基于低渗气藏渗流机理实验的水平井产能评价研究_蒋开.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-11修回日期 2020-05-13 第一作者简介 蒋开 （1985-） ， 男 （汉族） ， 四川成都人， 工程师， 现从事油气田开发及油藏数值模拟研究工作。 基于低渗气藏渗流机理实验的水平井产能评价研究 蒋开*1， 成涛 2， 管 琳 2， 何 巍 1， 吕新东1 （1.成都北方石油勘探开发技术有限公司， 四川 成都 610051； 2.中海石油有限公司湛江分公司研究院， 广东 湛江 524057） 摘要 开展低渗气藏渗流机理研究， 通过应力敏感实验获得渗透率随有效应力变化规律， 并结合启 动压力梯度模拟研究确定了合理的启动压力梯度取值。在渗流机理研究基础上， 对Joshi模型进行 扩充和改进， 建立了低渗气藏的水平井稳态产能预测模型。通过实例计算， 分析应力敏感、 启动压力 梯度和非达西效应对水平气井产能的影响。结果表明 低渗气藏应考虑应力敏感对产能的影响， 启 动压力梯度和非达西效应对产能影响较小， 在计算时可做适当考虑。 关键词 低渗透； 应力敏感； 启动压力梯度； 水平井； 产能 中图分类号 TE34 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0056-04 应力敏感和启动压力梯度是影响低渗气藏开采的 关键因素， 随有效应力增大渗透率降低， 气体渗流的阻 力也将增大， 加之启动压力梯度影响， 气井产能将进一 步衰减。贺玉龙[1]、 肖文联[2]等针对渗透率应力敏感做 了大量实验研究， 认为渗透率随净应力变化为乘幂关 系而非指数关系。宋付权[3]、 章星[4]等针对低渗油气藏启 动压力梯度实验工作发现启动压力大都在0.1MPa/m 以上。刘启国[5]、 郭肖[6]等基于Joshi研究， 建立考虑启 动压力梯度和应力敏感的产能方程， 但上述研究均未 基于实际的低渗气藏渗流机理， 不能准确反映实际低 渗气藏渗流特征。笔者基于渗流机理研究， 通过实验 获得了渗透率随有效应力变化规律， 并应用模拟研究 和实验对比方式确定合理的启动压力梯度。基于渗流 机理研究， 对Joshi模型进行扩充和改进， 建立更加符 合低渗气藏的水平井产能评价模型， 对分析应力敏感、 启动压力梯度和非达西效应对低渗气藏产能具有一定 的指导意义。 1低渗气藏渗流机理研究 1.1应力敏感实验研究 1.1.1应力敏感实验 选用了H气藏的6块岩样进行了常规应力敏感实 验， 分析有效应力的变化对渗透率的影响， 为后期评价 单井产量和气田开发技术指标提供实验基础。实验采 用氮气为流体介质， 6块岩芯开展应力敏感实验， 其中 岩芯HD1孔隙度15.3， 渗透率0.48mD， 实验结果见 图1。从图1可以看出， 加载过程中随着净应力的升 高， 渗透率逐渐降低； 卸载过程与加载相反， 但渗透率 不能恢复至原对应值； 同时， 渗透率在净应力开始变化 时下降速率快， 当净应力大于一定值后， 其下降幅度变 缓。主要原因是由于岩石在开始受压时大孔隙被压 缩， 当岩石性质变得稳定时， 净应力继续增大， 孔隙和 吼道难以被压缩， 渗透率下降速度变缓。 图1HD1样品渗透率与净应力关系 1.1.2净应力与渗透率关系研究 运用四种关系 （线性关系、 指数关系、 乘幂关系和 对数关系） 分析净应力和渗透率之间的关系， 从多角度 对样品加载和卸载所取得的实验数据进行拟合。对比 56 2021年第1期西部探矿工程 分析认为对数关系和乘幂关系在加载的拟合情况均较 好， 相关系数均在95以上； 指数关系在加载过程的拟 合情况较卸载过程更为理想； 线性关系在加载和卸载 过程的拟合情况均较差。图2是岩芯HD1加载和卸载 过程净应力和渗透率乘幂关系的拟合情况。 图2HD1 加载和卸载过程渗透率与净应力关系 因此， 基于应力敏感伤害实验研究成果， 考虑利用 乘幂关系表示渗透率随净应力变化关系， 即储层渗透 率随有效应力变化规律按如下关系式表示 kpkipi-p -αk （1） 式中αk应力敏感指数， 无量纲； ki原始渗透率， 10-3μm2。 1.2启动压力梯度模拟研究 1.2.1岩芯样品基础参数 低渗透及致密储集层中渗流通道， 在孔喉处易形 成水化膜， 气体流动时压力梯度必须突破水化膜才能 流动， 这种临界压力梯度即为启动压力梯度， 并且渗透 率越低启动压力梯度越大。为了研究启动压力梯度对 气体渗流的影响， 选用了H气层另外6块岩样进行了低 速渗流数值模拟研究， 岩芯样品基础参数见表1。 1.2.2启动压力梯度模拟研究 数值模拟采用均质一维模型等效岩芯样品， 模型 大小、 孔隙度、 渗透率及驱替前含水饱和度值均与岩芯 样品相同。动态模拟过程采用定阶梯注入压力拟合渗 流速度的方法得到渗流速度与压力梯度之间的关系， 样品号 HD7 HD8 HD9 HD10 HD11 HD12 长度 （cm） 6.238 5.680 4.466 4.487 6.2 5.952 孔隙度 （） 7.72 4.80 9.51 13.80 7.51 8.24 渗透率 （10-3μm2） 0.5916 0.4839 0.6063 1.5300 0.1195 0.147 驱替前含水饱和度 （） 42.59 57.23 24.86 25.69 60.43 51.82 表1岩芯样品基础参数 为了对比毛管力对低速渗流及启动压力梯度的影响， 同时开展无毛管压力模拟， 通过对6块岩芯模拟结果回 归处理， 得到了各样品在考虑与不考毛管压力条件下 的启动压力梯度 （表2） 。 通过数值模拟研究， 结合表2结果， 可以得到如下 结论和认识 （1） 实测启动压力梯度平均值13.3MPa/100m， 远 大于模拟平均值0.12MPa/100m， 主要原因是实验测试 受设备精度限制， 驱替压差不能无限制地减小， 因此造 成实验测试启动压力梯度偏高， 当采用数值模拟技术 将驱替压差减小到0.0005MPa后得到的启动压力梯度 明显降低， 研究认为H气藏启动压力梯度在0.12MPa/ 100m左右。 （2） 数值模拟计算表明考虑毛管压力即可得到岩 芯的启动压力梯度， 说明毛管压力是产生启动压力梯 度的主要原因之一。地层水与油藏岩石表面之间的粘 滞力， 以及实验测试条件等因素是使启动压力梯度的 实测值大于模拟值的原因之一。 （3） 不考虑启动毛管压力时模拟得到的启动压力 梯度为负值， 产生这一现象的原因是由气体在岩石表 面的滑脱造成的， 即气体在岩石颗粒表面表现出有限 的速度， 它导致气体具有较高的流量， 因而造成了负启 动压力梯度值。 2低渗气藏水平井产能方程建立 基于前人研究， 考虑应力敏感、 启动压力梯度和非 达西效应的运动方程可以表示为 57 2021年第1期西部探矿工程 dp dr μ kp vβρv2＋λB（1） 1986年， Joshi[7-8]将三维渗流场简化和等值渗流阻 力原理得到水平气井产能预测模型。基于式 （1） ， 在 Joshi研究的基础上推导出考虑应力敏感、 启动压力梯 度和非达西效应的稳定态水平气井的产能计算模型 ∫pwf pe2pkhp μZ dp qsc πh pscT Tsc [ln 2ab L khh kvLln h 2πrw] ρscqsc2 2π2h2 pscTkhpˉ μ ˉTsc {β[1- L 2ab] β ′h2 L2（ h 2πrw -1） } 2pˉkhpˉ μ ˉZ ˉ λBre-rw- L-h 2 （2） 令 ψ′p∫p b p2pkhp μZ dp D ρsc 2πh kpˉ μ ˉ {β[1- L 2ab] β ′h2 L2（ h 2πrw -1） } SaSDqsc E 2pˉkhpˉ kμ ˉZ ˉ λBre-rw- L-h 2 式 （2） 可简化为 ψ′e-ψ′w qscpscT πhTsc [ln 2ab L khh kvLln h 2πrw Sa]E （3） 式中ψ′p考虑压敏效应的拟压力函数； D非达西系数； Sa考虑非达西的表皮系数； E启动压力梯度项。 3实例计算与分析 A1H井位于H气藏中部， 水平段长度635m， 气藏 中深2877m， 地层温度91℃， 气层厚度12m， 地层压力 26.31MPa， 气体相对密度0.61， 气体粘度0.02mPas。 A1H 井试井解释水平渗透率 0.34mD， 垂向渗透率 0.012mD， 表皮系数-2.2。根据渗流实验及机理研究， H 气藏应力敏感系数0.3， 启动压力梯度0. 0012MPa/m。 投产初期对A1H进行修正等时试井， 求得无阻流量为 9.52104m3/d。 3.1模型验证 运用本文模型对 A1H 井进行预测， 结果见表 3。 计算与和实际的相对误差仅为4.41， 表明本文所建立 的产能预测模型准确可靠。分析不同因素对产能的影 响， 发现应力敏感＞非达西渗流＞启动压力梯度， 因此 在低渗及致密气藏产能计算中必须考虑应力敏感， 启 动压力梯度和非达西渗流建议做适当考虑。 模型 实测 本文公式 考虑应力敏感 考虑启动压力梯度 考虑非达西渗流 日产气量 （104m3/d） 9.52 9.94 10.74 13.89 13.31 相对误差 （） 0 4.41 12.82 45.90 39.81 表3A1H井实例计算结果 3.2应力敏感对产能的影响 取应力敏感系数α为0、 0.1、 0.3、 0.5， 分析其对产能 的影响。由图3可以看出， 产量随着应力敏感系数的增 大而逐渐减小， 主要原因是低渗气藏中应力敏感增强 导致渗透率大幅下降， 渗流阻力增大导致气井产量越 小。H气藏α值为0.3， 考虑为9.94104m3/d， 不考虑为 样品号 HD7 HD8 HD9 HD10 HD11 HD12 平均值 启动压力梯度 （MPa/100m） 实测值 15.73 10.35 20.53 12.84 13.51 11.83 13.31 模拟值 （考虑毛管力） 0.1052 0.1038 0.1102 0.1754 0.1586 0.0456 0.1196 模拟值 （不考虑毛管力） -1.9589 -1.9432 -0.4212 -0.3128 -0.0547 -0.3831 -0.6735 表2启动压力梯度模拟结果 58 2021年第1期西部探矿工程 13.20104m3/d， 影响约33， 应力敏感对产能的影响较 显著， 因此在产能评价中必需考虑该因素。 图3不同应力敏感系数下的IPR曲线 3.3启动压力梯度和非达西效应对产能的影响 取启动压力梯度λ为0、 0.001、 0.05、 0.01MPa-1/m， 计算不同条件下IPR曲线。从图4可以看出， 当启动压 力梯度分别取0.001、 0.005、 0.01MPa-1/m时， 无阻流量 较不考虑时下降1.78、 6.74和12.26。H气藏启动 压力梯度为0.0012MPa-1/m， 对产能的影响不到2， 在 产能计算过程中可以忽略该因素影响。由图5可以看 出， A1H井考虑非达西效应的产能为9.94104m3/d， 不 考虑为10.53104m3/d， 影响5.94， 总体影响较小， 建 议在产能评价过程中适当考虑。 图4不同启动压力梯度下的IPR曲线 4结论 （1） 选取了H气藏6块岩芯进行应力敏感实验， 分 析认为应利用乘幂关系表示渗透率随净应力变化关 系； 开展了6块样品的低速渗流实验数值模拟研究， 通 过减小驱替压差模拟计算得到了较实验测试更为准确 的启动压力梯度， 研究认为 H 气藏启动压力梯度为 0.0012MPa/m。 （2） 基于低渗气藏渗流机理研究， 建立了考虑应力 敏感、 启动压力梯度和非达西渗流的水平气井稳定产 能预测模型， 模型能够准确地反映低渗气藏渗流机理， 计算精度较高。 （3） 分析渗流参数对产能的影响发现 H气藏水平 井考虑应力敏感效应和不考虑应力敏感产能影响约 33， 在产能评价中必需考虑应力敏感对产能的影响； 启动压力梯度和非达西效应对压裂水平井产能的影响 较小， 在产能评价中可适当考虑。 参考文献 [1]贺玉龙， 杨立中. 围压升降过程中岩体渗透率变化特征的试 验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2004， 233415-419. 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