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2015年5月《页岩气专刊》—【IT石油&IT应用】栏目 斯伦贝谢页岩气一体化开发研究技术

□ 李健 / 斯伦贝谢科技服务(北京)有限公司

随着科学技术的日益发展,石油天然气资源的开发利用已经步入了新的时期。常规油气资源已经不能满足生产生活的使用需要,非常规油气资源的勘探与开发已经成为全球研究的焦点。我国的页岩气资丰富,几乎与美国相当,具有很好的开发前景。不过,页岩气储层地质条件复杂,非均质性极强,开采手段相对复杂,开发投资大,存在较高的风险。然而机遇与挑战并存,如何利用现有的资料进行有效的研究以指导页岩气开发并降低开发风险,一直是当前页岩气开发研究中的重要问题。而解决这些问题,需要综合地震地质以及开发资料进行合理分析,研究页岩气开发机理和有效的开采方式,建立从地质到开发生产的一体化研究技术,形成指导页岩气开发的有效技术手段。

页岩气储层建模

页岩气储层具有强烈非均质性,很难按照常规的方法和规律对其储层性质进行预测;这是在页岩气开发中的一个重点问题,也是一个难点问题。为了有效地解决这个问题,需要综合有限的数据资料,进行综合分析,合理的研究储层物性分布规律,以及对页岩气有利储集区域进行预测,为后期定生产井位提供依据。同时,页岩气储层中存在着裂缝系统,需要在油藏描述研究中予以体现;这就需要综合地震资料、地质因素、岩石力学等多学科进行分析,有效地预测储层内部的裂缝发育情况和分布规律,为储层改造提供依据。

利用斯伦贝谢公司的Petrel勘探开发一体化研究平台,综合地震资料和岩石力学数据进行分析,得到页岩气储层裂缝的分布和参数;并利用Petrel平台的裂缝建模技术,建立可以描述页岩气储层的双重孔隙网格模型(见下图1)。

页岩气渗流动态模拟

页岩气以气为主,包括吸附气与游离气。部分气体在地层中处于吸附状态,在原始条件下不流动,游离态的气体则存在于孔隙系统中,而同时由于页岩气岩石的致密性,部分这样的孔隙在原始状态下几乎没有连通,所以气体无法正常流动。在经过储层改造后,在生产时储层压力降低,气体先从其吸附表面脱附,扩散聚集后再流向井筒。于是气体在其中的流动连续性不如常规油气藏,其流动属于瞬态流动,这与常规油气藏中的气体流动有很大不同。

斯伦贝谢公司的ECLIPSE油藏数值模拟软件提供专门进行页岩气研究的非常规模块,对页岩气中天然气的吸附与流动提供了多种模拟方法。在吸附上基于Langmuir等温吸附理论,可以考虑瞬时脱附与缓慢脱附。为准确描述瞬态流动,在原来双重介质模型的基础上使用嵌套多重子网格技术对模型基质网格进行再次离散,以模拟页岩气中气体的瞬态扩散流动。

页岩气井设计

目前对页岩气的开采方式主要采用水平井多级水力压裂方式进行开发,这样可以减少完钻井数;同时使用水平井可以增加单井控制面积进而提高产能。这部分研究的重点包括水平井布井方式研究、水力压裂裂缝形态分布与效果研究、水平井多级压裂裂缝模拟技术;这些研究工作都需要有正确的方法并借助有力的工具来完成。

利用ECLIPSE Advanced Wells模块,可以有效地表示各种类型井的井筒拓扑结构,计算各种井段的压降、流量等重要参数,可以对水平井、定向井及复杂结构井进行合理地模拟。与目前各种数值模拟软件中使用的传统井模型相比较,在模拟水平井、大斜度井等需要考虑细致井筒参数计算的情况下,ECLIPSE Advanced Wells优势明显(见下表)。

结合Petrel一体化平台的油藏工程模块,通过所见即所得的方式进行井轨迹设计。在设计时可以综合地震、地质、油藏以及三维岩石应力场,在有利区域(Sweet spots)设计合理的井轨迹,在保证开发产能降低了钻井风险(见下图2)。

利用完井方式设计功能,可以在井轨迹设计完成后,研究完井方式、井下设备的放置、水力压裂裂缝位置等参数,计算的结果可以在Petrel中直接显示,进行对比综合分析。页岩气开发需要投入大量的井以增加控制范围提高产量,利用Petrel平台的布井及优化功能可以快速实现水平井排的快速布置与优化。

水力压裂开发页岩气

随着对页岩气勘探开发研究的深入,水力压裂已经成为实现页岩气高效开发的重要手段。在储层改造中尽可能多的沟通天然裂缝,使得渗透率极低的基质在扩散作用下释放的气体通过裂缝的沟通提高流动能力,尽可能地增大页岩储层改造体积,最终整个改造层位形成沟通页岩气和井底的大型复杂缝网系统。

对水力压裂效果进行合理评价的前提是对水力压裂后的裂缝形态进行准确描述。由于页岩气的非均质性和地下储层的不确定性使得水力压裂裂缝的形态分布更难直接预测,而利用井下微地震技术可以获取水力压裂裂缝形成的有用资料,通过对资料进行分析计算,可以得到有效裂缝分布和参数,进而对压裂后储层物性改造效果进行评估,并对压裂效果进行合理地预测。

利用斯伦贝谢的井下微地震监测和解释技术,通过分析监测数据,可以拟合计算施工参数,得到有效裂缝区域并预测裂缝属性,并将得到的属性更新到地质模型的裂缝属性中,为后期的模拟计算提供所需裂缝参数(见下图4)。该技术也成为了人工水力压裂裂缝表征的一项新技术。

对水力压裂裂缝进行合理的认识和描述,会直接影响压后产能、经济评价的准确性及施工优化设计的合理性。对于储层中的裂缝主要有三种方法进行描述:单一介质模型等效方法、双重介质模型等效方法、离散化网格模拟方法;后两者是目前应用最多的方法。利用微地震监测数据计算双重介质模型裂缝属性就属于第二种。而在更多实际的研究中,往往要求在地质模型中体现水力压裂裂缝形态和属性,即采用离散化网格模拟方法对压裂裂缝形态和属性的描述。使用离散化网格模拟方法主要有结构化网格中应用局部网格加密实现技术(LGR)和非结构化网格(PEBI)实现技术(见下图5)。

有了合理的页岩气储层描述成果与水力压裂的效果评估,即可以建立完整的数值模拟模型对页岩气的开发进行模拟,研究影响生产的敏感参数,进而逐步优化得到合理的开发方案。

页岩气开发除了对页岩气储层及有利区域进行预测,还需综合地震地质油藏的数据,进一步研究目的区块的开采方式,制定合理的开发方案。应用斯伦贝谢页岩气开发研究技术,可以建立准确的页岩气储层模型作为数值模拟研究的基础;同时可以对多级水力压裂效果进行合理评估,为制定页岩气开发方案提供合理的参考数据,有效地指导页岩气的开发。

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