基于综合可压性的深层页岩气压裂经济效益预测方法.pdf
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1、文章编号:10007393(2023)02022908DOI:10.13639/j.odpt.2023.02.015基于综合可压性的深层页岩气压裂经济效益预测方法任岚1李逸博1彭思瑞1赵超能2吴建发3李真祥41.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学;2.广西广投能源集团有限公司;3.中国石油西南油气田公司;4.中石化探勘分公司引用格式:任岚,李逸博,彭思瑞,赵超能,吴建发,李真祥.基于综合可压性的深层页岩气压裂经济效益预测方法J.石油钻采工艺,2023,45(2):229-236.摘要:水力压裂是实现深层页岩气藏经济有效开发的关键技术,但深层页岩气储层构造复杂、甜点识别困难、地质条件
2、差,中浅层页岩综合可压性评价方法不再适用;此外,深层页岩气建井及压裂等工程成本高,试采产量低,经济开发矛盾尖锐。为此,通过研究不同地质工程参数对水平井页岩气开采产量影响规律,确定影响页岩气产量因素,通过突变理论综合页岩储层地质、缝网发育程度、岩石基质、流体用量、施工参数等特性,建立了地质-工程综合可压性预测压裂经济效益方法,利用互补准则,降低主观因素干扰,并根据可压性模型评价类型构建经济效益预测模型。以 X 区块 DS2 井为例,结合试气产量验证了模型的可靠性,该模型能客观评价页岩气开发和预测工程经济效益。实例计算表明,压裂经济效益预测方法可预测经济回报周期、净现值、内部收益率等,并可通过优化
3、调整工程参数提升经济预测结果。研究结果对于矿场进行预期开采规划,提高深层页岩气可压性评价预测及效益预测具有重要的理论指导意义和矿场应用价值,可实现“降本增效”目标。关键词:深层页岩气;水力压裂;突变理论;可压性评价;经济预测中图分类号:TE357;TE322文献标识码:APredicting economic benefit of deep shale gas fracturing prediction basedon comprehensive fracabilityRENLan1,LIYibo1,PENGSirui1,ZHAOChaoneng2,WUJianfa3,LIZhenxiang4
4、1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation at Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan,China;2.Guangxi Investment Group Energy Group Co.,Ltd.,Nanning 530201,Guangxi,China;3.PetroChina Southwest Oil&Gas Field Company,Chengdu 610051,Sichuan,China;4.Sinopec Ex
5、ploration Company,Chengdu 610041,Sichuan,ChinaCitation:RENLan,LIYibo,PENGSirui,ZHAOChaoneng,WUJianfa,LIZhenxiang.PredictingeconomicbenefitofdeepshalegasfracturingpredictionbasedoncomprehensivefracabilityJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2023,45(2):229-236.Abstract:Hydraulicfracturingisakeytechnolog
6、ytodevelopdeepshalegasreservoirseconomicallyandefficiently.However,thecomprehensivefracabilityevaluationmethodformiddle-shallowshaleisnotsuitablefordeepshalegasreservoirswithcomplexreservoirstructure,difficultsweetspotidentificationandpoorgeologicalconditions.Inaddition,theconstruction,fracturingand
7、otherengineeringofdeepshalegaswellhashighcost,anditsproductiontestrateislow,leadingtosharpcontradictionsofeconomic基金项目:国家自然科学基金项目“深层超深层页岩气水平井压裂缝网高效建造理论与方法研究”项目(编号:U21B2071);国家自然科学基金项目“基于 DEM-LBM 流固耦合的深层页岩气水力裂缝长效支撑理论与方法研究”项目(编号:52104039)。第一作者:任岚(1979-),2011 年获得西南石油大学工学博士学位,现从事非常规储层增产改造基础理论及关键技术的研究工作,
8、教授,硕士研究生导师。通讯地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道 8 号。E-mail:第45卷第2期石油钻采工艺Vol.45No.22023年3月OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMar.2023development.Inthispaper,thefactorsinfluencingshalegasproductionrateweredeterminedbyresearchingtheinfluencelawsofdifferentgeologicalengineeringparametersonshalegasproductionrateofhor
9、izontalwell.Afracturingeconomicbenefitpredictionmethodbasedongeology-engineeringcomprehensivefracabilitywasestablishedbyintegratingfivemajorcharacteristicsofshalereservoiraccordingtothecatastrophetheory,i.e.,geology,fracturenetworkdevelopmentdegree,rockmatrix,fluidconsumptionandconstructionparameter
10、.Theinterferenceofsubjectivefactorswasdecreasedbyusingthecomplementarycriterion,andtheeconomicbenefitpredictionmodelwasestablishedbasedontheevaluationclassificationoffracabilitymodel.Finally,thereliabilityofthemodelwasverifiedbytakingWellDS2ofXBlockasanexample,combinedwiththeproductionrateofwelltest
11、.Itisshownthatthismodelcanobjectivelyevaluateshalegasdevelopmentandpredictengineeringeconomicbenefit.Thecasecalculationresultsindicatethatthefracturingeconomicbenefitpredictionmethodcanbeusedtopredicteconomicreturncycle,netpresentvalueandinternalrateofreturn,andcanimprovetheeconomicpredictionresults
12、byoptimizingandadjustingengineeringparameters.Theresearchisofimportantguidingsignificanceandfieldapplicationvalueforpreparingfieldproductionplanandimprovingfracabilityevaluationpredictionandbenefitpredictionofdeepshalegas,soastoachievethegoalof“costreductionandefficiencyimprovement”.Key words:deepsh
13、alegas;hydraulicfracturing;catastrophetheory;fracabilityevaluation;economicprediction 0 引言中国页岩气已成为全世界非常规油气资源勘探开发的重点领域,深层页岩气是四川盆地天然气增储增产的战略接替领域,但深层页岩气1储层地质结构复杂、甜点识别困难,地质条件差,需要采取适合的增产措施,才具备商业开发价值。同时,深层页岩气的开采技术尚未成熟、勘探及开发成本高,合理优化工程参数对于单井的高效经济开发具有重要意义。常规的评价方法将地质条件作为主要权重,无法考虑压裂施工的有效性,可能产生无效压裂段,增加工程项目投入成本,
14、导致投资回报率减少。目前,可压性评价是开采页岩气藏和压裂施工的基础与依据。对于页岩储层可压性评价方法,主要通过考虑因素权重系数来确定。袁俊亮等2主要参考脆性指数、断裂韧性、弹性模量等参数,对页岩气储层可压裂性评价技术进行了研究;蒋廷学等3基于脆性指数新方法及地质甜点指数和压裂施工参数,建立了地质参数与工程参数有机结合的可压性指数综合模型;赵金洲等4认为断裂韧度、页岩脆性和天然弱面是影响页岩气储层可压性的主要因素。页岩储层可压性评价方法现在有较多研究,如层次分析法5,灰色关联法6、神经网络7、模糊相似法8等,对页岩储层可压性评价有积极推进作用,但是判断页岩储层可压性需要多指标、多层次评价,无法避
15、免人为主观性。突变理论9适用于内部作用尚未确知的系统,具有不需人为确定各参数权重的优点,它考虑了各评价指标的相对重要性,系统内各控制变量之间可互相弥补其不足,降低主观因素干扰。目前突变理论已广泛应用于煤层气储层选井选层中,但较少应用于深层页岩储层的可压性评价方面。Wright10基于成本、折现利润、投资比例及最终采收率进行可行性分析;Schweitzer等11基于水平井段长、压裂段数等施工工程数据确定页岩气项目成本效益配置;Dougherty 等12通过气价、成本和补贴等经济因素,计算生产相关参数和产气价格分布净现值。笔者基于突变理论,根据深层页岩气开发的工程和地质特征,并结合经济因素,得到单
16、井页岩储层可压性评价模型和经济预测模型,建立一套地质-工程综合可压性预测压裂经济效益方法,对于油田开采进行预期规划、提高深层页岩气可压性评价预测及效益预测具有重要的理论指导意义和矿场应用价值,可实现单井“降本增效”的目标。1 突变理论在自然界和经济领域中,大部分事物为平滑、连续的变化过程,可以使用微积分解决这类问题,如地球自转等有规律的平稳运动,人们能够预测其运动状态。但像火山爆发等具有突变性质,不连续性将行为空间变得不可微,这种通过量变而发展为突变、质变的过程就是突变现象。突变理论能判别量变到质变,主要解决非线性问题中如何从渐变状态走向系统性质突变,连续的参数改变如何导致不连续现象。作为研究
17、非连续变化的一门数学理论,适用于内部作用尚未确知的系统13。当突变理论被研究出后,几乎涉及所有自然学科及工程应用学科,是解决岩石力学等非线性问题的有力工具。230石油钻采工艺2023 年3月(第45卷)第2期突变理论包括折叠型突变、尖点型突变、燕尾型突变、蝴蝶型突变等 7 种初等突变,突变理论将系统比作势函数,使用控制变量和状态变量对其进行描述14。系统状态由状态变量来确定,状态变量由控制变量来确定。不同的突变模型势函数表达式、分歧点集方程都不同,最常见的有尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变,如表 1所示。表1初等突变模型的势函数Table1Potentialfunctionofelementary
18、catastrophemodel突变类型控制变量维数状态变量维数势函数表达式尖点突变21Vab=1/4x4+1/2ax2+bx燕尾突变31Vabc=1/5x5+1/3ax3+1/2bx2+cx蝴蝶突变41Vabcd=1/6x6+1/4ax4+1/3bx3+1/2cx2+dx基于突变理论的深层页岩气评价方法,将各个评价指标看作评价结果的控制变量,并遵循突变类型的定义,利用归一化公式对各个指标进行综合评价,系统的状态变量所对应的各个控制变量计算出的值通过互补准则进行计算获取,系统各控制变量之间可互相弥补其不足时,无需确定各因素的权重,降低主观因素干扰,科学合理求解各个指标的相对重要性。同时突变理论
19、对各层级评价指标间的相对重要性的定量评价,用少数几个控制变量便可预测系统其他定性或定量状态。实际应用中,为了方便数据的收集和处理,控制变量维数一般小于 4。应用到评价指标体系中,将步骤总结为:将目标划分为具有多层次结构的影响因素,构建具有递阶层次结构的评价指标体系;收集各底层指标的原始数据,将其分为正、负相关指标并进行标准化;确定各层指标的突变类型,并使用表 1 中的公式对指标体系进行递阶层次的计算,对最终得到的评价值进行分析。2 深层页岩气开发经济预测模型 2.1 可压性评价模型根据突变理论和上述分析,将页岩气待开发区域 X 作为目标层,将影响页岩气产量的地质因素(A)、工程因素(B)作为准
20、则层,将页岩储层地质(A1)、缝网发育(A2)、岩石基质(A3)作为页岩含气层的指标层,将流体用量(B1)、施工参数(B2)作为页岩施工优劣的指标层。页岩气地质储量是页岩气开发的物质基础,其中储层地质(A1)中孔隙度、TOC、含气量、厚度因素综合影响地质储量,通常,页岩孔隙度、TOC、含气量、厚度越高,页岩地质储量越高。缝网发育(A2)用于评价天然缝网发育程度,常规使用硅质与钙质矿物进行缝网发育评价,这通常是不够准确的,现引入天然裂缝发育强度和水平层理发育强度15对缝网发育程度进行综合评价。通过对硅质矿物组分含量、钙质矿物组分含量关系进行回归,可得天然裂缝发育强度和水平层理发育强度的计算公式为
21、15In=SifSi+CafCa+(1)Sn=SifSi+CafCa+(2)式中,In为天然裂缝发育强度,条 mm/m;Si为硅质矿物对天然裂缝发育贡献系数,m1;fSi为硅质矿物的质量分数;Ca为钙质矿物对天然裂缝发育贡献系数,m1;fCa为钙质矿物的质量分数;为天然裂缝发育本底系数,m1;Sn为水平层理发育强度,条 mm/m;Si为硅质矿物对水平层理发育贡献系数,m1;Ca为钙质矿物对水平层理发育贡献系数,m1;为水平层理发育本底系数,m1。岩石基质(A3)中泊松比和弹性模量对页岩气水力压裂造缝有决定性影响。泊松比低时,岩石脆性特征参数高16。页岩弹性模量越大,页岩越坚硬,闭合压力相同时,
22、支撑剂嵌入量越少17。在压裂施工过程中,工程因素对页岩气井的产量影响很大,其中流体用量(B1)包含单段液量、单段砂量,流体用量越大,水力裂缝呈现效果越好,同时,施工段长和压裂段数也综合影响页岩气产量。根据突变理论,确定页岩气产能评价模型,结果如图 1 所示。尖点突变有 5 组:页岩气待开发区域(X)、岩石基质(A3)、工程因素(B)、流体用量(B1)、施工参数(B2);燕尾突变有 2 组:地质因素(A)、缝网发育(A2);蝴蝶突变有 1 组:储层地质(A1)。综上所述完成页岩气开发区域评价的 4 级指标体系。2.2 经济预测模型页岩气开发项目中独特的技术工艺和储层条件,使其经济评价与常规评价方
23、法不同18-19。根据开发项目特点,考虑页岩气单井产量低,需要进行大规模的压裂施工,将评价指标中地质因素 A 和工程因素 B 中的参数作为经济预测中的主要影响因素以建立项目经济预测方法。任岚等:基于综合可压性的深层页岩气压裂经济效益预测方法231净现值(NPV)是指在项目开发过程中产生的未来现金流的折现值与投资成本之间的差值,根据该值正负评价项目的净盈利;内部收益率(IRR)是项目预期收益百分比,将更直观地展现项目投资价值,使用净现值和内部收益率表示项目的可行性,经济意义更加直观、明确。NPV=ni=0Qtfs(P+S)tIAtCeCgT(1+i)n(3)ni=0Qtfs(P+S)tIAtCe
24、CgT(1+IRR)n=0(4)其中I=Id+If+Is(5)式中,NPV 为净现值,万元;Qt为页岩气单井日产量,m3;fs为页岩气商品率,%;P 为页岩气价,元/m3;S 为页岩气政府生产补贴,元/m3;t 为单井每年生产时间,d;Id为钻井工程费用,万元;If为压裂工程费用,万元;Is为地面工程费用,万元;At为贷款利息,万元;Ce为区块建设费用,万元;Cg为采气费,元/m3;T 为税费,万元;n 为方案预计寿命期,年;i 为基准收益率,%;IRR 为内部收益率,%。页岩气开采主要支出为单井建设费用,包括钻井工程、压裂工程、地面工程费用、贷款利息、项目区块建设投资、采气费用及税费。Id=
25、Idi+Idvh+Idll(6)If=(Ifs+Ls+Ll)nfs(7)Is=Isi+Isslss(8)式中,Idi为固定钻井成本,万元;Idv为水平井垂直段钻进成本,万元/m;h 为水平井垂直段长度,m;Idl为水平井水平段钻进成本,万元/m;l 为水平井水平段长度,m;Ifs为单级压裂费用,万元/m;nfs为压裂级数;Ls为单段砂量费用,万元/m3;Ll为单段液量费用,万元/m3;Isi为地面工程固定费用,万元;Iss为单位长度管道费用,万元;lss为管道长度,m。建设期每年贷款利息计算公式为20An=(Pn1+12Ln)ia(9)式中,An为建设期第 n 年产生利息,万元;Pn1为建设期
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