致密砂岩气藏垂直压裂井拟稳态流动产能分析

基于致密砂岩气藏中气体非达西渗流特征,考虑应力敏感效应的影响,推导了致密砂岩气藏在拟稳态流动阶段的垂直裂缝气井产能方程,并得到了气井无阻流量计算式。实例计算结果表明:受到应力敏感效应影响,气井产能向压力轴弯曲,在相同的生产压差下,气井产量比不考虑应力敏感效应的产量低;应力敏感系数越大,产能曲线弯曲越早、弯曲度越大,气井产量越低,产量下降率越大;应力敏感系数越大、基质有效渗透率越低、裂缝半长越小、裂缝导流能力越小,垂直裂缝气井的产量越小。为保证垂直压裂气井的开发效果,压裂作业应尽量布置在基质渗透率较高的区域。     

考虑多重应力敏感效应的页岩气藏压裂水平井试井模型

页岩气藏存在多尺度孔隙结构,流体运移方式多样,包括吸附、扩散和非达西渗流。目前页岩气多重运移流动模型仅考虑天然裂缝的渗透率和孔隙度为应力敏感系数,但实验表明扩散系数也具有应力敏感性。建立考虑多重应力敏感效应的压裂水平井试井分析模型,能准确分析和预测页岩储集层和流体参数,对页岩气藏生产动态分析和开发方案编制十分必要。基于页岩储集层多尺度孔隙结构,假设页岩气藏具有基质和裂缝系统的双重介质,考虑流体多重流动机理,建立以扩散系数、天然裂缝渗透率和孔隙度为应力敏感系数的压裂水平井试井分析模型,分析了压裂规模和页岩储集层特征参数对试井曲线的影响。结果表明,压裂规模参数主要影响气藏开采早期,页岩储集层特征参数主要影响气藏开采晚期。针对中国典型页岩气区进行分析,提出的试井分析方法能较好地拟合生产数据,可为页岩气藏高效开发提供一定借鉴。     

考虑应力敏感和复杂运移的页岩气藏压力动态分析

页岩气藏渗透率极低,储层存在很强的应力敏感性,所以需对其进行水力压裂。通过分析吸附解吸、Knudsen扩散、非稳态窜流和渗流等多种气体运移机制来建立页岩气藏复合模型,采用Mathieu函数、Pedrosa变量代换、正则摄动理论、拉普拉斯变换和Stehfest数值反演等方法来求解数学模型,并绘制出无因次拟压力曲线,同时对渗透率模量、SRV半径、外区裂缝渗透率、扩散系数和解吸压缩系数等相关参数进行敏感性分析。结果显示：气体流动阶段可划分为9段,渗透率模量的增加导致气井定产量生产时所需压差增大,而SRV半径和解吸压缩系数的增大使得压差减小;较大的外区裂缝渗透率与较小的流度比相对应,扩散系数越大,页岩基质表观渗透率越大,窜流发生的越早。提出的试井模型可提高页岩气藏压力动态分析的准确性,对压裂开发页岩气藏具有一定的理论指导意义。     

压裂水平井生产动态数值模拟研究

针对压裂水平井的渗流特征,建立了低渗透气藏压裂水平井定产开发数学模型,模型考虑了应力敏感效应和含水饱和度的影响。通过数值模拟,研究了渗透率、含水饱和度、裂缝条数、裂缝半长、水平段长度等因素对压裂水平井产能的影响规律,得到了不同参数下的产气量及采出程度动态变化曲线,并分析了不同参数对动态变化曲线的影响程度。研究表明:渗透率越小,含水饱和度对采出程度影响越大;渗透率小于0.1×10-3μm2时,稳产时间和采出程度显著下降,所以渗透率小于0.1×10-3μm2的储层是压裂水平井参数优化的重点;对于裂缝条数已知,渗透率越低,合理水平井长度越短,对于水平井长度已知,渗透率越低,合理裂缝条数越多、合理裂缝半长越大;对于具体气藏来说,在储层基本参数给定的情况下,裂缝条数、裂缝长度、水平段长度都不是越大越好,应该存在一个最优的匹配关系。     

页岩气多重复合模型流动规律研究

气体在页岩储层中运移受解吸、扩散及渗流多种机制共同作用,同时也受储层的应力敏感效应等因素影响。综合考虑解吸、扩散及应力敏感效应,基于线性流模型,构建了符合页岩储层改造特点及流体渗流特征的分段压裂水平井多重复合流动模型。利用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到封闭边界定产量下无因次井底拟压力和无因次产量半解析解。研究了页岩气在基质-微裂缝-压裂缝多重孔隙介质的复合流动,认识流体特性参数与压裂缝网参数对产气量的影响规律,并利用北美页岩气井生产数据进行拟合,验证了模型可靠性。研究结果表明：吸附气的解吸扩散使井底压力响应曲线出现明显“下凹”阶段;解吸系数增大,解吸气量越大,气井日产气量越高;窜流系数越大,基质与裂缝间的流体交换时间越早,但持续时间越短;压裂改造体积大,储层流体流动性强,但存在最优值;对比拟合结果,考虑改造带宽有限性更符合矿场实际。研究结果旨在为页岩储层分段压裂水平井多重复合流动规律研究提供理论基础。     

致密油藏水力压裂复杂缝网单井产能预测

致密油藏压裂裂缝的非线性扩展特征具有统计自相似性,可以采用类分形分叉树状网络来表征压裂复杂裂缝网络系统。基于流体扩散理论和压降叠加原理,采用半解析方法建立了相应的油藏渗流和裂缝渗流数学模型,通过迭代求解,对压裂井的不稳定产能进行预测,并分析了产能影响因素：基质渗透率越小,分支缝产量贡献比越大;生产初期,分支缝产量贡献较小,拟稳态阶段,分支缝产量占总产量比例迅速增加,稳产时间延长;裂缝系统越复杂,有效裂缝接触面积越大,产量越高;分支缝导流能力越大,产量越高;复杂缝网和分支缝导流能力的提高,有利于致密油藏压裂井的高产、稳产。     

考虑岩石变形的页岩气藏双重介质数值模拟

为了准确预测页岩气产能,指导实际生产,通过考虑岩石变形所造成的渗透率变化以及页岩气黏性流、表面扩散、Knudsen扩散等渗流机理,将地质力学效应与流体流动进行耦合,建立综合考虑应力敏感和页岩气多种渗流机理的数学模型,采用离散裂缝模型对地层微裂缝和水力裂缝进行描述,利用有限元方法进行求解。结果表明,在表面扩散与Knudsen扩散的作用下,页岩基质渗透率增加,使页岩气累积产气量增加,而应力敏感效应使得基质渗透率降低,从而导致累积产气量降低。表面扩散系数和Langmuir体积越大或井底压力越低,页岩气累积产气量越高。对于Langmuir体积越高的页岩气藏,通过降低井底压力进行开采,更有开发潜力。新建模型的模拟结果与实际历史生产数据拟合效果较好,验证了所建模型的准确性。     

考虑应力敏感的低渗致密砂岩气藏数值模拟研究

致密砂岩气藏存在不同程度的应力敏感性,影响基质与裂缝渗流能力,为明确其对大牛地气田影响程度,本文通过应力敏感性室内实验与数值模拟综合研究,评价了基质储层与含压裂裂缝储层条件下应力敏感效应对分段压裂水平井生产效果的影响。研究表明:储层存在渗透率滞后效应,有效应力降低后,渗透率无法恢复到初始值;含压裂裂缝储层的应力敏感强于基质储层,气井配产越高,储层的应力敏感效应越强,为避免较强的应力敏感效应影响开发效果,致密砂岩储层气井配产不宜过高。该研究成果能为致密砂岩储层气井合理配产研究提供参考依据。     

考虑解吸扩散的页岩气藏气水两相压裂数值模拟

水力压裂是实现页岩储层有效开发的重要技术手段,而准确预测页岩气藏压裂井产量是保证页岩气高效开发的基础。以油气藏数值模拟和数值计算方法为工具,在考虑页岩基质块解吸扩散和窜流条件下,建立了页岩气藏气水两相压裂渗流数学模型,推导了数值计算模型,并研制了页岩气藏压裂产能模拟器,定量分析了裂缝参数、物性参数和解吸扩散参数对页岩气压裂井产量的影响。研究表明：水力压裂能有效提高单井产量,是页岩气藏高效开发的有效措施;压裂裂缝导流能力和天然裂缝渗透率是页岩气开采的主控因素,日产气量和日产水量随压裂裂缝导流能力和天然裂缝渗透率增加而增加;基质渗透率和扩散系数对产量的影响相对较小。     

致密储集层渗吸影响因素分析与渗吸作用效果评价

为了探索如何有效发挥裂缝与基质之间的渗吸作用、提高致密储集层开发效果,采用高压大模型物理模拟系统和核磁共振等技术,建立了不同尺度岩心渗吸物理模拟实验方法,研究了致密储集层渗吸过程的影响因素,并构建了水驱油时渗吸作用的定量评价方法。研究表明:逆向渗吸过程中,渗透率越低,油滴析出越晚,渗吸平衡时间越长,采出程度越低;裂缝可有效扩大致密基质与水接触的渗吸面积和渗吸前缘的范围,减小油排出的阻力,提高渗吸速度和采出程度;岩石越亲水,岩样的渗吸速度和采出程度越高。顺向渗吸过程中,渗透率越低,渗吸作用越明显;驱替采出程度与渗透率呈正相关,而渗吸采出程度与渗透率呈负相关。注水吞吐的渗吸距离要大于单纯的逆向渗吸距离,渗透率和注入倍数越大,渗吸距离越大。致密储集层大规模体积压裂与改变储集层润湿性、注水吞吐相结合有利于提高致密储集层的渗吸效果。图9表2参23     

气湿反转解除裂缝-基质液锁的实验研究

地层凝析液和外来流体在致密砂岩凝析气藏储层中形成液锁效应大大降低气井产量是其开采过程中面临主要问题之一。通过填砂管模型模拟压裂后形成的支撑裂缝与基质岩心驱替实验,评价气润湿反转剂CRS-850对裂缝-基质双重介质"液锁"损害解除效果,得出如下结论:氟碳类气润湿反转剂CRS-850可实现岩心表面润湿性由强水湿性转变为气相润湿,处理后岩心端面"气-液-固"平均润湿角从33. 3°增大到101. 2°;气润湿反转剂显著提高岩心内部液相渗流能力,增加气驱渗透率,岩心气驱渗透率恢复效果显著,在气驱盐水基础上提高了501. 69%～673. 91%,表明气润湿反转剂有利于致密砂岩储层解除"液锁"损害;气润湿反转剂可进一步解除填砂模型模拟压裂后形成的支撑裂缝液锁损害,填砂管模型渗透率越低,气驱排水率越高,润湿性改变后的气驱排水率提高幅度也越大;同时,气润湿反转剂有利于解除压裂后形成的裂缝-基质岩心双重介质中液相损害,有效恢复率达19. 47%。     

密切割分段压裂工艺在深层页岩气Zi2井的应用

深层页岩储集层高温、高地应力、高水平应力差特征明显,常规分段压裂后,储集层改造体积偏低,裂缝复杂程度偏低,气井测试产量偏低。主要原因是,深层页岩气井压裂施工期间高泵注压力、低施工排量在常规分段参数条件下不利于提高裂缝复杂程度,导致簇间储量动用不充分。为提高工艺技术适用性及储集层改造效果,开展了深层页岩气压裂工艺优化研究,结果表明,密切割分段压裂工艺有利于增加簇间应力干扰,提高裂缝复杂程度,提升簇间资源动用效率。Zi2井初期采用常规分段压裂工艺,在压裂设计指标执行率较低的情况下,开展了密切割分段压裂工艺现场试验,裂缝复杂程度及单井储集层改造体积提升明显,证明了密切割分段压裂工艺在研究区深层页岩气井中的适用性。     

页岩气储层压裂稳态和非稳态渗流模型

页岩储层体积压裂改造以形成复杂裂缝网络是页岩气高效开发的关键,压裂改造体积和缝网导流能力是评价页岩气产能的主要指标。在分析页岩气体积压裂特点的基础上,将页岩储层划分为基质、裂缝网络两区,基于页岩气储层多尺度非线性特征对气体渗流规律的影响,建立了考虑扩散、滑移、解吸的页岩气储层基质—裂缝网络两区耦合稳态/非稳态渗流数学模型,应用MATLAB求解,绘制页岩气储层压力分布特征曲线和产气量递减曲线,并与实际生产数据进行拟合。研究结果表明：①多尺度非线性模型考虑了页岩气渗流的滑移和扩散,压力传播较快;②缝网区域越大,缝网渗透率越小,地层压力传播越慢;③产气量在200 d以内下降较快,300 d后产量趋于稳定;④随着缝网导流能力的增加,产气量增加较快,生产曲线趋于“L”型递减;④页岩气井产能模型与现场生产数据拟合精度高,验证了模型的准确性,能够用于页岩气产能分析与预测。     

页岩气藏体积压裂水平井产能有限元数值模拟

考虑到压裂过程中的多重复合作用,将压后页岩储层分为支撑主裂缝、缝网波及区与未压裂区。考虑基岩纳米孔隙中气体吸附与解吸、Knudsen扩散、滑脱流、黏性流,以及水压诱导裂缝应力敏感效应,建立了页岩气藏体积压裂生产动态模拟的物理模型和渗流数学模型。结合Galerkin有限元方法,对基质和裂缝渗流方程进行空间上的离散,推导了三角形单元有限元数值模型,给出了压裂水平井二维渗流场内、外边界条件和水力裂缝处理方法,对时间域采用向后差分,最后顺序求解裂缝和基质压力方程,模拟了页岩气藏体积压裂水平井生产动态和压力场分布。该研究为页岩气储层体积压裂产能评价提供了理论模型,对于有限元法模拟双重介质渗流场和产能预测具有现实意义。     

页岩气藏高效离散裂缝网络数值模拟方法

裂缝多尺度分布是页岩气藏的主要特点,一种能够兼顾计算效率及渗流机理的数值模拟方法是目前页岩气藏数值模拟研究的难点,然而必须经过人工压裂等储层改造措施才能实现商业生产的页岩气藏其裂缝网络十分复杂(天然裂缝+人工裂缝),传统的离散裂缝网络模型(DFN)、离散裂缝模型(DFM)以及连续介质模型(CMM)难以满足现场尺度页岩气的数值模拟研究。为此,构建耦合天然裂缝—基质渗流特征的表观渗透率解析模型表征天然裂缝渗流特征,利用DFN模型描述人工裂缝渗流特征,提出了高效的网格划分方法,形成了可实现现场尺度页岩气数值模拟的高效离散裂缝网络(EDFN)方法。敏感性研究结果表明：①吸附可通过增加页岩气地质储量而增加产量;②Knudsen扩散和气体滑脱效应通过改善生产后期岩石渗流能力提高页岩气产量;③由于页岩基质渗透率低至纳达西,裂缝应力敏感对页岩气产量影响不大。     

考虑滑脱效应的页岩气井底压力特征

为了掌握页岩气的井底压力特征,进行页岩气的高效开发,对页岩气的渗流机理进行了研究。借鉴适用于非常规煤层气的双孔模型,在考虑页岩气滑脱效应的条件下,建立了页岩气在双孔介质中渗流的数学模型,给出了相应的有限差分的数值模型。通过编程求解,模拟了不同朗格缪尔(Langmuir)体积、裂缝与基质渗透率比值、滑脱因子下的井底压力响应。研究表明:①页岩气的解吸附不能忽略,且朗格缪尔体积越大,井底压力下降越慢,越晚探测到地层边界;②在页岩气开采过程中,必须尽可能降低裂缝与基质渗透率的比值,以实现气井稳定生产;③滑脱因子越大,井底压力下降越慢。     

体积压裂技术在煤层气开采中的可行性研究

中国煤层气储量丰富,但由于煤储集层低饱和度、低渗透率、低压力等特点使煤层气井的开采效率极低。为了获得煤层气的高效产出,借鉴北美页岩气藏体积压裂改造工艺的成功经验,从天然裂缝发育程度、岩石成分和缝网构造机理3个方面提出了体积压裂的控制条件,对比了煤层气与页岩气的勘探技术和地质特征等,针对性地剖析了体积压裂技术在煤层气开发中的有效性与局限性。研究结果指出,体积压裂改造工艺技术可明显改善煤储集层的渗流环境,提高单井产量;其增产改造效果与煤储集层内天然裂缝、节理与层理等结构薄弱面的发育程度、岩石的脆性指数和水平主应力差值等密切相关;在压裂工艺允许的范围内,压裂改造体积越大,增产效果越显著。用MEYER软件数值模拟了山西临汾煤层气井组的一口井,结果表明,在煤储集层内实施体积压裂技术是可行的,这对今后煤层气的开采研究具有重要的指导意义与现实价值。     

考虑页岩储层微观渗流的压裂产能数值模拟

考虑页岩微观渗流特征下的产能评价方法有利于提高压后动态分析的准确性和可靠性。压裂改造后页岩储层中,页岩气将在纳米孔隙中通过解吸附、扩散和滑脱流进入天然裂缝,再由天然裂缝流向人工裂缝,常规的产能评价数学模型已无法进行刻画和描述。为此,在考虑页岩气生产过程中基岩纳米孔隙中Knudsen扩散、滑脱流、吸附解吸微观流动特征,天然裂缝应力敏感以及人工裂缝非达西流效应基础上,基于双重介质模型,人工裂缝考虑为离散裂缝,建立了页岩储层基质—天然裂缝—人工裂缝的渗流数学模型,并给出了数值解法。模拟分析了页岩水平井压裂裂缝与储层参数对生产动态的影响。研究表明:吸附解吸效应、Knudsen扩散与滑脱流、天然裂缝渗透率、应力敏感系数、裂缝导流能力、裂缝半长与压裂段数对页岩气井生产具有重要影响。该研究为完善页岩气渗流理论,建立适合页岩气的动态评价模型,准确评价页岩气产能具有重要意义。     

考虑应力敏感与非达西效应的页岩气产能模型

页岩气在储层中存在解吸、扩散和渗流相互作用,同时由于其特殊的孔渗特征,裂缝闭合引起的应力敏感效应和近筒地带的高速非达西效应对页岩气产能影响不能忽略。为此,基于块状模型,综合考虑页岩气解吸、扩散,渗流,应力敏感效应以及非达西渗流,建立了页岩气藏压裂水平井产能模型,应用全隐式有限差分法和牛顿—拉普森迭代法,进行数值离散,获得产量数值解,并绘制了页岩气无因次产量和无因次产量导数曲线。分析结果表明:1页岩气流动过程分为线性流阶段、双线性流阶段、窜流阶段和边界控制流阶段;2应力敏感主要发生在双线性流和边界控制流阶段,随着应力敏感系数的增大,产能降低;3考虑非达西效应影响,页岩气产能降低,并且产能越大,非达西效应影响越显著;4兰格缪尔体积越大,兰格缪尔压力越小,无因次产量递减积分导数曲线出现下凹时间越晚。上述成果对认识页岩气藏压裂水平井产能递减规律、评价预测产能及优化压裂参数具有一定的借鉴意义。     

致密油藏直井体积压裂压力分析模型

致密储层基质和裂缝一般表现为强应力敏感性,同时由于储层的致密性,基质和裂缝经常会表现为非稳态窜流特征,影响井底压力曲线的形态和特征,进而影响解释结果。目前国内外尚缺少同时考虑应力敏感及非稳态窜流的井底压力分析模型。参考典型致密油藏体积压裂直井的微地震监测数据,设计体积压裂直井渗流物理模型,同时考虑应力敏感和非稳态窜流,建立体积压裂直井井底压力数学模型并求解,进而获得井底压力的双对数曲线特征。研究结果表明:应力敏感系数αD越大,压力导数曲线上翘幅度越大,压裂未改造区致密油径向流动阶段越不明显;非稳态窜流系数λm越小,窜流出现时间越晚,窜流阶段的下凹幅度越大,窜流渗流过程持续时间越长,压裂区域的裂缝径向渗流过程越弱。该井底压力分析模型应用表明,相较于未考虑应力敏感及非稳态窜流的模型,更能准确地确定压裂区域的半径及相关储层参数,提高致密油藏直井体积压裂相关参数的解释精度,故可推广到致密储层参数反演或试井解释分析中。