裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响_梁冰.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COALGEOLC阳Y 2.东北大学资源与土木学院，辽宁沈阳110004 摘要低渗透页岩气藏中，气体渗流时会受滑脱效应的影响．建立了考虑滑脱效应的气、水两相 页岩气藏渗流数学模型，并建立了理想地质模型，采用数值模拟方法，研究了水力压裂的不同裂 缝参数对水平井产能的影响。模拟结果表明裂缝条数、长度和问距是影响页岩气井产能的重要 参数，而裂缝宽度和渗透率对产能的影响相对较弱；页岩气井的产能随着裂缝条数和裂缝长度的 增加而增大；水平井的水平段长度及裂缝条数一定时，可通过增大裂缝间距来减少裂缝间的相互 千扰． 关键词页岩气；滑脱效应；压裂；裂缝参数；产能 中图分类号P618.13文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2015.02.009 Influence of fissure parameters on production capacity of shale gas horizontal wells considering slippage effect LIANG Bing1, DAIYuanyuan1, CHEN Tianyu2, SUN Weiji1, Q时Bing1 I. Department of Mechanics and Engineering Sciences, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China Abstract In shale gas reservoir with low permeability, gas seepage is influenced by slippage effect. A mathemati- cal model of two-phase gas-water shale gas reservoir with consideration of slippage effect and an ideal geological model were established. Numerical simulation was pered for the different parameters of horizontal well仕ac 阳reimpact on production capacity after hydraulic fracturing. The simulation results show that the number, the length and the spacing of fractures are the important parameters for shale gas well production capacity. As the number and the length of fractures increase, the production capacity increases. When determining horizontal sec- tion length and the number of台actures,enlarging the space between台acturescan reduce the mutual interference. The effect of fracture width and permeability on the production capacity is relatively insignificant. Key words shale gas; slippage effect，台acturing;fracture parameters; production capacity 页岩气作为常规油气资源的重要接替资源，其 勘探开发已成为现今社会的热点话题。我国已在页 岩气开发实验区钻井62口，其中24口获得工业气 流［I］。页岩气以吸附和游离状态存在于页岩中［2－坷， 渗透率极低，进行商业性开发的关键是水平井水力 压裂技术［6-7］。研究页岩气的渗流机理以及影响压裂 水平井产能的因素，对页岩气藏的增产有重要的理 论意义和应用价值。 国内，关于页岩气渗流机理及压裂井裂缝参数 对产能影响方面的研究较少。姚同玉等［8］通过修正 Darcy定律，建立了页岩气渗流本构方程；段永刚 收稿日期2013-12-06 基金项目国家科技重大专项课题。OllZX05040-005 等［9］建立了双重介质压裂井渗流数学模型；于荣泽 等［10］分析了气体在页岩储层中的流动机理；李晓强 等川提出了考虑页岩基质中达西流和扩散流的双重 流动机理模型；张士诚等（12］对网状裂缝的形成主控 因素及裂缝扩展模型进行了研究。然而，前人对页 岩气井渗流、产能和开采的研究，多沿用常规气藏 工程的理论方法进行分析；建立的页岩气渗流数学 方程，多在达西渗流基础上建立，而这与纳米级孔 隙中不能进行达西渗流相矛盾（13）。 本文针对页岩气在赋存、运移和产出过程中的 吸附、解吸、滑脱、渗流等特征，建立了基质系统 作者简介梁冰（1962－），女，辽宁盘锦人，教授，从事渗流理论及工程应用研究.E-mail lbwqx 引用格式梁冰，代援援，陈天字，等．裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响［J］.煤困地质与勘探，2015, 432 44-47. ChaoXing 第2期梁冰等裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响 45 遵循非达西渗流规律，裂缝系统遵循达西渗流规律， 并考虑滑脱效应影响的页岩气双重介质渗流数学模 型。利用数值模拟方法，研究了滑脱效应影响下不同 裂缝参数（包括裂缝宽度、条数、间距和长度等）在生 产过程中相互干扰，对页岩气压裂井产能的影响。 1 考虑滑脱效应的页岩气藏渗流数学模型 页岩是典型的双重孔隙系统，基质为气体的主 要存储空间，内部的裂缝发育，作为气体的流动通 道［14-15］。建立数学模型时，将储层部分的基质和裂 缝看作两个相对独立的系统。假设在页岩储层中， 只存在气、水两相流体，基质系统与裂缝系统之间 的质量交换通过水的窜流以及气体的解吸、扩散联 系起来，建立页岩气藏渗流的数学模型。 1.1 基本假设 a.页岩储层是非均质，各向异性的； b.页岩具有典型的双重孔隙结构； c.页岩储层中只存在气、水两相流体； d.页岩基质系统中的微孔隙是气体的主要储 集空间，裂缝系统既是储集空间，也是气、水两相 流体的渗流通道； e.裂缝系统中的气体是自由气体，表现为真实 气体特性；水是可压缩的流体。 1.2 渗流数学模型的建立 1.2.1 基质系统中 水在基质系统和裂缝系统中的质量交换被称为 窜流，可以表示为 q＝寸（川）1 其中q为单位时间内单位基岩体积中，从基岩流到 裂缝中的流体质量，kg/m3d）；α为窜流系数；ρ为 流体密度，kg/m3;为流体黠度，mPas;P1和几 分别为基质和裂缝的压力，MPa。 在页岩基质系统中，假设气体流动遵循非达西 渗流规律，气体分子的平均自由程与基质孔隙直径 接近，低速渗流时，会出现滑脱现象［叫，用Klinkenberg 效应描述，带有滑脱现象的渗率表达式为 ι＝ kgoo 1 ＋去J2 其中kgoo为Klinkenberg渗透率，m2;Pm为平均气 体压力，MPa;b是气体滑脱因子，与气体分子平均 自由程A成正比，与岩石孔隙半径r成反比关系 b4cλ凡Jr3 模型假设基质表面气体解吸的过程是在恒温条 件下发生的，因此用Langmuir等温吸附曲线进行描 述；扩散过程认为是非平衡拟稳态过程，遵循菲克第 一扩散定律。基质系统中，根据质量守恒定律可得 水相方程 －专（ι－ι）＝丛俨4 气相方程 v［川g1--g --[ -u吟DVlJ-j ] 14cλ／rg飞－1g ,, o -- r、（5 vm r c一－主主LI-apg伤S2g τl ＂＇凡＋乌E at 其中为初始孔隙度；Ki为绝对渗透率，Krg为气 相相对渗透率；PL为Langmuir压力，MPa;Cm为基质 内气体平均浓度；T为吸附时间，d;P1w、P1g 、P2w、 p挝、分别为基质和裂缝系统中水和气的压力， MPa; S1w、S1g、S2w、S2g分别是基质和裂缝系统 中水和气的饱和度；D为质量扩散系数；几为朗 格缪尔体积。 1.2.2 裂缝系统中 在裂缝系统中，流体的流动遵循达西定律，根 据质量守恒定律可得 水相方程 怦ι（Viw识）］＋ 6 专（ι－ι）叫＝吗ι 气相方程 怦旦（vig飞gVD] vm vm几1aρ纠S11, 」＇－Ic一－一一－＂－－I a_ －－－＂＇一一」L 7 T ［山凡＋乓gJ S; x,y, z,tl,;o S; x,y,z,t i w,g ChaoXing 46 煤田地质与勘探第43卷 2 地质模型的建立 以考虑滑脱现象的页岩气渗流数学模型为基 础，建立页岩气水平井理想地质模型，利用数值模 拟方法来研究人工压裂裂缝渗透率、宽度、条数、 长度以及间距对页岩气井最终采收率的影响。 建立长1000 m、宽500m、高20m的页岩气 藏水平井理想地质模型，采用不均匀网格方法，将 网格划分为1005011的网格模型（图1）。页岩储层 深度为1253.6 m，孔隙度为0.89，有效厚度为20m, 裂缝渗透率为30.6510-3m2，基质渗透率为0.005 10-3m2，原始地层压力为10岛1Pa。模型中间设置一口 页岩气水平井，水平段长为800m。模拟过程中，人工 压裂为4段，主裂缝半缝长100m，主裂缝间距为200m, 页岩气水平井以定井底压力方式进行生产，双孔模型中 的基质、裂缝窜流系数为0.15，忽略温度变化影响。 图l理想地质模型三维网格图 Fig. I Ideal geological model for 30 meshes 3 页岩气井产能影晌因素分析 3.1 裂缝宽度 页岩气井的累积产气量随着裂缝宽度的增加而 增大，但是增产幅度在降低。由图2可知，裂缝宽 度对页岩气井的生产动态影响较小。 20 16 e . 12 唰 礼 仨B E喝 4 0 一0.1 m 一－05m - Im 5m 0 2 4 6 8 10 12 14 16 时间／lOd 图2不同裂缝宽度累计产气量曲线 Fig.2 Accumulative gas production curve of different 台acturewidth 3.2 裂缝条数 人工裂缝的形成可增大气体的流动面积，提高 页岩气的最终采收率。在裂缝半长和水平段长度（水 平段长度800m）一定的条件下，页岩气井累计产量 与裂缝条数呈正相关关系（图3）；随着裂缝条数的增 多，累计产量的增产幅度却在降低。原因是随着裂缝 条数的增加，相邻裂缝间的干扰不断增大，使每条裂 缝的单独产量降低，增产幅度减小。随着生产时间的 增加，不同条数裂缝的产能差也在降低，多条裂缝可 以在较短时间内回收成本但是产量递减快。因此，对 某一气藏进行压裂增产时，为了提高气藏经济效益， 应考虑投入产出比，找出最佳裂缝数量进行生产。 20 r 16 - C 目 辑太品、1 E峰 4 ’－，卫’吨’‘JVUI 2 4 6 8 10 12 14 时间／lOd 24 20 16 12 制 礼* 8 Bl晤 4 图3不同裂缝条数和裂缝半长累计产气量曲线 Fig.3 Accumulative gas production curve of different fracture number and different fracture half length 3.3 裂缝长度 人工压裂缝长度是影响压裂水平井产能的重要 因素。图3为模拟不同裂缝长度时的累积产气量曲 线，图4为不同裂缝长度下压力扩展变化图。 在裂缝数量、裂缝渗透率等参数一定的条件下， 通过4组模拟结果可见，裂缝长度与压裂井累计产 量之间并非呈正比例关系，随着裂缝长度的增加， 增产幅度在降低。产气量还受井底渗流阻力和生产 压差的共同作用在生产初期，随着裂缝长度增加， 井底渗流阻力降低，产气量增加；产气量还与生产 压差有关，裂缝长度达到一定长度后，裂缝的导流 能力降低，以致增产不会大幅度增加。综合考虑经 济与开采难度的影响，并不是裂缝长度越长越好， 在其他参数不变的条件下，存在最优的压裂长度。 3.4 裂缝间距 图5为不同裂缝间距条件下页岩气水平井水平段 为800m的累计产气量曲线图。在水平段长度及压裂 条数一定的条件下，从水平段中部向两端进行压裂， 分别取裂缝间距为50m、100m、150m、200m的情 况进行模拟。由模拟结果（图5）可以看出，对水平井的 压裂面积越大，产量越高，随着生产年限的增加，累 计产量的增加趋势更加明显。由于裂缝间的相互干扰， 影响了裂缝的气体流动面积，因此在进行水平井压裂 设计时，裂缝条数一定的条件下，应尽量使裂缝在水 平段均匀分布，增大压裂面积，减小裂缝间干扰。 ChaoXing 第2期梁冰等裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响 47 企火is Matrix press町epsia 730.3 I 297.5 I 864.7 2 431.8 2 999.0 a）裂缝长度50m IS Matrix pressure psia 764.5 I 323.1 I 881.7 2 440.4 2 999.0 b）裂缝长度IOOm IS Matrix pr田surepsia 779.0 I 334.0 I 889.0 2 444.0 2 999.0 c）裂缝长度150m 平A副S Matrix pressure psia 775.0 1 331.0 I 887.0 2 443.0 2 999.0 d）裂缝长度200m 图4不同压裂裂缝长度下的压力扩展变化图 Fig.4 Reservoir pressure changes of different企acturehalf length 20 16 E 罢12 咽 人 再8 E岳 4 。 - - 5 m - -Om - - 15m -.. -2om 0 2 4 6 8 10 12 14 16 时间/103d 图5不同裂缝间距累计产气量曲线 Fig.5 Accumulative gas production curve of different仕actureintervals 4结论 a.建立了考虑滑脱效应的页岩气双重介质气、水 两相渗流数学模型，并确定了边界条件和初始条件。 b.模拟了不同因素对页岩气井产气量的影响。 对于页岩气藏，考虑压裂后的经济效应问题，确定 最佳的裂缝参数组合，其中裂缝条数、长度及间距 是影响产能的主要参数，裂缝宽度对产气量的影响 最小，裂缝渗透率对页岩气井产能的影响也很弱。 压裂施工时，应综合考虑上述因素，从经济角度出 发，选取最佳裂缝参数。 参考文献 川王中华．国内页岩气开采技术进展［月．中外能源，20日，182 23-32. 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