考虑储层的垂向流动。
2.2 数学模型的建立
设裂缝半长为Lf,储层有效厚度为h,储层绝对渗透率为K,滑脱系数为b,供给半径为re,供给边界压力为pe,井底压力为pw,在Z平面上建立x-y坐标系(图2),其中线段AB表示裂缝。
 
取保角变换[7]
  
 
由式(1)和式(3)式可知图2的Z平面已经一一映射为W平面(宽度为π),Z平面的裂缝AB映射成W平面的A′B′。此时裂缝井的渗流问题演变为带状地层向中心线A′B′的单向渗流问题。
    z适当大时
 
    Z平面上的圆形供给边界对应着W平面上一条平行于y′轴的线段,对应的x′值为:
 
    其中,考虑气体滑脱效应和对称性,W平面单向稳定渗流时为:
 
    定义考虑气体滑脱效应影响的修正拟压力函数[2],即
 
    将式(8)代入式(7),分离变量积分后得:
 
式中Φe为边界压力对应的拟压力值;Φw为井底压力对应的拟压力值。
    ()即是考虑人工压裂和气体滑脱效应时气井产能公式,通过与直井产能公式对比可以看出:压裂半长为Lf的压裂井相当于井筒半径rw为Lf/2 的直井。
3 气井产能影响因素分析
   选取均质页岩气藏中心的1口压裂井,地层参数如下:绝对渗透率(K)为0.01mD 、有效厚度(h)为100m、气井半径(rw)为0.1m、气藏边界半径(re)为250m、气藏温度(T)为100℃,页岩气相对密度(γ)为0.62,其中页岩气黏度(μ)和压缩因子(Z)根据其组分及储层温度分别采用Hall-Yarborough法和Carr-Burrows图版法获得[8](图3)。
3.1 裂缝长度影响
    南式(9)的产能公式计算得到不同裂缝穿透比(Lf/re)对应的气井无阻流量如图4所示,其中选用的原始储层压力为10MPa,即边界压力(pe)为10MPa,滑脱系数(b)为0.6MPa作为产能计算的参数值。
   4结果表明:通过人工压裂能显著提高页岩气气井产气能力,当裂缝穿透比(Lf/re)达0.5时,压裂井的无阻流量大约是直井的无阻流量5.5倍;裂缝穿透比越大,气井产气能力越强;裂缝穿透比介于0.1~0.5时,气井无阻流量与压裂裂缝半长近似呈线性关系。
3.2 气体滑脱的影响
3.2.1 对气井产能的影响
   气井无阻流量是评价气井产气能力的一个重要指标,也是制定气井工作方式和合理配产一个重要参考数据[9]。为了方便研究滑脱效应对于气井产能的影响,定义参数δ为考虑与考虑滑脱效应时气井的无阻流量之比。即
 
式中qA0F为不考虑气体滑脱时气井无阻流量,m3/d;qA0FB为考虑气体滑脱时气井无阻流量,m3/d。
    由式(10)可以看出,参数艿可以很好地反映气体滑脱效应对气井产气能力的相对影响,参数占越大,气体滑脱对气井产气能力影响越大,反之亦然。根据式(9)和式(10)计算得到不同储层压力条件下参数占与滑脱系数的关系曲线如图5所示。
 
    由图5及式(10)可以看出:气井无阻流量比值与滑脱系数(b)呈线性关系;滑脱系数(6)越大,供给边界压力(pe)越小,参数δ越大,气体滑脱对气井产气能力影响越大;当边界压力(pe)较低时(如pe≤5MPa),参数δ受滑脱系数(b)影响较大,气体滑脱效应对气井产气能力影响较大;而当边界压力(pe)较大时(如pe≥10MPa),参数δ受滑脱系数(b)影响不大,气体滑脱效应对气井产气能力影响较小,这一计算结果与室内岩心渗流实验结果一致。
3.2.2 对气井生产压力的影响
气井合理产量是气藏开发的重要指标之一,是把气藏储量转化为商品以至经济效益的纽带,气井合理产量从属于诸多因素。根据国外资料介绍,在胶结较好的砂岩和碳酸盐岩储层中,在边、底水不活跃的气藏中气井合理产量可定位在1/3的无阻流量上[9];李士伦等通过四川气田57口气井试井和生产资料统计,从气井能量合理利用角度看,单井合理产量定为15%~30%的无阻流量还是可行的[8]。为了方便研究滑脱效应对生产压差的影响,定义参数ε的表达式如下:
 
式中△p为不考虑气体滑脱时气井生产压差,MPa;△pb为考虑气体滑脱时气井生产压差,MPa。
    由式(11)可以看出:参数ε可以很好地反映气体滑脱效应对气井实际生产的相对影响,参数ε越大,气体滑脱对气井生产影响越大,反之亦然。根据式(9)和式(11)计算,可得到气井以无滑脱效应且对应无阻流量的20%生产时不同储层压力下滑脱系数对于参数ε的影响(图6)。
 
    由图6及式(11)可以看出:滑脱系数(b)越大,供给边界压力(pe)越小,参数ε越大,气体滑脱对气井生产影响越大;当边界压力(pe)较低时(如pe≤5MPa),参数e受滑脱系数(b)影响较大,气体滑脱效应对气井生产影响较大;而当边界压力(pe)较大时(如pe≥10MPa),参数ε受滑脱系数(b)影响较小,气体滑脱效应对气井生产影响较小,小于10%。这一计算结果与室内岩心渗流实验结果也是完全一致的,说明低渗气藏储层滑脱效应决定于孔隙压力大小的结论是正确的。
4 结论
    页岩储层在孔隙压力较低(小于10MPa)的情况下气体渗流存在滑脱效应,而在孔隙压力较高的情况下气体滑脱效应不明显。浅层(储层压力小于5MPa,或深度小于500m)页岩气储层滑脱效应对气井产能和生产压差影响很大;中深层(储层压力小于10MPa。或深度介于500~1000m)页岩气储层滑脱效应对于气井产能和生产压差存在一定程度的影响;深层(储层压力大于10MPa,或深度大于1000m)页岩气储层滑脱效应对于气井产能和生产压差的影响可以忽略不计。人工压裂能显著提高页岩气储层气井产气能力,当裂缝穿透比(Lf/re)达到50%,压裂井无阻流量约是直井无阻流量的5.5倍。
参考文献
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[3] 朱光亚,刘先贵,李树铁,等.低渗气藏气体渗流滑脱效应影响研究[J].天然气工业,2007,27(5):44-47.
[4] 熊伟,高树生,胡志明,等.低、特低渗透砂岩气藏单相渗流特征实验[J].天然气工业,2009,29(9):75-77.
[5] 刘洪林,王洪岩,刘人和,等.非常规油气资源发展现状及关键问题[J].天然气工业,2009,29(9):113-116.
[6] 宁宁,王洪岩,雍洪,等.中围非常规天然气资源基础与开发技术[J].天然气工业,2009,29(9):9-12.
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[8] 李士伦.天然气工程[M].北京:石油工业出版社,2008.
[9] 黄炳光,刘蜀知.气藏工程与动态分析方法[M].北京:石油工业出版社,3004.