页岩气藏水平井拟稳态产能研究及影响因素分析

页岩气是赋存于富有基质泥页岩及夹层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气。页岩气储量巨大,开发前景被业内广为看好,但其低孔低渗特性使得开发难度高于常规气藏。水平井分段压裂技术开发页岩气已成为世界趋势,但由于页岩气在页岩基质和人工裂缝中呈赋存状态,且独有的渗流特性,压裂在储层内部形成的复杂裂缝网络,使其产能分析较为复杂。以常规压裂机理为基础,利用水平井特定生产指数,考虑页岩气朗格缪尔解吸附作用,建立水平井体积压裂拟稳态产能模型,完整推导了拟稳态流下页岩水平井裂缝产能公式,并对影响产能的因素作出具体分析。对于我国页岩气开发中的适应性问题及页岩压裂特点的裂缝扩展和产能预测具有重要的理论指导意义。     

压裂改造复合页岩气藏不稳定压力与产量分析方法

为了给页岩气现场开发提供理论依据,考虑页岩气扩散、黏性流、解吸等多种传质机理,建立了复合页岩气藏的综合流动数学模型。基质中考虑浓度差引起的非稳态流动,内外区裂缝中考虑达西流动,水力压裂主裂缝考虑为无限导流;引入了新的无因次量,在椭圆坐标系下综合运用拉氏变换、Mathieu函数、Stehfest数值反演等方法对数学模型进行了解析求解;分析了定产量条件下不稳定压力和定井底压力条件下产量的变化特征,基于不稳定压力曲线将页岩气流动划分为7个流动阶段,即井筒储集阶段、过渡流阶段、早期线性流阶段、基质向裂缝窜流阶段、早期径向流动阶段、第一径向流与第二径向流的过渡阶段、第二径向流动阶段,为复合页岩气藏生产动态分析提供了理论基础。研究结果表明:增大改造区域半径和渗透率可以提高页岩气产量;扩散系数越大、兰格缪尔体积和兰格缪尔压力越大,页岩气产量越大,气藏初始压力高对页岩气的开发具有积极的影响。结论认为,所建立的综合流动数学模型丰富了页岩气多级压裂水平井开发分析方法。     

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。     

基于物质平衡修正的页岩气藏压裂水平井产量递减分析方法

基于压裂水平井非结构PEBI网格,引入尘气模型建立了综合考虑页岩气藏吸附/解吸、扩散和达西流的运移数学模型,结合控制体有限差分法和全隐式法推导了页岩气藏无限导流压裂水平井产量递减数学模型,并考虑了页岩吸附/解吸作用修正Blasingame现代产量递减分析方法中的物质平衡拟时间,将该方法扩展到页岩气藏,计算获得了页岩气藏无限导流压裂水平井Blasingame产量递减典型曲线。结果表明:与物质平衡修正后的产量递减曲线相比,修正前的页岩气藏无限导流压裂水平井产量递减曲线值偏小,并且边界拟稳定流出现的时间更早,计算出的单井控制储量偏小;页岩气藏无限导流压裂水平井Blasingame产量递减典型曲线可划分为早期裂缝线性流、早期径向流、复合线性流以及拟稳定流4个流动阶段;页岩吸附/解吸作用对产量递减典型曲线有显著影响,其中Langmuir压力对其影响是非线性的,而Langmuir体积对其影响为线性的。     

页岩非均匀非线性渗流数学模型及数值计算

针对页岩气藏的特殊孔隙结构及多尺度流动的特征,建立了页岩气藏渗透率的连续非均匀分布模型。结合Beskok-Karniadakis 渗流模型,建立了考虑滑移、扩散和解吸效应的致密页岩气藏压裂水平井非稳态非线性渗流问题一般数学模型。应用Boltzmann 变换将问题简化,并给出了求解压力场的数值离散显式迭代格式。研究结果表明：①产气过程由瞬态缓慢过渡到稳态,将产气过程当作稳态情况来计算产量是偏低的;②渗透率模型考虑成分区均匀的情况预测的产量高于非均匀渗透率模型;③水力压裂裂缝半长越大,累积产量越高;④在生产后期,基质渗透率对产量的影响较大;⑤经过25年的生产,解吸气累积产量约占总累积产气量的18%。数值模拟结果与现场数据吻合,从而验证了模型及算法的适用性。     

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。     

页岩气藏多段压裂水平井产能预测模型

页岩气已成为非常规能源开发的焦点,然而目前对于页岩气井产能模型的研究较少考虑气体吸附(或解吸)、扩散效应及压裂改造前后储层物性差异的影响。为研究页岩气藏多段压裂水平井的产能递减规律,根据页岩气的线性渗流特性,利用综合考虑气体非稳态窜流、扩散及吸附(或解吸)影响时的压力控制方程建立了矩形封闭地层多段压裂水平井渗流模型,运用Laplace变换求得了模型的解析解并利用Stehfest数值反演算法计算绘制了实空间内的产能递减曲线。根据产能典型曲线划分了流动阶段并进行了产能递减规律分析。研究表明:裂缝导流能力、裂缝系统储容比、窜流系数、压裂改造区宽度、吸附相关参数及扩散相关参数对气井产能存在不同程度影响;压裂改造区对气井产能的贡献较未改造时更大。提出了适用于气井的产量预测方法,实例计算结果证明该模型可用于多段压裂水平井的产能预测分析。     

页岩气藏压裂水平井产能及其影响因素

为研究页岩气藏产能及其影响因素,基于页岩气的特征、聚集规律、吸附解吸特性,利用Fick扩散法建立解吸气稳态扩散速率表达式,并在Genliang Guo矩形裂缝性水平井模型的基础上,建立页岩气藏压裂水平井稳态产能模型;此外,通过考虑裂缝与气体解吸的相互作用,将页岩储层气体渗流分为裂缝两边及裂缝两端的流动,并建立新的页岩气藏压裂水平井产能模型。对比2种模型计算结果,并结合现场数据分析结果表明:稳态产能模型误差更小,计算结果更为准确;裂缝、水平井长度和半径、孔隙度、C_m-C(p)差对产能有影响,裂缝越多,缝间干扰越严重,产能增量越少;水平井长度对极限产能的影响小于水平井半径; C_m-C(p)差及孔隙度增大时,产能随之增加。产能影响因素的分析可以更准确地优选水力压裂参数,对优化页岩气藏开发模式具有现实指导意义。     

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。     

页岩气藏压裂水平井产量递减曲线分析法

页岩气藏属于典型的超低孔、超低渗气藏,一般采用多级压裂水平井才具有经济开采价值。与常规气藏相比,页岩储层中气体流动存在吸附解吸、扩散和渗流等多重运移机制,并且页岩基质表面的气体吸附解吸、扩散与压力间存在很强的非线性关系,采用解析/半解析法开展其产量递减分析存在很大的局限性。为此,基于压裂水平井非结构PEBI网格,引入尘气模型建立并推导了综合考虑页岩气藏吸附解吸、扩散和达西流运移机制下的无限导流压裂水平井产量递减数学模型,结合Blasingame产量递减方法原理计算获得了页岩气藏无限导流压裂水平井Blasingame产量递减典型曲线,讨论了相关参数对典型曲线的影响。结果表明:页岩气藏无限导流压裂水平井产量递减曲线划分为地层线性流、裂缝早期径向流、复合线性流和边界拟稳定流4个流动阶段;吸附解吸作用越强,q/Δp_p、(q/Δp_p)_i和(q/Δp_p)_(id)值越大,且PL对典型曲线的影响是非线性的,而VL对其影响是线性的;扩散系数具有提高超低渗页岩储层的气体流动能力,起到增加气井产量的作用;渗透率、裂缝数量和裂缝半长越大,产量递减典型曲线对应值就越大;裂缝间距主要影响产量递减曲线复合线性流段,裂缝间距越大,典型曲线进入复合线性流的时间越晚;井控半径主要影响典型曲线拟稳定流段,井控半径越大,系统进入拟稳定流段的时间越晚。     

基于有限体积方法的页岩气多段压裂水平井数值模拟

为了实现页岩气在多尺度介质中的流动模拟,考虑页岩气在基质—天然微裂缝和人工大尺度压裂缝中的流动特征,建立页岩气多段压裂水平井不稳定渗流数学模型,针对模拟区域采用非结构四面体网格进行网格剖分,基于有限体积方法离散建立页岩气三维渗流数值模型,然后通过顺序求解的方法进行求解,进而模拟页岩气多段压裂水平井的生产动态和储层压力分布变化,并对模拟结果进行分析。研究结果表明:(1)采用所建立的数值模拟计算方法与商业数值模拟软件Eclipse计算的多段压裂水平井产气量基本一致,证实该模型正确、可行;(2)分别采用顺序求解方法和全隐式求解方法计算得到的页岩气水平井产气量虽然在生产初期存在着差异,但随着计算的推进,二者迅速趋于一致,进一步验证了该模型的正确性;(3)尽管解吸气对地层压力具有补充作用,但作用有限,对产气量的影响不大,随着生产时间的延长,解吸气量在产气量中所占比例逐渐上升;(4)确定合理的压裂段数且获得较长的压裂缝长,是页岩气水平井增产改造的核心。结论认为,该研究成果有助于页岩气储层体积压裂的设计以及多段压裂水平井生产动态的预测。     

页岩气藏流动机理与产能影响因素分析

为研究气体在页岩储层中的流动机理并分析影响页岩气藏产能的控制因素,基于广泛的文献调研,描述了页岩气在页岩储层中流动主要经历的3个过程：解吸附、扩散和渗流,分析了其影响因素和适用条件。在此基础上,利用数值模拟方法分析了吸附气含量、Langmuir体积、Langmuir压力、扩散系数、基质渗透率、微裂缝渗透率和压裂诱导裂缝导流能力等因素对页岩气水平井产能的影响情况。结果表明：①天然气地质储量保持不变时,随吸附气含量增高,水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低,地层平均压力下降速度加快;②相同吸附气浓度条件下,随Langmuir体积和Langmuir压力的增加,水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低,初期产量递减速度加快;③气体扩散系数对产能影响较小;④基质渗透率介于1.0×10^-9～1.0×10^-6 mD时,基质渗透率是控制水平井产能的主要因素,随基质渗透率增加,日产气量和累积产气量迅速增加;⑤基质渗透率大于1.0×10^-6 mD 时,基质渗透率和微裂缝渗透率均是控制水平井产能的主要因素,日产气量和累积产气量随基质渗透率和微裂缝渗透率的增加而增加;⑥随压裂诱导裂缝导流能力增加,水平井累积产气量逐渐增加,累积产气量增幅逐渐减小,压裂诱导裂缝存在着最优导流能力。     

考虑启动压力梯度的页岩气藏数值模拟

页岩气作为一种重要的非常规能源,其渗流及开发原理越来越受到关注。在页岩气井开采过程中,为了全面认识井底压力的响应特征及影响因素,根据页岩气渗流机理、吸附气解吸特征、渗流理论和质量守恒定理,建立双孔介质页岩气藏数学模型。模型以启动压力梯度和等温吸附的原理为前提,应用有限差分法,得到数值模型,编制相应程序对数值模型求解,分析了启动压力梯度、几何因子、储容比、Langmuir压力、Langmuir体积对气井井底压力变化的影响。结果表明:双重介质模型能够准确描述吸附气在储层中的解吸过程、基质系统和裂缝系统之间的窜流过程;考虑启动压力梯度更加接近实际地层;考虑吸附解吸作用使井底压力缓慢降低,探测地层边界较晚;利用地层参数分析及室内实验可以间接求出页岩气藏解吸附过程中Langmuir压力和Langmuir体积,这对气井井底压力分析和产能预测非常重要。     

复合页岩气藏压裂水平井压力动态分析

压裂改造体积SRV是评价储层改造效果的重要指标,是影响压力动态的关键因素。基于页岩气吸附解吸、扩散和渗流等多重运移机制,考虑压裂改造区的影响,建立内外区均为双重介质的复合页岩气藏压裂水平井试井模型。利用源函数思想,结合Laplace变换、叠加原理等方法,采用半解析法求取无限导流压裂水平井的井底压力响应。应用Duhamel原理考虑井筒储集和表皮效应的影响,结合Stehfest数值反演,绘制复合页岩气藏压裂水平井试井典型曲线,划分流动阶段。定义新无因次变量,分析SRV半径、裂缝条数、裂缝半长、裂缝间距、扩散系数、储容比、吸附解吸系数、渗透率系数及流度比等参数对压力动态的影响,该结果可为页岩气藏的合理高效开发提供理论依据。     

基于分形理论的页岩气分支水平井产能数学模型

利用分形几何法,研究了页岩储集层内水平井分支数目和长度的分形维度,以及水平井各分支井段压降扰动的传播规律,得到压降漏斗边界随时间变化的关系,考虑了页岩储集层解吸吸附、扩散系数和启动压力梯度的影响,建立了页岩气分支水平井产能数学模型。采用拉普拉斯变换法,求解了水平井外边界定压条件下的不稳定渗流的产能方程。结合四川某海相页岩气藏储集层参数,计算分析了页岩气分支水平井产能特征及影响因素。研究表明:在页岩气生产过程中,同一分形维度下,水平井分支数目越大,气井的产量增大越快;分支井的井段长度越大,对主干井的流量影响越大。吸附页岩气的解吸使得压降漏斗的边界传播速度减慢,地层压力下降缓慢;产气量越大,井底压力随时间下降越快,但是下降的趋势随时间逐渐减缓。     

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。     

裂缝性页岩气藏渗流特征与压力动态分析

为研究页岩气直井压裂后的复杂渗流机理,采用分形理论来表征裂缝的发育特征,结合页岩气的解吸和扩散等流动特征,建立了页岩气分形气藏压裂直井的三线性流模型,求得了考虑井筒存储和表皮效应的压裂直井的拉普拉斯空间解析解,通过数值反演得到了其数值解;分析了页岩气解吸、天然裂缝发育情况等因素对压力曲线的影响。计算结果表明：井筒储集系数影响曲线的早期续流段;人工裂缝导流能力不仅影响人工裂缝的线性流动阶段,同时还影响天然裂缝的线性流动阶段;串流系数影响压力导数曲线“下凹”时间;弹性储容比和解吸系数决定压力导数曲线“下凹”深浅;分形维数影响地层双线性流动。最后验证了模型的可靠性。