考虑压裂影响的低渗气藏高压平面供气机理探讨*

2019-07-09汪誉高汪周华胡义升

中国海上油气 2019年3期

郭平董超刘旭汪誉高汪周华胡义升

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都 610500)

W气藏为海上低渗-致密气藏，平面及纵向上物性差异大，非均质性强[1]。平面非均质性是由河道水体能量不均匀和水体流动方向所决定的[2]。对于平面非均质气藏，寻找储层物性好的“甜点”部署生产井，或通过压裂来提高近井区渗透率，能有效带动外围致密气，提高远井低渗储层的储量动用程度[3]。为了能有效制定气藏的技术开发政策，提升开发效果，需要明确平面非均质性低渗气藏的渗流机理。

针对非均质性气藏的供气机理，国内外从岩石物理、数值模拟、试井分析、物理模拟等多方面进行了论证和研究[4-10]。在物理模拟方面，2007年胡勇等[10]建立了高低渗区“串联”的平面非均质渗流物理模拟方法，研究了平面非均质低渗气藏的供气机理，实验流体压力为9 MPa；2014年廖毅[2]运用该物理模拟方法研究了不同渗透率级差下致密砂岩平面非均质供气机理，实验流体压力为1.6 MPa;该物理模拟方法的优点是能将近井高渗区域和远井低渗区域分别作为目标来研究供气机理，实验采用固定配产衰竭式生产，可以得到高渗区与低渗区的产量贡献率变化和分区压差变化。

但是，目前平面非均质气藏供气机理物理模拟的实验压力偏低，且未对压裂前后进行对比。由于低渗-致密储层含有束缚水，实验压力和原始地层压力的差异会导致岩心的充满程度不一样；同时流动过程还有启动压力的影响，压力对采收率影响也很明显。另外，对于低渗-致密储层，常规测试无法获得自然产能，只能通过压裂改造达到增产目的[11]，因此研究压裂前后供气机理有重要的实际生产意义。本文在实际地层压力条件下进行高压物理模拟，并将压裂作为一个对比因素进行考虑；同时结合物理模拟和数值模拟方法，研究配产大小、渗透率级差、储层物性与平面非均质渗流能力的关系以及压裂改造带动远井低渗区域增产的机理，以期为提高低渗非均质气藏整体采收效果提供理论依据，指导低渗非均质气藏的高效开发生产。

1 高压平面非均质渗流实验

1.1 实验原理

本次实验目的是在真实地层压力条件下研究平面非均质渗流机理，实验方法参考文献[10]中高低渗“串联”气层供气机理物理模拟实验方法。由于低渗气藏平面非均质渗流过程复杂多样，难以通过室内试验完全模拟，文献[10]将储层平面非均质性简化成近井区远井区两个不同物性的储层区域，在单井控制范围内，低渗气藏的平面非均质渗流可以简化为若干个一维非均质线性渗流，如图1所示，可以分别对近井高渗区域和远井低渗区域进行供气机理研究。

图1 高低渗“串联”供气机理示意图Fig .1 Schematic diagram of the high-low permeable serial-connection gas supplying mechanism

该渗流模型为简化的机理模型，不能完全满足实际低渗非均质地层复杂渗流场的相似性，但在其他相似条件上尽可能与原始地层条件一致，本次研究选取了具有代表性的实际地层岩心，满足孔隙度相似和渗透率级差相似；建立实际地层束缚水条件，满足含气饱和度相似；由于压力对岩石孔隙充满程度、低渗储层启动压力、采收率均有影响，本次实验将采用原始地层压力和实际生产的废弃压力，满足动力相似。该模型适用于大致呈现近井高渗、远井低渗的平面非均质低渗气藏。

由于目前压裂裂缝起裂和扩展机理的认知还比较有限，无法直接观察到现场压裂裂缝的产生和扩展型态[12]，因此本次室内实验的压裂模拟并非具体考虑楔形裂缝/体积压裂等数学模型，仅仅是将压裂作为一个对比因素进行考虑，研究重点是压裂前后低渗区高渗区分区供气能力的变化。

1.2 实验流程和方案

实验流程参见文献[10]并对其进行改进，选用承压能力更高的实验装置，使实验流程满足最高45 MPa的原始地层压力，实验流程图见图2，将近井高渗区岩心和远井低渗区岩心串联，通过质量流量计进行定产量衰竭生产，记录边界压力、井底流压变化，当井底流压达到废弃压力5 MPa时终止实验，

图2 高压平面非均质渗流实验流程图Fig .2 High pressure lateral heterogeneous experiment flow diagram

计算高渗区低渗区压差、采收率、贡献率等参数并对其进行分析。实验结束后，对高渗区岩心压裂至原渗透率的3倍，低渗区岩心保持不变，再次进行串联供气机理实验，研究压裂前后平面非均质渗流特征的变化。

实验方案设置参考了海上气田W气藏重点层位的真实渗透率级差，实验用岩心来自气田现场取心，岩心直径均为2.5 cm，取5块孔渗参数相近的岩心为一组，组成高渗区或低渗区岩心，每组岩心总长均为30 cm左右，实验用地层水根据现场地层水测试报告进行配制，建立岩心束缚水饱和度。实验用气体为N2。实验方案设计见表1，实验岩心参数见表2。

表1 实验方案设计Table 1 Experimental design

表2 实验岩心参数表Table 2 Experimental core parameters

1.3 结果分析

1) 不同配产下井底流压与瞬时产量。

以0.4/2.4 mD组为例，在达到废弃压力前，平面非均质供气系统始终保持稳产状态。配产越大，井底流压快速降落至废弃压力，稳产时间越短(图3)。

图3 不同配产下瞬时产量和井底流压随时间变化(0.4/2.4 mD)Fig .3 Instantaneous production rate and bottom hole flow pressure versus time at different production rates(0.4/2.4 mD)

2) 压裂前后高渗区低渗区两端压差变化。

以3.4/6.5 mD组为例，在整个生产过程中高渗区和低渗区两端压差均随时间增长，直至稳产期结束压差迅速下降(图4)。但压裂前后高低渗区两端压差出现明显变化：压裂前，高渗区两端压差始终大于低渗区，压裂后，高渗区两端压差显著降低而低渗区两端压差升高，有利于提升低渗区储量动用程度，提高整体采收率。

图4 压裂前后高渗区低渗区两端压差随时间变化(3.4/6.5 mD，300 mL/min)Fig .4 Pressure difference at both ends of high/low permeability zone versus time before and after fracturing(3.4/6.5 mD，300 mL/min)

3) 压裂前后采收率变化。

以0.4/0.8 mD组为例，配产越大，总采收率和各区采收率越低，但总体采收率均达到80%以上(图5)。高渗区压裂后，总采收率和分区采收率均升高，高渗区采收率增幅大于低渗区。

图5 压裂前后高低渗区采收率和总采收率变化(0.4/0.8 mD)Fig .5 High/low permeability zone recovery factor and overall recovery factor changing before and after fracturing (0.4/0.8 mD)

对比储层物性和压裂后采收率提高程度，0.4/0.8 mD组物性差，压裂前后总采收率平均提高1.57%，3.4/6.5 mD组物性较好，压裂前后总采收率平均提高0.56%。储层平均渗透率越低，压裂提高采收率效果越明显，说明压裂对低渗储层的影响较大，是重要的增产及提高采收率技术。

4) 不同配产下高渗区低渗区贡献率变化。

贡献率指的是高渗区或低渗区当前累计产气量与总产气量比值的百分数[13]。生产前期一个很短暂的阶段，贡献率受近井高渗区控制，高渗区贡献率显著大于低渗区(图6)，之后压力波很快传播到低渗区边界进入稳定期，高渗区贡献率从60%左右快速降低并稳定在52%。高渗区、低渗区最终贡献率受各区储量控制，从实验数据来看，配产大小对贡献率影响很小。

图6 不同配产下贡献率随时间变化(0.8/4.62 mD)Fig .6 Gas production contribution rate versus time at different production rate(0.8/4.62 mD)

2 单井数值模拟

物理模拟研究了一维线性渗流的渗流机理，且岩心渗透率组合有一定限制。运用物理模拟实验结果，结合数值模拟软件，能进一步研究二维平面上的单井非均质径向渗流机理，并能研究多种不同渗透率级差的渗流情况。结合物理模拟参数，建立单井数值模拟单层机理模型，研究近井区远井区非均质对单井径向渗流机理的影响。

2.1 模型建立

首先建立与实验尺寸、物性参数一致的数值模拟模型进行验证，物理实验和数值模拟结果相符合(图7)。由于物理模型空间尺度小，整体采收率高，需要建立更接近实际气井控制半径的单井数值模拟模型，研究实际空间尺度上的近井区远井区非均质对单井径向渗流机理的影响。

以平面非均质渗流实验为基础，应用Eclipse数值模拟软件建立单井平面非均质数值模拟机理模型。模型大小2 000 m×2 000 m×10 m，是仅有一层网格的机理模型，研究重点是二维径向渗流机理，网格步长10 m×10 m，采气井设置在模型正中央位置，近井区域设置为高渗区，远井区为低渗区，设置500、200、100 m三种高渗区半径。渗透率级差、废弃压力、储层物性参数及流体参数与岩心实验一致，生产方式采用定产量衰竭式生产，配产分别为无阻流量的1/4、1/5、1/6、1/7、1/8。压裂模型中，裂缝半长150 m，裂缝宽3 cm，对裂缝网格进行加密，裂缝渗透率为基质渗透率的100倍，压裂方案和未压裂方案配产一致。

图7 物理实验与数值模拟平均地层压力对比(0.8/1.54 mD)Fig .7 Comparison of average formation pressure between experimental result and numerical simulation result(0.8/1.54 mD)

2.2 结果分析

1) 高渗区半径对稳产时间和采收率的影响。

以0.4/0.8 mD组为例，在相同配产下，高渗区半径越大，稳产期越长，总体采收率越高(图8)，因此寻找储层物性好的“甜点”是提高采收率和开发效果的重要方向。

图8 高渗区半径与稳产时间、总采收率关系图(0.4/0.8 mD，1/4配产)Fig .8 High pressure zone radius versus recovery factor and time of stable production(0.4/0.8 mD，1/4 proration plan)

2) 压裂前后单井压降漏斗曲线变化。

原始地层压力45 MPa，当井底压力降至5 MPa时停止生产，对比停产时刻的压降漏斗曲线(图9)，压裂后压降漏斗明显较低，储层边界压力由压裂前的27.30 MPa下降至压裂后的21.34 MPa，压裂后总的采出程度显著增加。

图9 生产结束时刻压裂前后压降漏斗曲线对比(0.4/0.8 mD，高渗半径500 m)Fig .9 Pressure cone of depression changes before and after fracturing at the end of production(0.4/0.8 mD， high permeability zone radius 500 m)

对比高低渗分界点地层压力，生产结束时压裂前分界点压力为25.53 MPa，压裂后分界点压力为19.43 MPa。储层边界压力与分界点压力之差为低渗区压差，压裂前后低渗区两端压差由1.77MPa升高至1.91 MPa。压裂后高渗区压差降低，低渗区压差增高，说明了压裂不但能提高近井高渗带的渗流能力，还能促使外围低渗区压差增大，能有效带动远井低渗区地层能量，与室内实验结果符合。

3) 压裂前后采收率变化。

配产越大，分区采收率越小(图10)。压裂后高渗区低渗区分区采收率均增大，总采收率增大。高渗区采收率平均增加10.33%，低渗区采收率平均增加8.3%，压裂改造后高渗区采收率增幅大于低渗区，与岩心实验结果相符。

图10 压裂前后高低渗区采收率变化(0.8/1.54 mD，高渗半径200 m)Fig .10 Recovery factor of high/low permeability zone changes before and after fracturing(0.8/1.54 mD， high permeability zone radius 200 m)

2.3 不同渗透率级差对平面非均质渗流的影响

由于实验采用的3组岩心的渗透率级差相近且均较小，另设置3.4/6.5 mD、0.65/6.5mD、0.32/6.5 mD、0.1/6.5 mD、0.05/6.5 mD五种渗透率级差，即2倍、10倍、20倍、65倍、130倍级差，一方面研究渗透率级差增大对单井平面非均质渗流机理的影响，另一方面研究低渗气藏基质渗透率界限。

渗透率级差增大，低渗区高渗区物性差异增大。从渗透率级差与压降漏斗曲线来看(图11)，渗透率级差小于10倍时，压降漏斗整体较为平缓，高渗区较强的渗流能力可以有效提高外围低渗区域的储量动用程度，起到“甜点”的作用；渗透率级差大于10倍时，低渗区采出程度较低，对单井贡献变小，生产周期变短；当渗透率级差大于50倍时，即基质渗透率低于0.1 mD时，采气井达到废弃压力后压力波仍未传播到储层边界，近井高渗“甜点”并不能有效激活远井低渗储层，储层总体采出程度低。

图11 渗透率级差与压降漏斗曲线(高渗半径200 m)Fig .11 Pressure cone of depression at different permeability ratios(high permeability zone radius 200 m)

渗透率级差增大，总采收率和低渗区采收率显著降低(图12)。渗透率级差为10倍时，随配产不同，低渗区采收率为15%～40%，渗透率级差大于50倍时，稳产期很短，截止到稳产期结束后采收率低至5%～10%。比较不同渗透率级差下的稳产时间，2倍级差稳产时间为3.02 a，10倍级差稳产时间为1.8 a，65倍级差稳产时间为0.48 a，渗透率级差增大稳产时间显著缩短。