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致密油气藏试井及产能预测

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王洪军张学山崔体林

[导读] 摘要：根据近年来的勘探和开采数据表明，致密油气藏由于其渗透率低、地质状况复杂、油气流动机理不够明确等原因，开采难度相对较大其储层不经过人工改造很难获得具有商业开发价值的油气流量，而且在对应的试井分析和产能预测等方面也存在一些不完善之处。

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        摘要：根据近年来的勘探和开采数据表明，致密油气藏由于其渗透率低、地质状况复杂、油气流动机理不够明确等原因，开采难度相对较大其储层不经过人工改造很难获得具有商业开发价值的油气流量，而且在对应的试井分析和产能预测等方面也存在一些不完善之处。本文将试图通过改进数学模型、提升计算效能以及引入大数据分析方法等手段，提升致密油气藏试井分析和产能预测效能。
        关键词：致密油气藏；试井；产能预测
        引言
        从全球角度来看，常规油气资源仍然丰富，非常规油气资源开发利用刚刚起步，但是由于技术的进步，非常规油气资源已经成为常规油气资源的有效补充，特别是致密油气资源具有较好的经济性。而从国内角度来看，非常规油气资源尤其是致密储层中的页岩气，是整体化石能源的重要补充。
        1 油气藏开发中的井型分类
        1.1 垂直井
        垂直井是油气藏开发过程中的最常见的井型之一，多用于开采常规油气资源。其特征是一口井竖直钻入油藏，在油气储层处射开，然后进行注采工作。以二维平面流动的视角来看，垂直井在其采集的地层剖面即表现为一个平面的源（注入）或者汇（采集）。
        1.2 水平井
        水平井是指最大井斜角一般不小于86度且在产层内横向钻进的特殊形式的油气井。它通过弯管从垂直井筒引出，其采集段可以沿着水平的储层方向前进，増加了泄油面积，还可以减少地面设施和重复的垂直钻井工作。因此，在水平剖面中，水平井一般作为直线源进行讨论。1.3 分支水平井
        分支水平井是由多条水平井构成的一种复杂结构井。分支水平井适用于开采各种复杂结构的油气藏。
        1.4 压裂井
        在低渗致密油气藏中，裂缝是油气流动的重要通道，其导流能力远高于储层中的一般多孔介质。裂缝可以分为天然裂缝和人工裂缝两种。对现有井眼进行人工压裂改造，形成压裂井，是提升油气产能的重要途径之一。
        2 致密储层分层压裂试井分析
        2.1 表皮效应
        在钻井和完井作业过程中，泥浆入侵、水泥污染等因素都将影响井眼附近地层的渗透率，若采用酸化或者压裂等方法，则可以使井壁附近的渗透率升高，形成“超完善井”。
        2.2 井筒储集效应
        井筒储集效应指流体流入井筒后，储存于井筒中，未能立刻流出，从而导致井底压力变化的一种现象。在开关井时，依照实际表现形式，被分别称为“井筒储集效应”和“续流效应”。
        开井时，井筒内本身已经储存有一定量的流体，这部分流体将会最先流出，导致井筒内部的压力比地层压力小，然后地层中的流体才会在压差的作用下进入井筒，继而被采收上来。

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很明显，这个过程中，流出井筒的流量将会一直低于流入井筒的流量。当开采过程进入稳定态，井筒内的流体量不再变化时，这种差异才会消失。
        关井时，流出井筒的流量为零。但是此时井筒内部的压力和地层压力依然有差值，故而会继续有流体流入井筒，使得井筒压力升高，直至井筒内外压力相等时为止。
        3 支持向量机方法的实用化
        3.1 软间隔与松弛变量的引入
        对支持向量面进行松弛操作，如在分类器模型中接受可能错误的分类点，或者在回归模型中吸纳误差较大的点作为支持向量点，都有可能使得分类或回归超平面发生畸变，导致拉格朗日系数增大，模型准确性降低（如回归时均方差过大），甚至无法正常工作（如分类时失去线性可分性）的后果。这些后果与引入这些点的初衷相违背，因此需要引入惩罚系数来限制畸变程度。其最终的结果就是拉格朗日系数拥有了上限的限制。
        3.2 二次规划问题求解与序列最小优化算法
        SMO算法是一种启发式的迭代算法，其基本前提是：考虑到KKT条件是最终最优化问题的充要条件，那么如果所有的拉格朗日系数都满足KKT条件，则迭代结束，当前解就是所求的最优解。如果不满足，则选取两个子问题进行优化。这种思路有些类似于有效集算法，但是每次只需要优化两个子问题，计算量大减。
        SMO算法适用于所有的凸二次规划问题，但是在支持向量机模型中，由于支持向量的稀疏性（即模型中有大量等于零的拉格朗日系数），格外凸显了SMO算法的计算速度和迭代效率。
        4 展望
        （1）本文推导的水平分支井模型未考虑井储和表皮效应，对异面水平井的垂直井筒连接条件也没有进行讨论。后续研究中，对这些问题可以进行更深入的探讨。
        （2）本文推导的多层部分压开垂直裂缝井模型，为方便起见，采用了无限导流裂缝模型并基于层间无越流假设。实际上，层间无越流的假设只能适用于部分情况，而无限导流裂缝只是一个理想化的假设，实际裂缝中的压降是受到压裂水平和流动机理等多重影响的结果。这些方面可以在将来的研究中进一步完善。
        （3）本文直接将支持向量回归机应用于页岩气井产量预测，所采用的特征向量维度较低，导致过拟合风险较大，进一步导致模型外推困难。而且，仅凭位于同一个地块就假设所有井为相似的压降曲线也不够准确，并且没有考虑开采的先后顺序导致的井间影响。后续工作中，对生产数据的精确建模和扩大机器学习规模都是较好的突破点。
        5 结束语
        在计算水平分支井地层压力分布时，根据具体的计算需求逐步缩减重复计算量，并引入了基于CUDA框架的GPU通用计算技术，可以极大提升计算效率。
        在页岩气产能预测中引入了基于支持向量机的统计机器学习算法，在实际算例中取得了较好的单井模型回归拟合结果以及密集数据区间内的多井模型预测结果。
        参考文献：
        [1]马永生,蔡勋育,赵培荣.中国页岩气勘探开发理论认识与实践[J].石油勘探与开发,2018:107-114.
        [2]王世谦.页岩气资源开采现状，问题与前景[J].天然气工业,2017,37(6):115-130.