涪陵頁巖氣田合理配產方法對比優選研究

湛小紅

（中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院，湖北武漢 430223）

涪陵頁巖氣田位于四川盆地和盆緣山地過渡帶，是中國首個大型頁巖氣田，同時也是全球除北美之外最大的頁巖氣田[1]，目前整體處于開發初期穩產階段，但是由于配產方案的不合理，少數氣井出現了出砂、井筒積液、水淹停產、產量和壓力下降快等現象[2]。這些情況的出現一方面破壞了儲層和井身結構，另一方面導致氣井提前進入遞減生產階段，影響了氣井最終采收率和儲量動用程度[3]。所以，在保證經濟效益的情況下，為了最大限度維持頁巖氣井的穩產期和最終采收率[4]，解決氣井的合理配產這一技術難題尤為重要。

1 合理配產原則

與常規氣井相比，頁巖氣井具有多級水力加砂壓裂的特點，故合理配產原則與常規氣井有區別[5]：①壓裂液返排伴隨氣井生產全過程，故需考慮臨界攜液流量，盡可能利用地層能量攜帶返排液，避免井筒積液影響生產；②頁巖氣井生產過程中產量要小于臨界攜砂氣量，從而避免壓裂支撐劑流失造成裂縫閉合、儲層和井身結構的破壞；③頁巖氣井井底流入與井口流出相協調，合理利用井筒能力，減小氣井紊流效應，從而提高生產效率；④為保證經濟效益和最終采收率，氣井應保持一定的穩產年限。

2 合理配產方法及應用

2.1 避免井筒積液的配產方法

涪陵頁巖氣田的開采規律表明，頁巖氣井開采初期井筒液體主要為壓裂返排液。若氣井配產合理，井筒液體能通過液滴形式或者霧狀形式被氣體攜帶至地面，氣井能生產正常；若氣井產量過低，氣體攜液不暢將造成井底積液，影響氣井的產量甚至造成氣井停產[6]。本文采用臨界攜液流量配產法確定合理配產的下限值，即氣井的合理配產值必須大于臨界攜液流量才能避免井筒積液。目前，國內外許多學者已經提出了計算氣井臨界攜液流量的數學公式，其中計算精度最符合我國氣田實際情況的是李閔模型和Turner模型[7]，兩者都是以液滴模型為基礎，以井口或井底條件為參考點，推導得到的臨界流量公式[8]。將其換算成氣井流量公式如下：

式中：q"為氣井產量，10$m9/d；A為生產管柱截面積，m2；&為氣井臨界流速，m/s；P為井口壓力，MPa；T為溫度，K；(為氣體偏差系數；J為與拽力系數有關的常數，無因次；K為氣液表面張力，N/s；LM為氣井天然氣的密度，kg/m9；LN為井筒中液體密度，kg/m9；C>為拽力系數，無因次；R@為雷諾數，無因次。

李閔模型和Turner模型計算得到的拽力系數分別是0.44，10.00，對應的臨界流速公式分別為：

涪陵氣田采用的是50.800，60.325，73.025 mm油管及139.700 mm套管四種生產管柱采氣，采用公式（1）、（2），計算得到了不同尺寸生產管柱臨界攜液流量與井口壓力的關系（圖1）。對比兩種模型后發現，在一定范圍內，生產管柱直徑越小，臨界攜液流量越小，攜液效果越好。不同之處在于，李閔模型計算的臨界流速只有Turner模型的45%。涪陵氣田頁巖氣井開采實踐表明，對于水氣比低的氣井李閔模型適用性更強，而Turner模型在水氣比高的氣井計算中具有更好的精度，將水氣比界限取為7 m3/104m3。因此，對于水氣比大于7 m3/104m3的氣井，采用Turner模型計算臨界攜液流量；水氣比小于7 m3/104m3的氣井，采用李閔模型計算臨界攜液流量。

2.2 避免氣井出砂的配產方法

圖1 不同尺寸生產管柱臨界攜液流量-井口壓力關系

涪陵頁巖氣田投產的254口井中，12口高配產井有出砂現象。氣井出砂主要存在兩方面的不良影響：一方面，支撐劑回流會產生裂縫扼流表皮效應，在近井筒地區形成裂縫傷害帶，降低支撐裂縫的導流能力，引起油氣井產量的大幅度下降；另一方面，回流支撐劑堆積井底而掩埋氣層，或出砂沖蝕而刺壞地面管線，造成生產設備損壞而影響采氣[9，10]。因此，利用臨界攜砂氣量配產法確定合理配產的上限值對于預防氣井出砂很有必要。

對于壓裂頁巖氣井，“人工裂縫根端的砂粒不被沖出，則整個裂縫中的砂粒就不會被沖出”的理論計算模型較為適用，推導得出裂縫臨界攜砂氣量計算公式如下[11-13]：

式中：qO"為臨界攜砂氣量，m9/d；k為支撐劑面孔率，%；WR為縫寬，m；?為縫高，m；L"為支撐劑密度，kg/m9；YZ為支撐劑半徑，m；LM為天然氣密度，kg/m9；BM為天然氣體積系數。

2.3 滿足生產效率和經濟效益的配產方法

2.3.1 類比經驗配產法

氣田在投產初期，試井資料和生產數據有限，一般采用鄰近或同性質氣田的配產系數來確定氣井的合理產量[14]。涪陵氣田投產初期，利用試氣求產資料或產能試井資料，采用“一點法”計算得到無阻流量，參照四川氣田（1/2～1/8）的配產系數來確定合理產量（表1）。

表1 類比經驗配產法對應的配產系數

2.3.2 采氣指示曲線配產法

采氣指示曲線配產法是根據氣井產能試井結果，評價出氣井當前真實產能，繪制生產壓差和產量關系曲線，選取氣井流動中不產生慣性流而損失地層能量的最大產量作為合理配產值。生產壓差和產量關系式為：

式中：P為地層壓力，MPa；P^R為井底流壓，MPa；A、B分別表示儲層中層流和湍流流動部分的系數；q為氣井產氣量，10$m9/d。

當壓差小、產氣量小時，氣體流速低，表現為層流，等式右邊第一項Aq起作用，曲線為線性流；當壓差增大、氣體流速增大時表現為慣性流-湍流，此時等式右邊第二項Bq2逐漸起主要作用，曲線為非線性流；當壓差過大、產量超過一定值后，壓降會消耗在非線性流動上，生產效率降低，所以取線性流直線段最后一點對應的壓差為初期合理生產壓差，對應的產量為合理配產值（圖2）。

圖2 采氣指示曲線配產法確定配產值原理

按照上述方法，根據涪陵氣田 39口井（62井次）產能試井結果，繪制單井采氣指示曲線配產圖，進而得到合理配產與合理配產系數（合理配產/無阻流量），建立無阻流量與合理配產系數關系（圖3），得到了不同區間無阻流量對應的配產系數值（表2），合理配產系數總體呈現“高產低配，低產高配”的特征。

圖3 采氣指示曲線配產法對應配產系數-無阻流量關系

表2 采氣指示曲線配產法對應的配產系數

2.3.3 不穩定產量分析法

不穩定產量分析法是根據氣井產量遞減規律準確評價氣井穩產期可采儲量，根據穩產期可采儲量值和追求的穩產年限，反算出穩產年限內的產量作為合理配產值。該方法具體計算過程如下：統一把日產氣6×104m3、廢棄壓力6 MPa作為預測條件，利用RTA軟件計算單井穩產期的可采儲量；設定穩產年限為 3年，則合理配產值=穩產期可采儲量/穩產天數；求得配產系數=配產值/無阻流量。按照上述步驟，利用不穩定產量分析法求解出涪陵氣田40口井的配產值和配產系數，建立配產系數與無阻流量的關系（圖4），然后，確定不同無阻流量區間對應的配產系數值（表3）。

圖4 不穩定產量分析法對應的配產系數-無阻流量關系

表3 不穩定產量分析配產法對應的配產系數

3 合理配產方法對比及實例分析

3.1 合理配產方法對比優選

臨界攜液流量配產法著重考慮氣井攜液能力的最小值，一定程度上減少了氣井積液的可能，但是臨界攜液流量值并不能真實反映氣井產能，將其作為配產值會降低經濟效益和采氣速度，故一般將其作為配產的下限值。

臨界攜砂氣量配產法是基于壓裂支撐劑不回流、避免儲層和井身結構被破壞的理論推導得出的配產值，與臨界攜液流量法相反，該方法確定的配產值偏大，雖然可以保證采氣速度和經濟效益，但該配產方法往往會引起明顯的紊流效應，導致氣井達不到要求的穩產期，所以臨界攜砂氣量配產法適合用于確定合理配產的上限值。

類比經驗配產法操作起來簡單方便，但配產系數是類比引用，并不能真正反映本氣田的實際情況，只適合在資料不完備的投產初期使用。

采氣指示曲線配產法著重考慮減少氣井滲流的非達西效應，以氣井出現非達西效應時的產量作為氣井生產的極限產量。如果產能方程可靠，則該方法可以保證氣井長期穩產；但是如果產能方程計算誤差大，對配產值影響較大[6]。

不穩定產量分析配產法側重于穩產年限和可采儲量，能夠較好地保證經濟效益，但是受RTA軟件預測精度的影響明顯，另一方面，RTA預測可采儲量的前提是需要提供一定的生產數據，因此在投產初期實現難度大。

上述5種配產方法都從不同角度反映了氣井的合理配產，但卻只能滿足合理配產原則中的一條或兩條，具有相應的適用條件和局限性。為了得到適用于涪陵頁巖氣田的合理配產方法，需要盡可能多地滿足合理配產原則，因此，需要將多個配產方法結合起來綜合使用，最大限度減小配產誤差[15]。具體方法如下：分別利用臨界攜液流量配產法和臨界攜砂氣量配產法確定合理配產的下限值和上限值；然后利用綜合類比經驗配產法、采氣指示曲線配產法、不穩定產量分析配產法3種方法來修正合理配產系數和配產值（表4）；最后，對比修正配產值與合理配產上下限值：若修正配產值在上下限值范圍內，則取修正配產值作為合理配產值；若大于上限值，則取上限值作為合理配產值；若小于下限值，則取下限值作為合理配產值。

3.2 實例分析

A井采用73.025 mm油管生產，平均水氣比0.06 m3/104m3，利用李閔模型計算井口壓力22 MPa時臨界攜液流量為4×104m3/d，即該井合理配產下限值為4×104m3/d。

A井壓裂數據：支撐劑密度L"=1 700 kg/m3，支撐劑半徑YZ為0.15～0. 60 mm（100～30目），其中以0. 22～0. 45 mm（70～40目）為主，這里取0.35 mm；投產初期地層流體P-V試驗結果顯示地層溫度為 83.3 ℃，井底流壓 25.52 MPa，天然氣密度LM=145.76 kg/m3，體積系數BM=0.004 6，面孔率k取值10%；根據Saphir試井軟件解釋結果，縫寬WR取值0.002 mm，縫高?取值 38 m。將上述參數代入公式（7）計算得到A井臨界攜砂氣量約19×104m3/d，即合理配產上限值為19×104m3/d。

表4 綜合修正后的配產系數表及配產值

A井初期產能試井算得無阻流量 16.74×104m3/d，按照類比經驗配產法、采氣指示曲線配產法、不穩定產量分析配產法得到的修正合理配產系數為1/3，得到的合理配產值為 6×104m3/d。對比發現，修正配產值6×104m3/d處于上下限區間內，所以將A井的合理配產值確定為6×104m3/d。

4 結論與建議

臨界攜液流量配產法、臨界攜砂氣量配產法分別適用于確定合理配產的下限值和上限值；而類比經驗配產法、采氣指示曲線配產法和不穩定產量分析配產法三種方法綜合起來確定的修正配產系數和配產值更準確。對比合理配產上下限值和修正配產值，能最大限度地保證合理配產值滿足頁巖氣井的配產原則。這套方法在涪陵頁巖氣田應用效果良好。目前臨界攜砂氣量配產法多用于常規的砂巖氣井，關于壓裂水平井的臨界攜砂氣量研究較少，計算模型還應綜合考慮生產壓差、產量等影響因素后進一步完善。