裂縫對頁巖氣產(chǎn)量的影響分析

裂縫對頁巖氣產(chǎn)量的影響分析

巖漿巖層的儲氣方法主要是自由氣和吸氣，同時巖漿巖層具有低滲透率（<0.110.6m2）。由于基質(zhì)滲透率低，滲流阻力大，因此液體滲透通道主要是裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)。微地震監(jiān)測結(jié)果及產(chǎn)量統(tǒng)計研究顯示:壓裂后形成的裂縫網(wǎng)絡所波及的面積越大、裂縫網(wǎng)絡越復雜,則改造效果較好。利用Eclipse軟件(因目前尚未研制出針對頁巖氣的成熟軟件)的煤層氣、裂縫性油藏、常規(guī)低滲透砂巖等模塊對頁巖氣儲層的裂縫系統(tǒng)與產(chǎn)量的關系進行研究,發(fā)現(xiàn)頁巖氣井生產(chǎn)階段產(chǎn)量的遞減主要發(fā)生在投產(chǎn)初期的1.0~1.5a,其遞減率為60%~70%,生產(chǎn)后期逐漸進入穩(wěn)產(chǎn)階段,改造體積越大(網(wǎng)絡裂縫越發(fā)育),壓后穩(wěn)產(chǎn)時的產(chǎn)量越高。1影響因素及結(jié)果分析1.1長絲井中儲層的特征分析四川盆地長寧構(gòu)造志留系龍馬溪組發(fā)育富含有機質(zhì)的頁巖。作為頁巖氣的源巖,該套頁巖在盆地內(nèi)分布廣泛,埋深1000~4000m,主要集中在1500~2500m,頁巖氣層厚度達300~500m,總有機碳含量高達0.4%~4.0%,有機質(zhì)類型好,熱演化程度高,Ro為2.0%~3.5%,生氣潛力大;頁巖儲層中既有游離氣,又有吸附氣,游離氣存在于儲層微孔隙及發(fā)育的天然裂縫內(nèi),而吸附氣以吸附狀態(tài)貯存在干酪根和黏土顆粒的表面。由于頁巖的致密性及抗構(gòu)造破壞性,長寧構(gòu)造中的志留系頁巖層具有較高的成藏價值和較好的保存條件,具備頁巖氣開發(fā)的成藏條件。長寧構(gòu)造地區(qū)儲層的主要礦物成分包括:硅質(zhì)質(zhì)量分數(shù)52.3%,碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)22.6%,黏土礦物質(zhì)量分數(shù)25.1%。脆性礦物(石英+碳酸鹽巖礦物)達到了75.0%,孔隙度5.0%,基質(zhì)平均滲透率為0.18×10-6μm2,成像測井解釋和巖心觀測結(jié)果顯示,裂縫中等發(fā)育。整個模擬單元控制體的長×寬×單層厚度為1577.6m×1324m×30m,模擬水平井垂深2100m,水平段長1361m,根據(jù)上面單元體參數(shù)在x、y、z方向劃分網(wǎng)格參數(shù)為169×141×1=23829個;儲層滲透率為0.1×10-6μm2,孔隙度5%;地層壓力21MPa,儲層溫度82℃;含水飽和度20%,氣體相對密度0.7,控制儲量2.9×108m3,總含氣量為3m3/t,游離氣和吸附氣比例為40%∶60%。1.2分段壓裂改造儲層水平井原采收率對于常規(guī)氣藏(K≥0.01×10-3μm2),從模擬結(jié)果(見圖1)可以看出,水平井完井就能夠取得良好的生產(chǎn)效果。隨著儲層滲透率降低,水平井產(chǎn)量逐漸降低,單一水平井完井方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求,此時要想獲得較高產(chǎn)量必須進行壓裂改造。壓裂改造后形成的裂縫能夠有效彌補基質(zhì)滲透率的不足,使低滲儲層產(chǎn)量顯著提高(見圖2)。結(jié)合圖1和圖2,對于特低滲儲層(K≤1.0×10-6μm2),分段壓裂改造對產(chǎn)量影響特別明顯。例如,對基質(zhì)滲透率為K=1.0×10-6μm2時與基質(zhì)滲透率0.1×10-6μm2(頁巖儲層滲透率數(shù)量級)時的產(chǎn)量進行對比分析:如果不壓裂,0.1×10-6μm2儲層水平井初始產(chǎn)氣量只有3000m3/d,且遞減很快,穩(wěn)產(chǎn)階段的產(chǎn)量只有1200m3/d;當基質(zhì)滲透率為1.0×10-6μm2時,儲層初始產(chǎn)量能夠提升一個數(shù)量級,達到30000m3/d,穩(wěn)產(chǎn)階段的產(chǎn)量6000m3/d;經(jīng)過壓裂(分段壓裂4段形成4條單一裂縫)改造后,基質(zhì)滲透率0.1×10-6μm2地層的初始產(chǎn)量能夠達到81000m3/d,該產(chǎn)量是基質(zhì)滲透率1.0×10-6μm2時的2.7倍,雖然生產(chǎn)初期(1.0~1.5a)產(chǎn)量遞減較快,但是穩(wěn)產(chǎn)階段與基質(zhì)滲透率1.0×10-6μm2時的產(chǎn)量相當。另外,從圖2可以看出,在超低滲透儲層(K=0.1×10-6μm2)中,裂縫條數(shù)越多,其產(chǎn)量越高,最終的采收率越高。在初始階段,壓裂裂縫條數(shù)越多,其產(chǎn)量遞減速度越慢,穩(wěn)產(chǎn)階段產(chǎn)量也越高,最終累積產(chǎn)氣量大幅度增加,從而提高儲層最終采收率。對于頁巖氣儲層,基質(zhì)滲透率對產(chǎn)量幾乎沒有貢獻,為了更好地開發(fā)該類氣藏,水平井完井是前提,大規(guī)模壓裂改造形成多段裂縫是必經(jīng)之路。1.3儲層采動裂縫數(shù)值模擬頁巖氣儲層壓裂不同于常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖儲層壓裂,有其自身的特點。由于頁巖儲層滲透率極低,氣藏中流體流動過程中克服的流動阻力過大,導致儲層產(chǎn)量極低或者沒有產(chǎn)量。較發(fā)育的天然微裂縫是該類氣藏獲得工業(yè)產(chǎn)能的前提,還需通過技術(shù)手段降低流體在地層中的流動阻力。水平井完井技術(shù)和大規(guī)模壓裂改造是降低儲層流體流動阻力、獲得工業(yè)產(chǎn)能的有效方法。天然裂縫對于頁巖氣開發(fā)發(fā)揮著重要作用,如果天然裂縫沒有成為有效裂縫(沒有被溝通),則這些天然裂縫對于產(chǎn)量幾乎沒有貢獻。壓裂改造一方面在地層中形成新的人工裂縫,另一方面盡可能地讓儲層中已有的天然裂縫重新開啟并填入支撐劑,形成具有一定導流能力的裂縫網(wǎng)絡。參考其頁巖氣井P1井和P2井FMI(全井壁微電阻率成像測井)資料和目標層段巖心裂縫描述結(jié)果,模擬地層中發(fā)育18條等效微裂縫進行數(shù)值模擬。圖3(a)表示18條裂縫中只有4條裂縫與水平井筒連通,成為有效裂縫。從圖3(a)可以看出,生產(chǎn)10a后地層壓力擴散很慢,基本沒有擴散到另外14條沒有溝通裂縫的區(qū)域,壓降漏斗基本上在4條有效裂縫附近。圖3(b)表示地層中的18條裂縫全部連通,生產(chǎn)10a后壓降漏斗較大,泄油面積將近占整個氣藏面積的一半,氣藏儲量得到有效動用。圖4為上述2種裂縫條件下10a穩(wěn)定產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量曲線。從圖4可以看出,有效裂縫全部溝通時的累計產(chǎn)氣量比沒有完全溝通(只有4條有效裂縫)時的累計產(chǎn)氣量高出1倍多。頁巖氣儲層產(chǎn)量貢獻主要來自于有效的裂縫系統(tǒng),沒有與井筒有效連通的裂縫稱為無效裂縫,無效裂縫發(fā)育對氣井的產(chǎn)量沒有貢獻。為了連通更多的天然裂縫、在空間上擴大有效裂縫連通體積,必須進行大規(guī)模、大液量壓裂改造。模擬結(jié)果與P1井和P2井的壓裂實際效果類似。P1井加入18m3支撐劑,1000m3滑溜水+線性膠,壓裂后穩(wěn)定產(chǎn)量大約2000m3/d,而P2井同一儲層加入支撐劑85m3,總共注入2000m3滑溜水,其壓后第一個月穩(wěn)定產(chǎn)量為10000m3/d。這表明產(chǎn)量跟注入規(guī)模正相關,同時直井單層單段產(chǎn)量能夠達到1.0×104m3/d,預測水平井分段8~10段產(chǎn)量能夠達到8.0×104m3/d左右。1.4裂縫密度和產(chǎn)氣量頁巖氣儲層中裂縫的寬度、導流能力和單裂縫的長度對于產(chǎn)量的影響較小,而裂縫的發(fā)育程度(有效裂縫密度)對于產(chǎn)量具有重要影響。從圖5中可以看出,當基質(zhì)滲透率為0.1×10-6μm2時,如果天然裂縫發(fā)育(分別模擬裂縫為6條、12條、18條),其累計產(chǎn)量要遠遠高于基質(zhì)滲透率為1.0×10-6μm2時的10a累計產(chǎn)量,并且圖3(d)的壓力波及范圍也比圖3(c)的波及范圍大,最終采收程度也更高。因此,在特低滲致密頁巖氣層中,網(wǎng)絡裂縫能夠有效彌補儲層基質(zhì)滲透率的不足,提高產(chǎn)量。同時,地層中裂縫越發(fā)育,裂縫密度越大,累計產(chǎn)氣量越高。當裂縫從4條增至12條時,其累計產(chǎn)氣量增加了1倍。當裂縫條數(shù)從12條增至18條時,裂縫密度增加50%,而10a的累計采氣量只增加了15%。進一步模擬表明,隨著天然裂縫的繼續(xù)增加,即裂縫條數(shù)超過18條后,10a增加的累計采氣量減小,此時裂縫的發(fā)育對于產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量的影響降低。從圖3和圖5可以看出,隨著裂縫密度增加和整個裂縫網(wǎng)絡體積的增大,產(chǎn)量大幅度增加。但是生產(chǎn)10a后的壓力擴散始終在近裂縫地帶,壓力擴散到氣藏邊界很難,因此壓裂施工必須以大規(guī)模、大排量來提高裂縫中的凈壓力,增大壓裂液的波及體積,從而溝通更多的水力壓裂裂縫和天然裂縫。常規(guī)氣藏壓裂是造長縫,溝通遠井地帶地層,增加泄油面積,從而將徑向流改變?yōu)閺牡貙拥饺斯ち芽p和人工裂縫到井筒的近似雙線性流,最終實現(xiàn)增加產(chǎn)量的目的。而頁巖氣儲層由于基質(zhì)滲透率極低,產(chǎn)量主要來自于裂縫的流動,這種雙線性流不會存在于頁巖氣儲層。因此,頁巖氣儲層壓裂增產(chǎn)改造理念與常規(guī)砂巖氣藏有著很大的不同。改造時在地層中造成復雜裂縫網(wǎng)絡,同時裂縫網(wǎng)絡盡可能的延伸——盡量提高改造體積,從而實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)能。頁巖氣儲層壓裂造成的裂縫網(wǎng)絡越復雜,網(wǎng)絡體積越大,壓后的產(chǎn)量越高,最終的累計產(chǎn)氣量和采收率也越高。但是,當這種壓裂規(guī)模增加到一定程度后,再增加其規(guī)模、裂縫復雜性(裂縫密度)以及采出程度卻沒有增加多少,見圖3(d)、圖3(c)和圖5,而措施工藝難度急劇增加,施工風險增大。這是因為頁巖氣儲層基質(zhì)滲透率過低,壓裂改造溝通天然裂縫的范圍畢竟有限、單井控制儲量較小,因此只能以增加水平井的數(shù)量來提高氣藏的采出程度。北美地區(qū)在開發(fā)頁巖氣時采用水平井工廠化管理,很好地解決了水平井單井控制儲量過小的問題。2采收率和初始產(chǎn)氣量從圖6、圖7可以看出,頁巖氣儲層產(chǎn)氣量遞減主要發(fā)生在投產(chǎn)后的第一年中,其遞減達到60%~70%,此后遞減率逐漸降低,最后達到穩(wěn)產(chǎn)。分析認為,頁巖氣井初始產(chǎn)量較高且遞減迅速,是由于生產(chǎn)初期儲層中的游離氣被采出來所導致,隨著游離氣的逐漸采出后,儲層中壓力降低,吸附氣解吸附,開始主導井的產(chǎn)量。也正是由于頁巖氣中吸附氣的解吸附過程,所以頁巖氣井后期的產(chǎn)量雖然較低,但是比較穩(wěn)定。也就是說,游離氣影響頁巖氣井的初期產(chǎn)量,吸附氣影響頁巖氣井的穩(wěn)定產(chǎn)量。從模擬結(jié)果得出,在主裂縫發(fā)育程度相同的條件下,次生裂縫的發(fā)育程度對初始產(chǎn)量的影響不大,只是對投產(chǎn)后的產(chǎn)量遞減率以及后期的穩(wěn)產(chǎn)影響較大。多裂縫發(fā)育地層(4條主裂縫,14條次生裂縫)其初期的產(chǎn)量遞減速度只有裂縫不發(fā)育地層(4條主裂縫)的50%;同時,后期的穩(wěn)定產(chǎn)量要高出54%,產(chǎn)量明顯增加,最終采收率大幅度提高。主裂縫數(shù)量對初始產(chǎn)量的影響明顯。在同等裂縫密度(18條裂縫)下,當主裂縫為10條,次生裂縫為8條時,其初始產(chǎn)氣量是4條主裂縫、14條次裂縫時產(chǎn)量的2.5倍,其累計產(chǎn)氣量大約增加20%。當生產(chǎn)5a時間后,隨著近裂縫地帶的氣被采出,產(chǎn)氣量將趨于穩(wěn)定,兩者的穩(wěn)定產(chǎn)量基本相當。因此,頁巖氣水平井分段壓裂時增加主裂縫數(shù)量(水平井分段段數(shù))和射孔段數(shù)(分簇射孔)有助于提高氣井初期產(chǎn)量,縮短投資回收期。3水平井操作對產(chǎn)量的影響1)頁巖氣儲層滲透率過低,滲流阻力過大,水平井完井和大規(guī)模壓裂改造是形成工業(yè)產(chǎn)能的主要技術(shù)手段。2)頁巖氣儲層天然裂縫相互之間的連通性對于儲層產(chǎn)能有著重大影響,只有相互連通的有效裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)對產(chǎn)