“十四五”时期，我国能源结构将发生重大转变，专家表示未来时期非常规油气资源将逐渐成为我国油气行业增储上产的主力军。那么，页岩油气等非常规油气资源的勘探开发技术必然也将备受瞩目。

第十一届中国页岩气发展大会特邀中国石油大学（北京）石油工程学院讲师张凤远现场演讲《页岩油气藏多相流排采动态监测一体化分析技术》，分享最新的研发技术成果及未来发展趋势。

图为张凤远老师现场演讲画面

演讲嘉宾：张凤远

中国石油大学（北京）石油工程学院 讲师

张凤远，博士，中国石油大学（北京）石油工程学院讲师，校青年拔尖人才。国际海洋石油技术展览会（OTC）委员会委员和分会场主席、SCI期刊SPE Production & Operations副主编、SCI期刊Journal of Petroleum Exploration and Production Technology副主编、EI收录期刊Advances in Geo-Energy Research青年编委；担任SPE Journal、Engineering等10余个期刊审稿人。

主要从事油气渗流理论与应用、非常规油气田开发、压裂效果评价与裂缝动态反演等方面的研究工作，建立了针对非常规油气的压裂效果评价和裂缝动态反演技术体系，已在美国Marcellus页岩气藏、Eagle-Ford页岩油藏得到推广应用。

主持和参与了中石油长庆油田、中石油吉林油田、延长油田等委托的多项科研课题以及中国石油大学（北京）科研启动基金项目。

以下为张凤远老师演讲内容

页岩油气藏多相流排采动态监测一体化分析技术

尊敬的各位领导，各位专家：大家上午好！

我叫张凤远，博士毕业于美国宾夕法尼亚州立大学，目前是在中国石油大学（北京）石油工程学院任教，非常荣幸能够今天参加这样一个盛大的会议跟大家分享我们团队最新的一些科研进展。

我今天的题目稍微改了一下，叫做《页岩油气藏多相流排采动态监测一体化分析技术》 。

一、研究背景

不管是页岩油藏还是气藏，它都是需要水平井多段压裂才能够经济开采，这口井的压裂好坏将直接决定了这口井的产量和经济效益，因此压裂效果评价和对裂缝的反演是对非常规油气藏或者是页岩油气藏的重点和难点所在。

裂缝反演的作用不仅体现在开发早期压裂效果评价上，它贯穿了整个油气田开发全过程。因为我们油气田开发离不开历史拟合和产量预测。想要确保我们油藏模型的准确和可靠，必须得用反演的结果对它进行约束，因为如果没有约束的历史拟合和产量预测其实是没有意义的。由此可见地层、裂缝参数反演的重要性。

石油工程领域常用的反演方法：主要包括试井和生产动态分析，他们分别是对关井时候的不稳定压力数据和开井以后的不稳定产量数据进行分析。

近几年内很多知名学者提出了非常多的反演模型试图求取地层和反演参数，但是这些都无法解决多相流数据。但是多相流这种现象，不管是开井生产也好，还是关井测试也好，是普遍存在的一个现象，我们不可避免它。

现有反演方法怎么处理这些事情呢？很简单，就是忽略产水，只解释产气量或者产油量的数据，这种做法对于长期生产阶段来说还能勉强说得过去，因为长期生产阶段主要产的是油或者气，产水毕竟是少的。但是对于早期的压裂液返排阶段，或者产水比较严重的井来说，这种做法就会带来比较严重的误差。因此多相流反演技术的滞后又导致我们早期压裂液返排数据还没有及时的被利用起来。

相比之下，多相流的正演技术就要超前很多，比如说我们经常能够听说的CMG这些油藏数值模拟软件，早在几十年前就能够实现多相流的正向模拟，甚至可以考虑复杂的裂缝形态，还能够考虑复杂渗透机理。

但是正演也有一个非常明显的技术局限性，就是它的多解性很强。举一个例子，右边这张图有三个油藏模型，我们可以把一个油藏建立三种不同的模型，它们可能都会给我们一个非常好的历史拟合效果，那我们怎么能判别出到底哪个是正确的呢？这就是它的多解性所在。

仅凭着历史拟合的结果或者是我们说正演的结果，是难以准确预测未来的产量。

总结一下，虽然正演方法能够考虑多相流，但是它需要反演对它进行约束。而反演的方法恰恰又没有考虑多相流，因此它与正演是有一个不对等关系的，是不对应的。针对这样的技术瓶颈或者是问题，我们团队经过这几年的攻关，建立了这样一套整合直线分析，历史拟合方法的，多相流排采多相流监测一体化分析技术，我们正在加紧开发软件，预计明年上半年这套软件能够跟大家见面。

说到这儿会有一个疑问，这种方法、这种技术可能就只是从单相扩展到多相而已是吧？但是其实这样的一个跨越，我把它比喻为一个打开了新世界的大门，为什么呢？因为当实现了对多相流的解释，我们就能够接二连三的解锁很多我们原来不能做的事情。

我们第一个解锁的功能就是实现了对返排数据的分析，通过分析返排数据，我们就能够实现对裂缝参数的反演了。那我们对长期生产数据也能够分析，对试井数据也能够分析，为什么要分析返排数据呢？这不多此一举呢？但是其实返排数据的优点要比试井、生产数据要好很多，它的技术优越性非常明显。首先它跟试井相比，这个方法更加经济，因为我们知道试井需要关井测试，对于页岩气井、页岩油井甚至要关好几个月才能够得到一个有效的试井数据，这对油田来说是非常昂贵的，关井是我们最不希望看到的。但是这种方法在压裂返排的时候我们就能够收集数据进行分析，同样能够实现反演的功能，因此就经济很多。它与微地震监测相比，该技术又更加全面，不仅能够定性的评价裂缝参数，还能够定量的告诉我们裂缝的一些渗流参数，微地震监测只能告诉我们一些裂缝的形态或者是裂缝的位置等等这些定性的参数。它跟生产动态分析相比，技术优越性就更加明显了，我们最希望的是当压完之后，在返排的时候就能知道裂缝压得怎么样的话，我们就可以及时调整我们的工艺措施，要不要继续压，或者是要对以后进行指导生产等等，这是第一个实现的功能。

当我们解锁多相流之后，第二个实现的功能就是解锁了动态裂缝反演。以往裂缝反演都是只能取得静态的，但是我们都知道随着生产的进行，裂缝是会不断发生变化，它会闭合，随着生产，它的渗透率、体积都会递减，都会呈现这样一个指数型的递减规律，这两个绿色的递减系数，我们通常是用实验的方法来获得的。那如果没有实验，我们只能给一个经验的值，就很不准确。当我们解锁了多相流分析之后，我们就能够既求取裂缝的静态参数，又能够求取控制裂缝递减的两个关键动态参数，这样就实现了对裂缝动态参数的反演。

第三个是实现了正演和反演的一体化，以往反演是割裂在历史拟合过程之外的，相当于给历史拟合一套输入参数，它的任务就完成了。现在因为多相流反演技术的诞生，正演和反演过程就会形成一个闭环，让它们形成一个一体化的闭环，这个技术进一步也实现了排采一体化，该技术通过分析压裂液返排数据能够评价压裂效果，预测未来的产气量、产水量，指导配产，实现返排指导生产这样一个一体化的开发模式。

二、模型和方法简介

首先看一下返排动态分析的流程，为了模拟多段压裂水平井在压后的返排和生产过程，我们沿着水平井筒建立了右边这样一个理论的二维两相复合流动的渗流模型，并且做了一些模型假设，这里面我在建立最基本模型的时候是假设裂缝基本都是遵循达西定律流动，但是页岩气藏和油藏肯定不是达西定律流的，有着很多非常复杂的渗流机理，所以后面我们又建立了页岩气模块和页岩油模块，来让它更有针对性的对特种油气藏使用。

并且模型还假设了裂缝的孔隙体积和渗透率，遵循压力指数型的递减规律，进而模拟由于裂缝闭合所导致的伤害过程。

建完模型之后，我们就对裂缝和基质内的两项复合流动过程进行分析，随着返排的进行，地层内的压力扰动会以这样一个矩形形状向外扩散，在返排早期，这个阶段我们称之为裂缝线性流阶段，裂缝内的流动还没有达到端部，当达到了端部之后我们称之为裂缝的边界控制流。基于流动过程分析，还有刚才物理模型的建立，我们就能够针对裂缝系统和基质系统，建立相互耦合的两相渗流数学模型。通过联立方程就能够得到解析解，解析解得到之后我们就可以作出诊断曲线来划分这两个不同的流动阶段。我们现有的一些诊断曲线都是基于单相流的假设提出来的，无法适用于两相复合的这么复杂的流动过程，因此，我们就根据我们的解析解，为了判别出刚才所说的线性流流动阶段和边界控制流动阶段，我们根据解析解将返排数据做在以叠加拟时间为横坐标，以产量规整化拟压力的导数为纵坐标的这样的一个图板上的时候，我们就会惊奇的发现，在早期这个曲线呈现出了一条斜率为1/2的直线，而在晚期呈现出斜率为1的直线，这两个阶段正好对应的是拟裂缝线性流阶段和边界控制流阶段，这样就实现了对不同流动阶段的诊断。

划分完阶段之后，我们就能够实现下一个更重要的功能，就是求取裂缝参数。根据线性流的解析解，我们将返排数据做在以叠加拟时间的平方根为横坐标，以产量规整化拟压力为纵坐标的特征曲线上，我们通过提取直线段的斜率就能够求出来裂缝的初始渗透率是多少。同样的道理，再根据边界控制流的解也做出这样类似的典型曲线提取直线的斜率、截距，也能够求出来裂缝的初始渗透率还有裂缝初始的孔隙体积，这样就实现了对裂缝静态参数的一个反演求取过程，整个这套方法就被称之为直线分析方法。

在直线分析过程中我们所涉及到的一些中间参数是通过联立裂缝和基质内的物质平衡方程求解的，这里我就不详细论述了。

刚才提到的模型是基于达西流假设条件来推导建立出来的，但是我们知道，页岩油气藏肯定不遵循达西流的，它有很多个复杂的流动机理，比如说表面扩散、努森扩散、吸附解析、滑脱效应等等，为了考虑这些对于页岩气藏特有的这些渗流规律，我们建立了这样一个页岩气模块，使其能够适应于页岩气藏的返排动态分析。

也建立了页岩油模块，让它能够考虑页岩油的复杂渗透机理。

时间关系，这里就不详细讲模型验证过程了。

结论就是我们模型计算出来的裂缝孔隙体积和渗透率，它的误差都小于10%，因此满足我们工程上对于反演的精度要求。

通过刚才的介绍，我们知道裂缝的静态参数，是通过直线分析来直接计算出来的。

接下来我们来看一下裂缝动态参数的反演过程，裂缝的闭合动态参数是通过间接约束来得到的，不是直接求出来的。因此我们建立了一套整合不同流动段数据，不同相态，不同时间数据体的一个三尺度综合约束方法来约束反演动态裂缝参数。这三个尺度是什么意思呢？第一个尺度指的是流动段约束，它指的是线性流阶段，我们解释出来的裂缝参数应该是跟边界控制流阶段解释出来的参数是一样的。如果我们发现解释出来它俩不一样的话，说明模型的输入参数肯定是有问题的，这就实现了第一个约束条件；第二个约束是指水相解释结果，也就是压裂液返排解释结果，应该跟气相或者油相的解释结果应该也是相互印证的，如果不印证就说明还是有问题；第三个是时间约束条件，时间约束指的是返排阶段解释出来裂缝的体积和裂缝渗透率，它将是高于生产阶段解释出来裂缝结果的，因为裂缝在闭合，肯定是返排阶段高于生产阶段。而且这个高还不是简单的比它高、比它大就完事了，它应该满足这样一个指数型的递减规律，因此就能够实现对递减指数的约束和求解。

通过这三个约束条件我们就能够建立这样一个工作流程来迭代求取这四个裂缝主控参数，来实现对裂缝动态的评价。

这项技术目前已经在美国Marcellus页岩气藏和Eagle Ford页岩油藏都得到了矿场应用和良好的效果反馈。

下面我就以Marcellus页岩气藏为例介绍一下它的现场应用情况。右图就是美国Marcellus页岩气井一个真实的返排和生产历史图，可以看到它在后半段产水量（蓝色的点），可以忽略不计，因为产水很少。但是在早期，这个产水就不能忽略了，它比气要多很多。因为这个横坐标是一个对数坐标，所以看上去好像返排阶段比长期生产阶段要长，但事实上这个井返排了24天，生产了800多天。

首先我们对返排数据进行分析，按照刚才的技术手段、方法，我们先看一下返排数据分析结果怎么样。我们将返排数据做在刚才提出的诊断曲线上，我们会发现得到的形状跟我们刚才理论图板推导出来的是一样的，前期展现为斜率为1/2的直线，后期是斜率为1的直线，这正好印证了我们刚才说的这两个不同的流动段。

划分完流动段之后，我们对这两个流动段分别进行直线分析，提取直线段的斜率和截距，求取裂缝参数。我们会发现两个流动段解释出来的裂缝渗透率都很相近，因此就满足了我们第一条流动段的约束条件。当然这不是一开始它就计算出来的，我们刚开始算出来的初值肯定是不一样的，经过了无数次迭代之后，发现接近了。

刚才是对返排阶段的水相数据解释的一个展示。同样的道理，我们再对气相数据再进行一遍分析，当然用的模型也都是两相状态的模型，水相和气相的解释结果也是如图所示，十分接近的，因此满足第二条相态约束条件。

我们再用历史拟合方法和生产动态分析方法，对长期生产数据进行解释，得到长期生产阶段裂缝的孔隙体积和渗透率分别是124mcf和46mD。我们通过将返排阶段得到的解释结果跟后期生产阶段得到的结果相对比我们就会发现一个非常明显的递减趋势，这个是由于裂缝闭合、裂缝伤害导致的，并且这两个参数应该是遵循以Cf和γf为指数的指数型递减规律，因此这里应用第三条，时间约束条件，就能够求取递减指数，也就是裂缝的压缩系数和裂缝的渗透率应力敏感模量，这样就实现了对裂缝静态参数和裂缝闭合动态全过程的表征-量化-反演。

与此同时，我们的模型还能够对返排数据进行历史拟合，来实现用返排分析结果的指导生产，并且预测未来的产水量和产气量，实现排采一体化。

针对上面的模型方法，我们可以得到这样的一些结论，针对页岩油气藏我们团队建立了这样一个多相流排采监测一体化分析技术；该技术解锁了返排动态分析和动态裂缝反演，实现了“正演-反演一体化”和“排采一体化”；通过对美国Marcellus页岩气井排采数据进行分析，证实了方法的实用性；并且通过上面实例的成功应用，我们也建议现场能够重视起压裂液返排数据的监测和解释，因为一口井压完之后必然要返排，返排的时候也必然会记录它的返排数据，如果能够充分利用其它里边蕴含的裂缝信息，那对我们生产会有一个非常大的帮助。

以上就是汇报的所有内容，谢谢大家！