裂缝宽度对页岩气开发的影响研究

长水平井体积压裂作为页岩气藏开发的主要技术手段,裂缝网络的有效性影响着开发效果。文中基于离散裂缝模型(DFM),综合考虑页岩气藏多尺度渗流机理,利用有限元分析方法进行数值求解,通过典型模型研究裂缝宽度对近井地带压力分布和生产井动态响应特征的影响。结果表明:对于特定页岩气藏,压裂裂缝宽度和天然裂缝宽度只有满足一定条件才能高效开发,当压裂裂缝超过一定限度时,由于裂缝的高导流能力使得压力波迅速传播到边界,不利于赋存在微纳尺度孔隙中页岩气的渗流,从而降低了页岩气的开发效果;在控制压力波传播到边界时间的同时,适当改善天然裂缝宽度,可以有效增加基质-裂缝接触面积,提高页岩气产量。针对不同页岩气藏天然裂缝实际发育状况和地质特征,利用数值模拟结果可以指导压裂施工,实现页岩气藏的高效开发。     

页岩气藏开发中的水力压裂水平井敏感参数分析

为了进一步明确页岩气藏渗流机理,提高产能评价的准确有效性,利用ECLIPSE油藏数值模拟平台,考虑有限导流和兰格缪尔等温吸附条件,建立了压裂水平井开采页岩气藏的模型,对比了不同裂缝参数对单井产能的影响。在此基础上,讨论了水力裂缝长度、裂缝间距、裂缝高度、裂缝导流能力和微裂缝渗透率、微裂缝-基质sigma系数及非达西因子等各敏感参数对页岩气累计产量和近井地带压力分布特征的影响。研究表明,微裂缝渗透率和水力裂缝半长是压裂水平井开采页岩气藏提高单井产量的关键影响因素。     

页岩气压裂水平井开发效果的数值模拟

页岩气藏低孔、特低渗、吸附气含量比例高、人工压裂裂缝网络复杂等诸多不同于常规气藏的特点,使页岩气藏压裂水平井与常规气藏在渗流机制及产能动态分析方法上存在很大差异。数值模拟作为产能动态分析方法之一,可以有效地模拟页岩气藏独特的属性参数及复杂的渗流特征。综合考虑页岩气吸附解吸、扩散及渗流,应用油藏数值模拟方法,建立了页岩气双重介质压裂水平井模型,分析了吸附气、天然裂缝、人工裂缝参数等对页岩气井动用范围、动用形状及生产动态的影响。结果表明,页岩气藏水力压裂裂缝和天然裂缝复杂的裂缝网络系统对页岩气井的动用形状有着重要影响,人工裂缝展布形态、人工裂缝参数(裂缝半长和导流能力)对页岩气藏的开发效果具有较大影响。     

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。     

页岩气藏水平井开采动态数值模拟研究

页岩气藏具有特低孔低渗、吸附气含量高、无自然产能等特点,只有利用水平井技术及大型压裂增产措施,才能获得商业气。为了更为准确地对页岩气藏水平井开采动态进行模拟研究,综合考虑页岩气解吸、扩散、基质内运移和气体滑脱效应等特征,运用数值模拟软件Eclipse建立相应的单井数值模型,并对产能影响因素进行敏感性分析。研究表明,气体滑脱效应在开发中后期有利于水平井产气量的提高,在生产开发过程中,应尽量考虑气体滑脱效应对产气量的影响;天然裂缝渗透率、分段压裂裂缝导流能力、裂缝间距和裂缝半长的变化对水平井产气量影响很大,敏感性很高;水平井分段压裂参数是影响页岩气井产量的重要参数,应对相应压裂参数进行合理优化。     

页岩气无限导流压裂井压力动态分析

我国页岩气可采资源量巨大,但页岩气藏大多数井的自然产能很低或无自然产能,开发过程中要实施储层压裂改造才具备生产能力。为此,在常规气藏压裂研究的基础上,针对页岩气产出过程中的降压、解析、扩散、渗流等特点,从页岩气渗流机理入手,以点源函数方法为基础,应用菲克拟稳态扩散模型,研究了页岩气在基质和裂缝中的单相流动,建立了页岩气藏无限导流压裂井评价模型,讨论了吸附系数、裂缝储容系数和窜流系数等参数对压力动态的影响,分析了页岩气藏压裂井动态特征及部分参数估计方法,解决了无法确定页岩气藏动态参数的难题,首次绘制了页岩气藏压裂井典型曲线。研究成果可为页岩气藏的合理高效开发提供技术支持。     

页岩气藏三孔双渗模型的渗流机理

为了掌握页岩气储层气体复杂流动的规律,从而高效开发页岩气藏,对页岩气渗流机理进行了研究。借鉴适用于非常规煤层气藏双重孔隙介质模型和考虑溶洞情况的三重孔隙介质模型,基于页岩气储层特征和成藏机理,提出了页岩气藏三孔双渗介质模型;研究了页岩气解析扩散渗流规律,提出考虑储层流体重力和毛细管力影响的渗流微分方程;并利用数值模拟软件对页岩气产能进行了预测。结果表明：基质渗透率和裂缝导流能力是页岩气开采的主控因素,只有对储层进行大规模压裂改造,形成连通性较强的裂缝网络后才能获得理想的页岩气产量和采收率。     

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。     

复杂缝网页岩压裂水平井多区耦合产能分析

针对页岩储层水平井压裂开发中复杂缝网形态、纳微米孔隙—复杂缝网—井筒多尺度渗流规律认识不清等问题,开展了针对性的研究:(1)通过巴西劈裂实验,诱导压裂缝的产生;(2)通过X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;(3)结合压裂缝形态描述和气体在基质—复杂缝网—井筒中的渗流机理,在多尺度统一渗流模型的基础上,建立考虑扩散、滑移及解吸的水平井单段压裂改造产能方程;(4)考虑多级压裂区干扰及水平井筒压降,建立页岩储层多级压裂水平井产能预测模型。研究结果表明:(1)压裂缝形态为复杂网状缝;(2)测得压裂缝开度为4.25~453.00μm,平均为112.00μm;(3)不同缝网形态下页岩气表现出不同非线性渗流规律;(4)随着重改造区裂缝密度、重/弱改造裂缝分布范围的增大,产气量逐渐增加,压裂段间缝网渗流区域发生干扰,产气量增加幅度减小;(5)模拟水平井筒长1 500 m、重度改造区缝网半长100 m时,压裂10级产能效果最好。结论认为,需要合理地控制压裂程度、优化裂缝参数,才能为页岩气压裂优化设计等提供技术支撑。     

基于改进三线性流模型的多级压裂页岩气井产能影响因素分析

页岩气多级压裂形成的复杂裂缝网络会改变其原有的气体渗流模式,形成多个独有的流动阶段。因此,常规的产能模型不能有效模拟其压力、流量变化规律。为了增加页岩气产能模拟精度和对压裂施工优化做出指导,在耦合三线性渗流和球形双重介质渗流模型的基础上,考虑解吸和滑脱等机理,建立了改进的三线性流产能预测模型,并进行了解析求解和数值反演。计算结果表明,页岩气的解吸对提高单井产能,延长稳产期具有重要意义;储层中的微裂缝能够通过控制气体在基质与人工裂缝之间的窜流最终影响页岩气井产能;人工裂缝导流能力对页岩气井产能的影响覆盖了整个生产周期的中前段,然而随着人工裂缝导流能力的增加,产能的增长幅度变缓,证明了页岩气藏不需追求高导流能力裂缝的理论,缝间距主要影响线性流时间的长短;汇聚效应在投产初期对产能具有不可忽视的影响。研究结果对于深化页岩气井生产动态认识和提高页岩气藏开发效率具有重要意义。     

页岩气藏体积压裂水平井渗流模型

实现页岩气藏有效开发的关键在于页岩储层渗流机理的研究和产能模型的建立,但页岩气藏孔渗结构具有强烈的多尺度性,渗流机理复杂;纳米级孔隙存在克努森扩散,解吸介质变形等情形。同时,在增产改造过程中形成的复杂裂缝网络形态也对页岩气多尺度流动特征及页岩气产能造成不同程度的影响。建立了页岩气藏体积压裂后,水力裂缝与天然裂缝耦合条件下的产能预测模型,综合考虑吸附、解吸、扩散、裂缝网络等非线性流动效应的作用,并分别运用有限差分、嵌套性有限差分方法及牛顿拉普森迭代法进行求解。最后,结合我国某页岩区块实际井对体积压裂后产能进行影响因素分析。该模型对页岩气藏水平井压裂设计、压裂参数优化以及产能评价研究都具有一定的指导意义。     

页岩气藏压裂动用程度及气体流动模拟研究

页岩储层孔喉细小、渗透率低,水力压裂后形成主裂缝及诱导裂缝网络加剧了页岩气流动的复杂性。为了准确表征页岩气拟稳态渗流特征,提出了离散裂缝耦合多重连续介质系统数学表征方法,并针对储层裂缝分布形态,利用商业数值模拟器建立了考虑吸附/解吸的页岩气藏离散裂缝耦合多重连续介质数值模拟模型。模型中采用局部网格加密的方法描述离散裂缝网络,基于建立的多重连续介质系统数学方法表征压裂后形成的密集分布微小裂缝体系。利用建立的模型,系统分析了储层横向/纵向动用程度以及裂缝导流能力、裂缝半长、裂缝排布方式等裂缝参数对页岩气泄气面积和气井产能的影响。研究发现,增大储层改造体积能够大幅度提高页岩气单井产量,但同时应当考虑主裂缝与次裂缝网络的配置关系;当储层改造体积相同时,最大限度提高裂缝与井筒之间的连通程度是提高页岩气产量的必要条件。研究认为,上述研究结果对页岩气压裂改造设计具有一定的理论指导意义。      

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。     

页岩气储层蠕变特性及其对页岩气开发的影响

页岩气储层渗透率极低,必须经过压裂改造才能形成有效产能,大量狭小自支撑裂缝在天然气解吸及流动中具有重要作用。页岩气储层生产周期长,人工裂缝导流能力对裂缝变形极其敏感。研究结果表明,页岩气储层具有一定的蠕变特性,并随着粘土含量的增加而增强。压裂改造后,储层会产生大量裂缝,裂缝闭合蠕变是蠕变形变的主要形式。裂缝的存在会使储层蠕变速率大幅度提高,并对裂缝导流能力产生不可忽视的影响。裂缝闭合蠕变速率与裂缝界面之间、裂缝界面与支撑剂间的相互作用有关,并与基质蠕变速率成正比。压裂改造形成的裂缝网络越发育、单裂缝宽度越小,蠕变对裂缝导流能力的影响越大。在页岩气数值模拟中,考虑裂缝闭合蠕变的累积产量与未考虑裂缝闭合蠕变的累积产量相差较大。同时,在地应力计算、储层可改造性、支撑剂和施工参数优选以及生产方式的选择等方面也应考虑蠕变的影响,保持流体压力有利于减小蠕变形变,维持裂缝导流能力,提高气井产能和采收率。     

页岩气井压后返排规律

岩气藏通常都需要进行大规模的水力压裂才具有工业开采价值,但是页岩气井压后返排率普遍较低。针对这一问题,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了天然裂缝间距、裂缝导流能力、压裂规模、压力系数和关井时间等因素对返排的影响,并从机理上分析了页岩气井压后返排困难的原因。结果表明:返排率随天然裂缝间距、裂缝导流能力和压力系数的增加而增加,随压裂规模和关井时间的增加而减少;从微观机理进行分析,水通过毛细管自吸作用进入微裂纹,页岩基质中矿物颗粒间原有的氢键被羟基取代进而发生水化作用,造成新的微裂纹的产生和主裂缝的扩展,形成复杂的裂缝网络,使得大部分水难以返排,返排率低;对于页岩气井压裂,一般裂缝间距和裂缝导流能力较小、压裂规模很大,很大一部分注入水存在于比表面积极大、形态极为复杂的裂缝网络中,以致无法返排。结论认为:页岩气井压后返排率的高低受多种因素的影响,不应该刻意追求返排率;低返排率的页岩气井的产量一般较高。     

气井压裂裂缝参数优化设计

低渗透气藏渗透率低，渗流阻力大，往往须通过压裂改造才能获得工业气流，而合理的裂缝参数是水力压裂取得良好效果的关键。从气体在低渗透气藏中的渗流机理研究入手，考虑了气体非达西渗流对产量的影响，建立了气井压裂产量预测模型，在裂缝导流能力的计算中考虑了裂缝的失效性。对现场实例进行了模拟计算，以压裂改造后的采出程度为目标进行了裂缝参数优化设计，并分析了渗透率各向异性对产气量的影响。研究结果表明，渗透率各向异性越强，产气量增加幅度越小；优化的裂缝导流能力为30～40μm^2·cm，缝长比为0．25—0．3。