📝 摘要
由于纳米孔隙的存在，页岩基质中表现出复杂的流动机理。研究者提出了大量表观渗透率模型来捕捉由此产生的非达西流动行为，但这些模型在大多数商业模拟器中并未直接提供，忽略这些机理可能会低估基质的整体导流能力。在水力压裂过程中，如果在返排和生产期间由于有效应力变化导致附近次生裂缝随后闭合并失去连通，压裂液可能造成水锁。本研究建立了一种显式耦合策略，将压力相关的表观渗透率模型和动态次生裂缝闭合过程集成到油藏模拟中。基于Horn River页岩气藏数据构建了三维油藏模型，将随机离散裂缝网络粗化为等效连续双孔双渗模型，在基质网格中应用了考虑Knudsen扩散、滑脱流和孔隙表面粗糙度的表观渗透率模型，并提出了一种基于岩石类型指示剂的次生裂缝状态（开启/闭合）表征方法。结果表明，表观渗透率模型的引入可使累计产气量预测提高12%，忽略表观渗透率会高估水回收率；裂缝闭合及由此产生的水锁会降低产气量但提高水回收率。次生裂缝连通性是影响压裂液渗吸程度的主要因素。在气-水系统中，流体的可压缩性使得逆流渗吸和水滞留效应比油-水系统更为复杂。当存在不连通次生裂缝时，较短关井期对气水回收均有利。

🔍 关键词
页岩气；表观渗透率；次生裂缝网络；裂缝闭合；水锁；数值模拟；双孔双渗模型；Knudsen扩散

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 CMG IMEX（黑油模拟器，自适应隐式-显式模式）；FracMan®（离散裂缝网络生成）；MATLAB®（外部耦合）
网格类型 结构化网格，局部加密
模型尺寸 100 m × 1024 m × 120 m，51×55×10网格
储层参数 初始压力34,000 kPa，基质渗透率5×10⁻²⁰ m²（~0.00005 mD），孔隙度4.5%，初始含水饱和度25%
裂缝系统 主裂缝（水力裂缝）：渗透率9.87×10⁻¹¹ m²（~100 mD），孔隙度1，初始含水饱和度1，半长83 m（历史拟合后）
次生裂缝：DFN生成，粗化为双孔双渗模型，初始开启
流体模型 气-水两相，黑油模型
模拟阶段 焖井期（84天）+ 返排/生产期（约500天）
主要输出 累计产气量、水回收率、水饱和度分布、裂缝气体/水体体积、基质压力

文中明确指出：使用CMG IMEX进行数值模拟（第3.1节），FracMan®生成DFN模型（致谢），MATLAB®实现耦合计算（第3.3.2节、第5.1节）。

📊 研究方法与关键模型

表观渗透率模型（Darabi et al., 2012）：

Kapp=μMRTρavgϕτ(δ′)Df−2Dk+kD(1+bP)

  • 第一项：Knudsen扩散贡献；第二项：滑脱流贡献

  • Df：孔隙表面分形维数（2-3，本研究中取2.5）

  • Kapp随压力降低而增加，低压时非达西效应更显著

  • 更新频率：每7个生产日更新一次（如图6所示）

次生裂缝闭合模型：

  • 采用“岩石类型”指示器（CMG关键字CTYPE）表征裂缝开启/闭合状态

  • 闭合应力：18,000 kPa（Horn River页岩）

  • 闭合后：孔隙度乘子=0，渗透率乘子=0

  • 与K_app同步更新（每7天）

DFN参数分布（表2）：

  • 裂缝强度：正态分布，均值0.0226 1/m

  • 裂缝长度：正态分布，均值49.58 m

  • 裂缝高度：正态分布，均值0.9144 m

  • 裂缝孔径：正态分布，均值0.0003 m

🧪 主要结果与结论

研究内容 关键发现
历史匹配 Base Case（DFN+K_app）水力裂缝半长83.00 m；忽略DFN和K_app时需168.80 m才能匹配相同产量 → 高估水力裂缝贡献
K_app影响 产气量增加（低压下更显著：13,500 kPa时+12%），水回收率降低；对焖井期水分布影响小，但生产期近井含水饱和度略增
DFN影响 产气量增加，水回收率显著降低（水被输送到更远基质难以返排）
裂缝强度 强度加倍 → 水回收率进一步降低，区域4含水饱和度增加（与油-水系统结论不同）
基质毛管压力(P_c) 高P_c → 焖井期更多水进入基质，但水滞留于近井基质 → 产气量降低（与油-水系统相反）
基质水相相对渗透率(Krw) 高Krw → 焖井期更多水进入基质，水回收率降低；产气量无明显变化
基质气相相对渗透率(Krg) 高Krg → 产气量增加；水回收率略降（与油-水系统结论不同）
裂缝闭合（对比Case D vs E） 闭合导致产气量降低、水回收率降低；近井基质压力升高；闭合裂缝中的流体被挤入周围基质
关井期（12/8/2周） 更短关井期 → 产气量更高、水回收率更高（与忽略裂缝闭合的研究结论相反）

实例设置：

  • Base Case：DFN + K_app（历史匹配至Horn River气田Otter Park段一口井，20段压裂，压裂液总量75,504 m³，焖井84天，生产383天）

  • Case A：忽略DFN和K_app

  • Case B：Case A + DFN

  • Case C：Case A + K_app

  • Case D：DFN + K_app + 次生裂缝闭合（历史匹配后水力裂缝半长93.73 m，比Base Case长13%）

  • Case E：Case D历史匹配的水力裂缝半长，但不考虑裂缝闭合

区域划分（图9）：

  • 区域1：水力裂缝内

  • 区域2：紧邻水力裂缝的基质

  • 区域3：近井区域基质（但不直接邻接水力裂缝）

  • 区域4：远离水力裂缝的基质

K_app敏感性（图14）：

  • 初始压力34,000 kPa → 产气量增加4.30%

  • 初始压力13,500 kPa → 产气量增加12.00%（低压下非达西效应更显著）

  • 初始压力53,500 kPa → 产气量增加2.19%，且水回收率增加（与常规认识相反）

P_c敏感性（图15）：

  • Base Case P_c > Case 4 > Case 5

  • 焖井期高P_c导致水从HF向基质流动增加（区域1水量下降更显著）

  • 产气量：高P_c反而降低（与油-水系统中高毛管压力促进初期产量的结论相反），原因是气体可压缩性强、逆流渗吸驱替气体量少，且区域2水滞留增加阻碍气体流动

关井期敏感性（图30）：

  • 12周（Case D）→ 产气量最低、气体滞留裂缝最多、近井基质水量最高

  • 2周 → 产气量最高、水回收率最高

  • 与忽略裂缝闭合的王和梁（2015a,b）结论相反，后者认为短关井对长期产量无明显改善

✅ 主要结论

  1. 提出了实用的压力相关表观渗透率动态更新方案，以及基于岩石类型指示剂的次生裂缝状态表征方法，可方便地集成到商业模拟器中。

  2. 忽略次生裂缝网络和K_app会高估水力裂缝对产气的贡献。

  3. 次生裂缝连通性是影响压裂液渗吸程度的主要因素，裂缝强度增加会降低水回收率（与油-水系统不同）。

  4. 在气-水系统中，气体可压缩性使得逆流渗吸驱替气体效果不明显，高毛管压力反而降低产气量。

  5. 裂缝闭合会导致产气量和水回收率均降低，若忽略裂缝闭合会高估次生裂缝网络的贡献。

  6. 考虑裂缝闭合时，较短关井期对产气和水回收均有利，这与忽略裂缝闭合的传统认识相反。

🏛️ 作者及单位信息

作者 单位
Chuanyao Zhong 阿尔伯塔大学（University of Alberta），土木与环境工程系，石油工程专业
case62

发表评论