CO_2辅助增能压裂气体注入时机优选研究_阳潇.pdf

第 卷第期 年月非常规油气 引用：阳潇，陈星杙，董洁，等 辅助增能压裂气体注入时机优选研究非常规油气，（）：，（）：辅助增能压裂气体注入时机优选研究阳潇，陈星杙，董洁，程喜琨，陈泳洁，刘伟，李彦超（成都理工大学 能源学院，成都 ；中国石油集团川庆钻探工程有限公司 页岩气勘探开发项目经理部，成都 ）摘要：增能压裂与常规水力压裂相比，具有压后增能、返排迅速、对储层伤害小以及单井产能高等优势，在非常规油气藏高效开发中发挥着重要作用。为优化 辅助增能压裂过程中气体的注入时机，通过多孔介质气体扩散微观数值模拟、油藏数值模拟方法等分别从微观和宏观角度研究了不同注入时机下 波及范围及地层压力分布规律，对比了不同储层物性及 注入速度对 增能效果的影响。研究结果表明：）前置注入井筒附近含水饱和度低，伴注井筒附近含水饱和度高，前置注入扩散进入深部地层的 量比 伴注增加了约，深部地层压力上升更多；）储层物性对 增能效果有一定影响，注入过程中，随着孔隙度、渗透率由和 变为 和 ，地层压力进一步上升，最大地层压力可增加约；）在近井筒地带地层压力随 注入速度的增加而上升，速度增量越大地层压力上升越明显，超过 后地层增能效果不显著。该结果可为非常规储层 辅助增能压裂气体注入时机优选及注入方案设计提供参考。关键词：；增能压裂；扩散传质；注入时机；数值模拟中图分类号：文献标识码：，（.，；.，）：，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目“降黏剂在超稠油油藏中动态扩散传质规律研究”（）；南充市科技项目“压裂液相态特征及流动规律研究”（）。第一作者简介：阳潇（），女，硕士研究生，研究方向为油气田开发工程。：通讯作者简介：刘伟（），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为油气田开发工程。：非常规油气油气工程 ，：），；），；），：；引言随着油气勘探的不断深入以及全球对油气资源需求的不断增加，致密油、页岩油和页岩气等非常规油气资源已 成为 越来 越 重 要 的 能 源 组 成 部分。非常规储层通常需要储层改造以提升其渗流能力，水力压裂是其增产开发的有效手段。常规水力压裂存在耗水量大，储层二次伤害，压裂液返排率低等问题，大大影响了压裂改造的效果；由于其较好的物理特性和储层增产效果，往往被用于辅助压裂以提高储层改造效果。辅助增能压裂与常规水力压裂相比，它具有压后增能、返排迅速、对储层伤害小以及单井产能高等优势，符合“双碳”战略倡导的绿色、环保、低碳理念，在非常规油气藏高效开发中发挥着重要作用。随着我国非常规油藏的开发，增能压裂分别在延长油田、中原油田以及长庆油田都取得了较好的增产效果 。目前大多数的研究主要集中于 辅助增能压裂的增产机理及施工工艺方面，对 辅助增能压裂气体不同注入时机下 在储层及油藏中的渗流规律以及 扩散对孔隙压力的影响认识不透彻，导致 注入方案优化设计缺乏理论指导依据。针对 辅助增能压裂过程中气体注入时机问题，基于 扩散传质数学模型，从微观和宏观个方面研究了不同注入方式下 在多孔介质中的浓度分布规律及其对井筒附近压力波及范围的影响等。针对不同类型储层提出了相适应的 注入时机，为 辅助增能压裂的现场施工设计提供了一定的参考和指导。注入时机微观数值模拟 扩散物理模型不同注入时机下井筒附近含水饱和度不同，而含水饱和度的变化会影响 扩散情况。为了研究不同注入时机对 扩散的影响，基于可视化 微观驱替实验，建立 在不同含水饱和度的多孔介质中的微观扩散模型，定义扩散材料和扩散条件后对多孔介质进行网格剖分，得到每个网格内的数值解并转化为可视化图像和数据输出。图所示为微观数值模拟过程，图 中不同颜色代表 扩散浓度的大小，颜色由蓝到红表示扩散浓度逐渐增加。图微观数值模拟流程 年月阳潇等：辅助增能压裂气体注入时机优选研究建立的个不同含水饱和度的对比模型和模型，如图 所 示。将 微 观 模 型 分 为 左 和 右 个区域，左区域模型含水饱和度比模型含水饱和度低，右区域模型和模型含水饱和度相同。利用 软件对岩心孔喉结构及油水分布图像进 行 矢量 化，得到各区域含水 饱和度、孔隙度 以 及 孔 喉 大 小 等 参 数，具 体 参 数 取 值 见表。图模型和模型油水相分布模型 表微观模型参数 模型编号孔隙度含油饱和度含水饱和度左区域含水饱和度右区域含水饱和度平均孔喉直径 扩散数学模型对上述建立的物理模型作如下假设：）扩散过程中体系恒温恒容；）扩散系数保持恒定。此时，在油、水两相中的扩散过程可用 定律 来进行表征，其控制方程如式（）所示。（）扩散边界条件和初始条件可定义为：在扩散室的右出口，无 通过界面，通量为；初始状态下，油、水两相中无 存在，模型内 浓度为，即；为 在扩散左出口的初始浓度，令 。由于多孔介质中 迂 曲 度的 存在（），将扩散系数转换成有效扩散系数后 ，在油、水中的有效扩散系数分别为 ，。对模型和模型建模，并进行网格剖分，三角形网格数分别为 和 。模型和模型的网格数较大，保证了数值模型的计算精度。之后输出模型和模型模拟结果可视化图像以及数值解，对比不同含水饱和度对 扩散的影响。注入时机油藏数值模拟为研究不同注入时机对 扩散范围及压力分布的影响，建立了考虑基质和裂缝共存的油藏数值模拟模型，同时基于该模型分析不同注入时机、注入速度及储层参数对地层压力分布的影响，优选 增能压裂注入方案。数值模拟模型是在致密油藏的地质基础上建立的 ，为满足压裂的需要，设其在，和方向上的网格数分别为 ，和，和方向网格大小为，方向共分为 层，平均层厚为，目的储层位于第层。在压裂设计中，采用局部细化网格（）方法，通过改变网格块的渗透率来准确表征水力裂缝。设计口水平井分别为注入井和生产井，每口井压裂段分为段，共产生条主裂缝，主要裂缝半长为，裂缝模型如图所示，图中沿方向的黑色线条为井眼轨迹，井眼轨迹穿过的 各 平 面 为 裂 缝 面。数 值 模 型 基 本 参 数 设置 见表，对模型的基质、裂缝网格进行剖分运算后输出数值模拟结果。非常规油气油气工程 表数值模型基本参数 参考深度层厚初始压力 基质孔隙度基质渗透率 裂缝间距裂缝半长缝宽水平井长裂缝渗透率 图油藏数值模拟模型示意图 结果与分析 含水饱和度对 扩散的影响该研究主要分析 浓度分布、模型中心位置处 扩散平均浓度以及不同区域 扩散量，探讨不同含水饱和度对 微观扩散的影响。扩散浓度分析模拟时间步长和持续时间分别设置为 和 ，在多孔介质中的浓度分布随扩散时间的增加而变化。为分析不同含水饱和度下 浓度分布情况，比较了，和 不同扩散时间下微观模型 扩散浓度分布情况，如图所示。图模型和模型中 浓度分布情况 分析图可知，随着扩散时间的增加，油、水相中的 浓度都上升，但模型中 向深部地层扩散，而模型中大量 滞留于近井筒位置；这是由于模型中左区域含水饱和度较高，水相占据了扩散的主要喉道，在水中扩散系数小，导致 难以扩散，出现了明显的水阻现象。水阻区域右方水相和油相中 扩散浓度大幅下降，大量 难以突破水阻区而滞留于区域左方。这说明，年月阳潇等：辅助增能压裂气体注入时机优选研究井筒附近较高的含水饱和度会阻碍 扩散，扩散进入右区域的整体浓度下降。以模型中心位置处 扩散浓度分布为基础，绘制中心位置处 扩散平均浓度随时间变化曲线，如图所示。从图可以看出，相同时刻下模型中部 浓度远高于模型中部 浓度，这是由于模型左边区域含水饱和度高，且占据了主要的喉道位置，在水中的扩散系数远低于油中的扩散系数，导致相同时刻内其中部的 浓度较低。图不同含水饱和度下模型中心位置处 扩散平均浓度 扩散量分析 在饱和油水两相的多孔介质中扩散时，某时刻的 扩散量可用下式计算：（，）（）式中：为某时刻 在多孔介质中扩散的量，；，和 为多孔介质的个端点的坐标，。分析数据后绘制了模型和模型的 在不同含水饱和度下油相和水相中的扩散量统计图，如图所示。上述结果表明：随着井筒附近含水饱和度的上升，扩散进入水相的量会增加，扩散进入深部的量会减少，约占低含水饱和度下的。因此，在 前置注入方式下，近井筒地带的含水饱和度较低，更容易扩散至储层深部，其增能效果较好；伴注方式下，由于前期注入的压裂液导致近井地带含水饱和度高，阻碍了 向储层深部的扩散，大量 会积聚在近井地带，在压裂液返排阶段，气体膨胀，将会提升压裂液返排效果。图不同含水饱和度下 扩散的量 沿井筒方向压力分布影响因素分析 注入时机影响通过油藏数值模拟研究了不同注入时机下地层压力波及范围情况，如图所示。对比 前置注入和 伴注种注入时机下压力分布情况可以看出，前置注入方式下，注入 后，井筒附近压力上升，从近井筒位置到深部地层，地层压力逐渐下降，但远远大于未形成裂缝地层。上述结果表明：前置注入能有效增加地层能量，具有良好的增能效果。对比种注入时机下的压力波及范围，前置注入比 与压裂液伴注地层压力波及范围更广。图注入压裂液后压力波及范围 非常规油气油气工程 对比不同 注入时机下沿井筒方向地层压力分布规律，结果如图所示。图中，不同注入时机下，井筒附近地层压力无明显差别，这是因为其距离裂缝较近，受裂缝内压力的影响；随着扩散距离的增加，地层压力逐步下降，但远大于原始地层压力，这说明 注入具有增加地层能量的作用，但 前置注入比 与压裂液伴注压力下降更为缓慢，在深部地层 前置注入增能效果更好。图不同注入方式下沿井筒方向压力分布规律 油藏物性影响致密储层地下渗透率一般小于 ，孔隙度一般小于。为分析储层物性变化对 增能效果的影响，研究了储层孔隙度和渗透率分别为和 以及 和 时 扩散过程中地层压力分布规律，结果如图所示。储层物性较差，孔隙度和渗透率分别为 和 时，种注入时机下压力下降都较为迅速，最大地层压力增加约 ，并且扩散距离大于 后，深部地层压力无明显上升；随着储层物性变好，孔隙度和渗透率分别达到 和 时，地层压力进一步上升，深 部 地 层 能 量 增 加，最 大 地 层 压 力 增 加 约 ，与储层物性较差时相比最大增量相差约 。这是因为储层物性较差时，不能及时向周围更深处地层扩散，较多 积聚于近井筒位置，整体压力增加较小；随着储层物性变好，能够有效地向周围地层扩散，对深部地层产生更好的增能效果。图不同储层物性下沿井筒方向压力分布规律 注入速度影响研究了不同注入速度下沿井筒方向地层压力分布规律，结果如图 所示。从压力分布规律模拟结果可以看出：同一注入方式下，随着 注入速度增加，地层压力逐步上升；但地层压力随着注入速度增加的作用距离有限，超过 后再增加 注入速度不能明显增加地层压力。当速度变化量增加，由 变化为 时，地层压力上升更明显。上述结果表明：数值模拟过程中虽未对更高 注入速度下地层压力分布规律进行研究，但适当提高 注入速度可有效增加近井筒地带地层能量；并且地层压力上升幅度与速度变化量有关。图 不同注入速度下沿井筒方向压力分布规律 年月阳潇等：辅助增能压裂气体注入时机优选研究 结论针对致密油气藏，研究了不同注入时机下多孔介质中 扩散规律和地层压力分布情况，并通过数值模拟对比不同储层物性和注入速度下 扩散对地层压力的影响，最后得到 辅助增能压裂注入参数优化方案，结论如下：）在多孔介质扩散过程中，随着井筒附近含水饱和度由 变为 ，扩散范围缩小，扩散进入深部地层的量减少，伴注方式下深部地层压力增量小于 前置注入增量，说明 前置注入方式下 波及范围更广，深部储层增能效果更好。）通过油藏数值模拟研究了不同储层物性在同一注入时机下地层压力分布规律，发现随着储层物性变好，注入过程中地层压力增量大幅上升，同时根据储层的物性条件提出了相适应的注入时机：对于储层物性较好的储层，可采用 前置注入以提升深部地层 增能效果；对于储层物性较差的储层，种注入方式下储层增能效果都不明显，因此可采用 伴注方式增加压裂液返排效率。）同一注入时机下，适当提高 注入速度可有效增加近井筒地带的地层能量，但对深部地层增能效果不明显；在 增能压裂方案设计和矿场实践中，应针对地层情况优选合适的注入方案以达到辅助增能的效果。参考文献：康毅力，罗平亚中国致密砂岩气藏勘探开发关键工程技术现状与展望石油勘探与开发