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。     

页岩气藏椭圆形多区复合模型不稳定压力分析

针对页岩气藏水平井体积压裂产生复杂缝网形态的特点,根据实际微地震监测结果,建立了页岩气藏椭圆形裂缝多区复合压裂水平井模型。考虑页岩气吸附解吸、气体扩散和气体高压物性参数与压力强非线性关系,利用非结构PEBI网格和控制体有限单元法建立了页岩气藏椭圆形裂缝多区复合压裂水平井数值试井数学模型,并结合全隐式法推导得到了其数值试井数学模型的离散形式。计算机编程绘制了其不稳定压力动态分析典型曲线,并开展了压力动态特征分析以及相关参数的敏感性分析。研究结果表明：①压力动态分析双对数典型曲线可划分为井筒储集、过渡流、裂缝间地层线性流、SRV区径向流或过渡流、体积改造区外响应段、系统径向流和边界响应8个流动阶段;②Ⅰ—Ⅴ流动阶段主要反映SRV区的渗流特征,Ⅵ—Ⅷ流动阶段反映外区物性及边界距离的影响;③吸附解吸作用越强,试井典型曲线的位置越低;④扩散系数能提高极低渗透率页岩储层的气体流动能力。研究结果不但扩展了页岩气藏水平井多级压裂模型,还可用于实测井的试井分析,为页岩气藏高效开发提供了指导。     

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。     

页岩气藏SRV区域气体扩散与渗流耦合模型

页岩气藏有效开发的前提是储层大规模整体压裂形成有效流动的复杂缝网系统,即所谓的SRV区域,而准确描述该区域气体的流动规律是页岩气井产能评价与开发动态预测的基础。SRV区域由各种大小不同的基岩块与裂缝网络组成,二者的流动规律完全不同,基岩以扩散为主,裂缝以渗流为主。根据页岩储层基岩和裂缝的孔隙度、渗透率参数与吸附、扩散及渗流特征,分别建立二者的物质平衡方程,推导SRV区域基岩与裂缝中气体扩散与渗流的连续性方程;根据体积一致性的原理,为了方便计算,将体积压裂后的立方体基岩块简化为球体,结合球体截面拟稳态流动特征假设,运用Fick扩散定律和基质与裂缝中气体的密度函数推导出了气体的窜流方程,连续性方程与窜流方程的有机耦合可以有效描述SRV区域气体复杂的输运规律。研究结果表明,基岩扩散能力和体积压裂形成的基岩块大小(即压裂规模),共同决定着页岩气井的产能大小及稳产时间。实例计算结果表明,四川盆地长宁—威远地区A井区基岩扩散能力弱,约为10~(-5) cm~2/s,基岩块体积较大,等效球体半径约6.2 m,降低了气体由基岩向裂缝的窜流能力,因而大大影响了该气井的产能。结论认为,增加体积压裂规模、提高SRV区域内缝网密度是页岩气藏高效开发的重要手段。     

诱导渗透率场中压裂水平井压力动态分析模型

体积压裂技术是致密、页岩气藏开发的关键技术。目前在试井解释和产能评价的研究中尚缺乏考虑压裂改造体积(SRV)内复杂非均质性诱导渗透率场的渗流数学模型。为此,在假设渗透率与距主裂缝面的距离呈指数和线性式关系的基础上建立起诱导渗透率场模型,将其与渗流场进行耦合,并结合线性流模型创建有限导流能力多段压裂水平井渗流数学模型,结合Bessel函数理论和GWR数值反演算法得到真实空间的压力解,绘制气井压力动态曲线,分析SRV区诱导渗透率分布情况等特征参数对气井压力变化规律的影响。结果表明,SRV区渗透率呈递减型分布时,气井压力动态曲线过早出现边界响应特征,反之气井生产动态曲线在边界反应段之前会出现平缓甚至下凹的过渡段,且容易将其误认为为径向流动阶段。结合现场实例,分别进行了2种渗透率场条件下的压力恢复试井曲线拟合,并与常规模型拟合情况进行了对比,新模型能够解释试井恢复曲线异常段出现的原因,拟合得到更加符合实际的储层和压裂改造参数。     

考虑基质收缩效应的煤层气藏产能评价

针对基质收缩效应严重影响煤层气藏产能评价和预测的问题,运用稳态扩散和达西渗流规律建立煤层气藏压裂直井基质扩散方程和裂缝系统渗流方程,引入新的拟时间函数来解决物质平衡方程中存在变量的问题,在保证精度的情况下提高了计算速度,得到了煤层气藏有限导流垂直裂缝井不稳定渗流压力及产量的解析解。结合时间叠加原理,实现了实际生产数据与理论数据的拟合。将研究结果应用于评价及预测实际煤层气藏产能,结果表明:基质收缩效应对产能评价和预测的影响主要发生在生产的后期,并且会使得渗流区域渗透率增加,提高了地层能量的利用率。适于基质收缩型煤层气藏压裂直井的产能评价方法,对煤层气藏开发和产能评价具有重要意义。     

页岩气多段压裂水平井渗流特征数值模拟研究

页岩气藏储层渗透率极低,需要经过体积压裂改造才能进行有效开发,页岩气多段压裂水平井的渗流特征非常复杂,准确认识页岩气井渗流特征是进行产能评价和试井分析的基础。目前对页岩气井渗流特征的认识还不够明确,而且大多是通过建立理论的解析渗流模型来研究的,解析模型的简化和求解对渗流特征研究影响较大。笔者建立了反映页岩气多段压裂水平井压裂缝网形态的数值模型,采用数值模拟方法结合实际气井分析,研究了页岩气井渗流特征。数值模拟研究表明:页岩气井在渗流过程中主要经历人工压裂裂缝线性流、地层和裂缝双线性流、地层线性流、过渡流、外围线性流和边界流六个渗流阶段,不同形态压裂缝网模型的渗流特征基本一致。实际页岩气井主要出现井储效应、地层和裂缝双线性流、地层线性流三个渗流阶段,很难出现裂缝线性流、外围线性流和边界流阶段。     

煤层气产能预测新模型

煤层气藏通常采用压裂直井开发,由于其吸附、解吸和扩散特征,运用常规二项式产能方程分析煤层气藏稳态产能会产生较大误差。根据煤层气藏天然裂缝发育的地质特征,运用平行板理论、等值渗流阻力原理,首次建立了针对煤层气藏,考虑其吸附、解吸、扩散特征的连续等效介质模型。该模型将裂缝性双重孔隙介质的煤层气藏转化为运用等效渗透率表征的常规均质气藏,但对各相关参数赋予特殊值时,可简化得到各类常规气藏模型。通过计算分析煤层气藏压裂直井的IPR曲线,可以看出当考虑解吸扩散时,其IPR曲线异于常规气藏。兰格缪尔压力越小,曲线下凹越严重,绝对无阻流量越大;兰格缪尔体积越小,扩散系数越小,曲线下凹越严重,绝对无阻流量越小。通过实际对比分析,该模型误差小于10%,具有较好的适应性。     

沁水盆地压裂煤层气井生产动态影响因素

煤层气藏与常规砂岩气藏开发存在显著差别,压后生产特征及因素影响规律完全不同,沁水盆地各区块日产气量差异极大。综合考虑煤层气的解吸、扩散和渗流机理,建立了二维气/水两相的压裂煤层气井生产动态数学模拟模型,以1口实际井参数为例模拟分析了Langmuir体积、Langmuir压力、解吸时间、煤层压力、煤层裂隙渗透率和裂隙孔隙度对压裂煤层气井产量的影响规律。煤层气藏与砂岩气藏压后生产动态有明显区别,前者经历一定时间后还会出现产量第二峰值且该峰值可能大于产量第一峰值,产气量(含峰值产量)随Langmuir体积增加或Langmuir压力减小而增加,随煤层裂隙渗透率增加或裂隙孔隙度减小而增加。这些因素均会影响到峰值产量数值及其出现时间,研究结果对正确认识压裂煤层气井生产动态变化有重要意义。     

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。     

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。     

煤层气压裂井裂缝参数优化及效果评价

因煤层复杂渗流机理及低孔低渗特征,煤层气均需采取压裂改造措施进行开采。为了正确认识压裂参数对煤层气井产能、采出程度及井网部署的影响规律,从储层应力形变及煤层气解吸、扩散、渗流流固耦合分析出发,建立压裂井气水两相非线性渗流模型,研究裂缝参数、储层非均质性对井距及井网类型优化的影响,并且采用注入压降试井解释对压裂工艺参数进行评价。研究结果表明：煤层流体以非线性渗流为主,物性呈现先下降后上升的特征,存在启动压力梯度的影响;井距优化应考虑裂缝方向、裂缝穿透比、裂缝导流能力等因素的影响;矩形与菱形井网选择要参考储层各向异性系数的临界值;避免注入压降测试中井筒液面的变化及测试段的选择对试井解释结果的影响,提高压裂效果解释评价准确性。研究对煤层气压裂井裂缝、井网参数优化及提高压裂效果评价准确性具有较好的指导意义。     

非对称3D压裂和裂缝无序性压裂设计理念与实践——以四川盆地川西致密砂岩气藏为例

目前致密气藏改造存在传统大型压裂与体积压裂两种技术模式,如何选取适合储层特征的改造方式令人困惑。基于对致密气藏、页岩气藏的储层地质特征、渗流特征的分析,阐释了致密气藏与页岩气藏改造理念的差异,提出致密气藏改造方式的选取应以储层地质特征、渗流特征为依据,以最大程度改善储层渗流能力为目标。据此理念,以四川盆地川西地区两套致密气储层为例提出了2种压裂设计方法:对于中浅层上侏罗统蓬莱镇组"叠覆型"储层采用水力裂缝与储层砂体空间展布、渗流能力相匹配的非对称3D压裂设计;对于中深层上三叠统须家河组五段"砂页岩交互"储层采用增加裂缝无序性的体积压裂设计。应用结果表明:采用非对称3D压裂设计方法的水平井压后平均产量较同区水平井提高了41%,该方法适用于对蓬莱镇组气藏的开发;采用增加裂缝无序性体积压裂设计方法的单井压后平均产量为2.25×10~4 m~3/d,该方法为须五段气藏的开发提供了有力的技术支撑。     

页岩气体积压裂压后试井分析与评价

经过体积压裂后的页岩储层,其压后评估和产能预测目前均缺乏相对成熟准确的分析手段,而单一的微地震监测、停泵压降测试等方法在应用上又具有一定的局限性。为此,在充分分析体积压裂所形成的裂缝网络形态和预期改造效果的基础上,采用"较短有效裂缝半长+改造体积内较高的有效渗透率"的方法,对页岩气井体积压裂的改造效果进行分区描述,突出近井地带的主裂缝通道形态,还利用平均有效渗透率概念对中远井地带由复杂、密集的裂缝系统切割破碎的压裂体积的改造效果进行等效描述,解决了传统多长直平面缝模型不能描述改造体积内部拟径向流的问题,更加合理地评价了体积压裂对于改造体积内部渗流能力改善的效果,提高了产能预测的准确性和稳定性。四川盆地威远区块页岩气水平井压裂实践表明:(1)体积压裂所形成网络裂缝的渗流特征与面源缝大不相同,而更近于以射孔孔眼或近井地带一定范围内主裂缝通道为中心点源流动;(2)从试井动态上呈现的是径向或拟径向流特征,而非线性流;(3)利用较短的主裂缝长度和高于页岩基质若干数量级的有效渗透率,可对改造体积进行描述。     

页岩气水平井增产改造体积评价模型及其应用

目前,已有的水力压裂储层增产改造体积(SRV)评价方法主要包括微地震监测法、倾斜仪测量法以及数学模型计算法,其中,直接测量方法都存在着成本高、可复制性差的不足,而理论模型计算SRV可以降低成本,提高计算的速度和结果的准确性、可靠性。为此,在分析目前SRV评价模型局限性的前提下,基于水平井分段分簇压裂裂缝扩展理论、岩石力学理论和渗流力学理论,考虑页岩气水平井分段分簇压裂裂缝扩展过程中流体扩散渗流场和裂缝诱导应力场同时改变对页岩体天然裂缝的触发破坏机制,针对页岩气储层水平井分段分簇缝网压裂建立了一套SRV数值评价模型(以下简称新模型),并据此对分簇裂缝延伸行为、水力裂缝诱导应力场变化、水力压裂储层压力场抬升以及天然裂缝破坏区域的扩展进行数值模拟与表征,计算储层改造总体积,并在涪陵国家级页岩气示范区X1-HF井对新模型进行了矿场应用验证。结果表明:(1)新模型的计算方法与页岩压裂过程储层SRV实际物理演化机制相一致,可实现对SRV更准确地计算和定量表征;(2)新模型模拟所得SRV与现场微地震监测结果较为吻合;(3)示范区内水平井分段压裂形成的SRV能够满足页岩气高效开发的要求,压裂增产效果明显。结论认为,新模型具有较高的准确性和可靠性,对于涪陵页岩气示范区后期页岩气缝网压裂优化设计、井间距调整和加密井部署设计等都具有重要的指导作用,值得大规模推广应用。     

页岩储层吸水特征与返排能力

中国页岩气资源量巨大,但页岩储层渗透率极低,为了有效开发页岩气藏,通常采用体积压裂技术以增大渗流面积,但页岩储层压裂后普遍存在着压裂液返排率低的问题。针对该问题,全面分析了页岩的组分及其与水的力学作用机理;设计了页岩粉末膨胀和岩心吸水实验,分别研究了页岩对蒸馏水、地层水、压裂液A和压裂液B的吸水能力;同时运用缝网渗流能力等效原理,推导了页岩吸水强度的计算公式,概算了页岩气井体积压裂后的吸水百分比。研究结果表明：页岩受表面水化力、渗透水化力、氢键力及范德华力作用的水分子难以返排,而受重力和毛细管压力作用的水分子在一定条件下可以返排;压裂液能够有效抑制页岩的吸水能力,有助于压裂液的返排;通过改变压裂液组分提高压裂液返排率是可行的。该研究成果为认识页岩储层体积压裂液返排的内在机理以及压裂规模与返排率的关系,提供了较为翔实的理论依据。     

致密油藏体积压裂建模理论与方法

致密油藏储层渗透率低,地层流体向裂缝渗流受到限制,常规压裂增产幅度不高.而采用体积压裂,“打碎”储集层,形成复杂缝网,可实现裂缝与油藏的接触面积和体积最大.为有效描述致密油藏体积压裂,采用双渗模型模拟SRV区域,然后用对数网格步长加密,分别描述天然裂缝、人工缝网、基质系统.采用Latin Hypercube方法,对模型进行敏感性分析,找出了影响产油量和产水量的敏感性因子并进行排序.采用DECE方法,通过多次自动历史拟合反推人工缝网和天然裂缝参数.最后通过Petrel软件建立基质模型,作为双渗模型的基质系统,历史拟合反推得到的裂缝参数作为裂缝系统,建立完整的双渗模型,并进行生产预测,证明了致密油藏体积压裂采用此建模方法的可行性.     

致密油藏体积压裂水平井半解析渗流模型

由于非常规油藏特殊地质条件,导致在进行大规模水力压裂过程中形成了复杂的裂缝网络,复杂缝网的出现导致油藏渗流规律发生变化。基于体积源函数在准确描述复杂缝网形态的基础上,考虑复杂缝网内渗透率,建立了致密油藏体积压裂水平井半解析渗流模型,模型结果的正确性得到了油藏数值模拟的验证。计算结果表明,含有复杂缝网的油藏渗流过程可以分为6 个流动阶段:线性流、供给流动、过渡流、双径向流、晚期径向流以及边界控制流动。缝网渗透率主要影响早期线性流和供给流动,次生裂缝渗透率对供给流动影响较大;过渡流、双径向流以及晚期径向流动受复杂缝网几何尺寸影响较大。该模型为预测体积压裂水平井的产能、认识体积压裂水平井渗流规律以及评价体积压裂效果提供了一种非常有用的方法。