非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势.pdf
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石油科学通报2016年6月第1卷第1期创刊号:
128-142非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势姚军*,孙致学,张凯,曾青冬,严侠,张敏中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580*通信作者,收稿日期:
2016-05-12摘要非常规油气藏具有岩石致密、孔隙度和渗透率极低、孔隙类型具有多尺度性、强非均质性以及储量丰度低等地质特征,通常采用水平井和大规模“超级”分段压裂的井工厂模式再造一个缝网发育的“人工油气藏”而实现集约化高效开发。
本文从高效开发的角度阐述了非常规油气藏开发过程中的工程科学问题:
(1)考虑应力场和储层孔隙类型多尺度的地质建模问题(初始建模和压后二次建模);
(2)非常规油气藏的裂缝扩展数值模拟问题;(3)非常规油气藏的生产数值模拟及其大规模数值计算;(4)井工厂中水平井和压裂裂缝空间位置的优化设计方法。
结合课题组(中国石油大学油气渗流中心)的研究特色。
综述了这些工程科学问题的发展现状和趋势,提出了基于非常规油气藏地质模型和数值模拟的井工厂开发模式工程参数的优化设计方法,对非常规油气藏的科学高效开发具有重要的意义。
关键词非常规油气藏;地质建模;裂缝扩展;数值模拟;生产优化引用格式:
姚军,孙致学,张凯,曾青冬,严侠,张敏.非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势.石油科学通报,2016,01:
128-142YAOJun,SUNZhixue,ZHANGKai,ZENGQingdong,YANXia,ZHANGMin.Scientificengineeringproblemsanddevelopmenttrendsinunconventionaloilandgasreservoirs.PetroleumScienceBulletin,2016,01:
128-142.doi:
10.3969/j.issn.2096-1693.2016.01.0082016中国石油大学(北京)清华大学出版社有限公司http:
/0引言以页岩和致密油气为代表的非常规油气资源量是常规油气的8倍之多1。
随着油气勘探开发技术的快速发展,非常规油气在现有经济技术条件下展示出巨大的潜力。
美国“页岩气革命”极大地促进了非常规油气勘探开发技术的进步,形成了水平井和大规模“超级”分段压裂的井工厂集约化高效开发模式,并得到了广泛应用2-3;但是,如何科学高效开发非常规油气藏还存在理论和技术上的诸多问题需要解决。
本文在分析非常规油气藏开发过程的基础上,阐述开采过程中的工程科学问题,提出优化设计方法,并结合课题组的研究进展综述其发展现状和趋势。
1非常规油气开采中的工程科学问题非常规油气藏勘探基本完成后要投入开发,为制订科学合理的开发方案需要开展如下研究工作:
(1)油藏地质建模。
非常规油气藏的初始油藏建模与常规油藏建模的差别是除了构建孔渗饱、厚度(深度)、天然裂缝发育等参数分布模型外,还必须建立有机质和无机质发育分布模型、“甜点”分布模型、初始应力分布等模型,为压裂设计和开发模拟提供基础数据。
(2)基于非常规油气藏的地质甜点和储量丰度分布特征,初步部署井工厂模式中的水平井空间位置和长度,作为井工厂工程参数优化的初始状态,既初始井工厂水平井部署方案。
(3)大规模“超级”压裂裂缝扩展数值模拟。
重点研究分段压裂水平井的裂缝扩展和缝网形成机制及其数值模拟方法,由于大规模超级分段压裂是通过注入压裂液实现的,因此该问题属于典型的流体力学与岩石力学的耦合问题,通过模拟构建缝网空间分布和应力场分布。
(4)超级压裂后“人工油藏”的建模。
把根据初始井工厂和裂缝扩展数值模拟获得的缝网分布和应力分布与初始非常规油藏模型进行叠非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势129加,构建“人工油藏”的油藏模型,作为生产数值模拟的基础。
(5)开采过程的油藏生产动态数值模拟。
该问题属于应力场与渗流场耦合的问题,由于孔隙介质具有多尺度性,要考虑不同尺度上的流动机制和尺度升级,才能进行宏观数值模拟。
此外,对于页岩油气要考虑吸附和解吸,以及有机质对生产的影响。
(6)计算井工厂开采模式的采收率或净现值。
(7)采用无梯度优化算法对上述开采系统进行优化,得到井工厂模式下的油藏工程参数,主要包括水平井的空间位置和长度、主裂缝的空间位置和几何尺度以及缝网扩展体积等参数,实现非常规油气的科学高效开发提供决策依据。
综上所述,如图1所示提出了非常规油气藏科学高效开发的研究及设计流程图。
通过上述分析,可以归纳总结出非常规油气藏开采过程存在着如下4个科学工程问题:
(1)非常规油气藏的初始和改造后的地质建模问题;
(2)非常规油气藏的裂缝扩展数值模拟及缝网预测问题;(3)非常规油气藏的生产动态数值模拟及其大规模数值计算问题;(4)井工厂中水平井和压裂缝空间位置和几何参数等工程优化设计方法。
以下将结合课题组的研究进展,阐述这4个工程科学问题的现状和发展趋势。
2非常规油气藏地质建模现状及发展趋势非常规油气藏储集空间是典型的多尺度系统,由宏观的裂缝系统、微观的粒间孔隙以及纳米尺度的有机粒内孔隙组成4。
相对于常规油气藏,非常规油气藏储层评价及三维建模面临新的挑战5,成为非常规油气藏定量建模、数值模拟及产能预测亟需突破的技术瓶颈。
2.1非常规油气藏地质建模面临的挑战由于非常规油气储层特殊的成因机制及基质致密、天然裂缝普遍发育的储层特征,其评价方法、裂缝预测技术及物性参数三维空间展布规律的定量建模均面临新的难点与挑战。
油气藏三维模型作为储层静态研究成果的“数据库”及数值模拟的基础物性参数场,在油气藏勘探开发领域具有“承上启下”的重要地位,成为非常规油气藏油气藏定量评价、数值模拟及产能预测研究中的关键工程科学问题。
(1)非常规油气储层储集空间类型多样,优质储层由多种矿物成分组成,储层的“甜点”识别、主控因素、发育特征及三维定量建模技术亟需突破。
常规油气藏有效储层与沉积微相基本一致,易于追踪及预测,而致密油气储层“甜点”受多种因素影响(岩相、矿物成分、天然裂缝、TOC、厚度、地表条件等);因此,准确识别致密油气藏的“甜点”、明确发育的主控因素,进而实现“甜点”三维空间的定量建模成为关键问题。
非常规油气储层基岩小孔细喉、孔隙结构复杂,矿物成分多样(有机质与无机矿物)6-7。
以页岩储层为例,页岩储集空间致密,微纳米孔隙为主(CH4分子直径0.38nm)(如图2),优质页岩储层由石英、黄铁矿、干酪根等有机质矿物组成等8。
(2)非常规油气藏储层天然裂缝普遍发育,裂缝的存在对致密油气开采效果及水力压裂扩展具有重要影响。
天然裂缝在非常规油气开发中表现出两面性:
一方面改善储层渗流能力提高致密油气储层初期产能,达到较高采油(气)速度;另一方面,储层天然裂缝发育网络及其与水力压裂裂缝的相互作用是影响储层改造体积的重要因素,进而影响生产井产能。
因此,致密油气储层定量评价、三维建模必须考虑天然裂缝的影响。
目前,储层天然裂缝发育的“四性”(复杂性、多因素性、随机性、非均质性)特征导致裂缝类型划?
(NPV)?
图1井工厂模式的工程参数优化设计流程图Fig.1Flowchartofoptimaldesignofengineeringparametersinthemodeofmulti-wellpads130石油科学通报2016年6月第1卷第1期创刊号分、分级别特征参数表征、空间分布预测及定量建模领域的研究仍面临巨大挑战9。
(3)页岩储层初始地应力场模拟及压裂扰动下应力场时变规律及预测模型构建。
上世纪90年代,Barnet页岩第一口页岩气井达到工业化开采是与水力压裂技术紧密相关的。
目前,水平井分段压裂、分段多簇压裂、体积压裂已经广泛应用在页岩气等非常规油气资源的开发中。
水力压裂处理及模拟的研究自矿场实践就已经开展,针对压裂井产能预测及参数优化问题,众多学者提出了多种卓有成效的解析模型、数值模拟及数据驱动模型(data-drivenmodel)。
储层水力压裂过程伴随着裂缝起裂及动态扩展延伸,属于典型HM-D耦合过程10,涉及流体力学、岩石力学与损伤力学等多学科过程,地应力场特别是水平主应力差值是影响体积压裂改造效果的关键因素11。
2.2非规油气藏地质建模技术现状储层建模方法有2种,即确定性建模和随机建模。
确定性建模对井间未知区给出确定性的预测结果,即试图从已知确定性资料的控制点(如井点)出发,推测出点间确定的、唯一的、真实的储层参数,而随机建模则是应用随机模拟方法给出多种可能的、等概率的、高精度的储层模型。
充分调研了目前主流油气藏建模软件,不可否认国外软件具有商业化程度高、模块较齐全的优势。
但在致密油气储层甜点+天然裂缝双重系统的识别预测、定量表征及三维建模方面未体现出致密油气储层的特点,缺乏针对性,如Petrel对裂缝形状、特征参数描述过于简化,FRS过分依赖叠前地震资料,而致密油气储层地震资料品质一般较差,影响预测精度,见表1。
2.3非规油气藏地质建模拟解决的关键问题
(1)页岩储层储集空间类型多样,页岩多尺度表征、不同尺度间升级方法及三维定量建模。
页岩油气藏就是典型的复杂情况,很多烃类物质都存在于有机质孔隙中或吸附在粘土物质表面,并且由于页岩的渗透率一般都比较低,会使得其有明显的自生自储特征。
对于常规油气藏,从建模到流动都有了比较成熟的技术方法,但是这些方法有时候并不适用于非常规油气藏的描述。
其中最大的一个限制就是在建模过程中很难考虑复杂多变的孔隙结构信息,常规油藏的建模通常会以大尺度的精确描述为核心,但对于页岩油气藏则不再适用,微纳尺度孔隙对于渗流的影响将占主导作用12。
如图3所示,页岩在孔隙尺寸上表现出很大的非均质性,其中微纳孔隙在页岩中广泛分布,而这些孔表1主流地质建模软件名称及功能一览表Table1Listofmaingeologicalmodelingsnamesandtheirfunctions软件名称研发机构操作系统主要不足或功能缺陷PetrelSchlumbergerWindows裂缝参数的描述、表征功能欠缺。
FracManGolderWindows地震、测井数据应用及功能模块薄弱。
FRSE&PTechUnix侧重叠前地震资料,数据限制明显。
Fraca法国国家科学院Windows/Unix同FracMan相似。
3DmoveMidlandValleyUnix/Windows侧重应力场正演模拟,反演手段欠缺。
图2常规砂岩储层与页岩储层矿物成分及储集空间对比图Fig.2Contrastofmineralcompositionandstoragespacebetweensandstoneandshalereservoirs?
NONENONECOMPO10.0KVX15,0001mWD11.6mm非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势131隙特征只有在上图中分辨率最小的模型才得以体现。
研究表明,页岩就是由这些纳米级孔隙和微米级孔隙组成的复杂网络模型来决定着流体的运移,这些纳米级小尺度的孔隙将大尺度的孔隙空间连接在一起,那么就必须获取不同分辨率下的岩石图像信息才能进行准确描述。
首先就是从低分辨率图像中读取微米级的结构信息,之后再从高分辨率下的图像中获取纳米级的孔隙喉道空间,将这些信息进行叠加就可以再现比较准确的岩石结构13-14。
(2)研究非常规油气储层裂缝成因机制,划分天然裂缝类型,明确储层裂缝发育主控因素,实现多约束策略下非常规油气藏多尺度裂缝模型建立。
裂缝的分类主要考虑天然裂缝形成的地质、力学作用,对于非常规油气藏,从油气运移及与水力压裂相互作用规模,还应同时考虑尺度因素进行分类研究,如图4所示。
综合分析裂缝规模、成因期次、空间尺度,结合生成动态资料,系统研究储层裂缝发育密度、类型与区域构造曲率、断层影响、应力场、岩性及物性等定量关系及模式,明确致密储层裂
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