气井配产理论研究进展与展望

赵 阳 赵冠军 石志良

(1.成都理工大学 2.中国石化石油勘探开发研究院)

气井合理配产是气藏实现高效、持续开发的关键。合理的配产应使气井具有较高的产量、较长的稳产时间、较好的经济效益。气井配产受构造部位、储层类型、流体类型等多种因素影响。在制定配产策略过程中，必须深入认识气藏地质规律，在此基础上对气井产能进行合理预测，通过描述气井生产系统参数之间的关系，最终运用优化理论建立气井动态配产模型。

1 国内外气井配产研究现状

1.1 国外研究现状

在气田开发理论形成初期，主要通过经验法或依据实际需求进行配产。R.V.Simth[1]在求解二项式产能方程过程中结合不同用气需求和地层状况将气井配产分为固定日产量、恒定井底流压、按无阻流量配产3类。在按无阻流量配产时，为进一步提高计算精度，除了二项式和指数式产能方程，国外学者还提出了三次三项式和二次三项式方程。通过产能方程能较好地描述气井的供气能力，但却忽视了井筒的输送能力。对于产水气藏和凝析气藏，气井配产不仅要考虑气井产能，还需考虑井筒携液问题。当气相流速太低,不能提供足够的能量使井筒中的流体连续流出井口,这样液体就在井底聚集,形成积液[2]。为避免井底积液，需要确定气井将积液带出井底的最小产量，此产量即为临界携液流量。Duggan通过统计现场数据提出临界携液流速概念，在此基础上Turner[3]建立了球形液滴模型，推导出了临界携液公式。Coleman[4]扩展了Turner模型应用范围，使其可以应用至低压条件下。Nosseir[5]应用光滑、坚硬、球形液滴理论，建立2种细化的分析模型，提高了计算的准确性。上述观点认为分散相液滴是气井积液的主要因素，即为液滴模型。此外，以Moalem,Hewitt,Zabaras[6]为代表的学者认为液膜的不稳定流动是导致积液的主要因素，提出了液膜流动模型。在气井流动模型和井筒模型研究的基础上，Gilbert[7]提出了节点分析法并用于油气井生产系统。Brown以压力和流量的变化关系为主要线索，把由节点隔离的各流动过程的数学模型联系起来，以确定系统流量[8]。W．R．Greene[9]根据地层流入动态曲线和垂直两相流动的数学相关式计算出井口流压与产气量的关系曲线。B.J.Howes[10]给出了用于水驱气藏气井油管动态分析的各种关系式，J.Hagoort[11]提出采用消耗式的方法解决气井配产问题。节点分析法强调气井作为生产系统的重要性，力求使得气井的生产能力和管柱的输送能力得以匹配。但是分析发现，此方法确定的产量仍然不是气井合理产量。气井生产过程中，虽然管柱尺寸未发生变化，即流出动态曲线不发生变化，但随着地层压力的降低，流入动态曲线形状和位置都发生了变化，因此节点分析法计算的产量只是某一时刻的合理产量，而不能以此定值作为气井的合理产量。

气井经济效益是油气田生产重要的指标之一，衡量气井经济效益的主要指标有财务净现值、财务内部收益率、投资回收期、投资利润率、投资利税率，因此需要从经济角度确定经济极限产量。Aronofsky和Lee[12]提出优化配产理论，文章运用线性规划方法研究了以生产效益最大为目标的生产问题，Rowan[13]提出的以最优控制模型阐述了如何应用最优化模型解决开发问题。动态优化配产方法是在节点分析方法基础上，从产能方程出发并考虑经济因素，描述地层压力与时间的关系，建立气体从“地层—井筒—井口—地面”的各部分动力学模型[14]。

1.2 国内研究现状

目前，国内多基于多点等时试井、修正等时试井和单点测试法计算无阻流量，以无阻流量的1/6～1/2作为配产量，通过试采观察压力和产量的波动，再调整工作制度使气井产量和压力保持相对稳定。

川东飞仙观组渡口河、罗家寨气田属高含硫气藏，天然气中的H2S等气体严重腐蚀井筒，降低了设备利用率，陈京元等结合其他高产气井开发经验并综合考虑地质、产能和采气工艺提出适度增加配产比、缩短生产年限的建议[15]。李瑞磊等通过细分气藏类型，分别制定了无水气藏、边水气藏和底水气藏的配产比[16]。王如燕等在研究克拉美丽火山岩气藏后，建议为压裂直井配产14%～20%[17]；马俯波等在研究兴城火山岩底水气藏开发机理过程中发现，储层含气面积、渗透率、有效厚度、隔夹层位置和分布面积都是气藏开发重要的影响因素[18]，因此建立气井合理产量与储层静态参数的关系是确定合理产量的途径之一。蔡磊等运用试气资料和动态资料，结合地质、工程因素得到苏里格东区气井的稳定产量与射开层储层特征参数RC(渗透率、储层厚度、孔隙度和含气饱和度的乘积)的线性关系式[19]。杨亚涛通过绘制物质平衡时间和稳定日产气量关系曲线确定气井稳产年限[20]。上述配产方法虽然考虑了地质因素和产能因素，但仍属于经验法，缺乏充足的理论依据。

高博禹等从地层能量利用角度，对气井二项式产能方程和采气指示曲线分析后认为，气井合理产量应为采气指示曲线直线段的末端对应的产量，实践中可通过系统试井法绘制采气指示曲线，线性流直线段的末端即为临界产量[21]。钟兵等研究涩北气田出砂机理后提出临界渗流速度配产法和临界压差配产法[22]。上世纪八十年代，现代动态分析理论不断发展，利用生产数据求取储层参数得以实现。刘晓华[23]等利用Arps、Fetkovich、Blasingame、Agarwal-Gardne等学者形成的现代动态分析理论，通过历史拟合可求取井控范围内储层地质参数，在上述地质参数建立动态模型并利用动态分析软件对不同配产方案进行对比，优选合理产量。

计算机技术迅速发展，也使石油开发技术的发展产生了变革，通过地质、测井、地震等资料建立三维仿真地质模型，然后输入动态数据、PVT等参数建立数值模拟模型，预测比较在不同配产条件下气井的稳产年限、采出程度、储量动用情况，以此确定合理产量。数值模拟技术相对动态方法考虑因素更加全面，但仍然是对气层的渗流过程的描述。在井筒携液研究方面，李闽[24]认为被高速气流携带的液滴在高速气流作用下成一椭球体，因此将Turner的球形模型修正为椭球模型，杨川东[25]把井底作为连续排液的参考点，并考虑国内生产实际情况建立携液模型。

在优化模型方面国内做了以下研究：陈武等[26]提出了气田经济极限分析模型；刘秀婷、尚明忠[27]等建立了以利润为最大化的优化模型，张传平[28]等应用控制理论建立了油气田开发产量规划状态模型。优化配产理论不断发展、日趋成熟并得到了广泛的应用。尚万宁[14]开展了定容气藏气井和水驱气藏方面的研究；卢立泽[29]则以凝析气藏为对象，建立了不同目标下的单井优化模型，并实现了从单井向气藏的优化配产。

调研国内外文献发现，配产技术经历了从经验法到动态优化配产发展的过程，目前已形成较成熟的理论体系。动态优化配产模型不以某一定值为气井配产，而是全面考虑气井供气、气藏能量利用、井筒携液、地面输气和经济因素，使气井生产要素都能有效反应到对配产的影响上，在此基础上建立动态配产模型，因此动态优化配产方法更符合合理配产的标准。但分析发现，动态配产法的储层模型多为解析模型，而在实际中，储层类型多样、地质规律复杂，如果解析模型对实际储层简化过多，则不能较好地反映储层的实际情况，而数值模拟技术在这方面具有较大的优势。因此开发综合地层、井筒、地面和经济信息的大型软件，使气井配产进入系统化、集成化，将是未来发展的需要。

2 非常规气藏气井配产问题

常规气藏气井配产需要建立气藏—井筒—地面系统模型，非常规气藏与常规气藏最大的区别在于气藏模型的不同。非常规气藏渗透率极低，气井产能受应力敏感效应影响大，而考虑应力敏感性的气藏模型实例较少；在渗流机理方面，对致密气藏渗流规律认识上存在不同观点，煤层气、页岩气藏解析、扩散、渗流机理尚处于探索阶段，而水平井分段压裂技术的应用更进一步增加了建立气藏模型的复杂性，上述因素决定了目前方法还不能较好建立非常规气藏模型，因此需要运用新的方法进行描述以建立更为合理的配产模型。

2.1 致密气藏

二项式产能方程由Forchheimer在20世纪30年代提出,当时研究对象条件较好，气体在中、高渗储层条件下表现为非达西高速流。而致密低渗气藏与高渗气藏在渗流规律方面有较大差异，情况更加复杂。对低渗气藏较多的研究之一是启动压力梯度，启动压力梯度定义为流体克服粘滞阻力开始流动的压力梯度，它对气井储量动用程度、井网井距优化有重要影响，在低渗气藏气体渗流是否存在启动压力梯度的认识上仍有分歧。

致密低渗气藏储层孔隙结构复杂，喉道细小，应力的变化可能引起渗透率较大的变化，产生较强的应力敏感性。低渗气藏的开发难度上主要集中在储层的渗透性上，生产过程中，地层压力降低，岩石受到的有效应力增加，地层渗透率会逐步降低，最终影响气井产能。

2.2 煤层气藏

煤层气藏作为一种新型气藏与常规气藏主要有两点不同。在储层结构方面，虽然有学者建立了反映解析、扩散、渗流过程的低渗透双重介质模型[30]，但是一些学者通过对煤层气的流动过程分析认为，虽然煤岩层具有双重介质的结构，却不具备双重介质的渗流特征,因此不能运用常规天然气储层建模方法求解。在生产过程中，煤层气要经过单相水力裂缝流动段、井附近局部解析的过渡段、全面解析的气水两项流动段[31]，而常规气藏只存在第三段；煤层气体渗流过程中不仅要服从达西定律，从基质进入节理或割理还有要解析的过程，因此煤层气渗流过程更为复杂。

2.3 页岩气藏

页岩气藏是一种“自生自储式”气藏[32]，渗透率极低，一般需要压裂才能获得产能。在国外，F.Medeiros[33]等提出了考虑非均质性、水力压裂和井筒特征的半解析模型，A.Aboaba[34]等提出了早期估算渗透率和裂缝半长的方法；在国内，段永刚[35]等利用点源法推导出了考虑解析的数学模型，高树生等[36]研究了储层压力下滑脱效应对气井产能和生产压差的影响程度，周登洪等[37]用实例证明了水锁对气井产能的影响。但以上数学模型基本上都是针对直井压裂气井求解，而目前，为提高页岩气井产能，水平井分段压裂技术得到广泛应用，但并未建立相应的数学模型。

2.4 非常规气藏配产方法初探

致密气藏主要依靠压裂措施进行开发，压裂改造区相对未改造区渗透率较高，但其储量有限，要想保持一定稳产期必须从低渗区获得补充，由于改造区与低渗区两者渗透率差异较大，不能及时补充改造区亏空量，因此致密气藏气井采气曲线常见生产特征是“断崖式”下降。致密气藏配产应通过经济方法计算经济极限产量，在此基础上以高于经济极限产量的采气速度生产，使裂缝和基质气流量处于动态平衡。煤层甲烷主要以吸附形式存在于煤基质上，割理被水充填，因此煤层气的开采是排水降压采气的过程。煤储层非均质性强，渗透率低，相对砂岩地层应力敏感性更强，因此应采取逐级降压的工作制度。逐级加压法不仅可以减轻对储层的伤害，而且使压降漏斗充分扩展，增大了气体解析范围。页岩气存在形式类似于煤层气，也以吸附状态存在，但在开发过程上相对煤层气更简单，大部分生产时间处于气体单相流阶段，因此也可采取逐级降压的工作制度。

非常规气藏储层渗透率低，应通过应力敏感性实验研究储层的敏感度，确定合理的生产压差，防止配产过高伤害储层。在复杂的地质规律、渗流条件限制下，非常规气藏配产难度较大，一些方法正在探索中，上述配产方法仅为配产策略初探，在技术成熟后应逐步建立非常规气藏配产模型，以达到高效开发气藏的目标。

3 展望及建议

(1)气井配产是一项涉及地质、多孔介质渗流、管柱携液、优化经济等理论的复杂工程，应综合多学科建立气井配产模型。

(2)针对非常规气藏渗流特征，建议采用逐级降压配产模式。

(3)在理论研究方面，应加强气水两相渗流机理、解析吸附过程的研究，并开展各方面的物理模拟实验和矿场先导性实验，加强理论、实验室和生产实践的有机结合。

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