頁(yè)巖氣藏滲流機(jī)理及產(chǎn)能評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣藏滲流機(jī)理及產(chǎn)能評(píng)價(jià)

現(xiàn)在，黃巖的勘探和開發(fā)已成為世界的中心。在美國(guó)和加拿大，一些盆地進(jìn)行了巖漿巖的商業(yè)勘探。2009年美國(guó)巖漿巖產(chǎn)量占美國(guó)天然氣總量的近15%。研究表明中國(guó)也擁有豐富的頁(yè)巖氣資源,初步計(jì)算頁(yè)巖氣資源量約為(15~30)×1012m3,開發(fā)前景廣闊。在儲(chǔ)層條件下頁(yè)巖氣藏中20%~80%的氣體以吸附態(tài)儲(chǔ)存在頁(yè)巖基質(zhì)顆粒表面,其余絕大部分以游離態(tài)儲(chǔ)存于孔隙和裂縫中。針對(duì)頁(yè)巖氣存在特有的吸附解吸特性,國(guó)外許多學(xué)者通過(guò)修正物質(zhì)平衡時(shí)間、建立半解析數(shù)學(xué)模型及整合Blasingame產(chǎn)能遞減等方法在頁(yè)巖氣產(chǎn)能方面取得了一系列研究成果,但其將頁(yè)巖氣藏假設(shè)為均質(zhì)儲(chǔ)層,不能很好的體現(xiàn)頁(yè)巖氣藏滲流特征。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于頁(yè)巖氣滲流機(jī)理及產(chǎn)能評(píng)價(jià)的研究仍處于一片空白,因此筆者在考慮頁(yè)巖氣的吸附解吸特性的基礎(chǔ)上,利用點(diǎn)源函數(shù)法及質(zhì)量守恒法則,結(jié)合頁(yè)巖氣藏滲流特征對(duì)傳統(tǒng)的滲流微分方程進(jìn)行修正,建立雙重介質(zhì)壓裂井滲流數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)值反演及計(jì)算機(jī)編程繪制了產(chǎn)能遞減曲線并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。1頁(yè)巖氣的受壓降作用后解吸行為頁(yè)巖氣藏是一種“自生自儲(chǔ)式”氣藏,開采過(guò)程中,地層壓力降低,打破原來(lái)的吸附平衡,原先吸附在頁(yè)巖基質(zhì)表面的氣體將發(fā)生解吸,形成游離態(tài)氣體,最終重新到達(dá)平衡。頁(yè)巖氣穿過(guò)頁(yè)巖孔隙介質(zhì)的流動(dòng)可描述為圖1所示的解吸、擴(kuò)散和滲流這3個(gè)過(guò)程。頁(yè)巖氣在裂縫和基質(zhì)中流動(dòng)機(jī)理:(1)裂縫中游離氣向井底流動(dòng),裂縫中壓力降低;(2)在壓降的作用下,頁(yè)巖氣由基質(zhì)向內(nèi)表面解吸;(3)在濃度差作用下,頁(yè)巖氣由基質(zhì)向裂縫中擴(kuò)散;(4)在流體勢(shì)作用下,頁(yè)巖氣遵循達(dá)西定律流向井筒。頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣藏最主要區(qū)別是頁(yè)巖氣主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于頁(yè)巖基質(zhì)中。Langmuir等溫吸附曲線能描述在恒溫條件下頁(yè)巖氣吸附解吸的平衡關(guān)系。等溫吸附曲線能定量描述吸附氣體的壓力和被吸附量之間的關(guān)系。由于吸附是解吸的可逆過(guò)程,等溫吸附曲線可以表征頁(yè)巖氣的解吸特征。1918年,Langmuir從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā),得出了單分子層吸附的狀態(tài)方程,即Langmuir方程。式中:VL—Langmuir體積(吸附氣的最大體積),m3/t;VE—吸附量,m3/t;PL—Langmuir壓力(吸附量達(dá)到最大吸附量的50%的壓力),MPa。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明,Langmuir等溫吸附曲線同樣適用頁(yè)巖氣的吸附解吸特性,因此目前主要運(yùn)用Langmuir等溫吸附原理來(lái)描述頁(yè)巖氣的吸附解吸。2不滲透界面邊界條件法頁(yè)巖脆性較強(qiáng),外力作用下易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫,通常將頁(yè)巖氣藏簡(jiǎn)化成雙重介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)模型。考慮頁(yè)巖氣解吸特性,利用點(diǎn)源法推導(dǎo)了考慮頁(yè)巖氣解吸的壓裂井?dāng)?shù)學(xué)模型。運(yùn)用質(zhì)量守恒和達(dá)西定律,獲得在頁(yè)巖裂縫中氣體流動(dòng)方程聯(lián)立(1),(2)式得對(duì)方程組(4)求解,運(yùn)用疊加原理和鏡像反映得到上下邊界為不滲透邊界的連續(xù)點(diǎn)源解上面(2)-(5)式中:Pg—壓力,MPa;ψg—擬壓力;Zg—?dú)怏w的壓縮因子,無(wú)量綱;μg—?dú)怏w粘度,MPa·s;ρg—?dú)怏w密度,kg/m3;re—泄油半徑,m;rw—井筒半徑,m;s—拉普拉斯轉(zhuǎn)換變量;φ—孔隙度,無(wú)量綱;cg—?dú)怏w壓縮系數(shù),MPa-1;cg—平均壓力下氣體的壓縮系數(shù),MPa-1;ctm—基質(zhì)的綜合壓縮系數(shù),MPa-1;S—表皮,無(wú)因次;K0,K1—修正二類貝塞爾函數(shù),0階或者1階;tD—無(wú)因次時(shí)間;rD—無(wú)因次半徑;λ—竄流系數(shù),m2;ω—彈性儲(chǔ)容比,無(wú)量綱;cD表示無(wú)因次井儲(chǔ)系數(shù),無(wú)量綱,xf—裂縫半長(zhǎng),m。下標(biāo)f,m,sc分別裂縫系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng),和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。3儲(chǔ)集層采動(dòng)裂縫的外部邊界以下簡(jiǎn)稱re裂縫雙重介質(zhì)封閉頁(yè)巖氣藏中一口垂直井的物理模型,如圖2所示,假設(shè)條件為:1)儲(chǔ)層頂部z=h和底部z=0為封閉邊,儲(chǔ)層在水平方向的半徑為re的封閉外邊界;2)垂直裂縫長(zhǎng)度為2L,高度為h,中心在(xw,yw,zw)處;3)儲(chǔ)集層各向同性,即各方向滲透率相等;4)忽略重力和毛管力的影響。點(diǎn)源解式(5)在[zw-h/2,zw+h/2]對(duì)zw積分,再在[xw-Lh/2,xw+Lh/2]上對(duì)xw積分,并考慮井筒儲(chǔ)效應(yīng)和表皮因子的影響,即可得到Laplace空間頂?shù)追忾]圓形邊界儲(chǔ)層垂直壓裂井井底的壓力響應(yīng)4頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能動(dòng)態(tài)特性VanEverdingen和Hurst研究表明在Laplace空間中定壓生產(chǎn)的無(wú)因次流量qD和定產(chǎn)生產(chǎn)的無(wú)因次擬壓力ψD之間存在以下關(guān)系:利用Stehfest法對(duì)Laplace空間qD反演,可獲得實(shí)空間無(wú)因次產(chǎn)量qD與無(wú)因次時(shí)間tD的關(guān)系,進(jìn)一步繪制了無(wú)限導(dǎo)流垂直壓裂井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線。根據(jù)式(5)-(6)得出了曲線的控制參數(shù)主要有PL,VL,ω,λ,xf。下面對(duì)各參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能動(dòng)態(tài)特征曲線曲線影響進(jìn)行分析。圖3反映了考慮吸附解吸與不考慮吸附解吸對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。頁(yè)巖氣藏考慮解吸吸附比不考慮了解吸吸附產(chǎn)量遞減更慢且生產(chǎn)時(shí)間更長(zhǎng),產(chǎn)量更加穩(wěn)定。圖4反映了Langmuir壓力(PL)對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。在同一Langmuir體積(VL)下,Langmuir壓力(PL)越大,壓力傳播越快,產(chǎn)量遞減越快。圖5反映了Langmuir體積(VL)對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。在Langmuir壓力(PL)相同的情況下,Langmuir體積(VL)越大壓力傳播越慢,產(chǎn)量遞減越慢。圖6反映了彈性儲(chǔ)容比(ω)對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。彈性儲(chǔ)容比對(duì)裂縫流動(dòng)階段的產(chǎn)能影響顯著,彈性儲(chǔ)容比越小,產(chǎn)量越低。圖7反映了竄流系數(shù)(λ)對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。竄流系數(shù)越大,竄流發(fā)生的時(shí)間越早,竄流階段的產(chǎn)量越高。圖8反映了裂縫長(zhǎng)度(xf)對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井產(chǎn)能動(dòng)態(tài)曲線的影響。壓裂裂縫長(zhǎng)度只能短期增加產(chǎn)量,壓裂裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)產(chǎn)量越高,在后期產(chǎn)能基本一致。圖9反映了邊界對(duì)壓裂頁(yè)巖氣井動(dòng)態(tài)產(chǎn)能曲線的影響。壓力波傳到邊界時(shí)產(chǎn)量急劇下降,邊界越大,壓力波到達(dá)邊界的時(shí)間越長(zhǎng)。5產(chǎn)量和分離技術(shù)影響產(chǎn)能1)與常規(guī)氣藏的主要區(qū)別是頁(yè)巖氣存在吸附解吸特性,把吸附解吸特性考慮到壓縮系數(shù)中,可以得出與常規(guī)氣藏滲流方程相一致的形式。2)頁(yè)巖的解吸特性,使得氣井產(chǎn)量遞減更慢且生產(chǎn)時(shí)間更長(zhǎng)。Langmuir體積越大,壓力傳播越慢,產(chǎn)量遞減越慢;Langmuir壓力越小,壓力傳播越慢,產(chǎn)量遞減越慢。3)彈性儲(chǔ)容比越大,裂縫