支撑剂沉降规律对页岩气压裂水平井产能的影响.pdf

第 39 卷 第 5 期 2017 年 9 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Production Engineering and Research Institute,DaqingOilfi eldCo.,Ltd., Daqing 163400, China Citation: HOU Tengfei, ZHANG Shicheng, MA Xinfang, LI Dong, SUN Yanan. Effect of proppant settlement laws on the produc- tivity of shale-gas horizontal wells after the fracturingJ. Oil Drilling sensitivity analysis; shale gas; horizontal well; productivity 基金项目：国家自然科学基金 “页岩气储层压裂液滞留机理与模拟研究”（编号：51504266） ；高等学校博士学科点专项科研基金课题 “页 岩气藏大规模非对称体积改造基础理论研究” （编号：20120007110004） 。 第一作者：侯腾飞（1989-） ， 中国石油大学油气田开发工程在读博士研究生， 主要从事油气田储层改造研究。通讯地址：（102249） 北京市 昌平区府学路 18 号中国石油大学。E-mail： 万方数据 639侯腾飞等：支撑剂沉降规律对页岩气压裂水平井产能的影响 页岩气是发展最迅速的非常规能源， 对于缓解 国内能源供需矛盾具有重要意义。水平井分段压裂 技术是成功开发页岩气资源的关键技术。页岩气储 层大范围有效的改造体积和足够导流能力的网络裂 缝是有效增产和经济开采的重要因素1-2， 但目前支 撑剂在页岩气缝网压裂过程中的运移、 沉降和分布 规律对产能的影响尚不明确。 国内外学者对支撑剂的运移和沉降规律的理论 研究多集中在常规水力压裂裂缝， 即对单一裂缝中 的颗粒运移和沉降的研究3。很多学者建立了运移 和沉降数学模型， 分析流体特征、 颗粒性质、 岩石性 质对颗粒沉降的影响4， 但是对支撑剂在复杂裂缝 网络体系的沉降和运移研究较少。Bokane 等（2013） 根据计算流体动力学（CFD ） 技术建立了一个固液两 相流模型， 用来模拟支撑剂在一个射孔段的不同射 孔簇中的运移5。此方法可分析一段多簇压裂中支 撑剂的运移情况， 但是不能分析复杂裂缝中支撑剂 的运移。实验研究支撑剂的运移和沉降规律方面， 多集中使用大型水力压裂平板仪器， 通过相似性原 理把支撑剂在压裂过程中的运移转变成室内实验研 究。温庆志等 （2015） 设计了大型可视裂缝模拟系统， 通过实验分析滑溜水的携砂能力以及支撑剂密度对 滑溜水携砂性能的影响6。Sahai 等（2014） 通过建 立大型支撑剂运移复杂裂缝网络模拟装置， 研究施 工排量、 液量、 压裂液性质、 支撑剂粒径密度等对支 撑剂在裂缝中的运移和沉降规律7。尽管国外学者 通过室内实验研究了支撑剂在复杂裂缝网络运移规 律， 但由于不能考虑储层特性、 裂缝壁面粗糙度、 岩 石特性、 裂缝扩展规律等情况， 具有很大的局限性， 并不能准确表征支撑剂的运移和沉降规律， 也无法 实现对油气井产能的分析和预测。 国外学者在数值模拟分析支撑剂沉降对产能的 影响方面研究较少。Cipolla C. L. 等（2009） 通过建 立气藏数值模拟模型， 分析水力裂缝闭合后， 自支撑 裂缝和支撑剂裂缝的不同导流能力对页岩气井产能 的影响8。Daneshy 等（2013） 指出， 在桥塞射孔压 裂作业中， 支撑剂在不同射孔簇是非均匀分布的， 大 多数支撑剂会进入最后一个射孔簇， 第 1 簇中的支撑 剂量约是最后一簇的四分之一9。 考虑到实际压裂后支撑剂运移和沉降的特征， 本文建立一种新的考虑支撑剂沉降的数值模型， 以 涪陵页岩气藏储层为研究对象， 对比分析了不同支 撑剂沉降程度及不同射孔位置对产能的影响， 研究 结果对页岩气的高效开发及气井现场压裂施工具有 重要的指导意义。 1支撑剂沉降的表征方法及模型的建立 Proppant settlement characterization method and model establishment 1.1支撑剂沉降的表征方法 Proppant settlement characterization method Cipolla 研究发现：在页岩气藏水力压裂作业过 程中， 支撑剂由于重力作用、 动力学因素、 与压裂液 运移不同步而产生沉降。在压裂施工后， 未有效支 撑的裂缝会因为闭合压力的作用而闭合， 只有支撑 剂有效支撑的裂缝才具有高导流能力。依据 Cipolla 等的研究成果， 利用 CMG-GEM 模块的双重介质模 型， 模拟页岩气支撑剂沉降对产能的影响， 并对比不 同储层射孔位置、 不同支撑剂沉降程度、 不同自支撑 裂缝渗透特性下产能的变化规律。 在 CMG 气藏数值模拟软件中， 利用局部网格加 密和等效导流能力的方法来描述人工裂缝。 如图 1、 2 所示为沿水平井筒钻遇方向的纵向裂缝壁面， 其支 撑剂沉降规律用等效导流能力来表征。 图 1渗透率分布 Fig. 1 Distribution of permeability 图 2横切裂缝壁面支撑剂沉降表征 Fig. 2 Characterization of proppant settlement at the crosscut fracture wall surface 万方数据 640石油钻采工艺2017 年 9 月（第 39 卷） 第 5 期 次级裂缝网络导流能力由于铺砂少， 多为诱导 裂缝， 参考 Yu W（2015） 研究假设其为定值。由图可 知， 页岩气储层纵向等分为 5 个小层， 可直观看到支 撑剂的沉降高度。 图1表示20%的支撑剂发生沉降， 第 1 小层支撑剂导流能力为自支撑剂导流（导流非 常小） ， 或裂缝视为无效裂缝（裂缝渗透率为基质渗 透率） 。图 2 表示横切裂缝壁面支撑剂、 自支撑裂缝 示意图。通过 LGR 网格加密， 结合等效导流能力设 置裂缝宽度、 渗透率参数。参考 Cipolla 的研究结果， 有效支撑的裂缝宽度设置为自支撑裂缝的 10 倍， 且 导流能力设置为自支撑裂缝的 500 倍。虽然弓形裂 缝内部没有支撑剂支撑， 但可视为大的喉道， 为无限 导流；由于弓形裂缝高度非常小， 且无法准确表征 其导流能力， 故本文在下面的分析中忽略这一特征。 针对 4 种支撑剂沉降程度 20%、 40%、 60%、 80%， 建立如图 3 所示支撑剂沉降在数值模拟中的表征方 法。在支撑剂沉降后， 未有支撑剂支撑的裂缝， 定义 其导流能力为 0.001 m2 cm。支撑剂支撑的裂缝， 通过裂缝等效导流能力方程， 结合 LGR 网格加密技 术， 对其渗透率进行赋值。支撑裂缝的导流能力主 要参考 Cipolla C. L.（2010） 对不同支撑剂粒径下导 流能力的研究， 以及参考贾长贵（2014） 研究涪陵地 区不同支撑剂粒径下导流能力与闭合应力的关系， 设置主裂缝导流能力 4 m2 cm 为基础模型的导流 能力10。 图 34 种支撑剂沉降类型在数值模拟中的表征 Fig. 3 Characterization of 4 types of proppant settlement in numerical simulation 1.2页岩气数值模型建立 Establishment of numerical shale gas model 以涪陵页岩气藏储层为研究对象， 建立了考虑 支撑剂沉降的水平井分段多簇压裂的双重介质产能 模型。运用对数网格加密（LGR） 方法来模拟双翼水 力裂缝， 此方法可以准确地模拟流体从页岩基质到 水力裂缝的流动。使用等效导流能力的方法来表征 人工裂缝， 裂缝导流能力定义为裂缝宽度和裂缝渗 透率的乘积。 模型假设封闭边界条件， 考虑了气体的非达西 流动。通过非达西流动来模拟水力裂缝中高速流体 产生的紊流现象， 在基质系统不考虑非达西流动。 模型中非达西现象通过 Forchheimer 修正的达西公 式模拟为 2 pvv k =+ （1） =1.485109/k1.021 （2） 式中， p 为压力梯度， 10-1 MPa/cm； 为黏度， mPa s； k 为渗透率， D； 为相密度， g/cm3； 为 Forchheimer 校正中使用的非达西因子， 它由 Evans 和 Civan 提出 的相关性来确定， cm-1；v 为流速， cm/s； 为孔隙度， 无因次。 式 （1） 描述气体在人工裂缝中的非达西流动， 并 且已经得到 Rubin B（2010） 等的验证11。式（2） 用 于描述水力裂缝中的非达西现象， 也常用来模拟页 岩气藏水力裂缝中的瞬态流。模型考虑了气体吸附 解吸附作用， 通过 Langmuir 等温吸附， 即 Langmuir 压力和 Langmuir 体积来表征。此方法假设在恒温恒 压下， 吸附气和游离气之间存在动态平衡。Langmuir 吸附方程为 VV p pp EL L = + （3） 式中， VE为吸附气量， m3/m3；VL为饱和吸附气量， m3/t， 即兰格缪尔体积， 反映页岩有机质的最大吸附能力； pL为兰格缪尔压力， MPa， 此压力下吸附量为最大吸 附能力的 50%；p 是地层压力， MPa。 在压力较低时， 吸附量随压力增大呈近似线性 增长， 随着压力的逐渐增大， 气体在基质表面的吸 附逐渐达到饱和， 吸附量无限接近朗格缪尔体积。 研究使用的吸附解吸附数据 Langmuir 吸附常数 0.00271/kPa1， Langmuir 最大吸附量 0.11 kg/mol。此 吸附解吸附数据是通过现场实测数据计算得出的。 模型考虑了应力敏感对裂缝导流能力的影响， 裂缝导流能力随着应力的增大而减小。通过支撑裂 万方数据 641侯腾飞等：支撑剂沉降规律对页岩气压裂水平井产能的影响 缝导流能力实验， 得出裂缝导流能力系数随压力的 变化规律， 如图 4 所示12。建立的页岩气气藏数值 模型， 需要使用现场生产数据进行验证， 以确保模拟 结果的可靠性。应用此规律对涪陵地区一口页岩 气井的井底流动压力和气体的生产数据进行历史拟 合， 并开展敏感性研究和产量预测。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 05101520253035 裂缝导流能力系数 有效应力/MPa 图 4裂缝导流能力随应力变化曲线 Fig. 4 Relationship of fracture conductivity vs. stress 图 5 是页岩气 YY1 井的历史拟合结果， 从图中 可以看出， 考虑了支撑剂沉降（沉降程度为 20%） 、 气 体吸附解吸附、 地应力影响的数值模拟结果和现场 实际产量拟合较好。拟合的裂缝网络平均导流能力 为 0.10.4 m2 cm， 历史拟合后， 并预测了 10 年后 的累积产气量， 开展了一系列影响因素敏感性分析。 历史数据 拟合结果 8 6 4 2 0 生产日期 产气量/104 m3d-1 2012-7-12012-10-29 2013-2-262013-6-26 2013-10-24 图 5YY1 井产量历史拟合 Fig. 5 History match of production rate of Well YY1 在进行历史拟合过程中， 对模型的天然裂缝导 流能力、 水力裂缝导流能力、 相渗等数据做了调整， 兰氏吸附常数和最大吸附量均保持不变。拟合后的 参数用于支撑剂非均匀分布的研究。YY5 设计水平 井长 1 200 m， 并未进行压裂施工， 应用分段多簇压 裂技术， 压裂共分为 8 段， 每段 4 簇， 所以水力主裂 缝总数是 32， 主次裂缝间距均为 30 m。文中数值模 型大小为 2 100 m1 200 m80