CN109441422B - 一种页岩气井间距优化开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种页岩气井间距优化开采方法，属于油气藏开发技术领域。该方法首先根据勘测所得的地质构造确定区块面积；分析储层连接情况，确定最小开发面积单元；计算该单元内的可动用储量，确定备选标的；代表性页岩岩心取心及物性分析；利用多场多流态多尺度统一数学模型计算渗流场及压力场；计算每口井的有效动用面积；在布井过程中计算以井间干扰率不大于10％的原则进行布井。该方法能合理制定页岩气开发井距，有效增加页岩气产量。

Description

一种页岩气井间距优化开采方法

技术领域

本发明涉及油气藏开发技术领域，特别是指一种页岩气井间距优化开采方法。

背景技术

页岩气储层属于超低孔、低渗透类型储层，一般而言，孔隙度不超过10％，含气有效孔隙度一般只有1％到5％。页岩具有复杂层理结构，有微裂缝分布，通常小于0.1mD。页岩储层的孔喉半径都在纳微米级尺度，气体在其中的流动规律不同于常规储层，需要在微观尺度分析其渗流特征，同时，需要考虑页岩气流动中的解吸、扩散、滑脱流动问题。而目前相关的渗流方程都不能完整的反映相关问题。

其次，压裂改造特别是分段体积压裂是实现页岩储层有效动用的有效手段。体积压裂形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。但同时，由体积压裂造成的复杂渗流场对数学模型的描述提出了巨大的困难。与常规油气的径向流不同，缝网结构将影响渗流区域内压力分布。由于近井地带分布裂缝，造成储层非均质，压降漏斗不再是圆形而是形成椭圆形，椭圆长轴为压裂缝网分布方向，其压力分布也不同于常规直井，导致压降漏斗变为椭圆形，而不是常规均质油气藏的圆形。而在距离井筒位置足够远的区域，即压裂改造区域的边界部分，其压力分布等值线已近似规则圆形，形成一个大区域，流线也近似均指向共同中心。由此，可将页岩气流动进行分区研究。可将页岩气的流动分为三大区域：I改造区(主改造区、次改造区)、II未改造区(未改造动用区、未改造未动用区)、III水平井筒区，在这种分区结构中，页岩气由未改造区流入改造区，再由改造区流入水平井筒区，形成页岩气储层完整的流动体系。

此外，压裂后，页岩气在不同的流场、不同的尺度流动，且在流动过程中具有不同的流态，目前的渗流方程都只在单一方面进行了研究，不能对页岩气多场多流态多尺度流动进行统一的描述。而现有的井距计算方法主要针对常规砂岩油藏，对水平井，特别是采取压裂后的水平井鲜有涉及。由此可见，目前还没有一种有效的计算方法对页岩气压裂后水平井井间距计算的有效方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种页岩气井间距优化开采方法。

该方法包括步骤如下：

(1)识别页岩储层地质构造，根据勘测所得的地质构造确定区块面积；

(2)分析页岩储层连接情况，确定最小开发面积单元，具体为：将区块轮廓按比例画在网格纸上，网格纸为正方形网格，首先确定小网格的个数，再与单个网格的面积相乘，得到区块面积；

(3)计算步骤(2)所确定面积单元内的可动用储量，在经济效益内作为备选标的，在经济效益之外放弃改选区，其中，可动用储量计算公式为：

V＝Ahφ(1-S_wc)

式中，A为可动用区块面积，h为储层高度，φ为储层孔隙度；S_wc为束缚水饱和度；

经济效益评判标准如下：

(可采储量的经济价值-开发成本)/开发成本*100％≥10％；

(4)在最小开发面积单元内钻取具有代表性的页岩岩心，通过实验确定相应参数；

(5)建立统一数学模型计算渗流场及压力场，由于有效动用边界的计算公式是由渗流场和压力场推导出来的，在计算过程中，渗流速度和压力十分重要，因此在计算可动用边界前，必须获得渗流场和压力场；

(6)在步骤(5)得到的渗流场及压力场的基础上，计算有效动用边界，根据有效动用边界计算有效动用面积，按照计算出的每口井的有效动用面积进行布井。

其中，页岩储层是指以富有机质页岩为主的储集岩系，页岩气为赋存于页岩储层中的非常规天然气。

步骤(4)中相应参数包括渗透率、孔隙度、页岩吸附解吸曲线、气体粘度、气体密度。

步骤(5)数学模型包括如下：

页岩气的渗流速度：

式中，

Kn是克努森数；K₀为多孔介质渗透率，10^-3μm²；μ为气体粘度，mpa·s；p为地层压力，MPa；

为流动孔隙半径，m；Z为气体偏差系数，小数；R为通用气体常数，J·mol^-1·K^-1；T为温度，K；M为气体分子量；α为稀疏因子，小数；

地层压力分布：

式中，P_e为供给边界的压力，MPa；P_w为井底处的压力，MPa；D_k为努森扩散系数，小数；R(t)为t时刻压力传播的距离，m；r_w为气井半径，m；r为储层任一点距离井筒的距离，m；

从原始条件到目前状态下的游离气量为：

公式中下角标e表示原始条件，

为岩石孔隙度，表示岩石中的孔隙占岩石总体积的百分数，小数；ρ为气体密度，kg/m³；h为储层厚度，m；

解吸气量为：

式中，q_d为单位体积页岩单位时间的解吸量，kg·m^-3·d^-1；t为生产时间，d；

地层产气量Q₁为：

井筒产气量Q₂为：

式中，w表示气井，

总产气量Q为：

式中，P_sc为标准状态273.15K下的压力，0.1MPa；Z_sc为标准状态下的气体偏差系数，小数；T_sc为标准状态下的温度，K；ρ_gsc为标准状态下的气体密度，kg/m³；c为气体压缩系数，Mpa^-1；

总产气量表达式按稳定渗流为Q＝qt，其中q为气井流量，kg/d；

有效动用边界为：

页岩气水平井在周围地层形成一个高度为储层厚度h，开度为2xf的垂直裂缝面，裂缝周围的渗流区域形状近似椭圆，则动用边界计算公式为：

式中，χ_f为压裂裂缝半长，m；R_me(t)为椭圆短轴长，m；R_fe(t)为椭圆长轴长，m；

所述步骤(6)中有效动用面积：S＝πR_me(t)R_fe(t)，

其中，S为椭圆面积，m²。

计算有效动用边界时，忽略r_w的影响，可得

由此得到有效动用边界。

在步骤(6)布井过程，计算井间干扰率I，干扰率I为两椭圆相互重合部分的面积分别与所述两椭圆中的一个椭圆的面积的百分比，计算得到的两个干扰率I均不超过10％时，布井成功。

计算井间干扰率I时，将椭圆图形划分成面积相等的小网格，计算重合部分的网格数，再除以相关单个椭圆所含有的总网格数，具体计算公式为：

其中，S_c为重合面积，m²；

n_c为不同椭圆相重合部分所含的网格数；

n为单个椭圆所含网格数。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该方法能合理制定页岩气开发井距，有效增加页岩气产量。

附图说明

图1为本发明的页岩气井间距优化开采方法流程图；

图2为本发明实施例中单一裂缝井示意图；

图3为本发明实施例中一布井示例，其中(a)为优化前井间干扰率I>10％的布置方式；(b)为经计算机程序优化布局后干扰率I<10％的布置方式；

图4为页岩气储层及储层压力分布示意图，图中P_e、P_wf、P的高度分别代表相应位置的压力，r_w为井筒半径，r_e为供给边界半径。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种页岩气井间距优化开采方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

(1)识别页岩储层地质构造，根据勘测所得的地质构造确定区块面积；

(2)分析页岩储层连接情况，确定最小开发面积单元；

(3)计算步骤(2)所确定面积单元内的可动用储量，在经济效益内作为备选标的，在经济效益之外放弃改选区；

(4)在最小开发面积单元内钻取具有代表性的页岩岩心，通过实验确定相应参数；

(5)建立统一数学模型计算渗流场及压力场；

(6)在渗流场及压力场的基础上，推导有效动用边界计算方法，计算有效动用边界，根据有效动用边界计算有效动用面积，按照计算出的每口井的有效动用面积进行布井。

页岩储层类型包括赋存有页岩气的地质储层；确定区块边界的具体步骤包括：通过地震资料的采集、处理和解释，配合地质综合研究和测井资料分析确定岩石单元的构造背景、研究盆地结构特征和地层发育特征、分析盆地的沉积环境、标定泥页岩层及确定泥页岩的分布、预测裂缝的发育情况和储集物性特征，为页岩气勘探提供钻探目标。

分析储层连接情况的具体措施包括：在已确定的区块边界内，依据所发现页岩气藏的储层特征、断层分布特征、歼灭特征、储层厚度、构造背景和地层层序和页岩有机质成熟程度等条件，通过层间对比等手段，对区块内的页岩储层连接情况进行分析，根据储层连接情况进一步对储层进行更小范围的划分，对储层连接情况较差的区域进行选择性的剔除。

可动用储量的计算具体步骤包括运用油藏工程方法，利用所测的储层物性特征，对所选区域的可动用储量进行估算，对可动用储量较少的区块进行选择性剔除。

获取有代表性岩心及物性分析的具体步骤包括：在钻井过程中对所确定的目标层位获取岩心。通过室内实验获取岩心的各项重要物性参数，包括渗透率、孔隙度、有机质含量、含气丰度、页岩气的吸附特征，对实施压裂作业的岩心还应进一步通过室内实验分析气体在裂缝中的流动特征。

利用多场多流态多尺度统一数学模型计算渗流场及压力场的步骤包括：利用所建立的数学模型，将实验所测数据，包括渗透率、孔隙度、吸附曲线、气体粘度代入。根据每口井的特征参数，水平井采取三区模型进行描述，计算渗流场和压力场。所述水平井特征参数包括水平井长度、水平段压裂级数、水力压裂缝长等。

有效单井控制面积计算方法主要包括：利用计算所得渗流场分布、压力分布场，绘制多级压裂水平井控制面积。

所述布井考虑干扰率的具体方法为：按所计算得到的水平井控制面积，利用计算机程序，按照总的开发面积，计算布井数目(口)，在计算过程中保证每两口直井所控制面积的重叠面积小于10％，在不满足要求的情况下，重复该步骤，直到所布水平井满足所有要求。

下面结合具体实施例予以说明。

在该方法的具体应用中，具体按如下步骤进行：

步骤1：识别页岩储层地质构造，通过预达地质探井，结合测井等方法，获得所研究地区的地质构造。根据储层地质特点，以及其沉积模式、沉积形态、地质旋回等主要特征进行识别及记录。

页岩储层类型包括：赋存有页岩气的地质储层；确定区块边界的具体步骤包括：通过地震资料的采集、处理和解释，配合地质综合研究和测井资料分析确定岩石单元的构造背景、研究盆地结构特征和地层发育特征、分析盆地的沉积环境、标定泥页岩层及确定泥页岩的分布、预测裂缝的发育情况和储集物性特征，为页岩气勘探提供钻探目标。

步骤2：分析层间连接情况，结合电阻率测井、密度测井和中子测井确定页岩储层，获得其储层平面展布，储层厚度，以及储层歼灭线所在位置。将裂缝、歼灭线作为天然分割线，对所选区块进行进一步细分。

确定储层连接情况的具体措施包括：在已确定的区块边界内，依据所发现页岩气藏的储层特征、断层分布特征、歼灭特征、储层厚度、构造背景和地层层序和页岩有机质成熟程度等条件，通过层间对比等手段，对区块内的页岩储层连接情况进行分析，根据储层连接情况进一步对储层进行更小范围的划分，对储层连接情况较差的区域进行选择性的剔除。

步骤3：计算该最小开发面积单元内的可动用储量，进行经济效益评价，在经济效益内即可作为备选标的，在经济效益之外放弃改选区；

具体的，根据所测得的储层连接属性，运用油藏工程方法，计算最小开发面积单元中的可动用储量。按照目前的开发技术，估算再当前的开采成本下，开采改区块所需成本，将成本与潜在经济效益进行对比，当经济效益小于极限开采经济价值时，对该区块进行舍弃。对有经济开采价值的区块，作为备选区块。

步骤4：在最小开发面积单元内选定具有代表性的页岩岩心，在钻井过程中对所确定的目标层位获取岩心。获取岩心后，还需对所取岩心进行清洗、切割等，在实验室进行进一步物性参数测定。通过室内实验获取岩心的各项重要物性参数，包括渗透率、孔隙度、有机质含量、含气丰度、页岩气的吸附特征，对实施压裂作业的岩心还应进一步通过室内实验分析气体在裂缝中的流动特征，分析相应物性，实验确定相应参数。

具体的，结合测井技术，利用核磁共振测井确定页岩孔隙度；利用声波测井确定岩石力学参数；利用成像测井用于识别裂缝；利用页岩气吸附测定仪器等定性实验仪器对所在区块岩心的吸附特性等进行量化描述等。

步骤5：利用多场多流态多尺度统一数学模型计算渗流场及压力场。准确的渗流场和压力场，能使得动用边界计算和面积计算更接近实际，更能合理安排生产。所述的数学模型主要包括：

页岩气的渗流速度：

其中

其中，Kn是克努森数，用来判别气体流动的流态。Kn<0.001时，气体的流动为连续流；0.001<Kn<0.1时，气体的流动为滑移流；0.1<Kn<10时，气体的流动为过渡流；Kn>10时，气体的流动为自由分子流。

地层压力分布：

进一步得到页岩气产气量。页岩气产气量即总产气量，总产气量为地层产气量与井筒产气量之和。其中，地层产气量为游离气量与解吸气量之和，。

由于开采过程中储层压力变化会导致气体的密度发生变化，所以从原始条件到目前状态下的游离气量的质量为：

公式(3)中下角标e表示原始条件。

解吸气量为：

进一步得到地层产气量Q₁的表达式：

考虑气体状态方程：

由公式(6)可得：

式(7)中w表示气井，

由公式(2)和公式(7)得到

由公式(5)和公式(8)可得

进一步得到地层产气量Q₁，

井筒产气量Q₂：

由于总产气量等于地层产气量Q1与井筒产气量之和，结合公式(6)可得，总产气量Q(下面的公式应为Q1+Q2)：

又井产量表达式按稳定渗流可写为：

由公式(11)和公式(12)得

又Q＝qt，

由于，r_w<<R(t),忽略r_w的影响，得到：

所以，

按照计算出的每口井的有效动用面积，进行布井；

低渗透油藏渗流具有非线性特征，有启动压力梯度，压力扰动的传播并非瞬时到达无穷远，而是随着时间的推进逐渐向外传播，其渗流规律就是一个动边界问题，这个动用边界是压力扰动传播影响的外边缘。

有效动用面积计算包括动用边界的计算和面积的计算。

参考图2，对于页岩气井压裂后，裂缝贯穿整个储层厚度，在周围地层形成一个高度为储层厚度h，开度为2x_f的垂直裂缝面，裂缝周围的渗流区域形状近似椭圆，裂缝方向为主流线方向，即裂缝半长为椭圆的焦距；椭圆短轴的距离等于页岩储层未压裂基质所能驱动的半径距离，用R_me表示；椭圆长轴即为单一裂缝所扩展的动边界，用R_fe表示。

对于页岩压裂单一裂缝，满足：

在解决不稳定渗流压力动态的问题时，可以把不稳定渗流过程的每一瞬间状态看作是稳定的，这种方法称为稳定状态依次替换法，稳态依次替换法可得到压力传播动边界，由式(15)

其中，R_me表示短半轴动边界，R_fe表示长轴动边界。

通过椭圆面积计算公式：

有效动用面积：S＝πR_meR_fe (19)公式(1)～(19)中，

q_d为单位体积页岩单位时间的解吸量，kg·m^-3·d^-1；

c为气体压缩系数，Mpa^-1；

μ为气体粘度，mpa·s；

φ为岩石孔隙度，表示岩石中的孔隙占岩石总体积的百分数，小数；

R(t)为t时刻压力传播的距离，m；

h为储层厚度，m；

t为生产时间，天(d)；

D_k为努森扩散系数，小数；

R为通用气体常数，J·mol^-1·K^-1；

M为气体分子量；

Z为气体偏差系数，小数；

P_e为供给边界的压力，MPa；

P_w为井底处的压力，MPa；

α为稀疏因子，小数；

为流动孔隙半径，m；

q_d为单位体积页岩单位时间的解吸量，kg·m^-3·d^-1；

ρ为气体密度，kg/m³；

ρ_gsc为标准状态下的气体密度，kg/m³；

T为温度，K；

T_sc为标准状态下的温度，K；

Z为气体偏差系数，小数；

Z_sc为标准状态下的气体偏差系数，小数；

P为地层压力，MPa；

P_sc为标准状态(273.15K)下的压力，0.1MPa

q为气井流量，kg/d；

Q₁为地层产气量，kg；

Q₂为井筒产气量，kg；

Q_f为游离气量，kg；

Q_d为解吸气量，kg；

r_w为气井半径，m；

R_me为椭圆短轴长，m；

R_fe为椭圆长轴长，m；

K₀为多孔介质渗透率，10^-3μm²；

χ_f为压裂裂缝半长，m；

步骤6：在布井过程中计算井间干扰率I。干扰率定义为两椭圆相互重合部分的面积分别与各相关椭圆的面积百分比。

I＝S_c/S·100％ (21)

I为干扰率；

S_c为重合面积；

S为单个椭圆面积。

干扰率大于10％则按实际情况调整水平井走向，直至所有水平井之间的相互干扰率都在10％以内停止布井。

具体的，对计算出的各水平井的有效动用范围，利用计算机程序，在选区内进行合理分配布置，程序能计算出，不同排列方式的水平井动用范围的相互影响范围。在计算过程中，如图3所示，首先利用计算机将图形划分成面积相等的小网格，然后在精度允许的范围内，使用计算机计算重合部分的网格数n_c，再除以相关单个椭圆所含有的总网格数n，具体计算公式为：

当任意两口水平井动用范围的交集大于10％时，认为相互干扰太大，应予以重新排列。程序不断迭代直到任意两口井之间的相互干扰幅度小于10％，停止计算，经过优化后的模型能显著减小井间干扰，对页岩气水平井压裂后的产能优化具有十分重要的意义。最终页岩气储层及储层压力分布如图4所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：包括步骤如下：

(1)识别页岩储层地质构造，根据勘测所得的地质构造确定区块面积，具体为：将区块轮廓按比例画在网格纸上，网格纸为正方形网格，首先确定小网格的个数，再与单个网格的面积相乘，得到区块面积；

(2)分析页岩储层连接情况，确定最小开发面积单元；

(3)计算步骤(2)所确定面积单元内的可动用储量，在经济效益内作为备选标的，在经济效益之外放弃改选区，其中，可动用储量计算公式为：

V＝Ahφ(1-S_wc)

式中，A为最小开发面积单元的面积，h为储层高度，φ为储层孔隙度；S_wc为束缚水饱和度；

经济效益评判标准如下：

(可采储量的经济价值-开发成本)/开发成本*100％≥10％；

(4)在最小开发面积单元内钻取具有代表性的页岩岩心，通过实验确定相应参数；

(5)建立统一数学模型计算渗流场及压力场；

(6)在步骤(5)得到的渗流场及压力场的基础上，计算有效动用边界，根据有效动用边界计算有效动用面积，按照计算出的每口井的有效动用面积进行布井；

所述步骤(5)数学模型包括如下：

页岩气的渗流速度：

式中，

Kn是克努森数；K₀为多孔介质渗透率，10^-3μm²；μ为气体粘度，mpa·s；p为地层压力，MPa；

为流动孔隙半径，m；Z为气体偏差系数，小数；R为通用气体常数，J·mol^-1·K^-1；T为温度，K；M为气体分子量；α为稀疏因子，小数；

地层压力分布：

式中，P_e为供给边界的压力，MPa；P_w为井底处的压力，MPa；D_k为努森扩散系数，小数；R(t)为t时刻压力传播的距离，m；r_w为气井半径，m；r为储层任一点距离井筒的距离，m；

从原始条件到目前状态下的游离气量为：

公式中下角标e表示原始条件，

为岩石孔隙度，表示岩石中的孔隙占岩石总体积的百分数，小数；ρ为气体密度，kg/m³；h为储层厚度，m；

解吸气量为：

式中，q_d为单位体积页岩单位时间的解吸量，kg·m^-3·d^-1；t为生产时间，d；

地层产气量Q₁为：

井筒产气量Q₂为：

式中，w表示气井，

总产气量Q为：

式中，P_sc为标准状态273.15K下的压力，0.1MPa；Z_sc为标准状态下的气体偏差系数，小数；T_sc为标准状态下的温度，K；ρ_gsc为标准状态下的气体密度，kg/m³；c为气体压缩系数，Mpa^-1；

总产气量表达式按稳定渗流为Q＝qt，其中q为气井流量，kg/d；

有效动用边界为：

页岩气水平井在周围地层形成一个高度为储层厚度h，开度为2xf的垂直裂缝面，裂缝周围的渗流区域形状近似椭圆，则动用边界计算公式为：

式中，χ_f为压裂裂缝半长，m；R_me(t)为椭圆短轴长，m；R_fe(t)为椭圆长轴长，m；

所述步骤(6)中有效动用面积：S＝πR_me(t)R_fe(t)，

其中，S为椭圆面积，m²。

2.根据权利要求1所述的页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：所述页岩储层是指以富有机质页岩为主的储集岩系，页岩气为赋存于页岩储层中的非常规天然气。

3.根据权利要求1所述的页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：所述步骤(4)中相应参数包括渗透率、孔隙度、页岩吸附解吸曲线、气体粘度、气体密度。

4.根据权利要求1所述的页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：计算有效动用边界时，忽略r_w的影响，可得

由此得到有效动用边界。

5.根据权利要求1所述的页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：在步骤(6)布井过程，计算井间干扰率I，干扰率I为两椭圆相互重合部分的面积分别与所述两椭圆中的一个椭圆的面积的百分比，计算得到的两个干扰率I均不超过10％时，布井成功。

6.根据权利要求5所述的页岩气井间距优化开采方法，其特征在于：计算井间干扰率I时，将椭圆图形划分成面积相等的小网格，计算重合部分的网格数，再除以相关单个椭圆所含有的总网格数，具体计算公式为：

其中，S_c为重合面积，m²；

n_c为不同椭圆相重合部分所含的网格数；

n为单个椭圆所含网格数。

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