大牛地气田液氮伴注效果分析及优化研究

林彦兵 刘艳

(中国石油化工股份有限公司华北分公司，郑州 450006)

近年来，水力压裂已经成为大牛地气田有效建产的开发方式，压裂井压后快速返排、减小压裂液对地层污染是压后获得高产的重要条件。然而目前大牛地气田压裂井出现液氮伴注比例差异较大、伴注比例偏小的现象。通常在施工条件允许的情况下，液氮伴注量越多越好，但是生产成本也随液氮伴注量提高而加大。如何确定合理的液氮伴注量是生产当中需要研究的一项内容。本文通过研究大牛地盒1气层启动压力对压裂液返排造成的影响，提出确定大牛地气田气井压后自喷条件下的最小液氮伴注比例的确定方法，为压裂施工液氮伴注液氮量的确定提供理论依据。

1 大牛地气田液氮伴注现状分析

1.1 液氮伴注原理

液氮助排技术主要通过延迟交联技术在压裂液中加入氮气，形成均匀泡沫冻胶，以撑开地层，减少压裂液滤失，并在压裂后靠释放出的氮气反推破胶水化液排出地层，与液体混合形成混气水，降低了液体的比重，减少井筒静水柱压力，使入井液体能够顺利地排出［1］。

1.2 大牛地气田液氮伴注现状分析

对大牛地气田74口裸眼水平井液氮伴注情况及压后放喷效果进行统计，统计结果见表1。

表1 大牛地气田裸眼水平井液氮伴注及压后返排情况

从表1可以看出，大牛地气田裸眼水平井液伴注比例差别较大，最小为4.3%，最大达到7%，并且压后的自然喷通率较低。以盒1气层为例统计的50口压裂水平井中，其中有23口井自然喷通，有27口井没有自然喷通，自然喷通率仅为47%，这不仅使压裂液长时间滞留在地层中，对地层造成污染，而且延长了试气时间，增大了生产成本。另外，从表1可以看出，较高的液氮伴注比例的压裂层位，有着较高的自然喷通率。

图1为大牛地气田裸眼水平井液氮伴注比例与压裂液返排率关系。从图中可以看出，压裂液返排率随着单位体积压裂液携带液氮体积的增大而增大。因此，在保证施工安全的情况下，要尽量提高液氮伴注比例，提高压裂液的返排率，减少压裂液对地层的污染。

图1 大牛地气田裸眼水平井液氮伴注比例与返排率关系

2 大牛地气田启动压力梯度研究

低渗透油气藏具有孔喉微细、比表面大、渗流速度小的特点，其与常规渗透率油藏的渗流规律不同，在低速渗流时不再符合线性渗流规律，而是存在一个明显的启动压力梯度。这个启动压力梯度的存在为油气流体在储层中的流动带来了额外的阻力，这也为在相关开发指标的计算中不得不考虑启动压力梯度的影响［2－3］。典型的非线性渗流曲线见图2。

图2 特低渗透油田流体非线性渗流曲线

其渗流速度与压力梯度的关系用式(1)表示:

式中:V—流速，m/s;

K —渗透率，10－3μm2;

μ —黏度，mPa·s;

▽P—压力梯度，MPam;

Ga—真实启动压力梯度，MPam;

Gb—临界压力梯度，MPam;

Gc—拟启动压力梯度，MPam。

对大牛地气田盒1气层岩心样品进行启动压力梯度测试实验，其气层渗透率与启动压力梯度关系曲线如图3所示。

实验认为大牛地气田盒1气层在流体渗流过程中存在启动压力梯度，经回归，其启动压力梯度与渗透率之间的关系如式(2)所示:

图3 大牛地气田盒1气层渗透率与启动压力梯度

则大牛地气田盒1气层压裂后气体泄流半径范围内的启动压差为:

式中，Re为气井压裂后的有效泄流半径，在致密砂岩储层中，经过长期的压裂实践认为，Re取50 m较合适。

3 大牛地气田液氮伴注比例优化

假设压裂过程中气液两相流体混合均匀，要使压裂的井能够自喷，井筒内混合流体的液注压力必须小于地层克服启动压差后的生产压力。井筒内液注压力:

若要使压裂井压后自然喷通，则应满足式(5):

井筒中任意一点处的混合液注密度ρ是温度和压力的函数。为了计算方便，以混合液体的平均密度ρmix代替式(5)中的积分部分。

为了计算混合流体的平均密度，取井筒平均压力和平均温度进行计算。

则式(5)可转化为:

由式(8)可得出若使压裂井压后自喷，需要的最小氮气体积为:

其中K为考虑了返排摩阻、液氮损失及滑脱效应影响的经验系数，可以根据具体区块经验总结得出，一般取2～3，压裂规模越大其数值越大［4］。

式中:ρL—压裂液密度，g·cm－3;

ρN2—在 P、T条件下氮气密度，g·cm－3;

ρ液氮—液氮密度，0.80823 gcm3;

H—储层深度，m;

Pe—储层压力，MPa;

ΔP—流体启动压差，MPa。

以D115井盒1气层压裂施工为例，其地层及流体各项参数见表2。

根据大牛地气田盒1层压裂井压后自然喷通液氮伴注比例模型算得，最低液氮伴注比例为7%～10.5%(取经验系数2～3)，而实际液氮伴注比例为6%，该井压后未能自然喷通，建议大牛地气田盒1气层液氮伴注比例至少提高至7%以上。

表2 D115井盒1地层及流体各项参数表

4 结语

本次研究统计分析了大牛地气田目前液氮伴注现状及压后返排情况。认为压后返排率随着液氮比例的增大而增大，较高的液氮伴注比例有着较高的自然喷通率。

通过大牛地气田盒1气层岩心样品进行启动压力梯度测试，认为大牛地气田盒1气层在流体渗流过程中存在启动压力梯度，并计算出启动压力梯度与渗透率之间的关系。

建立了考虑储层启动压力梯度存在情况下的压裂井压后自然喷通所需最小液氮伴注比例模型，并根据模型计算结果给出大牛地气田盒1气层压裂井压后自喷的最小液氮伴注比例。

［1］罗小军，潘春，郭建伟.苏里格气田液氮助排工艺技术［J］.石油天然气学报，2012，34(9):291.

［2］李道品，黄延章，罗迪强，等.低渗透砂岩油田开发［M］.北京:石油工业出版社，1997:38-57.

［3］吴柏志.低渗透油藏高效开发理论与应用［M］.北京:石油工业出版社，2009:80-83.

［4］Hans-Heinrich Waskoenig，Miljenko Cimic.A Method for Real-Time Clean-up Optimization［G］.SPE 77409:18-22.