室内定量试验评价临兴地区致密砂岩气两层合采产量变化

冯 毅，魏攀峰，段长江，王海平，刘 皓.

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457； 2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

室内定量试验评价临兴地区致密砂岩气两层合采产量变化

冯 毅1，魏攀峰2，段长江1，王海平1，刘 皓2.*

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457； 2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

为定量评价临兴地区致密砂岩两层合采产能干扰程度，利用直径25 mm的砂岩柱塞模拟石盒子组上段和下段致密砂岩地层，柱塞入口接定容量衰减高压空气模拟地层能量变化，柱塞温度为试采获得地层实际温度46～50 ℃，柱塞出口压力模拟现场试采油压1.5～4.5 MPa。试验测定柱塞入口压力衰减由15 MPa至14.5 MPa时，临兴地区石盒子组上下段致密砂岩单层独立开发模拟试验气体平均流速为187.57～2553.50 mL/min；两枚柱塞出口并联模拟试验气体平均流速为157.79～2358.07 mL/min。定义致密砂岩柱塞并联试验气体平均流速相对单层独立试验平均流速降幅为合采单层干扰指数Do，并联试验气体总流速均值相对两枚柱塞单层独立试验平均流速之和的降幅为整体干扰指数Da。14枚砂岩柱塞合采试验计算得到Do范围为0.80%～15.88%，Da范围为1.83%～10.13%。研究表明，临兴地区致密砂岩两层合采初期层间流体回灌是现场合采产能低的主要诱因。合采地层井口压力差越小、地层渗透率比值越大，合采产能干扰程度越小。研究为临兴地区致密砂岩两层合采地层组合选择、地层工艺参数提供选择试验依据。

砂岩气；多层合采；层间干扰；试验模拟；储层伤害

临兴地区位于山西省临兴和兴县境内，地质构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡和晋西挠摺带。前期多口探井钻遇下石盒子组、太原组致密砂岩气层中工业气流迹象明显，致密砂岩气资源量丰富[1]。临兴地区垂直方向本溪组、山西组、太原组、石盒子组上下段、石千峰组等多个不同深度致密砂岩层段均发现有利砂体发育，气层平均厚度为3.22 m，差气层平均厚度为2.31 m，部分地层试采产量超过10×104m3/d[2]。临兴地区致密砂岩有利层总体呈现垂直方向层段数量多、含气量可观、单个层段厚度小的特点，通过单井沟通多个致密砂岩层实现多层合采地质条件突出[3]。

一般认为，单井两层合采相比分层开发有效提高单井资源动用率、降低采气成本。但不同地层物性、地层压力不同，合采是否存在干扰以及干扰程度决定合采效果。对此，部分学者利用数值分析的方法开展研究。熊燕莉等运用数值试井理论分析方法研究灰岩多层合采效果指出，地层物性差异较小，多层合采与分层单采效果接近[4]。熊钰等利用层间无窜流双层模型研究指出，当合采地层渗透率、地层压力接近时，层间干扰较弱[5]。王都伟等建立以时间为变量的多层气藏节点分析方法，研究同样指出地层物性、地层压力差异小，合采层间干扰弱[6]。万玉金等采用数值模拟方法研究涩北气田多层合采效果指出，合采气层均质性越强，合采层间干扰越低[7]。王渊建立气井层间干扰系数的计算方法分析16口气井多层合采效果指出，地层压力、层间距离等因素合适，气层合采干扰较小[8]。向祖平等利用单井多层气藏双孔介质模型计算指出，当合采地层孔隙度、地层压力差异合理时，两层合采可行[9]。杨学锋等利用单井数值模拟技术研究指出，合采地层物性及地层压力差异导致合采初期低渗储层产能受到抑制，但长周期下合采产能与分采效果相当[10]。顾岱鸿等针对靖边气田建立砂岩合采数值模拟模型研究指出，砂岩多层合采有利于挖掘低产地层产能[11]。徐轩等利用双层无窜流均质气藏模型计算多层合采效果指出，高渗低压气层与低渗高压气层合采层间干扰程度低，合采产能理想[12]。这些研究表明，气层多层合采提高单井产量，降低作业成本可行。

此外，部分学者尝试通过室内物理模型评价多层合采效果。胡勇等并联两个夹持器出口，利用定容衰减法模拟渗透率0.1 mD高压气层(9 MPa)与低压气层(6～9 MPa)在50、100、200 mL/min等3种采气速度的合采效果。试验指出，两个砂岩地层合采不同阶段，高压气层与低压气层产能贡献程度不同，但合采整体采收率高于90%，合采可行[13]。朱华银等利用相似试验方法评价柴达木盆地多个砂岩气层合采效果。试验中，地层入口压力为20 MPa，柱塞渗透率为0.001～10 mD。试验发现，合采初期高压地层产能贡献率高于低压地层，但未定量计算合采产能相对单层分采的变化幅度[14]。谭玉渊等利用压力衰减法试验评价鄂尔多斯盆地大牛地气田砂岩多层合采效果，地层压力为23～27 MPa，地层渗透率为0.1～1.5 mD。试验发现，合采初期高压气层气流回灌抑制低压地层产能贡献，但最终气体采出程度接近70%[15]。

这些研究表明，地层压力、物性接近的砂岩地层合采最终产能采出程度大于70%。但临兴地区现场试采X、Y井，两井合采地层压力、物性接近两个砂岩地层合采产量相对分层采气产能之和降幅超过50%，合采干扰程度远高于预期。分析不同学者数值模拟以及室内试验方法中地层压力、渗透率等参数与临兴地区致密砂岩地层差异较大，且室内模拟试验未明确计算相同条件下气层单采与合采之间产能变化幅度。为此，利用临兴地区实际钻取岩心柱塞，根据现场试井测试数据，试验评价两层合采产能效果。

1 室内试验

利用岩心柱塞模拟实际地层，根据现场试采资料控制柱塞温度、压力环境与地层实际接近。试验模拟地层压力衰减幅度相同条件下，测定柱塞出口气体平均流速表征现场气体产量。对比两个致密砂岩单层独立开发气体产量之和与两层合采气体总产量大小，评价临兴地区致密砂岩两层合采气体产量干扰程度。

1.1 试验原理

利用现场钻取直径25 mm的致密砂岩柱塞，参考地层试采资料上覆岩石应力、地层温度以及井口油压等参数，设定柱塞围压、温度和出口压力值。以定体积(3L)气瓶充满高压空气并接入柱塞入口提供气源，单套试验控制气瓶压力由15 MPa衰减至14.5 MPa，模拟地层能量前期衰减过程。试验记录压力衰减过程中两枚柱塞出口气体的流速变化。控制两枚柱塞围压、温度以及出口压力不变，并联柱塞出口并接入总管线，重复测量高压气瓶压力由15 MPa衰减至14.5 MPa时，两枚柱塞出口气体的流速变化。试验使用了天然气储层多层合采产能模拟系统，系统原理如图1所示。

图1 致密砂岩两层合采试验原理图Fig.1 Schematic diagram of experiment of dual reservoir commingled production of tight sandstone gas

1.2 试验方法

1.2.1 致密砂岩单层单采产能模拟试验

参考GB/T 27192—2012《岩心分析方法》[16]完成岩心柱塞清洗、烘干及抽真空操作后装入岩心夹持器。根据地层埋深，以1.2 MPa/100 m计算柱塞围压。柱塞温度分别46 ℃和50 ℃，柱塞出口压力与试采油压一致。两枚柱塞入口分别接高压气瓶，气瓶充满空气至压力为15 MPa。打开气瓶与柱塞入口阀门，记录高压气瓶压力衰减0.5 MPa过程中柱塞出口气体的流速变化。

1.2.2 致密砂岩两层合采产能模拟试验

完成单层单采产能模拟试验后，保持两枚砂岩柱塞围压、温度不变，并联两枚柱塞出口至总管线，调整总管线压力与试采油压一致。升高气瓶压力至15 MPa。记录气瓶压力衰减0.5 MPa过程中两枚柱塞出口气体的流速变化。

2 试验数据处理

以临兴地区石盒子组致密砂岩为研究目标，试验评价14枚致密砂岩柱塞单层单采和两层合采试验共7套。以砂岩柱塞A1与B1试验为例，柱塞入口压力由15 MPa衰减至14.5 MPa期间，记录两枚柱塞出口气体流速随时间变化的趋势(图2)。

图2 砂岩A1与B1单层及两层合采气体流速变化Fig.2 Variation of the gas velocity of single and dual reservoir commingled production of sandstone A1 and B1

图2中，单层单采试验柱塞A1与B1出口气体平均流速分别为664.28 mL/min、800.23 mL/min。两层合采试验柱塞A1与B1出口气体平均流速分别为654.52 mL/min、735.96 mL/min，均低于单层单采试验流速值。

试验对比7套不同致密砂岩柱塞单层单采和两层合采试验中柱塞出口气体平均流速大小，结果如图3所示。

图3 砂岩单层单采及双层合采试验出口气体平均流速对比Fig.3 Comparison of the gas mean velocity of single and dual reservoir commingled production of tight sandstone

图3中，14枚致密砂岩柱塞单层单采试验气体平均流速为187.57～2553.50 mL/min，7套两层合采试验气体平均流速为157.79～2358.07 mL/min。两枚柱塞合采后气体的平均流速相对单层气体平均流速之和下降。

试验监测两层合采试验中接入总管线的瞬间，两枚柱塞出口存在快速气体回灌的现象，持续周期小于20 s。以砂岩柱塞A1与B1合采瞬间气体的回灌现象为例，如图4所示。

图4 砂岩柱塞并联瞬间气体流速变化趋势Fig.4 Variation trend of gas velocity in the instant when the export of two sandstone docked

图4中，两枚岩心柱塞接入总管线20 s内，柱塞A1出口气体流速由49.92 mL/min升至394.27 mL/min，单位时间增幅30.16 mL/min2。柱塞B1出口气体流速由1326.94 mL/min降至734.74 mL/min，单位时间降幅29.61 mL/min2。20 s后，两枚柱塞出口流量稳定，未再发生回灌现象。7套合采试验均发现回灌现象，且回灌周期小于20 s。

3 试验数据分析与讨论

根据致密砂岩单层单采及两层合采试验数据，分析临兴地区致密砂岩两层合采气体产量干扰程度。

定义致密砂岩两层合采单层干扰指数Do，即入口压力由15 MPa降至14.5 MPa期间，岩心柱塞并联后出口气体平均流速相对单层单采气体平均流速的降幅，计算公式见式(1)。

(1)

式中Do——两层合采单层干扰指数；

Qd——单层单采试验气体平均流速，mL/min；

Qs——两层合采试验气体平均流速，mL/min。

定义致密砂岩两层合采整体干扰指数Da，即入口压力由15 MPa降至14.5 MPa期间，两枚柱塞出口并联后总管线气体平均流速相对两枚柱塞单层单采试验气体平均流速之和的降幅，计算公式见式(2)。

(2)

式中Da——两层合采整体干扰指数；

Qda——单层单采试验气体平均流速之和，mL/min；

Qsa——双层合采试验总管线气体平均流速，mL/min。

对比临兴地区7套致密砂岩两层合采单层干扰指数和整体干扰指数大小，如图5所示。

图5 砂岩两层合采单层及整体干扰指数分布Fig.5 Single and entirety interference index of dual reservoir commingled production of tight sandstone gas

图5中，14枚致密砂岩柱塞两层合采单层干扰指数Do的范围为0.80%～15.88%，整体干扰指数Da的范围为1.83%～10.13%。

试验控制单枚柱塞入口压力降幅一致，出口压力根据现场试采井口油压选择1.5 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa三个取值点，不同试验中砂岩柱塞渗透率不同。分析试验中致密砂岩柱塞出口压力、石盒子组上段致密砂岩柱塞与下段柱塞渗透率比值与合采整体干扰指数的关系，如图6所示 。

图6 合采整体干扰指数随柱塞出口压力以及渗透率比值变化Fig.6 Change of the entirety interference index of commingled production with the outlet pressure and permeability ratio

图6中，出口压力1.5 MPa整体干扰指数为1.84%～3.87%，均值为2.84%。出口压力3.6 MPa整体干扰系数分别为5.09%、7.21%，均值为6.15%。出口压力4.50 MPa整体干扰系数分别为9.22%、10.13%，均值为9.68%。柱塞出口压力越大，合采整体干扰指数越小。出口压力相同时，上下段岩心柱塞渗透率比值越大，合采整体干扰指数越小。

分析室内完成临兴地区致密砂岩两层合采产能模拟试验的结果，形成研究结论3条。

(1)试验表明，临兴地区石盒子组致密砂岩上下层段两层直接合采存在层间干扰，两层合采气体产能低于两层分采；室内试验条件下，合采气体产能降幅最高10.13%。

(2)合采井口压力和地层渗透率比值是影响临兴地区石盒子组致密砂岩上下层段两层合采产能的两大因素。当地层压力接近时，井口油压越大，上下段地层渗透率比值越小，合采干扰程度越高。相对而言，井口油压的影响程度更高。

(3)试验中，临兴地区石盒子组致密砂岩两层直接合采，单个井筒同时打开两个地层瞬间，地层出口存在高强度气体回灌，回灌周期小于20 s。地层流体相互窜层潜在储层伤害巨大。

4 结论与建议

(1)利用定容气瓶模拟地层能量衰减过程，并联两枚实际钻取致密砂岩柱塞出口端模拟两层合采的试验方法，评价临兴地区致密砂岩地层两层合采产能结果定量直观，方法适用性良好。

(2)临兴地区致密砂岩地层两层合采，合采地层气体压力不同、地层对气体流动的阻力不同，引发层间干扰，两层合采产能下降。

(3)现场已钻井试采产能干扰程度远高于试验结果的原因在于，合采地层接入井筒处气流压力不同，地层残留的钻井液、压裂液等液体随着气流回灌，加深合采地层整体水敏的伤害程度，造成合采产能大幅度下降。通过工艺措施降低回灌伤害是临兴地区致密砂岩合采高产稳产能否实现的关键所在。

(4)以降低合采气体产能层间干扰优化临兴地区致密砂岩合采效果，从采气工艺上应尽量选择直径较大的油嘴，降低井口油压。从合采地层的选择上来，应尽量选择物性相差较大的气层合采。

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QuantitativeEvaluationontheChangeofDualReservoirCommingledProductionofTightSandstoneGasinLinxingAreaThroughIndoorExperiment

Feng Yi1, Wei Panfeng2, Duan Changjiang1, Wang Haiping1, Liu Hao2

(1.EngineeringandTechnologyBranch,CNOOCEnergyTechnologyandServicesLimited,Tianjin300457,China；2.ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

To quantitatively evaluate the interference degree of dual reservoir commingling production of tight sand gas in Linxing area. Take sandstone plugs with diameter of 25 mm to emulate the Upper and Lower Shihezi formation, connect the entrance of sandstone plug to constant volume of high pressure air that damping natural to emulate the condition of stratum energy. The formation temperature was 46 ℃ to 50 ℃ and the outlet pressure was wellhead tubing pressure that among 1.5 MPa to 4.5 MPa. The entrance pressure of plug damped from 15 MPa to 14.5 MPa during experiment, the average flow velocity of gas out of sandstone plug in single layer independent development was among 187.57 mL/min to 2553.50 mL/min; when 2 layers of sandstone plugs in parallel connection, the average flow of outlet from the two plugs was 157.79 mL/min～2358.07 mL/min. The single layer interference index of commingling was expressed asDo, which represented for decreasing rate of average flow velocity which compare parallel connection test with single layer test. The whole interference index was expressed asDa, which represented for decreasing rate of flow velocity which compare the mean value of total flow velocity in parallel connection experiment with independence experiment for the sum of flow velocity of two plugs. According to the experimental consequence of fourteen sandstone plugs,Dowas among 0.80% to 15.88% andDawas among 1.83% to 10.13%. Researches showed that the primary cause of low commingling production in field was the interlamination flow backward in the initial stage of dual reservoir commlingled production. The lower wellhead pressure and higher specific value of permeability of formation in favor of commingled production, the conclusion above has provided the basis of combination selection of formation in dual reservoir commingled formation and the selection of formation technological parameter of tight sandstone gas in Linxing area.

sandstone gas; commingled production of dual reservoir; interlayer interference; experimental stimulation; formation damage

国家科技重大专项“临兴—神府地区煤系地层煤层气、致密气、页岩气合采示范工程”(2016ZX05066)资助。

冯毅(1969—)，男，硕士，高级工程师，主要从事油气田开发方面的科研工作。邮箱：fengyi2@cnooc.com.cn.

魏攀峰(1990—)，男，在读博士，主要研究方向为油气井储层伤害。邮箱：wei.panfeng@163.com.

TE122

A