WO2020114387A1 - 一种页岩气井间距优化开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种页岩气井间距优化开采方法被公开。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。该方法能在考虑流固耦合作用的情况下合理制定页岩气开发井距,有效增加页岩气产量。
Description
本公开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。
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,可动用区域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。
此外,压裂后,页岩气流动过程受流固耦合作用明显,在压力作用下,页岩储层结构遭到破坏,渗流通道发生变形,导致页岩储层的孔隙度和渗透率发生变化。而目前的研究考虑流固耦合作用的较少,还没有一种有效的考虑流固耦合对页岩气压裂后的水平井井间距计算的方法。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题,本公开提供了一种页岩气井间距优化开采方法其包括: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;分析所述页岩储层连接情况,选取连通性好的区块确定为最小开发面积单元;计算最小开发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最小开发面积单元;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;建立数学模型计算渗流场及压力场;以及在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。
根据本公开至少一个实施方式,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。
根据本公开至少一个实施方式,确定区块面积的方法包括:将区块轮廓按比例画在网格纸上,网格为正方形网格,确定网格的个数,再与单个网格的面积相乘,得到区块面积。
根据本公开至少一个实施方式,可动用储量V为:
V=Ahφ(1-S
wc)
式中,A为可动用区块面积,h为储层厚度,φ为受应力影响的岩石孔隙度,表示岩石中的孔隙占岩石外表体积的百分数;S
wc为束缚水饱和度。
根据本公开至少一个实施方式,经济效益评判标准为:
根据本公开至少一个实施方式,相应参数包括渗透率、岩石孔隙度、页岩解吸附曲线、气体粘度、气体密度,孔隙压缩系数。
根据本公开至少一个实施方式,数学模型包括:受应力影响的岩石孔隙度为:
式中,φ
0为未受应力影响的岩石孔隙度;C
φ是孔隙压缩系数,表示地层压力产生单位下降时孔隙度的变化量;σ为有效应力,atm;α为修正系数,α>0。
渗透率的应力敏感表达式为:
式中,K为多孔介质受到应力影响的渗透率,μm
2;K
0为未受应力影响的渗透率,μm
2;β为修正系数,β>0。
从而考虑应力敏感的页岩气的渗流速度v为:
式中,a为稀疏因子,
D
K为努森扩散系数,
K
n是克努森数;μ为气体粘度,mPa·s;p为地层压力,atm;
为流动孔隙半径,m;Z为气体偏差系数;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;r为储层任一点距离井筒的距离,m。
根据本公开至少一个实施方式,数学模型还包括:
地层压力分布为:
式中,下角标e表示原始条件,w表示气井;p
e为供给边界的压力,atm;p
w为井底处的压力,atm;R(t)为t时刻压力传播的距离,m;r
w为气井半径,m。
根据本公开至少一个实施方式,有效动用边界为:
式中,t为生产时间,d;c为气体压缩系数,atm
-1;q
d为单位体积页岩单位时间的解吸量,kg·m
-3·d
-1;q为气井流量,kg/d。
根据本公开至少一个实施方式,从原始条件到目前状态下的游离气量Q
f为:
式中,ρ为气体密度,kg/m
3;
解吸气量Q
d为:
地层产气量Q
1为:
井筒产气量Q
2为:
总产气量Q为:
式中,下标sc表示标准状态下的物理性质,p
sc为标准状态273.15K下的压力,atm;Z
sc为标准状态下的气体偏差系数;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/m
3。
气井流量q为
总产气量表达式按稳定渗流为Q=qt,忽略r
w的影响,可得有效动用边界为:
根据本公开至少一个实施方式,页岩气水平井在周围地层形成一个储层厚度为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,则动用边界计算公式为:
式中,x
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。
有效动用面积为:S=πR
me(t)R
fe(t)。其中,S为椭圆面积,m
2。
根据本公开至少一个实施方式,在布井过程中,计算井间干扰率I,井间干扰率I为两个椭圆相互重合部分的面积分别与两个椭圆中的任意一个椭圆的面积的百分比,计算得到的两个井间干扰率I均不超过10%时,布井成功。
根据本公开至少一个实施方式,计算井间干扰率时,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,m
2;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。
本公开的有益效果如下:该方法能合理制定页岩气开发井距,有效增加页岩气产量。
图1为根据本公开至少一个实施方式的页岩气井间距优化开采方法的流程图。
图2为根据本公开至少一个实施方式的页岩气解吸附曲线。
图3为根据本公开至少一个实施方式的渗透率随应力的变化曲线。
图4为根据本公开至少一个实施方式的单一裂缝井示意图。
图5为根据本公开至少一个实施方式的布井示例,为优化前井间干扰率>10%的布置方式。
图6为根据本公开至少一个实施方式的经计算机程序优化布局后干扰率<10%的布置方式。
图7为根据本公开至少一个实施方式的页岩气储层及储层压力分布示意图,图中p
e、p
w、p的高度分别代表相应位置的压力,r
e为供给边界半径。
图8为根据本公开至少一个实施方式的页岩气实际产量与计算值的对比图。
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容,而非对本公开的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
本公开所用到的部分符号如下:
a为稀疏因子,无量纲物理量;
A为可动用区块面积,m
2;
c为气体压缩系数,atm
-1;
C
φ为孔隙压缩系数,无量纲物理量;
D
K为努森扩散系数,无量纲物理量;
h为储层厚度,m;
I为井间干扰率,无量纲物理量;
K为受应力影响的渗透率,μm
2;
K
0为未受应力影响的渗透率,μm
2;
K
n为克努森数,无量纲物理量;
M为气体分子量;
n为单个椭圆所含网格数;
n
c为不同椭圆相重合部分所含的网格数;
p为地层压力,atm;
p
e为供给边界的压力,atm;
p
w为井底处的压力,atm;
p
sc为标准状态(273.15K)下的压力,atm;
q为气井流量,kg/d;
q
d为单位体积页岩单位时间的解吸量,kg·m
-3·d
-1;
Q为总气量,kg;
Q
1为地层产气量,kg;
Q
2为井筒产气量,kg;
Q
f为游离气量,kg;
Q
d为解吸气量,kg;
r为储层任一点距离井筒的距离,m;
r
e为供给边界半径,m;
r
w为气井半径,m;
R为通用气体常数,J·mol
-1·K
-1;
R(t)为t时刻压力传播的距离,m;
R
me(t)为椭圆短轴长,m;
R
fe(t)为椭圆长轴长,m;
S为椭圆面积,m
2;
S
c为重合面积,m
2;
S
wc为束缚水饱和度,无量纲物理量;
t为生产时间,天(d);
T为温度,K;
T
sc为标准状态下的温度,K;
x
f为压裂裂缝半长,m;
Z为气体偏差系数,无量纲物理量;
Z
sc为标准状态下的气体偏差系数,无量纲物理量;
α修正系数,无量纲物理量,α>0;
β修正系数,无量纲物理量,β>0;
v为页岩气的渗流速度,m/s;
μ为气体粘度,mPa·s;
σ为有效应力,atm;
φ为受应力影响的岩石孔隙度,表示岩石中的孔隙占岩石总体积的百分数,无量纲物理量;
φ
0为未受应力影响的岩石孔隙度,无量纲物理量;
ρ为气体密度,kg/m
3;
ρ
gsc为标准状态下的气体密度,kg/m
3。
本公开提供一种页岩气井间距优化开采方法。
如图1所示,该方法包括如下步骤:
(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该选区;
(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;页岩气为赋存于页岩储层中的非常规天然气。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。
可动用储量V的计算公式为:
V=Ahφ(1-S
wc) (1)
经济效益评判标准为:
在经济效益之内,即经济效益≥10%时,作为备选标的;在经济效益之外,即经济效益<10%时,放弃该选区。
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、页岩气的吸附特征和页岩孔隙压缩系数,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、岩石孔隙度、页岩解吸附曲线(图2)、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该选区;
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,估算在当前的开采成本下,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,包括多孔介质渗透率、岩石孔隙度、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岩石孔隙度;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,即获取页岩吸附解吸曲线。
步骤5:利用多场多流态多尺度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:
页岩气的应力敏感性主要有孔隙度敏感性和渗透率敏感性,其中孔隙度敏感性为
在压力作用下,孔隙度的变化导致渗透率的变化,渗透率的应力敏感表达式为:
这其中最关键的是C
φ的取值,由实验获得,大约为10
-3量级,而σ和压力相关,由试验测得。如图3所示,真实渗透率是随着应力变化的,而不是恒定不变的常数。系数β可以根据测量得到的实验数据带入公式(4)进行拟合得到。可见,用公式(4)修正后的渗透率可以更准确地反映真实的系统特性。
未考虑应力影响时,渗流速度v为:
考虑应力敏感性的渗流速度v则为:
K
n是克努森数,用来判别气体流动的流态。K
n<0.001时,气体的流动为连续流;0.001<K
n<0.1时,气体的流动为滑移流;0.1<K
n<10时,气体的流动为过渡流;K
n>10时,气体的流动为自由分子流。
未考虑应力影响时,地层压力分布为:
考虑应力影响时,则地层压力分布:
进一步得到页岩气产气量,即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(9)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Q
1的表达式:
考虑气体状态方程:
由公式(12)可得:
式(13)中w表示气井。由公式(8)和公式(13)得到
由公式(11)和公式(14)可进一步得到地层产气量Q
1
井筒产气量Q
2:
由于总产气量等于地层产气量Q
1与井筒产气量之和,结合公式(12)可得,总产气量Q:
又井产量表达式按稳定渗流可写为:
由公式(17)和公式(18)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4,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储层厚度为,开度为的垂直裂缝面,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,用表示;椭圆长轴即为单一裂缝所扩展的动边界,用表示。
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(21)可得:
通过椭圆面积计算公式,可得有效动用面积:
S=πR
me(t)R
fe(t) (25)
步骤6:在布井过程中计算井间干扰率。干扰率定义为两个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。
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5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,再除以相关单个椭圆所含有的总网格数,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,如图5所示,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%,如图6所示,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7所示。
图8分别给出了是否考虑应力对孔隙度和渗透率影响的两种模型的计算结果。同时还给出了真实的产气量随生产压差的变化。通过对比不难看出,经过修正的,即考虑了应力影响的模型更贴合实际的生产情况,能够更准确地描述或预测真实的生产。因此,本公开提供的页岩气井间距优化开采方法采用了更准确的模型,能够更加优化开采参数,增加经济效益,提高生产效率,保障生产安全。
以上所述是本公开的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本公开所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本公开的保护范围。
Claims (13)
- 一种页岩气井间距优化开采方法,其特征在于,包括: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;分析所述页岩储层连接情况,选取连通性好的区块确定为最小开发面积单元;计算所述最小开发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所述最小开发面积单元;在所述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;建立数学模型计算渗流场及压力场;以及在所述渗流场及所述压力场的基础上,计算有效动用边界,根据所述有效动用边界计算有效动用面积,按照计算出的每口井的所述有效动用面积进行布井。
- 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。
- 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,所述确定区块面积的方法包括:将区块轮廓按比例画在网格纸上,所述网格为正方形网格,确定网格的个数,再与单个所述网格的面积相乘,得到所述区块面积。
- 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,所述可动用储量V为:V=Ahφ(1-S wc)式中,A为可动用区块面积,h为储层厚度,φ为受应力影响的岩石孔隙度,表示岩石中的孔隙占岩石外表体积的百分数;S wc为束缚水饱和度。
- 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,所述相应参数包括渗透率、岩石孔隙度、页岩解吸附曲线、气体粘度、气体密度,孔隙压缩系数。
- 根据权利要求6所述的页岩气井间距优化开采方法,其特征在于,所述数学模型包括:受应力影响的岩石孔隙度为:式中,φ 0为未受应力影响的岩石孔隙度;C φ是孔隙压缩系数,表示地层压力产生单位下降时孔隙度的变化量;σ为有效应力,atm;α为修正系数,α>0;渗透率的应力敏感表达式为:式中,K为多孔介质受应力影响的渗透率,μm 2;K 0为未受应力影响的渗透率,μm 2;β为修正系数,β>0;则页岩气的渗流速度v为:
- 根据权利要求11所述的页岩气井间距优化开采方法,其特征在于,在所述布井过程中,计算井间干扰率I,所述井间干扰率I为两个椭圆相互重合部分的面积分别与所述两个椭圆中的任意一个椭圆的面积的百分比,计算得到的两个所述井间干扰率I均不超过10%时,所述布井成功。
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