低渗气井压力和产量递减规律及其影响因素

乔向阳李靖冯东冯婷婷张磊陈宇

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室

低渗气井压力和产量递减规律及其影响因素

乔向阳1李靖2冯东2冯婷婷1张磊1陈宇2

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室

影响低渗气藏气井生产动态及递减规律的因素众多，区别各类因素的影响规律对预测气田生产动态、指导气田合理高效开发具有重要意义。将低渗气井压力和产量递减规律影响因素分为储层静态因素和生产动态因素两大类，结合实际气藏生产早期定产降压、后期定压降产的开发路线，分别研究了气井定产降压阶段压力递减特征及定压降产阶段产能递减特征，并基于数值模拟手段对其影响规律进行了综合分析。结果表明：气井生产早期压力递减规律主要受气井控制储量、配产、产水等因素影响；生产后期产量递减规律主要受渗流能力、井间干扰、产水等因素影响。同时，储层静态因素是气藏开发潜力的先决条件，而生产动态因素则往往可以通过合理的方法进行优化或调整以使气井达到最好的生产状态，在实际生产中需要做到“动静结合”，根据气田的开发目标对各生产动态因素进行详细描述，指导调整生产制度或验证气藏认识的准确性。

低渗气田；气井；压力；产量；递减规律；储层静态参数；生产动态；定压降产；定产降压

国内低渗气藏资源量丰富，分布范围广，主要分布在鄂尔多斯、四川和松辽等沉积盆地，是近年来天然气储量增长速度最快的气藏类型［1］。低渗气田地质条件复杂，储层物性差，非均质性强，具有明显的低孔、低渗、低产、低丰度等特点［2］，其渗流机理、渗流特征以及递减规律与常规气藏有很大差异。具体而言，启动压力梯度、应力敏感效应、气藏地层压力、控制储量、工作制度以及裂缝导流能力等因素对气井产能都有很大的影响［3-5］，导致其递减规律相较于常规储层更加复杂，影响因素更加多元化。同时，国内气井生产基本上都采用“先定产降压、后定压降产”的工作制度［6］，前期定产降压下压力变化规律的研究，可用于分析气藏生产动态，评价气井稳产能力，制定合理的开发方案和预测增压时机；后期定压降产阶段的研究，对于采出程度以及最终采收率的预测具有重要意义。深入研究气井压力与产能递减规律及其影响因素，将为高效合理地开发低渗气藏提供有力的技术支持［7］。

目前，针对低渗气藏递减规律及影响因素的研究手段主要有理论分析和数值模拟。目前常用的产量递减规律理论分析方法有Arps［8］、Fetkovich［9］、Blasingame［10］以及Argwal-Garder［11］等方法。Arps针对常规油气井，在经验统计模型基础上推导出一系列不同类型的产量递减曲线；Fetkovich将地层的流动模型与物质平衡结合，论证了径向流扩散方程与井的生产动态之间的关系，建立了现代产量递减分析的图版拟合方法。Arps和Fetkovich递减模型都要求气井定压生产，而实际气井往往难以保持压力恒定。Blasingame通过将气藏平均拟压力下降速度和气井拟稳态阶段产能方程相结合，提出了产量与压力变化条件下的递减规律分析方法。Agarwal-Gardner在此基础上针对压裂改造的油气井，提出了考虑带有水平和垂直裂缝的产量递减曲线，同时在新模型增加了对累积产量数据的分析。国内的陈元千［12-14］、俞启泰［15］、李传亮［16］、刘汉成［17］、李彦尊［18］在理论上也给出了复杂油气田的递减特征。然而，实际气藏产量变化规律极为复杂，实际生产数据往往比较离散，用不同的变量分析其产量递减规律有时差异很大。低渗透气藏气井早期产量高，递减快，但随着生产时间的推移，气井产量递减不断减缓，即初始递减率并不是恒定不变的，因此其适应性有待分析［19-21］。与此同时，该方法主要是基于实际生产数据统计，但国内许多低渗气田的单井与气藏产能递减规律不容易得到，该方法也并不能很好地反映各因素对产量递减的影响。

目前数值模拟则主要研究气藏整个生产过程中气井产能的变化，并不能体现各阶段气井的生产特点以及各阶段的主要影响因素［3］。再者，工作制度的改变、增产措施或存在多井干扰时气井递减规律则更为复杂，研究更为缺乏［22］。总之，目前对于低渗气田递减规律及影响因素研究缺乏系统性，影响因素分析不够完善，不同开采阶段的影响主次关系不清楚，这些问题都亟需研究。

据此，笔者结合实际气藏“先定产降压，后定压降产”的开发路线，将定产降压阶段的压力递减规律和定压降产阶段的产量递减规律结合起来展开分析，基于数值模拟手段对生产过程中影响产量递减的储层静态因素及生产动态因素进行系统的研究。储层静态因素反映了气藏固有属性对生产的影响，主要包括渗透率、非均质性、控制储量、地层压力等，对整个气藏及特定气井的产能大小起关键作用；生产动态因素主要反映人为制定的气田开发方案、气井生产制度或气井生产中引起的储层物性变化等对气藏生产的影响，这些因素主要包括气井位置、配产、产水、井间干扰等。认清各类因素如何影响气井产气规律将对预测气田生产动态、指导气田合理高效开发有着重要意义。

1 储层静态因素对递减规律的影响

Effect of static reservoir factors on decline laws

1.1 储层渗透率的影响

Effect of reservoir permeability

基于数值模拟手段，研究了气藏渗透率分别为0.1 mD、0.3 mD、0.5 mD、0.7 mD和1 mD时气井配产1万m3/d时的生产动态特征，实线为产量曲线，虚线为压力曲线，模拟结果见图1。

图1 理想低渗气藏不同储层渗透率下气井压力和产量曲线Fig.1 Pressure and production rate of gas well in ideal lowpermeability gas reservoir with different reservoir permeability

结果表明：在配产及控制储量相同情况下，储层渗透率主要决定气井稳产年限，渗透率越高，其稳产年限越长，渗透率为1 mD的储层，定产降压阶段生产时间接近14年，而对于储层渗透率为0.1 mD的气井，由于渗透率太低，无法维持1万m3/d的产量，所以直接进入定压降产阶段，井底流压为10 MPa。在定产降压的拟稳态阶段，不同渗透率条件下压力随时间几乎呈线性降低，且不同条件下压力随时间变化的斜率相近，说明渗透率对压力衰减速率影响不大，仅影响压力数值；但是，在定压降产阶段，渗透率对气井产能递减规律有显著影响。值得注意的是，高渗储层产量递减速率明显高于低渗储层，造成该现象的根本原因是由于气井进入递减期时剩余储量和地层压力不同。在其他条件相同情况下，储层渗透率越高的气井稳产期越长，稳产期末剩余储量越小，此时地层压力也就越低，当气井进入递减期后，现有的地层能量不足以向气井提供这么高的产量，导致气井产量递减快。反之，储层渗透率越低的气井会越早进入递减期，此时地层压力和剩余储量还比较大，供气能力比较足，导致气井产量递减慢。因此，在实际生产中，产量递减率快的气井并不一定是差井，不能仅由气井产量递减率大小来判断气井生产好坏，还需要结合气井的稳产特征。

1.2 储层非均质性的影响

Effect of reservoir heterogeneity

实际气藏由于成藏过程及地质运动，储层往往存在较强的非均质性，严重影响气井生产动态。在本研究中，主要考虑储层渗透率分布不均匀而造成的非均质性，将储层渗透率平面分布简化为5种类型，如图2所示。

图2 储层渗透率平面分布Fig.2 Areal distribution of reservoir permeability

不同非均质情况的气井生产特征如图3所示。研究结果表明：近井地带的储层物性很大程度上决定了气井生产情况的好坏。近井地带渗透率越高（如b，c），气井产量越高，稳产期越长，进入递减期后产量递减速度越快，而与气井外围储层渗透率分布相关性较小；近井地带渗透率越低（如a，d，e）则气井产量越低，稳产期较短，递减速度越慢。因此，实际储层的低渗条带将严重影响气井质量传递及压力传播，即使气井外围渗透率高、储量大，储层天然气也无法快速通过低渗区域而进入井筒。在实际布井过程中，有必要在储层物性好的位置布井，同时，精确详细的气藏地质描述是实现气田合理高效开发的必要手段。

图3 不同非均质分布情况下气井压力和产量曲线Fig.3 Gas well pressure and production rate for different heterogeneity distribution situations

1.3 气井控制储量的影响

Effect of gas well controlled reserves

气井的控制储量决定着其开发潜力，也会对气井的生产特征及递减规律产生影响。不同控制储量下井的压力和产量动态曲线如图4所示（通过控制厚度h来调控气井控制储量）。对于气井定产降压阶段压力递减规律而言：气井储量越大，则井底流压越高，稳产期越长，压力递减速度越慢；储量越小，则气井井底流压越低，稳产期越短，压力递减速度越快。但是，气井控制储量的大小对其在定压降产阶段的产量递减规律影响不大：不同控制储量下的气井在进入定压降产阶段后的产量都以相近的递减率减小，不同控制储量条件下的产量递减曲线基本相互平行。

图4 气井不同控制储量下压力和产量（半对数）动态曲线Fig.4 Dynamic curve of pressure and production rate (semi-log)for different gas well controlled reserves

1.4 原始地层压力的影响

Effect of original reservoir pressure

对于封闭弹性定容气藏，孔隙中的气体主要靠自身的膨胀能采出，因此地层压力的高低很大程度上决定着储层的供气能力，对气井的产气特征和递减规律也会产生一定影响。不同地层压力下气井的压力和产量动态曲线如图5所示。

图5 不同地层压力下气井井底流压和产量动态曲线Fig.5 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well under different reservoir pressure

在定产降压阶段，气井井底流压随时间呈线性变化，且不同地层压力下的气井井底流压下降速度相近，地层压力仅仅影响井底流压的数值大小，对其变化规律影响不大。这是因为在储量和配产相同的情况下，井底流压的下降速度主要和原始地层压力与综合压缩系数的比值有关［23］，而一般来说地层压力高的储层综合压缩系数大，地层压力低的储层综合压缩系数小，从而导致这一比值的大小在不同地层压力下相差不大，因此出现不同地层压力下的气井井底流压下降速度相近的现象。同时，在气井定压降产阶段，地层压力对产量递减规律有一定的影响：原始地层压力越高，则气井稳产期越长，进入产量递减期后的递减速度越快；原始地层压力越低，则气井稳产期越短，进入产量递减期后的递减速度越慢，递减形式为指数递减。

2 生产动态因素对递减规律的影响

Effect of dynamic production factors on decline laws

2.1 井位的影响

Effect of well location

设定井眼与透镜体砂体的相对位置关系分别为井眼位于气藏中部、井眼位于气藏中心以及井眼位于气藏边缘（图6）。不同布井方式条件下气井生产动态如图7所示。

图6 井位设定示意图Fig.6 Effect of dynamic production factors on decline laws

图7 不同井位气井井底流压和产量动态曲线Fig.7 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well in different locations

由图7可看出，在定产降压阶段，随着井眼位置朝气藏中心靠拢，气井进入拟稳态的时间越短，井底流压越高，且压力递减速度越慢；反之亦然。这一方面因为透镜体砂体中间厚两边薄，当井眼位于气藏中心时，在早期就能动用更多的储量；另一方面如果气井位于透镜体边缘，则远方的气体渗流到井筒需要更大的压差。因此，井位对气井生产动态有很显著的影响，在部署井位前，最好是通过地震、测井等方法摸清砂体的规模大小、形状以及分布规律，尽可能将井网部署在砂体的中心位置。

2.2 配产的影响

Effect of production proration

对于定容封闭性气藏，采气强度对气井递减规律有一定的影响。随着采气强度变化，地层能量消耗速度会发生变化，从而影响气井递减规律。理想气藏不同配产下气井生产动态特征如图8所示。

图8 不同配产下气井井底流压和产量动态曲线Fig.8 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well with different proration

结果表明：配产对气井定产降压阶段压力递减规律影响比较大。气井配产越高，则井底流压越低，且递减速度越快；此外，在气井进入定压降产阶段时，配产对产量递减规律影响不大，不同配产下的气井产量以相同的递减率减小。在确定实际气井配产时，一方面要考虑气田生产目标（如建产规模、稳产期、采收率等），另一方面要注意配产过低可能导致井底液体排不出，或配产过高可能导致地层水过快侵入、井壁垮塌等问题。

2.3 产水的影响

Effect of water production

气水两相渗流阻力比单相气渗流阻力大得多，在其他条件相近的情况下，气井是否产水或产水量多少是影响气井产量的关键因素。一般情况下，气藏含水饱和度越高或相渗曲线上水相相对渗透率越高、气水两相共渗区越大，则气井的产能越差［21］。理想低渗气藏不同产水量下气井的生产动态如图9所示。结果表明：在定产降压阶段，随着产水量（含水饱和度）增加，气井井底流压降低且压力递减速度加快；定压降产阶段，产水量越高则气井稳产期越短、产量递减速度越慢。这实质上反映的是气相渗透率对气井递减规律的影响，储层含水饱和度越高，则气相渗透率越低，对气井递减规律的影响与1.1节中研究结果类似。

图9 不同产水量下气井井底流压和产量（半对数）动态曲线Fig.9 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate (semi-log) of gas well with different water production rates

考虑到产水对气井产能将产生严重影响，在实际生产中，必须认清储层水的来源及分布情况，尽量避免在有边底水、透镜体水体或含水饱和度很高的位置打井。对于主要产出层内水的气井，可以考虑开采前期适当加大生产压差，尽早地将储层孔隙水排出，然后再进行配产，这样能提高气井的累产；对于有边底水的气井，配产不能太高，以避免边底水过早入侵对气井产能产生严重破坏；对于产层与煤层相邻的气藏，要注意气井压裂时避开煤层，以免煤层中的水被产出；对于已经发生积液的气井，要进行有效的排水采气工作。特别需要注意的是，打水平井之前，一定要摸清储层水的分布情况，尽量避免水平井压裂时将水层压开。

2.4 井间干扰的影响

Effect of multi-well interference

当储层连通性比较好时，邻井的生产制度发生变化，或者气井周边有新井投产（如井间加密），都会对气井的产气规律产生影响。设定L1为生产井，生产制度不发生变化；L2为干扰井，生产制度在生产2年后发生变化；2口井同时投产。L1与L2井工作制度见表1。

表1 气井生产制度方案设计Table 1 Program design of gas well production system

邻井生产制度发生变化时，井间干扰对气井L1生产规律的影响如图10所示。结果表明，在L1井稳产2年后的定产降压阶段，随着L2井配产降低，L1井井底流压递减速度变小。这是因为L1、L2井在投产2年内已经进入拟稳态生产，当L2井配产降低后，压力波界面会向L2井移动，导致L1井控制储量增加，所以L1井井底流压递减速度变小。在定压降产阶段，随着L2井配产降低，L1井稳产期增加，且产量递减速度变慢。这是因为L2井配产降低后，整个气藏的地层压力下降速度会减小，加上L1井控制储量增加，导致其产量递减速度变小。有新井投产时情况与之类似，新井配产越高，则老井产量递减速度越快；井距越小，则老井产量递减速度越快。由于井间干扰会对气井的递减规律产生较大影响，井距、配产等不适当都可能会造成原始气井产量发生波动，所以在制定气井生产制度或设计井间加密方案时一定要进行详细的优化。

图10 不同邻井生产制度下气井井底流压和产量动态曲线Fig.10 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well by varying the production system of its neighboring well

3 递减规律影响因素综合评价

Comprehensive evaluation on factors influencing decline laws

基于“先定产降压、后定压降产”的开发方式，储层静态因素和生产动态因素对低渗气藏气井压力和产量递减规律影响的特点、机理及对生产的建议汇总如表2、表3所示。

表2 储层静态因素对低渗气藏气井压力和产量递减规律的影响Table 2 Effect of static reservoir factors on the pressure and production decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs

表3 生产动态因素对低渗气藏气井压力和产量递减规律的影响Table 3 Effect of dynamic production factors on the pressure and production decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs

气藏的地质研究是整个气藏开发中至关重要的一环，在制定气田开发方案之前，需要对气田做好精细、准确的地质描述，以便找出物性好、储量大、连通性好的“甜点”。并且随着生产的进行，对气田地质特征的再认识会逐步加深，对储层的描述会逐步精确，加上动态生产数据与静态地质资料的结合，可以有效指导生产。

生产动态因素对气井递减规律影响的根本机理体现在储层静态因素如渗透率、储量、地层压力上。这实质上是通过人为的方式改变气藏的储层静态因素或控制储层静态因素的分配以及变化规律。这也说明气藏的固有属性是决定气藏开发潜力的关键因素，而人为可以控制的生产动态因素是决定气藏开发效果的关键因素。在实际生产中要做到“动静结合”，根据气田的开发目标对各生产动态因素进行详细的优化，通过对气井动态生产数据进行详尽的分析来指导调整生产制度或验证气藏认识的准确性。

为了方便更好地利用压力、产量递减规律影响因素来指导生产，在上文研究的基础上总结各生产阶段的主要影响因素及各因素对压力、产量递减规律的影响程度如表4。

表4 各因素对压力、产量递减规律的影响程度统计Table 4 Statistics on influential degree of each factor on pressure and production decline laws

从研究结果可看出，若生产早期压力变化不正常，则可考虑是否受储量、井距、配产或产水影响；若生产后期产量变化不正常，则可考虑是否受渗透率、井距、产水或井间干扰影响。

4 结论

Conclusions

（1）储层静态因素反映气藏固有属性对气井递减规律的影响，生产动态因素反映人为制定生产条件对气井递减规律的影响，生产动态因素对气井递减规律的影响实质上是通过人为的方式改变气藏的储层静态因素或控制储层静态因素的分配以及变化的规律。

（2）气井生产早期压力递减规律主要受气井控制储量、井位、配产、产水等因素影响；生产后期产量递减规律主要受渗流能力、井位、产水、井间干扰等因素影响。深入研究气井递减规律影响因素有利于判别气井递减规律异常的原因。

（3）产水对气井压力递减及产量递减均有严重影响。针对气井不同产水情况需要采取不同措施，如果水气比较低则可能为层内水，可以考虑适当增大生产压差以尽快尽多地排出地层水；如果气井水气比较高则可能由于压裂或射孔时打开了含水层或者层间水，需要严格控制配产，减缓水窜。

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（修改稿收到日期 2017-03-18）

〔编辑 朱 伟〕

Pressure and production decline laws of low-permeability gas wells and their influential factors

QIAO Xiangyang1,LI Jing2,FENG Dong2,FENG Tingting1,ZHANG Lei1,CHEN Yu2
1.Research Institute,Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China;
2.Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China

Production performance and decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs are affected by multiple factors,so distinguishing the influential laws of each factor is significant to predict the production performance of gas wells and guide the efficient development of gas fields.The factors influencing pressure and production decline laws of low-permeability wells are divided into two types (i.e.,static reservoir factors and dynamic production factors) based on the development concept of constant-production pressure dropping in the early stage of gas reservoir production and constant-pressure production decreasing in the late stage.Then,the influential laws were comprehensively analyzed by means of numerical simulation.It is indicated that pressure decline law of gas wells in the early stage of production is mainly affected by gas well controlled reserves,production proration and water production and that in the late stage is mainly dominated by seepage capacity,multi-well interference and water production.Static reservoir factors are prerequisite to the development potential of gas reservoirs,and dynamic production factors can be optimized or adjusted by means of rational methods so that gas wells will be in the best production state.In the actual production,static and dynamic factors shall be combined.It is necessary to describe the dynamic production factors in detail according to the gas field development target so as to provide the guidance for production system adjustment and verify the accuracy of gas reservoir understanding.

low-permeability gas field; gas well; pressure; production; decline law; static reservoir parameter; production performance; constant-pressure production decreasing; constant-production pressure dropping

乔向阳，李靖，冯东，冯婷婷，张磊，陈宇.低渗气井压力和产量递减规律及其影响因素［J］.石油钻采工艺，2017，39（3）：259-266.

TE319

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1000–7393（2017 ）03–0259–08DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.001

: QIAO Xiangyang,LI Jing,FENG Dong,FENG Tingting,ZHANG Lei,CHEN Yu.Pressure and production decline laws of low-permeability gas wells and their influential factors ［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 259-266.

国家自然科学基金重大项目“页岩油气高效开发基础理论”（编号：51490654）。

乔向阳（1969-），1996年毕业于西南石油学院油气田开发工程专业，获工学硕士学位，现主要从事天然气地质、油气田开发研究，高级工程师。通讯地址：（710075）陕西省西安市高新区科技二路75号延长石油201室。E-mail：547615282@qq.com