2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018;
3. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学, 四川 成都 610500
2. State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil & Gas Field Exploration and Development, Xi'an, Shaanxi 710018, China;
3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
对于低渗透气藏,仅采用单一水平井或压裂垂直井开发往往达不到理想的单井产能和预期的开发效果。水平井多级分段压裂技术能大幅度提高低渗气藏的单井产能,因此,近年来被越来越多地运用于低渗气藏、致密气藏、页岩气藏的开发,并取得了良好的开发效益。
1978年,Cinco-Ley等建立了压裂垂直井的渗流模型,并采用裂缝单元离散的方法对模型进行了求解[1],该模型能准确地刻画压裂垂直井的压力和产量动态,但模型仅考虑了单条压裂缝的影响。1993年,Raghavan和Joshi给出了一种多级压裂水平井产能的计算方法,但该模型未严格考虑压裂缝中的流动[2]。1994年,郎兆新利用位势理论和叠加原理对油藏中的多级压裂水平井(MFHW)产能进行了研究,并推导出了产能计算公式,不过该公式未考虑压裂缝导流能力的影响,只适用于无限导流缝的情形[3]。2002年,宁正福等在郎兆新研究基础上对MFHW产能计算公式进行了改进,该公式进一步考虑了压裂缝导流能力的影响,能较好地用于MFHW产能的计算,不过,该模型对流体在压裂缝中的流动进行了较大的简化处理,与实际情况偏差较大[4]。2007年,曾凡辉等利用点汇解和叠加原理为MFHW建立了一种产能计算模型,该模型既考虑了压裂缝引起的势的相互干扰,也考虑了压裂缝导流能力的影响[5],不过,采用个数有限的点汇的叠加来代替连续延伸压裂缝的方法不可避免地导致较大的偏差。2009年,王海涛等建立了多级压裂水平井不稳定渗流模型,计算并分析了MFHW井底压力动态及流量分布规律[6],但该模型未考虑压裂缝导流能力的影响。同年,Brown将压裂水平井分为3个线状流动区,建立了三线性流模型,分析了MFHW的压力动态,并利用Mukherjee和Economides提出的表皮系数表达式考虑了压裂缝中的流体向水平井筒径向汇聚的影响,但文中未对产量动态进行分析[7-8]。2010年,曾保全等借助Eclipse软件,利用流线模拟方法,研究了压裂水平井流线分布特征、裂缝产能分布规律、裂缝长度对开发效果的影响[9]。2014年,张芮菡等基于压裂水平井三线性流模型,结合沃伦-茹特模型,建立了低渗透裂缝性气藏压裂水平井不稳定渗流数学模型,分析了其产量变化动态[10],该模型较好地考虑了流体在地层及压裂缝中的流动,但仅适合于早中期的线性流阶段,对晚期流线形态发生变化后则不太适用。2016年,张德良基于非结构网格,采用有限元-有限体积法研究了页岩气藏MFHW水平井产能动态[11],模型功能较强,能考虑很多复杂情况,但计算量大、计算耗时。同年,魏明强、段永刚等基于PEBI网格,引入尘气模型建立并推导了综合考虑页多重运移机制下的压裂水平井产量递减数学模型,计算获得了页岩气藏无限导流压裂水平井Blasingame产量递减典型曲线,讨论了相关参数对典型曲线的影响[12],但未考虑压裂缝导流能力的影响。此外,还有不少学者对多级压裂水平井产能计算问题作了研究[13-21]。
由此可见,目前低渗气藏MFHW产能计算方面仍存在一些不足,为此,本文综合利用多种数学方法,建立了一个严格的产能计算数学模型。
1 物理模型如图 1所示,低渗气藏中有一口多级压裂水平井(MFHW),图中只画了6条压裂缝,但为了不失一般性,在推导时假设压裂缝条数为
其他基本假设如下:
(1) 气藏水平等厚,原始地层压力为
(2) 考虑水力压裂缝的导流能力;
(3) 忽略重力和毛细管力;
(4) 气藏中为等温渗流。
2 产能计算的数学模型该产能计算模型由气藏渗流模型和压裂缝渗流模型组成。为了在推导中不产生太多冗长的数值常数,本文模型在推导时采用SI国际单位制。
2.1 气藏渗流模型由于多级压裂水平井内边界条件的复杂性,直接构建其渗流数学模型时很难准确给出内边界条件,故先从最简单的线汇模型出发,再利用叠加原理获得MFHW在气藏中引起的压力分布表达式。
2.1.1 线汇模型线汇模型是渗流力学中最基本的渗流模型之一,此处考虑以恒定的井底压力
渗流微分方程
$ \dfrac{{{\partial ^2}{\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {r_{\rm{D}}}^2}} + \dfrac{1}{{{r_{\rm{D}}}}}\dfrac{{\partial {\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {r_{\rm{D}}}}} = \dfrac{{\partial {\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {t_{\rm{D}}}}} $ | (1) |
内边界条件(线汇)
$ \mathop {{\rm{lim}}}\limits_{{\xi _{\rm{D}}} \to 0} {\left. {{r_{\rm{D}}}\dfrac{{\partial {\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {r_{\rm{D}}}}}} \right|_{{r_{\rm{D}}} = {\xi _{\rm{D}}}}} = - {\hat q_{\rm{D}}} $ | (2) |
外边界条件
$ {\left. {{\psi _{\rm{D}}}} \right|_{{r_{\rm{D}}} \to \infty }} = 0 $ | (3) |
初始条件
$ {\left. {{\psi _{\rm{D}}}} \right|_{{t_{\rm{D}}} = 0}} = 0 $ | (4) |
式中:
式(1)
利用Laplace变换可求得上述线汇模型在Laplace空间的解为
$ \overline {{\psi _{\rm{D}}}} = \overline {{{\hat q}_{\rm{D}}}} {{\rm{K}}_0}\left( {\sqrt s {r_{\rm{D}}}} \right) $ | (5) |
式中:
K
需要说明的是,本文描述中,变量上面带一杠(如
由求和形式和积分形式这两种形式的叠加原理,可得
$ \overline {{\psi _{\rm{D}}}} ({x_{\rm{D}}}, {y_{\rm{D}}}, s) = \dfrac{1}{2}\sum\limits_{l = 1}^M {\int\limits_{ - {x_{{\rm{fD}}l}}}^{{x_{{\rm{fD}}l}}} {\overline {{q_{{\rm{fD}}l}}} ({x_{{\rm{wD}}}}, s){{\rm{K}}_0}\left( {\sqrt s \sqrt {{{({x_{\rm{D}}} - {x_{{\rm{wD}}}})}^2} + {{({y_{\rm{D}}} - {y_{{\rm{wD}}l}})}^2}} } \right){\rm{d}}{x_{{\rm{wD}}}}} } $ | (6) |
式中:
沿用Cinco等建立双翼压裂缝渗流模型时的建模思想[23-25],可建立第
$ \dfrac{{{\partial ^2}{\psi _{{\rm{fD}}j}}}}{{\partial {x_{\rm{D}}}^2}} + \dfrac{2}{{{C_{{\rm{FD}}j}}}}{\left. {\dfrac{{\partial {\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {y_{\rm{D}}}}}} \right|_{{y_{\rm{D}}} = {y_{{\rm{wD}}j}} + {W_{{\rm{fD}}j}}/2}} = 0, \\[8pt] {\kern 2em} 0 \leqslant {x_{\rm{D}}} \leqslant {X_{{\rm{fD}}j}}, \;\;{y_{{\rm{wD}}j}} \leqslant {y_{\rm{D}}} \leqslant {y_{{\rm{wD}}j}} + {W_{{\rm{fD}}j}}/2 $ | (7) |
$ {\left. {\dfrac{{\partial {\psi _{{\rm{fD}}j}}}}{{\partial {x_{\rm{D}}}}}} \right|_{{x_{\rm{D}}} = 0}} = - \dfrac{{\mathsf{π}}}{{{C_{{\rm{FD}}j}}}}{q_{{\rm{D}}j}}({x_{\rm{D}}}, {t_{\rm{D}}}) $ | (8) |
$ {q_{{\rm{fD}}j}}({x_{\rm{D}}}, {t_{\rm{D}}}) = - \dfrac{2}{{\mathsf{π}}}{\left. {\dfrac{{\partial {\psi _{\rm{D}}}}}{{\partial {y_{\rm{D}}}}}} \right|_{{y_{\rm{D}}} = {y_{{\rm{wD}}j}} + {W_{{\rm{fD}}j}}/2}} $ | (9) |
式中:
式(7)
$ \overline {{\psi _{{\rm{wD}}}}} - \overline {{\psi _{{\rm{fD}}j}}} ({x_{\rm{D}}}, {y_{{\rm{wD}}j}}, s) = \dfrac{{\mathsf{π}}}{{{C_{{\rm{FD}}j}}}}\left( {{x_{\rm{D}}}\overline {{q_{{\rm{D}}j}}} - \int\limits_0^{{x_{\rm{D}}}} {\int\limits_0^\sigma {\overline {{q_{{\rm{fD}}j}}} ({x_{\rm{D}}}, s){\rm{d}}{x_{\rm{D}}}{\rm{d}}\sigma } } } \right) $ | (10) |
式中:
联立式(6)和式(10),得
$ \overline {{\psi _{{\rm{wD}}}}} - \dfrac{1}{2}\sum\limits_{l = 1}^M {\int\limits_{ - {x_{{\rm{fD}}l}}}^{{x_{{\rm{fD}}l}}} {\overline {{q_{{\rm{fD}}l}}} ({x_{{\rm{wD}}}}, s){{\rm K}_0}\left( {\sqrt s \sqrt {{{({x_{\rm{D}}} - {x_{{\rm{wD}}}})}^2} + {{({y_{{\rm{wD}}j}} - {y_{{\rm{wD}}l}})}^2}} } \right){\rm{d}}{x_{{\rm{wD}}}}} }= \\ {\kern 6em} \dfrac{{\mathsf{π}}}{{{C_{{\rm{FD}}j}}}}\left( {{x_{\rm{D}}}\overline {{q_{{\rm{D}}j}}} - \int\limits_0^{{x_{\rm{D}}}} {\int\limits_0^\sigma {\overline {{q_{{\rm{fD}}j}}} ({x_{\rm{D}}}, s){\rm{d}}{x_{\rm{D}}}{\rm{d}}\sigma } } } \right), \hspace{3em} j=1, 2, 3, M $ | (11) |
式(11)为Fredholm积分方程,可通过对内边界进行单元离散来进行求解。
如图 2所示,假设第
离散后的方程为
$ \dfrac{{{\psi _{{\rm{wD}}}}}}{s} - \dfrac{1}{2}\sum\limits_{l = 1}^M {\sum\limits_{v = 1}^N {\int\limits_{{x_{{\rm{D}}l, v}}}^{{x_{{\rm{D}}l, v + 1}}} {\overline {{q_{{\rm{fD}}l, v}}} (s){\rm{G}}({{\hat x}_{{\rm{D}}j, i}}, {x_{{\rm{wD}}}}, {y_{{\rm{wD}}j}}, {y_{{\rm{wD}}l}}, s){\rm{d}}{x_{{\rm{wD}}}}} } } =\\ {\kern 6em} \dfrac{{\mathsf{π}}}{{{C_{{\rm{FD}}j}}}}\left( {{{\hat x}_{{\rm{D}}j, i}}\overline {{q_{{\rm{D}}j}}} - \sum\limits_{v = 1}^{i - 1} {\overline {{q_{{\rm{fD}}j, v}}} } \left( {i - v} \right)\Delta {x_{{\rm{D}}j, i}}^2 - \overline {{q_{{\rm{fD}}j, i}}} \dfrac{{\Delta {x_{{\rm{D}}j, i}}}}{8}} \right) , \\ j=1, 2, ... M; i=1, 2, ..., N $ | (12) |
其中:
$ {\rm{G}}({x_{\rm{D}}}, {x_{{\rm{wD}}}}, {y_{{\rm{wD}}j}}, {y_{{\rm{wD}}l}}, s) =\\ {\kern 3em} {{\rm{K}}_0}\left( {\sqrt s \sqrt {{{({x_{\rm{D}}} - {x_{{\rm{wD}}}})}^2} + {{({y_{{\rm{wD}}j}} - {y_{{\rm{wD}}l}})}^2}} } \right) +\\ {\kern 4em} {{\rm{K}}_0}\left( {\sqrt s \sqrt {{{({x_{\rm{D}}} +{x_{{\rm{wD}}}})}^2} + {{({y_{{\rm{wD}}j}} - {y_{{\rm{wD}}l}})}^2}} } \right) $ | (13) |
此外,对于第
$ \sum\limits_{v = 1}^N {\overline {{q_{{\rm{fD}}j, v}}} \Delta {x_{{\rm{D}}j, v}}} = \overline {{q_{{\rm{D}}j}}} $ | (14) |
当
求出各压裂缝无因次产量
$ q = \sum\limits_{j = 1}^M {{q_j}} $ | (15) |
以某低渗透气田T2区块典型储层物性参数为例,定量分析多级压裂水平井产能影响因素。参数情况如下:压裂缝条数
经单位转换后,可利用本文模型进行产能计算分析。讨论某一参数的影响时,只令该参数变化,其他参数除非在图上标注,否则,取上述给定值。
3.1 气层有效厚度图 3是气层有效厚度对MFHW产量的影响图。从图可以看出,随气层有效厚度的增大,气井产量几乎呈线性增加,故气层有效厚度是影响气井产能的主要因素之一。
图 4是气藏渗透率
图 5是压裂缝条数
图 6是压裂缝半长
图 7是压裂缝导流能力
从以上对压裂缝条数
图 8是压裂缝条数
从图 8可以看出,在早期,地层流入各条压裂缝的流量近似相等,但随着生产时间的推移,从地层流入两端压裂缝的流量逐渐大于从地层流入中部压裂缝的流量,即呈现“两端高、中部低”的特点。
4 结论(1) 为多级压裂水平气井产能计算提供了一个严格的数学模型,并对模型成功地进行了求解,然后以此为基础,对不同因素影响下的多级压裂水平气井产能进行了定量计算和分析。
(2) 随气层有效厚度
(3) 压裂缝条数
(4) 在早期,地层流入各条压裂缝的流量近似相等,随生产时间的推移,地层流入端部压裂缝的流量逐渐大于流入中部压裂缝的流量,即呈现“两端高、中部低”的特点。
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