页岩油井生产数据分析与产能评价方法.pdf

断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCK OIL&GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023040072023年7 月页岩油井生产数据分析与产能评价方法刘巍12,曹小朋1,徐耀东1,吕琦1,程紫燕1,宋阳1,刘艳1,曹增辉1,陈建勋1（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营2 57 0 9 9;2.中国石化胜利油田分公司博士后科研工作站，山东东营2 57 0 9 9）基金项目：中国石油化工股份有限公司基金项目“东营凹陷页岩油开发优化关键技术研究(P21060-2)摘要页岩储层具有微纳米尺度的孔隙特征和较强的应力敏感效应，通常以控压生产、变换工作制度的模式来抑制支撑剂回流，使得页岩油的流动特征变得异常复杂，给油井的动态分析和产能的预测带来了新的挑战。文中结合国内外页岩油气藏产能预测方法，提出了一种基于经验方法、现代产量递减方法和解析方法的页岩油井产能综合评价新方法和流程。首先，对页岩油井的生产数据进行规整化处理来耦合变产量和变压力的影响，基于规整化产量数据分析页岩油井的流动特征，降低变工作制度下生产数据的波动对产能评价的影响；然后，结合经验方法、现代产量递减方法和解析方法综合评价页岩油井的产能，降低页岩油井产能评价的不确定性。实例分析表明，提出的产能评价方法与数值模拟方法的预测结果较为相近，能有效提高页岩油水平井产能评价的准确性和可靠性，适用于页岩油并产能的快速评价。关键词页岩油；产能预测；经验方法；现代产量递减方法；解析方法中图分类号：TE33Production data analysis and productivity evaluation method for shale oil wellsLIU Wei2,CAO Xiaopeng,XU Yaodong,LYU Qi,CHENG Ziyan,SONG Yang,LIU Yan,CAO Zenghui,CHEN Jianxun(1.Exploration and Development Research Institute,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257099,China;2.PostdoctoralAbstract:Shale reservoir has micro-and nano-scale pore characteristics and strong stress-sensitive effect.Pressure controlproduction and changing working system are the commonly pattern to restrain the proppant backflow,which makes the flowingcharacteristics of shale oil extremely complex and brings new challenges to the dynamic analysis and productivity prediction of oilwells.In this paper,a new comprehensive productivity evaluation method and procedure are proposed for shale oil wells bycombining the empirical method,modern production decline method and analytical method.Firstly,the production data of shale oilwells is normalized to couple the effects of variable rate and pressure,and flowing characteristic are analyzed based on theregularized production data to reduce the impact of data fluctuations on productivity evaluation under changes of working system.Then,empirical method,modern production decline method and analytical method are adopted to comprehensively evaluate theproductivity of shale oil wells and reduce the uncertainty of productivity evaluation.The practical analysis shows that the productivityevaluation method is similar to numerical simulation,which can effectively improve the accuracy and reliability of the productivityevaluation of shale oil horizontal wells,and the method is suitable for the rapid evaluation of productivity of shale oil wells.Key words:shale oil;productivity prediction;empirical method;modern production decline method;analytical method随着全球能源需求的不断攀升，页岩油作为一种新兴的非常规油气资源，目前已成为油气勘探开发的热点，以美国为代表的北美页岩油在多个盆地实现了商业化开发。我国页岩油资源丰富，具有广阔的勘探开发前景，以大庆和胜利为代表的示范区已陆续开始页岩油的规模化开采，目前正处于快速上产阶段。页岩储层十分致密，孔隙喉道均为纳米和微米级，具有极强的应力敏感特征，通常采用水平井体积压裂引用格式：刘巍，曹小朋，徐耀东，等.页岩油井生产数据分析与产能评价方法 J.断块油气田，2 0 2 3,3 0（4）：57 2-57 8.LIU Wei,CAO Xiaopeng,XU Yaodong,et al.Production data analysis and productivity evaluation method for shale oil wellsJJ.Fault-BlockOil&GasField,2023,30(4):572-578.文献标志码：AScientific Research Working Station,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257099,China)改造技术,结合控压生产来改善油井生产效果。与此同时，形成的复杂体积缝网使页岩油的流动特征变得异收稿日期：2 0 2 3-0 1-15；改回日期：2 0 2 3-0 5-10。第一作者：刘巍，男，19 9 3 年生，博士，现从事页岩油与智能油田开发理论和方法研究工作。E-mail：l w s g 9 3 12 6.c o m。通信作者：曹小朋，男，19 8 3 年生，正高级工程师，现从事CCUS、页岩油开发和油田大数据应用等方面的研究工作。E-mail：.第3 0 卷第4 期常复杂。常规砂岩油藏的孔隙性和渗透率等物性都要好于页岩油藏，油井很快能到达边界控制流阶段，Arps产量递减等油藏工程方法的适用性较好。页岩油藏从开始生产到结束需要经历6 个流态，分别是双线性流、早期线性流、早期径向流、复合线性流、晚期径向流以及边界控制流，增加了油井动态分析和产能准确预测的难度。因此,产能/产量的准确把握是页岩油开发的关键，如何准确、快速预测页岩油的生产动态显得尤为重要。目前，常用的页岩油气产能评价方法主要包括经验方法 1-5、现代产量递减方法 6-13 、解析方法 14-16 和数值模拟方法 17-2 0 。经验方法是一种基于统计回归理论的油气藏工程方法，以Arps递减及其改进方法、扩展指数递减、Duong递减和幂指数递减为代表，只需要油井生产数据就可预测生产动态，具有操作简单、快速和应用便捷的优势，但预测结果受数据波动和流动阶段的影响较大。Arps递减仅适用于边界控制流，扩展指数递减和Duong方法 4 适用于线性流，幂指数递减适用于线性流和边界控制流。现代产量递减方法、解析方法和数值模拟方法能够对各种生产动态进行预测，但模型输人参数复杂，预测的准确性依赖模型输入参数，如裂缝半长、饱和度、渗透率等参数的可靠性 2 1-2 6 1。传统的产能评价方法和流程缺少对页岩油气流动阶段的判断和识别,利用Arps 递减或 Duong方法难以准确评估页岩油井的产能；同时，利用单一经验方法、现代产量递减方法或解析方法均难以准确求取可采储量等产能评价参数，不确定性较大，严重影响了产能评价的可靠性 2 7-2 8 :因此,本文提出了一种基于流态判断的页岩油井产能综合评价方法，综合利用多种产能预测方法评估页岩油井的产能，并在实际页岩油井的产能分析与评价中验证了方法的可靠性。1页岩油井产能评价原理与方法1.1原理1.1.1页岩油井产能评价流程利用多种方法综合评价页岩油产能，降低产能评价的不确定性，是页岩油产能评价的关键。本文基于规整化产量数据判断页岩油井的流态，结合经验方法、现代产量递减方法和解析方法等多种产能评价方法，提出了一套页岩油井产能综合性评价流程（见图1）。首先，根据规整化产量和物质平衡时间的定义，对页岩油井的生产数据进行规整化处理,对异常数据进行“清洗”与校正，根据流动阶段诊断图版，识别并确定页岩油井当前的流动阶段；然后，根据流动阶段选择合适的经验刘巍，等.页岩油井生产数据分析与产能评价方法现代产量递减方法页岩储层参数和单井可采储量图1页岩油井产能评价流程Fig.1 Procedure of productivity evaluation for shale oil wells1.1.2页岩储层流体渗流特征页岩储层经水平井体积压裂改造后，会形成复杂的裂缝网络系统。油藏与裂缝系统、裂缝与井筒之间的渗流规律变得极为复杂，使得页岩储层流体在生产过程中呈现复杂的流动状态。根据不同流动阶段的渗流特征，可以判定页岩储层流体主要存在4 个流动阶段：早期线性流、拟径向流、复合线性流和拟稳态流阶段（见图2。蓝色表示裂缝，黄色表示水平井筒，箭头表示流体流动方向）。早期线性流阶段,油井处于生产初期，由于井底压力较低，地层流体垂直裂缝面流向井筒（见图2 a)，双对数曲线上斜率为-0.5左右；水平井生产一段时间后，裂缝附近的基岩地层产生了一定的压力降，流体从裂缝附近基岩的各个方向流向裂缝，形成一个拟径向流动的过程（见图2 b），双对数曲线上斜率为-1.0 左右，持续时间不长；随着水平井的继续生产，水平井沿线形成相等的压力差，地层流体呈线性流向裂缝，出现复合线性流动特征（见图2 c），双对数曲线上斜率为-0.5左右；当压力波传播到外边界，储层流体的流动开始受边界的影响，达到拟稳态流动阶段（见图2 d），在双对数573方法，早期线性流阶段选择Duong等方法进行产量预测，边界控制流阶段利用Arps递减等方法进行产量预测；同时，利用现代产量递减方法和解析方法先后评价页岩储层参数和单井产能；最后，结合各方法的预测结果综合评价页岩油井的可采储量。生产数据规整化处理数据检查与“清洗”流动阶段诊断与识别边界控制流是Arps递减等方法经验方法否Duong等方法解析方法574曲线上斜率为-1.0 左右。由于地层的差异和压裂效果的不同,压裂水平井的一些流动阶段出现时间较短,甚至可能不存在。因此,在实际页岩油井流动阶段的诊断过程中，需根据生产井的实际情况对生产数据进行分析。a早期线性流b拟径向流+个个+c复合线性流图2 页岩油体积压裂水平井存在的流动阶段示意Fig.2Schematic view of flow stage existing in volume fractured horizontalwells of shale oil reservoirs1.2方法1.2.1经验方法经验方法由于只需要拟合产量随时间的变化关系，即建立产能预测模型，而被广泛应用于油气井产量分析。其中，,Arps递减、扩展指数递减、Duong方法在页岩油气和致密油气的产能评价中应用最为广泛18-19 。经典Arps递减法的递减指数b介于0 1，根据b的不同取值,Arps递减又可划分为调和递减（b=1）、双曲递减(0 b1)和指数递减(b=0)。在实际非常规油气产能评价过程中，b通常都大于1,称为广义Arps递减。1+D;9。=qi1+bD;t-DI式中：9。为油井日产油量,m;9为油井初始日产油量，m;D,为初始递减率,d-;t为生产时间,d。扩展指数递减法 3 最早是由Valko借鉴物理学中的衰竭规律提出的产能评价方法，经过大量的现场应用与检验后，已成为油气产量分析的常用方法之一。q.=q oie(2)断块油气田式中：T为特征松弛时间,d;n为时间指数。Duong方法 4 是Duong基于页岩气井长期处于裂缝主导线性流的认识而建立的产量递减模型。该方法通过拟合线性流阶段的生产数据得到产量的递减规律，实现产能的评价。-m a(l-1)/(1-m)q=qoit e式中：m为幂函数指数;为递减系数,d-l。1.2.2现代产量递减方法+现代产量递减方法以不稳定渗流力学理论为基础构建渗流力学理论模型，绘制典型曲线图版，通过生产动态数据与理论图版的拟合，求取储层性质、完井参数和井控储量等开发指标，为油气井生产提供可靠的动静态参数。现代产量递减方法是油气藏工程的研究热点，目前已取得了一系列重要的研究进展，主要形成了Fetkovich方法、Blasingame方法和Wattenbarger方法等经典产量递减分析方法。Fetkovich典型曲线分析方法可根据油气井生产d拟稳态流数据求解地层参数和可采储量。该方法证明了指数递减模型实为油井在定井底流压拟稳态生产条件下的解，在引入新的无量纲变量基础上，不稳态生产条件下的解与Arps的3 种递减曲线相结合，形成Fetkovich典型曲线。通过Fetkovich拟合图版，可以得到渗透率、表皮因子等地层参数和储量。Palacio等通过引人物质平衡时间和压力规整化产量等参数，解决了传统方法不适用于变产量和变井底流压的问题，证明了油气井在定产条件下的气产量递减遵循调和递减规律，建立了Blasingame产量分析图版，可获得井控面积和储量等参数。Wattenbarger法是基于压裂水平井不稳定渗流理论提出的产量递减分析方法，根据不稳定流动阶段产量数据拟合的斜率mep和结束时间tehs，求取泄油面积A。和裂缝半长xf,还可进一步计算单井控制储量0 OIP。125.1B,ll。(b=1)A=-VK(u.C.),(P:-Pwr)mep(0b1)(1)(b=0)-(/T)2023年7 月(3)1(4)Ktehsy=0.1591(du.cC.),X=4y/AVtaheSoi001P-19.91(Pi-Pur)C,me,B。式中:B。为体积系数,m/m;。为原油黏度,mPas;K为基质渗透率,10-m;为地层孔隙度;C,为综合压缩系数,MPa;pi，Pw r 分别为地层压力、井底流压,MPa;y。为油井到边界的距离,m;S.为原始含油饱和度。(5)(6)(7)第3 0 卷第4 期由于Fetkovich方法和Blasingame方法是在垂直井理论模型的基础上得到的产量图版，不适用于页岩油水平井的产能评价，因此，在本文的产能评价方法中，选择Wattenbarger方法求取裂缝半长和基质渗透率,预测页岩油井的产能,为后续基于解析模型的产能评价方法提供可靠的物性参数。1.2.3解析方法基于解析模型的产能评价方法因其严格的数学推导和较高的计算效率而被广泛关注，成为许多学者研究的热点。解析方法通过对压裂水平井缝网特征的等效表征和流体渗流过程的准确描述，建立相应的渗流数学模型,求解得到相应生产井的产能函数关系式,其产能表达式简单，可对产能进行快速预测和评价。对于体积压裂水平井，应用最为广泛的解析模型就是三线性流模型（见图3）。Brown等通过引人压裂水平井的三区复合模型，将改造后的储层划分为人工裂缝区、压裂改造区和未改造区3 个渗流场。该模型假设流体从区域1（未改造区)流向区域2（压裂改造区）,再从区域2流向区域3（人工裂缝区），最后由区域3 流向井筒。基于该流动假设分别建立各区的渗流模型和边界条件，通过Laplace变化和数值反演得到体积压裂水平井解析形式的产能公式。部分学者在三线性流模型基础上进一步提出了五线性流和七线性流模型，使得产能模型更为复杂,求解难度增大；同时,模型输人参数的增加，进一步提高了页岩油水平井产能评价的不确定性：因此，本文基于三线性流解析模型来评价页岩油体积压裂水平井的产能。不渗透边界区域1裂缝区域2图3 三线性流模型示意Fig.3 Schematic diagram of tri-linear flow model2生产数据分析2.1信储层及单井生产特征JY页岩油藏位于中国东部新生代典型富油陆相断陷盆地，页岩油资源丰富，分布广泛，发育沙四上亚段、沙三下亚段及沙一段3 套富有机质页岩层系，油藏刘巍，等.页岩油井生产数据分析与产能评价方法不渗透边界区域1裂缝区域2水平井简575埋深3 0 0 0 4 3 0 0 m，厚度3 0 0 50 0 m，天然能量充足，页岩油日产量较高。A1井是JY页岩油勘探开发过程中通过大规模分段压裂获得产能突破的长井段页岩油水平井。该井目的层中深3 6 4 8 m，水平段长17 16 m，共压裂3 0 段，储层压力6 0.2 MPa，原油密度0.8 4 g/cm。截至2 0 2 2 年3月2 日，该井已累计生产4 6 2 d，累计产液3.5110 4 t，累计产油1.4 9 10 4 t。该井主要通过更换油嘴尺寸来实现控压生产，目前日产油量稳定在14.2 t左右。A1井的产量突破展现了JY页岩油良好的勘探开发前景，但对该井可采储量及有效裂缝半长等储层参数的认识仍不明确，呕需开展生产数据分析和产能评价等工作，评估该井及所在区块的开采潜力。2.2流动阶段识别与划分根据归一化产量和物质平衡时间定义对A1井的生产数据进行处理，绘制流动阶段诊断图版（见图4)。.=q/(P:-Pwr)(8)ta=N,/q.(9)式中:9。为归一化产量,m/(MPad);N,为油井累计产油量,m;tm为物质平衡时间,d。在生产初期，A1井未完全投产，产量数据包括了返排期数据和钻段塞前后的数据，影响生产数据的分析。由图4 可知,早期生产数据与正常投产后的数据存在明显偏移，在诊断A1井的流动阶段时,可将该部分数据视为异常点予以剔除。图4 中正常投产的的早期数据点显示斜率为-0.5，可解释为早期线性流，而后期数据斜率为-1.0,可解释为拟稳态流。通过流动阶段的诊断可以看出,A1井生产初期为线性流，随着生产的进行，压力波扩散传播至外边界，已初步进人了拟稳态流阶段。由此确定A1井不稳定流动结束时间tehs为134.5d,为下一步评价A1井的产能奠定基础。10(i-(P.tdW)cu)/b)l10-110-2100图4 归一化产量与物质平衡时间的双对数关系曲线Fig.4 Double logarithmic relation curve between normalized productionand material balance time异常正常斜率为-0.5斜率为-1.0101102Ig(t./d)1031045763产能评价在流态划分的基础上，利用Wattenbarger模型和Arps递减模型求取A1井泄油面积、裂缝半长和储量等参数，为三线性流模型提供模型参数基础，提高三线性流模型的可靠性，预测生产动态；同时，基于Arps递减、Wattenbarger方法和三线性流模型综合评价A1井的产能，预测A1井的可采储量。3.1基于Arps递减由于A1井已进人拟稳态流动阶段，可以采用Arps递减模型评价该井产能。从图5可以看出，在拟稳态阶段，归一化产量与物质平衡时间呈现较好的指数递减规律。利用指数递减模型拟合A1井拟稳态流动阶段的生产数据,可得D,=0.002d-l,并通过计算油井废弃时的累计产油量，可获得A1井的可采储量为4.0 6 x104t。0.60.5(-(P.dW)u)/b0.40.30.20.10图5归一化产量与物质平衡时间的指数递减关系曲线Fig.5Exponential decline relation curve between normalized productionand material balance time3.2基于Wattenbarger方法利用A1井不稳定阶段生产数据绘制归一化压力与时间均方根图版（见图6），通过拟合直线段数据得到斜率。结合式(4)一(7)和测定的岩心渗透率(0.0 7 10m），计算泄油面积为4.17 10 m，裂缝半长为121.9m，控制储量为3 7.6 x104t，可采储量为4.3 510 4 t。600(e.p.dW)/-5004003002001000图6 归一化压力与时间均方根的关系曲线Fig.6Relation curve between normalized pressure and square root time断块油气田3.3基于三线性流模型根据Wattenbarger方法确定的裂缝半长和泄油面积，建立A1井的三线性流模型并进行历史拟合，主要调整表皮因子和基质渗透率。由产油量拟合结果(见图7)可见，模型预测值与实际值吻合较好，拟合得到表皮因子为-3.2 8,基质渗透率为0.0 59 x10-3m。基于三线性流模型预测A1井的可采储量为4.12 10 4 t。1.4模拟累计产油量实际累计产油量1.2模拟日产油量实际日产油量1.01/喜联+谐1.00.80.60.40.202020-11-26 2021-01-21 2021-03-18 2021-05-13 2021-07-08 2021-09-02图7 基于三线性流模型的A1井拟合结果Fig.7 Matching results of well A1 based on trilinear flow model综合Arps递减、Wattenbarger方法和三线性流模型的预测结果，可最终确定A1井可采储量为4.18 10 4t,与数值模拟预测结果(4.2 0 x104t)基本吻合,验证了本文方法的准确性和可靠性。对比本文提出的综合预20040024时间均方根2023年7 月720016012080400日期600800t./d61 0008120010测方法与Duong递减、扩展指数递减等单一方法的预测结果（见图8）,直接选择Duong递减、扩展指数递减预测的A1井可采储量比数值模拟预测结果明显偏高。8760一可采储量量相对误差10/款6420Duong扩展指数ArpsWattenbarger三线性递减递减递减方法流模型预测模拟方法图8 可采储量预测结果对比Fig.8 Comparison of recoverable reserves prediction results从本文的产能评价流程可知，A1井已进入边界控制流阶段,Duong递减和扩展指数递减不再适用。由此可知，预先判断流态并选择与当前流动阶段相适应的产能评价方法是准确评价页岩油产能的关键环节。对比综合评价方法与单一Arps递减、Wattenbarger方法、三线性流模型的预测误差可知，综合评价方法的误差最小，且低于1%。结果表明，利用多方法综合评价页5040%3020100综合数值第3 0 卷第4 期岩油产能可以显著降低产能评价的不确定性，提高可采储量预测精度；同时，利用Wattenbarger方法获取裂缝半长等参数，为三线性流模型提供基础物性参数，能降低模型的拟合难度和不确定性，提高拟合精度。4结论1)针对页岩油流态复杂、产能预测不确定性较大的问题，建立了一套以流态判断为基础，综合经验方法、现代产量递减方法和解析方法的页岩油水平井产能评价方法和流程。2)对页岩油井流态进行诊断是应用Arps递减和现代产量递减方法分析页岩油井产能的前提，根据流态选择合适的递减分析方法可有效提高产能预测的准确性和可靠性。3)对实际页岩油井进行产能评价的结果表明,建立的综合预测方法与数值模拟结果较为接近，验证了提出方法的可靠性，可应用于实际页岩油井的产能评价和可采储量预测。参考文献1孙焕泉.济阳坳陷页岩油勘探实践与认识 J.中国石油勘探,2 0 17，22(4):1-14.SUN Huanquan.Exploration practice and cognitions of shale oil inJiyang depressionJJ.China Petroleum Exploration,2017,22(4):1-14.2ARPS JJ.Analysis of decline curves J.Transactions of the AIME,1945,160(1):228-247.3VALKO P P.Assigning value to stimulation in the Barnett Shale:asimultaneous analysis of 7000 plus production hystories and wellcompletion recordsR.SPE 119369,2009.4DUONG A N.An unconventional rate decline approach for tight andfracture-dominated gas wellsR.SPE 137748,2010.5YU S Y,LEE W J,MIOCEVIC D J,et al.Estimating proved reserves intight/shale wells using the modified SEPD methodR.SPE 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