页岩气藏采收率计算方法探讨

2015-02-17杜殿发付金刚周志海王妍妍

特种油气藏 2015年5期

关键词：模拟法气藏等温

杜殿发，付金刚，周志海，张婧，王妍妍

(1.中国石油大学，山东青岛 266580;2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083)

页岩气藏采收率计算方法探讨

杜殿发1，付金刚1，周志海1，张婧1，王妍妍2

(1.中国石油大学，山东青岛 266580;2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083)

中国页岩气资源丰富，开发潜力巨大，但勘探开发时间较短，现阶段页岩气采收率资料的获得难度仍然较大。通过借鉴煤层气藏和低渗透气田采收率的标定方法，对页岩气藏采收率各种计算方法进行分析探讨，认为现有方法在一定程度上均存在其局限性。结合页岩气藏特殊地质情况，运用物质平衡原理，利用气体状态方程和等温吸附曲线，对传统容积法进行修正，提出一种适用于页岩气藏采收率计算的新方法，达到了既操作简单，又能够对页岩气藏采收率进行精确计算和预测的目的。

页岩气藏;采收率;容积法;等温吸附;数值模拟

0 引言

页岩气采收率是指在现有经济技术条件下，页岩气藏开发过程中可采储量与原始地质储量的比值。当地层压力下降至废弃压力前，其采出储量即为可采储量。页岩气藏采收率是页岩气开发者投资决策、实施开发规划、调整开发方案的重要依据，是投资者最关注的指标，采收率的高低直接影响着页岩气藏的开发方式和开发工艺。

中国对页岩气的勘探开发起步较晚，目前页岩气采收率资料匮乏。预测采收率的方法通常借鉴煤层气藏和低渗透气藏的采收率标定方法，此次研究主要对类比法、解析法、容积法、产量递减法以及数值模拟法等常用方法对页岩气藏的适用性进行了分析对比，并针对页岩气藏的特殊性，对容积法(物质平衡法)修正优化［1-7］，使之能够更精确地计算页岩气藏采收率，使预测结果更加合理、科学和准确。

1 采收率方法对比

分别对类比法、解析法、容积法、等温吸附曲线法、产量递减法和数值模拟法进行对比分析。

(1)类比法是一种相对较简单的采收率预测方法，是通过与地质条件相似的区块进行比较，从而得到目标区块内页岩气藏的采收率［8］。目前从美国油气杂志报道的数据可以看出，页岩气的采收率变化范围较大(5%～60%)，且初期采收率较低(5%～10%)。但随着钻、完井技术和储层改造技术的进步，页岩气藏的采收率有望进一步提高。由于不同页岩气藏的地质条件各不相同，且开发方式和技术手段也不相同，因此，利用类比法确定的采收率局限性较大，预测的可靠性不高。

(2)解析法是通过对储层的岩心解吸实验来确定采收率的方法。理论上认为，解吸气和损失气在低压下能够解吸并沿着裂缝或孔隙发生运移，最终被开采到地面;相反，残余气则认为不可解吸也不能被开采出来［2，5］。因此，可采储量可以认为是解吸气与损失气之和，而在实际上，解吸气和损失气无法完全采出，其采出的程度也受储层地质状况、生产制度以及工艺技术等诸多因素的影响。因此，该方法估算出的采收率结果可靠性较差，只能为勘探开发初期提供一定的数据参考。

(3)容积法又称物质平衡法，是在物质平衡方程基础上进行气藏动态地质储量计算进而预测采收率的方法［9］。传统容积法是以定容封闭气藏的物质平衡原理为基础，近似地计算采收率。根据气藏工程理论，推导出气藏地质储量为:

式中:GR为气藏地质储量，m3;A为油层面积，m2;h为油层厚度，m;pa为油层废弃压力，MPa;pi为油层初始压力，MPa;psc为标准状况下压力，MPa;T为油层温度，K;Tsc为标准状况下温度，K;Sgi为油层初始含气饱和度;Za为废弃压力下气体压缩系数; Zi为原始地层压力下气体压缩因子;φ为油层孔隙度。

针对无水侵气藏，束缚水及岩石膨胀影响一般较小，可以近似地认为气藏在开发过程中含气饱和度保持不变，则气藏采收率ER为:

在用该方法计算页岩气藏采收率时，忽略了页岩气藏中吸附气和游离气不同赋存状态的影响，计算结果存在误差。

(4)等温吸附曲线法简单方便，是煤层气地质工作者比较常用的方法［10］。煤层气在开采时需要排水降压，使吸附气解吸来达到开采目的，在计算采收率时，可忽略其中所含有的少量游离气。但由于页岩气藏同时存在吸附状态的气体和游离状态的气体，且游离气的含量往往比较大。在开采过程中，随着游离态气体的采出，可达到自然降压的目的，从而使吸附态气体解吸出来，达到开采的目的，因此游离气对采收率的影响不可忽略。由于等温吸附方法只考虑了吸附气的存在却忽略了游离气的影响，用该方法计算的采收率往往偏低。

(5)产量递减法是根据气藏实际生产历史资料的生产规律和开发趋势，利用产量递减曲线间接估算采收率的方法。该方法是常规气藏进行采收率计算的常用方法［2］。对于页岩气藏来说，气藏初期的递减率较大，后期递减率变化趋于稳定。该方法一般应用于产气高峰期后产量递减并稳产时段，其局限性是需要的生产时间较长，同时当对储层进行多次改造时，递减规律会因储层改造而发生改变，此种情况下不适合用该方法来计算采收率。

(6)数值模拟法是通过历史拟合，并用气藏初始条件来预测未来产量，从而确定页岩气藏采收率的方法。数值模拟方法适用于已经勘探开发过的试验区块，同时拥有较全面的试采数据。虽然数值模拟方法预测精度较高，但是页岩气藏数值模拟需要大量的储层参数和合适的数模软件作为支持。目前中国页岩气藏勘探开发起步较晚，规模化的生产区块较少且缺乏有效的生产数据，还没有一种专门针对页岩气藏的数值模拟软件，只能依赖于常规的商业数模软件。

通过对各种方法的对比可以看出(表1)，在计算页岩气藏采收率时可采用的方法有类比法、产量递减法和数值模拟法，而其他方法由于可靠性差不能够满足页岩气藏采收率计算的需要。

表1 页岩气藏采收率计算方法对比

由于现有方法均存在一定的局限性，可考虑通过对现有的容积法进行修正，使之更加符合页岩气藏的特殊性，从而使页岩气藏的采收率预测结果更加合理、科学和准确。

2 修正的容积法

对容积法的修正借鉴了煤层气采收率计算中的等温吸附曲线法［11-14］，同时又考虑到页岩气藏开发中游离气含量不可忽略的特点。在计算采收率时，基于物质平衡原理并将吸附气和游离气分开考虑，具体步骤如下。

(1)确定废弃压力。气藏废弃压力是指气井具有工业开采价值的最低压力，废弃压力受到气藏地质状况、开采工艺和经济指标等因素影响。由于中国目前没有枯竭的页岩气藏，因此，无法获得页岩气藏的准确废弃压力资料。目前计算气藏废弃压力的方法主要有2种，一种是经验公式法，另一种是稳定产能方程法。利用经验公式计算废弃压力的方法比较简单，但考虑因素比较单一。稳定产能法计算的气藏因素较全面，但影响气藏废弃压力的因素很多，同时受动态资料匮乏的制约。因此，要在深入认识气藏地质状况的基础上，选择合适的计算方法来确定废弃压力。

(2)计算游离气含气量变化值。利用气体状态方程计算单位质量的页岩储层中游离气在由原始地层压力降到废弃压力的过程中，由于页岩气藏中气体体积膨胀而开采出的游离气的体积。

由气体状态方程可以得到:

式中:Vi为原始地层下游离气含气量，m3/t;Vme(f)为初始游离气含气量，m3/t;Vre(f)为废弃压力下游离气残余含气量，m3/t;Ti为原始地层温度，K;pu为废弃压力，MPa;Tu为废弃压力下地层温度，K; Zsc为标准状况下气体压缩因子。

由式(3)、(4)可得:

则游离气含气量变化为:

式中:ΔV(f)为单位质量页岩中游离气含气量变化，m3/t。

(3)计算吸附气含气量变化值。研究表明，页岩层对气体的吸附规律符合Langmuir方程，且页岩气解吸和吸附过程是可逆的。根据页岩等温吸附实验，随着压力的增大，页岩对气体的吸附能力增强;当页岩吸附一定数量的气体后，压力减小，气体解吸，吸附量减少。利用实验得到的等温吸附数据可以绘制页岩气藏等温吸附曲线，通过等温吸附曲线可计算废弃压力下吸附气的残余含气量，进而得到吸附气含气量的变化。

在等温吸附曲线上，过废弃压力作垂线与吸附等温线相交于一点，过该点做水平线得残余吸附气含气量(图1)。

利用等温吸附曲线法可得到单位质量页岩中吸附气的含气量变化:

式中:Vme(a)为原始地层压力下气藏中吸附气含气量，m3/t;Vre(a)为废弃压力下气藏中残余吸附气含气量，m3/t;ΔV(a)为单位质量页岩中吸附气含气量变化，m3/t。

(4)确定采收率。根据上述计算得到的游离气和吸附气的含气量变化量，可计算页岩气藏的采收率ER(%)为:

图1 页岩气藏等温吸附曲线示意图

由于该方法基于定容封闭气藏物质平衡原理的基础上，同时也考虑了页岩气藏中气体的不同赋存状态，具有比较强的理论性，估算的采收率结果可靠性较高。与其他计算方法相比，该方法既适用于未开发的区块，又适用于已经勘探开发的区块，同时操作简单易行，预测结果精确度高，是一种比较理想的页岩气藏采收率预测方法。但该方法忽略了地质状况和开发方式的复杂性，单独应用该法计算页岩气采收率存在一定的误差，在误差范围内可综合其他方法确定最终采收率。

3 实例分析

某页岩区块属五峰组—龙马溪组，储层孔隙度为4.87%，渗透率为0.25×10-3μm2，平均含水饱和度为33.8%，含气面积为41.50 km2，气藏总厚度为87 m，页岩密度为2.571 6×103kg/m3，原始地层压力为34.7 MPa。由单井含气量实测结果可知，目的层总含气量为0.44～5.19 m3/t，平均为1.97m3/t，主要以损失气与解吸气为主，残余气含量低。损失气含量为0.11～3.90 m3/t，平均为1.14 m3/t;解吸气含量为0.31～1.40 m3/t，平均为0.79 m3/t;残余气含量为0.01～0.07 m3/t，平均为0.04 m3/t。

分别采用类比法、产量递减法、数值模拟法和修正后的容积法计算采收率(表2)。

通过不同方法计算的采收率结果来看，利用修正前的容积法所得到的采收率计算结果明显偏高，不符合页岩气藏开采的实际情况。而采用其他4种方法得到的结果均在合理范围之内，其中修正后的容积法计算结果与数值模拟法得到的结果偏差较小，说明修正后的容积法可靠性较高。考虑到页岩气田开发过程中的复杂性及风险性，可取类比法、产量递减法、数值模拟法和修正后的容积法所得结果的平均值作为最终该页岩气藏的采收率，供气田开发设计参考。