頁巖氣藏壓裂工藝研究

頁巖氣藏壓裂工藝研究

1影響單頁巖氣井產量的因素1.1地質和物理1.1.1多孔介質中流固耦合在氣藏和巖漿巖氣儲層中，天然氣傳輸和存儲機對預測氣藏產量和溫室氣體（如co2）的地質儲量非常重要。它涉及到多孔介質中流固耦合現象,包括黏滯流,擴散運移以及吸附機理。常規分析方法主要考慮了天然氣與基質骨架的相互作用,卻忽略了孔隙和基質骨架在空間上非均質的影響。研究表明:儲層非均質性將產生特殊的運移和動力效應,阻止天然氣從基質上的解吸附,降低天然氣的最終采收率。1.1.2應力狀態三方面構成頁巖氣藏工程地質力學效應由頁巖儲層力學性質、天然裂縫性質和原始地應力狀態三方面構成。在頁巖氣生產早期階段,地質力學效應對氣藏生產動態沒有明顯影響,當產量下降穩定以后影響就很明顯,當滲流處于邊界流時,地質力學效應又開始表現得不明顯,曲線呈現匯集的特點如圖1所示。1.1.3增強地層抗裂能力1)天然裂縫的影響雖然天然裂縫并不意味著對儲量的貢獻,但是它卻可以通過影響儲層改造的方式,而對頁巖氣藏產能產生正面或者負面的影響。一方面,由于天然裂縫一般都被充填,在儲層壓裂時這些被充填的裂縫可能就是地層的薄弱地帶,從而有助于改善地層的傳導能力;另一方面異常裂縫和斷層的存在可能導致壓裂液進入到無效通道,可能會使井與地質危險區域相連通。現階段我們可以通過獲取高級儲層巖石物理數據和成像測井,從而對穿透氣井的裂縫進行綜合的描述和評價,可以通過增產預處理測試和微裂縫評價等來提高頁巖氣壓裂的效果。2)人工裂縫壓裂產生的裂縫與天然裂縫的不同之處在于前者基本都是垂直裂縫。裂縫的評價指標主要包括:裂縫半長(Xf),縫寬(w),支撐劑充填滲透率(kf),儲層滲透率(k)。人工裂縫好壞直接由無因次裂縫導流能力(CfD)來表征公式:CfD≤10差,10<CfD≤50好,CfD>50很好;裂縫為頁巖氣藏的重要滲流通道,所以CfD的好壞將直接影響氣井的產能。1.2關于公司的發展1.2.1頁巖氣藏化學吸附吸附分為物理吸附和化學吸附:(1)物理吸附作用主要產生于儲層巖石非平衡分子力;儲層骨架顆粒內部分子受到均勻分子引力的作用而保持受力平衡,而最表層的分子因為沒有達到受力平衡,所以就會對與它接觸的物質產生吸引,因此在頁巖氣藏中由于對甲烷分子的吸附而存在大量的吸附氣含量。(2)化學吸附作用是物理吸附作用的繼續,當達到某一條件就可以發生化學作用(包括化學鍵的形成和斷裂)。化學吸附所需的活化能也比較大,所以在常溫下吸附速度比較慢。頁巖氣的化學吸附具有吸附時間長、不可逆性、不連續性、有選擇性。吸附作用開始很快,越后越慢;由于是表面作用,被吸附到的氣體分子容易從頁巖顆粒表面解吸下來,進入溶解相和游離相,在吸附和解吸速度達到相等時,吸附達到動態平衡。不同頁巖氣藏,其吸附氣含量有所差別;但是頁巖氣藏中吸附氣含量構成了氣藏產量的重要部分,不容忽視,如Devonian頁巖氣藏的吸附氣含量可能達到總含氣量的60%~85%。在氣藏的開發過程中,氣藏溫度近似認為恒定,那么天然氣分子的吸附過程即為等溫吸附過程。由于頁巖氣藏主要組分為甲烷,而甲烷的臨界溫度為-83℃,所以在氣藏條件下甲烷不可能呈現液態,即以單分子層吸附于頁巖表面,大量研究也證明頁巖氣吸附過程符合Langmuir等溫吸附。公式(2)是Langmuir吸附表達式:式中:VL為固體表面的最大吸附量;P為壓力;b1和b2為吸附常數。頁巖氣井達到擬穩態流動的時間比常規氣井晚,頁巖氣井生產時間較常規氣井長;Langmuir體積對產能遞減的影響是線性的,而Langmuir壓力的影響是非線性的。1.2.2儲層滑脫效應由于頁巖氣具有更低的滲透率,且氣井產能小,弄清滑脫效應存在條件及滑脫效應對氣井產能影響大小就顯得尤為重要。研究表明:頁巖儲層在孔隙壓力較低(小于10MPa)的情況下,氣體滲流存在滑脫效應,而在孔隙壓力較高的情況下氣體滑脫效應不明顯。淺層(儲層壓力小于5MPa,或深度小于500m)頁巖氣儲層滑脫效應對氣井產能和生產壓差影響很大;中深層(儲層壓力小于10MPa,或深度介于500~1000m)頁巖氣儲層滑脫效應對于氣井產能和生產壓差存在一定程度的影響;深層(儲層壓力大于10MPa,或深度大于1000m)頁巖氣儲層滑脫效應對于氣井產能和生產壓差的影響可以忽略不計。1.2.3儲層和儲層中壓裂液殘余地層的分布頁巖氣藏的束縛水含量一般比較低,比如美國Barnett氣藏的束縛水飽和度為25%~35%;另外在氣藏形成過程中,生氣具有的干燥作用,導致頁巖氣藏產水較少,極容易發生水的滲吸,因此,壓裂施工后將會有大量的壓裂液殘余在儲層中。在致密砂巖氣藏中,因為地層中水和氣具有共同的滲流通道,大量的壓裂液用水滯留地層能夠造成地層封堵以及水鎖,以至于氣藏產量降低。然而對于同樣具有低滲透物性的頁巖氣藏中,因為在頁巖氣藏中存在特有的有機物空隙結構,既具有與致密氣藏類似的現象,也具有頁巖氣藏特有的不同之處。對于頁巖儲層中油濕性的有機物來說,它含氣量高,滲透率也較高,與裂縫結構相比其分布面積和體積都比較大;這些都可以看成是儲層中暗藏的滲流通道,一旦與裂縫(天然縫或壓裂縫)相聯通,會大幅度提高產量,但同時在壓裂過程中也會加劇壓裂液的濾失和滯留。1.2.4水平井的應用更多目前,在頁巖氣藏的開發中,主要為直井和水平井,而在開發過程中水平井應用顯得更多一些,因為新鉆頁巖氣水平井的平均成本大約為直井的1.5~2.5倍,而水平井的產能為直井的2~5倍。2巖漿巖氣田的產量2.1地層—滲流機理在壓裂頁巖氣藏中,存在四種不同的滲流機理,包括裂縫線性流,雙線性流,氣藏線性流,擬徑向流。頁巖氣在裂縫和基質中的流動機理:微小的基質孔隙中的氣體向大孔隙和裂縫作擴散運動,遵循達西定律;而基質孔隙表面的吸附氣不再是達西流,在一定壓力下發生解吸;由于裂縫空間是有限的,因此早期以游離氣為主的天然氣產量快速下降并達到穩定,穩定期的產量主要是基質孔隙里的游離氣和解吸氣滲流過程見圖2。在地層條件下,頁巖氣和儲層之間存在較大面積的固—氣界面,所以存在比較復雜的界面現象。固—氣界面最重要的一個現象就是吸附。研究吸附過程的本性后,得出這樣的結論:在不同的情況下,吸附劑與被吸附物質之間的作用,既有物理作用,又有化學作用。為了正確地了解吸附過程,必須考慮到吸附劑表層的各原子決不是處于相同的狀態下的。固體的表面并不是光滑的,而是有極多的超顯微的凸出和凹入部分,不同部位由于價力的飽和度不同與周圍氣體分子作用力也不同。氣體的種類和化學性質對于吸附作用的影響,都具有首要的地位,即吸附在已知情況下有其特殊性。氣體的被吸附需要放出大量的熱,這類吸附為化學吸附。而物理吸附的過程主要是分子間的引力造成的,巖石骨架顆粒表層分子受力不平衡而會吸附周圍的氣體分子。在原始地層條件下,吸附和解吸附達到動態平衡,當地層壓力降低時,這種平衡被打破,天然氣分子解吸附,成為游離氣而通過多孔介質、裂縫滲流而產出。2.2常規產能遞增分析法與其他分析方法、熱價目前用于頁巖氣藏產能動態分析的方法主要分為:解析法、常規產能遞減分析法(以Arps遞減分析為主)、Backward方法、Ilk方法、FolarinAdekoya提出的Backward&Ilk方法以及數值模擬方法,分析發現與常規產能遞減分析法相比,Backward方法和Ilk方法可以更加準確的預測氣藏儲量和生產動態,而Backward&Ilk方法擬合預測效果最好。2.2.1增強和完善工質滲流的arps非穩定性減量基準油氣藏生產實踐表明:致密氣藏中由于不穩定滲流的長期性和層間的不同滲流機理的影響,通常異常遞減規律,即遞減指數b>1,造成產能動態預測結果偏差很大。而頁巖氣滲透率極低導致達到擬穩定流需要很長時間并且往往進行過壓裂,使得滲流極其復雜;常規的Arps遞減適用于油氣藏生產達到穩定的條件下,因此用于頁巖氣產能分析誤差很大。Y.Cheng等人提出了利用非穩定生產數據對致密氣進行動態分析的方法:首先,由公式估算穩定滲流遞減指數;然后固定遞減指數,以逆向方式擬合求解初始產量和初始遞減率,從而獲得Arps遞減方程。式中:bE為平均遞減指數;cgi為原始天然氣壓縮系數,1/psi;Pp為擬壓力,psi2/cp;zi為天然氣原始壓縮因子,1/psi;zwf為井底流壓條件下的壓縮因子,1/psi;pi和pwf原始地層壓力和井底流壓,psi。2.2.2井底層流的產能方程多級壓裂水平井頁巖氣藏中滲流過程分為:不穩定線性流,雙線性流,不考慮裂縫的基質線性流,由基質向裂縫的不穩定線性流,邊界流。不穩定線性流的產能方程:雙線性流的產能方程:不考慮裂縫的基質線性流產能方程:由基質向裂縫的不穩定線性流產能方程:式中:qg——產氣量,Mscf/d;m(pi)——原始擬壓力,psi2/cp;m(pwf)——井底條件擬壓力,psi2/cp;T——油氣藏溫度,R;ct——總壓縮系數,1/psi;kF——有效裂縫滲透率,10-3μm2;km——基質滲透率,10-3μm2;Acw——井眼流動截面積,ft2;Acm——基質流動截面積,ft2;φ——孔隙度,小數;μ——天然氣黏度,mPa·s。2.2.3抓水鎖對頁巖氣井產能的影響在進行考慮啟動壓力梯度的氣井產能公式推導之前先作如下假設:(1)在氣井近井帶rw-rL半徑內壓裂液滯留影響形成了水鎖堵塞,由于水鎖啟動壓力梯度λs隨含水飽和度增加而增大,所以,水鎖半徑內的λs從rw到rL是逐漸減小的。假設水鎖啟動壓力梯度在整個半徑內按線性分布,大小由最大水鎖啟動壓力梯度λsmax逐漸過渡到常規啟動壓力梯度λc,也即地層內存在如圖3所示的啟動壓力梯度分布。(2)地層內rL-re存在常規啟動壓力梯度λc。1)考慮啟動壓力梯度的氣井產能公式考慮了常規啟動壓力梯度和水鎖啟動壓力梯度的氣體單相平面徑向穩定滲流產量公式為:由上式有:對于穩定滲流,(11)式中黏度μ取為平均地層壓力即p=pˉ條件下μˉ,滲透率k取為初始平均地層壓力下的滲透率值即k=k(pe),Z取為平均地層壓力條件下Zˉ,積分可得:再根據狀態方程有:將式(13)代入式(12)得標準狀態下氣體體積流量的計算公式:式(14)中,標準狀態取為Ta=293K,Pa=0.101325MPa,同時采用目前氣田上實際使用的單位,可寫為:式中:Qa——標準狀態下的氣產量,m3/d;k——滲透率,10-3μm2;λ——啟動壓力梯度,MPa/m;λs——水鎖啟動壓力梯度,MPa/m;λc——常規啟動壓力梯度,MPa/m;pe——泄流半徑處的壓力,MPa;pw——井底流壓,MPa;pˉ——氣層平均壓力,MPa;——氣層平均壓力下的氣體黏度,mPa·s;Zˉ——氣層平均壓力下的氣體偏差系數;T——氣層溫度,K;h——氣層有效厚度,m;rw——井半徑,m;re——氣井泄流半徑,m;rL——氣井水鎖半徑,m。2)啟動壓力梯度對氣井產能影響的實例分析某頁巖氣藏單井基礎參數如下:;pe=55MPa;re=200m;pwf=35.4MPa;rw=0.102m;h=8.6m;T=377K;μˉ=0.0276mPa·s;;k=0.0126×10-3μm2。根據實際頁巖氣井水鎖情況,假定實例計算中的最大水鎖啟動壓力梯度λsmax分別為0MPa/m、10MPa/m、20MPa/m、30MPa/m,忽略相比λs很小的λc,分析不同的水鎖程度對頁巖氣井產能的影響,結果見圖4。公式(15)變形為:公式(15)變形為:令rL=1.5m,可得A=-6.667,B=10。因為水鎖啟動壓差與水鎖侵入深度有關,所以這里令rL=2m,計算得A=-10,B=20。利用公式(17)進行計算。這里令rL=2.2m,計算得A=-13.64,B=30。利用公式(17)進行計算。由圖4可以看出:隨水鎖啟動壓力增大,氣井產能逐漸減小,且在水鎖形成了以后,氣井開井后不再是一有壓差就有產量,而是具有一定的啟動壓差,生產壓差必須大于啟動壓差后,氣井才有產量,這較好的體現了水鎖氣井開井恢復生產時需要啟動壓差的客觀事實。2.3氣藏水的不確定性目前現有的各種動態分析方法對產量以及可采儲量的預測偏差較大。主要原因在于:(1)吸附氣量考慮上存在的不確定性;(2)頁巖氣藏獨特的滲流機理決定了其具有初期產量遞減快,開發時間長的特點,因此目前能夠獲取的動態數據非常有限;(3)裂縫描述的復雜性。由于頁巖氣藏的產能一般都基于裂縫存在的前提,所以目前絕大多數井都需要進行壓裂,現今對裂縫進行描述的主要依靠成像測井,壓裂過程中的微地震測繪。3頁巖氣運動態分析的難點頁巖氣藏自身的獨特性決定了頁巖氣藏產能的影響因素的復雜多樣性。本文將產能影響因素分為地質物性和開發兩個方面。1)儲層非均質性將產生特殊的運移和動力效應,從而阻止天然氣從基質上的解吸附,降低天然氣的最終采收率