新場(chǎng)氣田致密砂巖氣藏采收率影響因素分析

高 偉，曹廷寬，李 鳳

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司采氣三廠，四川德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都 610041)

天然氣作為一種清潔能源，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐作用越來(lái)越大，其開(kāi)采也越來(lái)越受重視。提高采收率是氣藏開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)，不同類型的氣藏采收率差異較大，低滲透致密砂巖氣藏采收率多在30%～80%[1-3]。石油可采用二次、三次開(kāi)采技術(shù)提高采收率，但常規(guī)氣藏主要采用衰竭式開(kāi)采，提高采收率的技術(shù)方法有限。因此，搞清影響致密砂巖氣藏采收率的主要因素，并制定相應(yīng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)策，對(duì)提高氣藏采收率十分重要[4-8]。以新場(chǎng)氣田J2s2氣藏為例，通過(guò)分析明確影響該致密砂巖氣藏采收率的主要因素，并結(jié)合氣藏實(shí)際開(kāi)采特征提出相應(yīng)的開(kāi)發(fā)調(diào)整對(duì)策，為提高氣藏采收率奠定了基礎(chǔ)。

1 氣藏概況

新場(chǎng)氣田位于四川盆地川西凹陷中段的新場(chǎng)構(gòu)造，呈鼻狀發(fā)育，整體上西高東低、南陡北緩，呈不對(duì)稱分布。沙溪廟組隸屬中侏羅統(tǒng)地層，埋深2 100～2 800 m，地層厚度約700 m，共劃分為九個(gè)砂層組，其中J2s1氣藏分為J2s11和J2s12兩個(gè)砂層組，J2s2氣藏分為J2s21、J2s22、J2s23和J2s24四個(gè)砂層組，J2s3氣藏分為J2s31、J2s32和J2s33三個(gè)砂層組。主要產(chǎn)氣層J2s2氣藏縱向上發(fā)育的四套砂體均呈寬帶狀或毯狀分布，儲(chǔ)層平均孔隙度為9.7%，滲透率為0.02×10-3～0.63×10-3μm2，無(wú)統(tǒng)一的氣水界面，氣水分布規(guī)律復(fù)雜[9-11]。J2s2氣藏原始地層壓力為40～45 MPa，壓力系數(shù)為1.5～2.0，屬典型異常高壓層狀致密砂巖氣藏。

新場(chǎng)氣田J2s2氣藏先后經(jīng)歷了高速建產(chǎn)和綜合調(diào)整兩大階段，年產(chǎn)量大于1.0×108m3穩(wěn)產(chǎn)8年，目前處于開(kāi)發(fā)中后期，需進(jìn)一步提高氣藏采收率，保證氣藏的持續(xù)高效開(kāi)發(fā)。

2 氣藏采收率影響因素

地質(zhì)條件是決定氣藏開(kāi)發(fā)效果的基礎(chǔ)，工程工藝是提高采收率的關(guān)鍵。因此，影響氣藏采收率的因素可以分為地質(zhì)因素和開(kāi)發(fā)因素。地質(zhì)因素主要包括氣藏類型、構(gòu)造斷裂、儲(chǔ)層特征、儲(chǔ)層物性、儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體分布及流體性質(zhì)等方面；開(kāi)發(fā)因素主要包括井網(wǎng)密度、工藝技術(shù)、生產(chǎn)制度等方面[12-14]。針對(duì)新場(chǎng)氣田J2s2氣藏，結(jié)合氣藏開(kāi)發(fā)歷程與實(shí)踐，對(duì)采收率的主要影響因素進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 地質(zhì)因素

2.1.1 儲(chǔ)層滲流能力

(1)巖心實(shí)驗(yàn)。從新場(chǎng)氣田J2s2氣藏生產(chǎn)情況來(lái)看，儲(chǔ)層物性是影響氣藏開(kāi)發(fā)效果的重要因素，決定了開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)策的選取。為此，選取典型儲(chǔ)層巖心，開(kāi)展巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)M彈性降壓開(kāi)采過(guò)程中物性對(duì)采收率的影響。

首先，對(duì)巖心進(jìn)行烘干處理，通過(guò)抽真空的方式使巖心含水飽和度達(dá)到原始含水飽和度。然后，將巖心放入高溫高壓巖心室，在內(nèi)外壓差為2.5 MPa條件下將巖心飽和高壓氣體，將上覆壓力、溫度和孔隙壓力調(diào)節(jié)至模擬值，維持至系統(tǒng)平衡以達(dá)到模擬條件。模擬條件穩(wěn)定后，按預(yù)先設(shè)定的壓降速度和采氣速度模擬降壓開(kāi)采，計(jì)量階段采氣量(巖心孔隙壓力每次下降0.5 MPa)和累計(jì)采氣量(巖心孔隙壓力總壓降5.0 MPa)，從而計(jì)算階段采出程度和達(dá)到廢棄壓力時(shí)天然氣采收率。

根據(jù)8組物性不同的巖心實(shí)驗(yàn)，建立滲透率與巖樣采收率的相關(guān)性曲線(圖1)。巖心實(shí)驗(yàn)表明，新場(chǎng)氣田J2s2氣藏采收率可達(dá)47%～63%，巖心滲透率與采收率相關(guān)性較好，采收率隨儲(chǔ)層巖石滲透率的減小而降低，并在0.10×10-3μm2時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。當(dāng)巖心滲透率從0.42×10-3μm2減小到0.15×10-3μm2時(shí)，采收率由55.24%降低至24.64%，采收率下降幅度較緩；當(dāng)巖心滲透率從0.09×10-3μm2減小到0.06×10-3μm2時(shí)，采收率由16.99%迅速降低至9.07%，說(shuō)明滲透率低于0.10×10-3μm2時(shí)，滲透率的減小對(duì)采收率影響更明顯。

圖1 巖心衰竭實(shí)驗(yàn)?zāi)M采收率與巖樣物性的關(guān)系

(2)數(shù)值模擬。在目標(biāo)氣藏中選擇典型井區(qū)采用單因素分析的方法，模擬分析不同滲透率對(duì)致密砂巖氣藏采收率的影響，數(shù)值模擬與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)基本一致(圖2)。當(dāng)滲透率從0.95×10-3μm2減小到0.16×10-3μm2時(shí)，采收率由63.15%降低到36.72%，下降幅度較緩；而滲透率從0.16×10-3μm2減小到0.01×10-3μm2時(shí)，采收率隨滲透率的減小迅速降低到14.43%。

圖2 數(shù)值模擬采收率與滲透率的關(guān)系曲線

綜合巖心衰竭實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，儲(chǔ)層滲流能力變差，采收率也隨之降低，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率小于0.10×10-3μm2后，對(duì)采收率影響更強(qiáng)。致密砂巖氣藏儲(chǔ)層滲透性的變化引起采收率差異較大，在新場(chǎng)氣田開(kāi)發(fā)中也得到了證實(shí)。J2s2氣藏的4個(gè)砂層組中，J2s21和J2s23氣層滲透性較差，巖心平均滲透率分別為0.11×10-3μm2和0.13×10-3μm2，而主力層J2s22和J2s24氣層平均滲透率分別為0.19×10-3μm2和0.23×10-3μm2，物性相對(duì)較好；根據(jù)采收率預(yù)測(cè)結(jié)果，J2s22、J2s24氣層采收率分別達(dá)50.48%和54.08%，而J2s21、J2s23氣層預(yù)測(cè)的采收率為31.08%和40.04%。

2.1.2 儲(chǔ)層含氣性

由于新場(chǎng)氣田J2s2氣藏為致密砂巖氣藏，儲(chǔ)層巖石孔喉狹小且分布不均勻，小孔喉毛管壓力大，造成束縛水飽和度偏高，氣藏主力層含水飽和度為30%～65%，平均含水飽和度為52%，對(duì)采收率影響較大。巖心實(shí)驗(yàn)表明，采收率隨著含水飽和度的增加而降低，二者大致呈線性的負(fù)相關(guān)性。當(dāng)巖樣含水飽和度從30%增加到65%時(shí)，采收率從65%降低至30%，下降35%，說(shuō)明含水飽和度對(duì)采收率影響比較明顯(圖3)。

圖3 巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)M采收率與含水飽和度的關(guān)系

典型井區(qū)的數(shù)值模擬也表明儲(chǔ)層采收率與含水飽和度相關(guān)性與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致(圖4)。從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)儲(chǔ)層含水飽和度從30%上升至65%時(shí)，采收率從85%降低至35%，下降50%，比巖心實(shí)驗(yàn)的降幅更大。

圖4 數(shù)值模擬采收率與含水飽和度的關(guān)系

巖心實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬證明，致密砂巖儲(chǔ)層含水飽和度是影響采收率的重要因素，采收率隨著含水飽和度的增加而降低。

2.1.3 應(yīng)力敏感性

氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著地層壓力下降，巖石有效應(yīng)力不斷變化，造成儲(chǔ)層物性發(fā)生改變，從而引起氣井產(chǎn)能的變化。新場(chǎng)氣田J2s2氣藏的氣井主要采用水力壓裂后投產(chǎn)，因此，對(duì)巖樣進(jìn)行人工造縫，并開(kāi)展含裂縫的巖樣應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，建立圍壓與巖樣有效滲透率的相關(guān)性曲線(圖5)。巖樣的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)表明，隨著圍壓升高，裂縫應(yīng)力敏感性逐漸增強(qiáng)，滲透率大幅下降，巖樣的采收率也隨之降低。

圖5 典型井區(qū)人工裂縫巖樣應(yīng)力敏感性分析

為了盡可能減小物性、含氣性等因素的干擾，優(yōu)選氣藏儲(chǔ)層條件和含氣性均較好的井區(qū)開(kāi)展數(shù)值模擬，分析應(yīng)力敏感性對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層采收率的影響。如表1所示，考慮應(yīng)力敏感性的致密砂巖儲(chǔ)層的采收率明顯比不考慮應(yīng)力敏感性的儲(chǔ)層的采收率低，采收率降低4.3%～13.0%。

表1 應(yīng)力敏感對(duì)儲(chǔ)層采收率的影響

2.2 開(kāi)發(fā)因素

開(kāi)發(fā)因素對(duì)采收率的影響與氣田的開(kāi)發(fā)管理和工程工藝密不可分，隨著開(kāi)發(fā)工作不斷深入，新場(chǎng)J2s2氣藏采出程度不斷提高，影響采收率的因素主要包括井網(wǎng)密度、廢棄地層壓力及開(kāi)采工藝技術(shù)等方面。

2.2.1 井網(wǎng)密度

井網(wǎng)完善程度對(duì)于低滲致密砂巖氣藏的開(kāi)發(fā)有重要影響。新場(chǎng)J2s2氣藏初期部署采用近似均勻的正方形井網(wǎng)布井，后期井網(wǎng)部署則根據(jù)儲(chǔ)層儲(chǔ)量類型和儲(chǔ)量豐度采用非均勻布井方式，井距700～800 m。受儲(chǔ)層非均質(zhì)性、壓裂改造規(guī)模等因素影響，局部井區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用不充分，需要進(jìn)一步完善井網(wǎng)以提高氣藏采收率和儲(chǔ)量動(dòng)用程度。綜合考慮新場(chǎng)J2s2氣藏儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度、應(yīng)力敏感和裂縫閉合等因素，并結(jié)合儲(chǔ)層滲透率、含水飽和以及地層壓力差異，對(duì)各氣層儲(chǔ)量動(dòng)用程度、氣井泄氣半徑、經(jīng)濟(jì)極限井距等參數(shù)進(jìn)行了綜合研究，主要認(rèn)識(shí)包括以下幾個(gè)方面。

(1)與主力層J2s22、J2s24氣層相比，J2s21、J2s23氣層物性更差，直井單層動(dòng)用程度低，單井泄氣半徑為110～130 m。

(2)對(duì)于多層合采井，當(dāng)氣層滲透率和含水飽和度差異較大時(shí)，低滲透、高含水氣層對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較小，儲(chǔ)量動(dòng)用率較低。

(3)結(jié)合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果，新場(chǎng)J2s2氣藏3層合采經(jīng)濟(jì)極限井距約為350 m，而2層合采經(jīng)濟(jì)極限井距為400 m。

從新場(chǎng)J2s2氣藏剩余氣富集區(qū)選擇典型井組開(kāi)展數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)部署不同加密井?dāng)?shù)對(duì)氣藏采收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由于新場(chǎng)J2s2氣藏儲(chǔ)層滲流能力差，單井控制半徑小，井間剩余儲(chǔ)量豐富，每加密1口井，井組采收率可提高3%～5%，部署3口加密井，典型井區(qū)采收率可提高10%以上，井網(wǎng)密度對(duì)采收率影響較大。

表2 典型井區(qū)加密前后預(yù)測(cè)采收率對(duì)比

2.2.2 廢棄地層壓力

廢棄地層壓力是影響氣藏采收率的另一重要因素，通過(guò)儲(chǔ)層改造、增壓工藝、排液采氣等降低氣藏的廢棄地層壓力，能夠明顯提高氣藏采收率。選取2個(gè)典型井組開(kāi)展數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)氣藏廢棄地層壓力從17 MPa降低至8 MPa時(shí)，D、E兩個(gè)井區(qū)的采收率最大增幅分別為27.64%和13.48%(表3)。

表3 不同廢棄壓力下預(yù)測(cè)采收率

新場(chǎng)J2s2氣藏大部分老井低壓低產(chǎn)，通過(guò)優(yōu)化實(shí)施增壓開(kāi)采，進(jìn)一步降低老井廢棄壓力，可有效延長(zhǎng)老井生產(chǎn)時(shí)間、維持生產(chǎn)平穩(wěn)，并提高氣藏采收率。

新場(chǎng)J2s2氣藏A井組包含10口氣井，增壓前日產(chǎn)氣量?jī)H3.1×104m3，產(chǎn)量年綜合遞減率8.04%，增壓初期日產(chǎn)氣量最高增加至3.6×104m3，60 d后恢復(fù)到增壓前的日產(chǎn)氣量，但產(chǎn)量遞減變緩。通過(guò)增壓開(kāi)采，井組的廢棄地層壓力可降低0.6 MPa，采收率提高1.80%(圖6)。

圖6 新場(chǎng)J2s2氣藏A井組增壓開(kāi)采遞減關(guān)系

2.2.3 開(kāi)采工藝技術(shù)

對(duì)于低滲致密氣藏中的難動(dòng)用儲(chǔ)量，僅依靠直井單層開(kāi)采，水力壓裂后也很難獲得工業(yè)產(chǎn)量。開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，水平井結(jié)合分段壓裂工藝對(duì)提高薄層致密砂巖儲(chǔ)層的采收率效果較好[15-18]。水平井可增大井筒與儲(chǔ)層的接觸面積，從而增加單井泄流面積、增大控制儲(chǔ)量，提高氣藏采收率；分段壓裂技術(shù)可通過(guò)增加滲流通道改善儲(chǔ)層滲流條件，提高氣藏采收率。

新場(chǎng)J2s2氣藏2010年后采用水平井開(kāi)發(fā)，先后經(jīng)歷了水平井試驗(yàn)階段(籠統(tǒng)壓裂)、難采層試開(kāi)發(fā)階段(多種壓裂方式)和推廣應(yīng)用階段(多級(jí)多縫壓裂)，水平井平均無(wú)阻流量逐步從2.1×104m3/d增加到10.3×104m3/d，無(wú)阻流量不斷提高，動(dòng)用儲(chǔ)量不斷增加，特別是突破了J2s21、J2s23氣層單層開(kāi)發(fā)難的困局，氣藏采收率逐年提高，僅2011—2013年間，新場(chǎng)J2s2氣藏采收率提高了6.24%。

3 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)新場(chǎng)J2s2氣藏的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，影響致密砂巖氣藏采收率因素包括含水飽和度、滲透率等地質(zhì)因素以及井網(wǎng)密度、工程工藝技術(shù)等工程因素。

(2)對(duì)于低滲致密砂巖氣藏，通過(guò)優(yōu)化合理井網(wǎng)井距、采用先進(jìn)工程工藝技術(shù)及開(kāi)采技術(shù)克服低滲致密砂巖氣藏儲(chǔ)層低孔致密、含水飽和度高等不利因素的影響，盡可能地降低廢棄地層壓力以提高氣藏采收率。