超低渗低压气田特殊渗流机理与经济开发可行性探讨

超低渗低压气田特殊渗流机理与经济开发可行性探讨 超低渗低压气田特殊渗流机理与经济 开发可行性探讨 葛家理1 尚根华2 涂彬1 (1中国石油大学(北京)2中国石化勘探开发研究院) 摘要本文以我国超低渗低压气田为实例，在大量实验数据分析和对实际生产数据分析的 基础上，发现了超低渗气藏具有“可动气低压增量现象”，即在低平均压力的时候，储集层中可动气 饱 和度比高平均压，?为高。理论分析明，超低渗气田中气体渗流具有复杂的作用力，本文根据 实际生产数据以及实验所得到的渗流非线性的新规律，对实际气田的单井有效产能和单井控制储 量进行了新评估，提出r采用煤层气技术进行气藏开发的建议。为该类型的气田经济开发提供了 理论支持。 关键词低渗透渗流机理产能评估可动气 引 言 低渗透气藏在国内外分布广泛、种类繁多，我国的低渗透气田储量占整个储量的30,左 右，今后将更多地对低渗低压气藏进行开发，对此类气田特殊渗流机理的研究，为高效开采天 然气提供理论基础，并提供经济开发的思路，具有重要的现实意义。 1研究思路 如图1，本文研究的目的是确定特殊渗流规律，在此基础上探索经济开发模式。由于在生 产巾，超低渗的灭然气田存在许多的小利因素，本文试图通过研究，在多种不利因素中探索认 识有利凶素，并将其转化为经济开发生产力。 木研究将通过利用核磁共振及流动实验研究可动气及渗流动态规律，以及电镜扫描分析， 压汞实验，分析岩心的孔隙结构分布特点，全面认识超低渗气田中气体渗流机理;并进行多种 增产可行性实验评价，对增产的一些技术的可能性进行研究，在此基础上提出创新性的经济开 发思路，、 2低渗低压气体渗流新现象及新认识 2(1 j，本文研究发现了超低渗气田“可动气低压增量”现象 2(1(1核磁共振实验发现了低渗介质岩心在低压状态下可动气量有增加现象 测试了不同平 均压力卜，的町动气体饱和度，如图2、图3，根据测试结果(如图3)可以看 出:无论岩心中是否含水，随地层压力的降低，可动气体饱和度都有增加。 作者简介:涂彬，男(讲师，1974年出生，从事油气田开发L程方向研究。 164—— 图1本文研究思路结构图 o g型 罂 图2不同压力条件下测试核磁712谱曲线 2(1(2气田现场生产验证了低压低渗气田“可动气低压增量”现象存在 室内实验的发现利翊Y 气田现场生产数据中得到了证实(如图4):(1)超低渗气田具有 可动气低压增量现象，尤其是在地层压力降低至一定程度的时候，气井的控制可采储量有所增 加。(2)在气井生产压力F降至一定程度的时候，又出现了另一种附加动力使可采储量得到 双重增产。 2(1(3地层含水对低压可动气体增量规律具有较大的影响 从图3中可以看出，无论模型中是 否含水，随地层压力的降低，可动气体饱和度增加;但模 型中含水将极大地降低可动气体饱和度数量因此含水气藏的开发难度高于纯气藏的开发，其 采收率也有很大的降低。 一165— 一@一避霹曰}堆r臀曹 ?旨;帅孙?的帅?? m o 图3不同平均压力下可动气体饱和度对比 圈4 xx井的号一?Q关系曲线图 2(2超低渗气田“可动气低压增量”现象的原因辨识 根据实验及现场验证的突破，本研究进行 “可动气低压 了利用室内渗流实验研究来认识 增量”的原因和机理，认为超低渗气田渗流规律遵循“非线性附加动力型渗流模式”。2(2(1超低渗气田特殊渗流动、阻力预见 对于超低渗气田，其渗流时可能存在如下几种力: (1)动力:由地层压力提供的地层动力、压差增大后被压缩气体释放产生的弹性动力、低 渗介质渗流时由于气体分子平均自由程受孔隙半径大小约束而产生的分子滑脱动力、在低压 力状态下由浓度差产生的扩散动力; (2)阻力:气体渗流时由于黏度产生的黏滞阻力以及气体运动由于加速度或者气体分子 整体运动方向发生改变而产生的惰性阻力(一般认为在低速时不存在)。 由此可见，研究超低渗气体低压可动气增量现象的机理就是要辨识有哪些新的动力出现。 2(2(2低渗气体渗流力学系统分析与模式辨识 (】)气体渗流有无附加动力阻力的辨识。 ——166—— 采用流量与压力梯度Q一等的关系曲线进行辨识。渗流的方程式写成为如下的形式U D (式1)，则可以认为渗流的过程中没有存在附加的动力、阻力(如图5中曲线c)，如果实验得 到的数据出现的是嗌线，并且曲线是凹的(如图6)，则说明气体在渗流的时候，会产生一些附 加的动力。实验结果表明在气体渗流过程是明显的动力增加型(如图6)。 譬:Ao (1) 童 鲁? 培 揲牒鬣篇龆。 图5二项式示意图 图6岩心渗流曲线图 (2)渗流过程弹性驱动力的辨识。 如果Q一等之间出现线性的关系，说明在气体渗流的过程中只出现摩擦阻力、压力和弹n厶 性动力。从实验结果来看，Q一等的关系曲线均为非线性的(如图7、图8所示)，说明在气nL 体的渗流中动力不仅仅只有地层压力和弹性动力，还存在别的附加动力。 苏35—16—8(2，43,108 1井 苏38一10-4，2，133,158一l井 m1 20(1 霉 0(08 冒0(08 匠 避 0(04 0(02 o】alm=105MPa。 J67, 初始阶段的曲线的斜率大于后一阶段的斜率， 表明在初始的阶段出现除气体滑脱动力之外的 附加动力，我们将这个动力称为“气体猾脱分子 动力”。 一穹、导一b 同时，盖一F不是一条直线，说明除弹性滑 锄蚯蚰两?龉?坫加 0 脱动力之外还有非渗流浓度扩散动力。0 (4)实际生产数据对“非线性附加动力型渗 流模式”的验证。 图9墨一i关系曲线 实际的生产数据中号一?Q的关系曲线也 能表明在超低渗气田气体渗流存在“非线性附加动力型渗流模式”(如图4所示)。 对于低渗透岩石 来说，由于压差的作用，气体将向井底渗透，这时有一部分被砂岩颗粒吸 附的甲烷将脱附出来，并参与渗流。当压力小到某种程度时，渗流时主要的产量为两部分组 成:渗流部分和脱附部分，而对于低渗透岩石来说，其中的渗流在某些大孔隙中符合Darcy定 律，而在某些小孔隙中，气体分子几乎不能自由运动，决定气体分子运动的不是压差，而是浓度 差，呈现扩散运动。 3超低渗低压气田渗流机理模式研究 3(1拟指数处理模式 我们町以将岩心实验表示的气体渗流机理用 如下的形式来表示 (2) 口=警筹鲁(一+训盅) 式中，?一一岩心的截面积; Psc——压 力; Z。，——标准状态下的偏差因 子; 瓦。——标准状态温度; z——实验 温度与压力下的偏差因子; “——实验 温度与压力下的气体粘度; i一实验平均压力; 疋——岩心的绝对渗透率; 5——滑脱作用的修正系数; n——我们定义为渗流的指数; 粤一一压力梯度。 可以进一步写成为渗流速度的形式: (3) V=寺警薪鲁(，+剐盅) 一i68一 这样，司以将前而的几种力表不出来: 黏滞阻力掣; 滑脱动力K=配(1+吾)。; 扩散动力7=券“; 对于n来说，具有如下的一些特点: 如果n=1，„=0，则表示渗流的过程中除了驱动压力以及扩散动力之外，滑脱动力为0，此 时是典型的气体渗流压力系统，而阻力主要是摩擦阻力。 如果n>1，g>o，表示在渗流的过程中，除了滑脱动力、驱动压力之外，还存在第三种分子 动力，例如分子扩散动力;阻力只存在和驱动压力对应的摩擦阻力。 如果n<1，g>0，表示存渗流过程中，渗流阻力除了摩擦阻力之外，还存在其他类型的阻 力，例如惯性阻力。 3(2超低渗气体稳定渗流与非稳定渗流模型 对于渗流运动方程式(3)，可以推导在稳定径向 渗流的时候气井的产能公式。首先定义 一个新的压力函数: (4)帅)=』暑(1+吾)“dP 通过推导，可以得到稳定渗流产量公式: (5) Q一警?+丢)2蠢(，+新 r” 以及非稳定渗流时的压力分布公式为: (6) ?+丢)2_p2(，+新=z(盏)[埘(一石,2)】 4超低渗低压气田渗流机理与渗流规律的应用 4(1对超低渗气田储集能力的再评估 应用稳定渗流产量公式对实际气田中两口气井的稳 r分析，得到如表1所示 定试井进行 结果。 表1产能计算结果 原分析方法 本文计算 井号 pfMPa) n(M珊) P订(k,Pa) P。r(NPa) q^oF(104一,d) g^oF(104m?,d) X1# 15 21 27(75 25(628 25 27 75 43 9 ll 27(07 65 17 384 21 X2井 23(385 28 33 注:腺分析方法数据来自于气田单位研究。 i69 同样，据本文提供的理论基础计算得到了两口井的可采储量及不同驱动力储量分级如表2。 表2利用新渗流规律计算储量结果 弹性动力储量 滑脱动力十扩散动力储量原解释 本文计算 井粤 l r104m31 f104?3)(104m3) “04一) 4954 3500 1500 2000 XI井 2450 1450 J000 3273 X2井 以上研究可知:(1)用本文提供试井公式评估产能只是原来理论计算的85,;(2)用本文 提供的理论计算得到的可采储量只是原来储量的72,;(3)值得特别指出的是:若认为气田只 靠气体压缩弹性能量得到的可采储量只是原来的36,;(4)由本文提出“低压克氡气增粮”现 象町占我们得到可采储量的50,左右。 4(2对超低渗气田增产方法再探索 温度增加会导致气体渗流滑脱能力的增强，但也会增加气体黏度，所4(2(1升温增产探索 以，两种作用力共同 使得天然气渗流具有复杂性(图10，图11)。 lg(dp,dLXMPa,cm) 0 Ig(dp,dLXMP“cm) 2(5 —2 —1(5 1 —0(S 02 一1(5 一l O 一2(5 —O(5 一0一嚣 。毫 -】5露一 一2 一2(5 —3 1 图1 图10 105?度时渗流曲线指数形式 75。C度时渗流曲线指数形式 4(2(2气体驱替增产探索 气体渗流的流龟(流速)并不是单一的随着气体黏度的升高而下 降。同一温度下，氦气黏 度最大，而二氧化碳黏度次之，天然气黏度最小。然而从流动能力上看，氦气的流动能力最强， 天然气次之，二氧化碳最小(如图12)。从相对分子质量的角度考证，相对分子质量越小产生 的滑脱效应将越大。 童 宅 删 璃 图12不同气体压力差一流量关系曲线 170 4(2(3多次压裂技术探索 岩心渗透率、孔隙度随有效应力增大呈指数函数关系变化。因此随上覆压力的提高，有效 应力增大，地层将受到的伤害。体现在产量降低，开发效果变差。 单循环和多循环敏感性实验结果均表明，有效应力上升后对地层产生的伤害，在有效 应力降低后不能恢复到原始状态，随循环次数的增加，同样的有效应力产生的伤害在增加 (见图13)。因此气藏开发过程中应该尽量避免产生过度的压力波动。这提示我们对于类 似的低渗透气田，重复压裂应废慎重考虑。 鲁 i* 蛔 璐 图13岩心循环压力渗透率变化 4(2(4气田含水位置对气井产能影响探索 为研究地层水对气体渗流的影响，设计了如图14所示的实验模型。模型中岩心的基础物 性参数完全相同，只是在真空饱和时饱和度流体不同。 图14模型中岩心的摆放示意图 实验中我们共进行了三组实验，主要考察了含水岩心在气井附近，地层中部和气井远端三 种情况下的气体生产，实验结果见表3。 J7Z 表3含水岩心不同位置下平均压力下降速度对比【相同产量 第一捌 第二测 第三测 第四寝f 第五测 第六测 测压点的读 平均 数压点 压点 压点 雎点 压点 压点 24 23 8 03 18 03 01 28(03 30 99 3l 97 5I地层-fl部 含水岩心97l 16 4(018(0338 030097 16(97 26 在气井远端 舯位置67l 01 14 0l 23(? 974 01 5(999 9 气井井底附近 从实验结果分析，当气井附近地层含有一定水时，其中的水虽然处于束缚状态下，但仍然 会对气井的生产产生较大的影响; 在地层中部含水层，对气井的生产影响最大，这是由于含水层极大地限制了远端地层中的 气体的供气能力。因此建议由必要针对实际油田含水层的情况，进行系统的勘探，寻找水层的 位置和走向，在此基础上再设计开发井位和射孔位置等，傲到事半功倍，有的放矢。 5 采用科技创新和创新经济开发苏里格超低渗气田的建议 5(1超低渗气田具有某些类似于煤层气田的特征 在储集层特征、伤害机理、产出特征等方 面，低渗透气田和煤层气田具有一定程度上的相 似性，如表4所示。 表4超低渗气田与煤层气对比简表 超低渗气田 煤层气气田 赋储集层类型 致密砂岩 煤层 存状态 游离态 吸附态 物性 低孔喉、低孔隙、低渗,超低渗差 含本性 气水两相，含水较多 伤害类 掣 五敏伤害、气,水锁及压敏 伤害敏感本质 孔喉太小( ( 气产量 气产量低,衰减特快 气产量特低,衰减慢 外闱供给能力 差，致使产量衰减迅速 产水情况 产水 排水产气 关抖压力恢复 慢，袁明孔隙连通性极差、地层能量不足 5(2应用煤层气技术及政策开发苏里格气田的思路 (1)寻求政策支持与税率的优惠。 由于致 密天然气(苏里格气出)和煤层气的开发性质比较接近，都是单井产量低，递减快， 控制范围比较小，气井的经济效益不高。所以我们建议，争取到类似国家给予煤层气开发的优惠政策(如增值税由13,降为5,)来开发超低渗气田。 (2)降压开发。 南于以下的一些原因， 对于超低渗气田，可以采用降压开发的模式，共至可以考虑负压 抽排: 一，72— ?单井目前控制面积小，导致储量动用程度差，控制储量小，而?类和?类储量难以动用; ?单井稳产产能低，稳产时间很短，几乎没有稳产期; ?单井累积产量小，寿命短; ?适合大压差生产; ?应进行大型压裂增产措施，提高单井产能和储量动用程度。 从目前来看，气层的供应能 力实际上小于气井的生产能力，尤其是在第一个生产阶段。建 议进行现场实验，以确定地层的供应能力，或者说地层持续供应的可能性问题。 6结论和建议 (1)本文通过实验研究，发现了超低渗气田低压可动气增量现象，并在诸多不利因素中找 到了积极因素，为经济开发找到了理论依据; (2)辨识了低渗低压气田渗流中的四种动力，其中两种为附加动力，即滑脱动力和浓度扩散动力; (3)根据实验研究，建立了低渗低压气田的非线性附加动力型渗流模型，以此为依 据重 新评估r试验区中的可采储量与产能(町采储量仅达容积法计算的40,一50,，产能也相 差较多); (4)提出了应用煤层气开发技术及政策模式开发超低渗气田的建议。 参考文献 I葛家理等(现代油藏渗流力学原理北京:石油工业出版社，2003 Porous Media and Casesto (Drill(and M 2 Liquids Prac，API(1941)200—13J(The ，L Permeability„f Klinkenberg Effect of overburden and water saturation oll of 3 R?D Thomas(Don C(Ward gas permeability tightpressure of Petroleum sandstone cores Joumal ，1972Technologyof Cretaetmus of Gas in Sandstones in the Unita Basin(Journal Factors Tight 4 Age Affecting Slippage K(Sampath，etc Petroleum ，1982TechnologyDual—Mechanism the Flow of Gas in A Gas to Tight5 Unique Approach Erterkiil，etc(Dynamic Slippage Turgay FOn”日ti吣SPEl2045 173