大牛地气田液氮伴注效果分析及优化

薛成国，陈付虎，李国峰，李松，李雷

（中国石化华北分公司工程技术研究院，河南 郑州450006）

0 引言

近年来，大牛地气田天然气勘探开发规模逐年扩大，水力压裂已经成为大牛地气田有效建产的主要开发方式［1-2］。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［3］。然而，大牛地气田具有低渗、致密、低压的特点，且储层内流体流动存在启动压力［4］，这导致了压裂井压后返排困难，压后自然喷通率低，不但会对地层造成伤害，还会延长试气周期，增加生产成本［5-6］。

目前大牛地气田压裂井存在着液氮伴注比例差异较大、伴注比例偏小的问题。通常，在施工条件允许的情况下，液氮伴注量越大越好，但受经济因素的制约，需要在施工效果与经济效益间寻求一个平衡点。本文在考虑储层内部流体启动压力对压裂液返排影响的基础上，提出了确定大牛地气田气井压后自喷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了理论依据； 并通过大牛地气田盒1 气层启动压力实验数据计算，得出了该气层压裂井压后自然喷通所需的最小液氮比例。

1 液氮伴注现状

1.1 液氮伴注原理

液氮助排技术，是采用延迟交联技术在压裂液中加入氮气，形成均匀的泡沫冻胶，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，与液体混合形成混汽水，降低液体的密度，减少井筒静水柱压力，使入井液体能够顺利地排出的技术［7］。

1.2 液氮伴注现状

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，结果分别见图1、表1。

图1 裸眼水平井压后返排率与液氮伴注比例的关系

表1 大牛地气田裸眼水平井液氮伴注及压后返排情况

从图1可以看出，压裂液返排率随着液氮伴注比例（液氮体积与压裂液体积之比）的增大而增大，因此，在保证施工安全的情况下，提高液氮伴注比例，会提高压裂液的返排率，减少压裂液对地层的污染。

从表1可以看出，大牛地气田裸眼水平井液氮伴注比例差别较大，最小值为4.3%，最大值达到7.0%，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，23 口井自然喷通，27 口井没有自然喷通，自然喷通率仅为46.0%。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还可以看出，液氮伴注比例较高的压裂层位，具有较高的自然喷通率。

2 启动压力梯度分析

低渗透油气藏由于孔喉微细，比表面大，渗流速度小，故其渗流规律与常规渗透率油藏不同。在低速渗流时不再符合线性渗流规律［8］，而是存在明显的启动压力梯度（见图2），这就给油气流体在储层中的流动带来了额外阻力，在相关开发指标的计算中就不得不考虑其影响［9-11］。

图2 特低渗透油田流体非线性渗流曲线

图2为一典型的非线性渗流曲线，其渗流速度与压力梯度的关系为

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［12］，结果如图3所示。

图3 盒1 气层启动压力梯度与渗透率关系

实验结果表明，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为

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

经过长期的压裂实践认为，在致密砂岩储层中，Re取50 m 较合适。

3 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，井筒混合流体的液柱压力必须小于地层克服启动压差后的生产压力。井筒内液柱压力为

若使压裂井压后自然喷通，则需满足：

为了计算方便，以混合液体的平均密度ρ¯代替式（5）中的积分部分，即

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。则式（5）可转化为

由式（8）可得，若使压裂井压后自喷，需要的最小氮气体积为

需要的最小氮气用量为

换算成液氮体积，则需要最小液氮体积为

则使液氮伴注压裂井自喷的最小液氮伴注比例为

实际条件下，最小液氮伴注比例为

其中N 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，数值越大［13］。

以X1 井盒1 气层压裂施工为例，地层及流体各项参数分别为：地层深度2 506 m，压裂液密度1.01 g/cm3，储层压力23.06 MPa，液氮密度0.808 g/cm3，启动压差1.85 MPa，氮气密度0.125 g/cm3，渗透率0.11×10-3μm2。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进行计算可得，最低液氮伴注比例为7.0%～10.5%，而压裂时的实际液氮伴注比例为6.0%，该井压后未能自然喷通，因此，建议大牛地气田盒1 气层液氮伴注比例至少提高至7.0%以上。

4 结论

1）分析目前大牛地气田液氮伴注现状及压后返排情况认为，压后返排率随液氮比例的增大而提高，液氮伴注比例越高，自然喷通率越高。

2）建立了考虑储层启动压力梯度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，为今后大牛地气田压裂施工提供了参考。

5 符号注释

v 为渗流速度，m/s；K 为渗透率，10-3μm2；μ 为黏度，mPa·s；Δp，λ 分别为压力梯度和真实启动压力梯度，MPa/m；Re为气井压裂后的有效泄流半径，m；H 为储层深度，m；h 为井筒深度，m；py，pe分别为井筒内液柱压力和储层压力，MPa；p 为液体所处位置的压力，MPa；Δp 为流体在储层内的启动压差，MPa；T 为液体所处位置的温度，开尔文；ρ（p，T），ρ（N2）分别为液柱和氮气在p，T 条件下的密度，kg/m3； ρ¯，ρL分别为混合液体平均密度和压裂液密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；VL为井筒内压裂液的体积，m3；V（N2）为氮气的体积，m3；Vmin（N2），V′min（N2）分别为压裂井压后自喷需要的最小氮气、液氮体积，m3；mmin（N2）为压裂井压后自喷需要的最小氮气质量，kg；ρ′（N2）为液氮密度，g/cm3；N 为考虑了返排摩阻、液氮损失及滑脱效应影响的经验系数。

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