馬 莉,張 馳,劉敦卿,廖如剛
(1.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 涪陵 408014;2.中國石油大學(xué)(北京),北京 102249)
近年來中國頁巖氣開發(fā)在四川威遠、重慶涪陵地區(qū)取得重大突破,但頁巖氣儲層壓裂后悶井對產(chǎn)能的影響依然沒有得到明確的認識?,F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明,頁巖氣儲層返排率通常不超過50%,許多地區(qū)甚至低于10%[1],且產(chǎn)能與返排率之間并沒有較好的關(guān)聯(lián)性。在中國,涪陵地區(qū)的返排率普遍極低,部分區(qū)域出現(xiàn)了返排率越低產(chǎn)能越好的情況,國外也有相似的開發(fā)實例[2-3]。壓裂后悶井可顯著降低返排率,促進儲層對壓裂液的滲吸,可見對于一定的儲層條件,壓裂后悶井可能起到一定的增產(chǎn)作用。韓慧芬、張寅、張濤、康毅力、Dutta、薛永超[4-9]等人對頁巖氣壓裂后悶井進行了初步研究,但對其機理還沒有明確認識,對于壓裂后悶井所適用的儲層條件也仍然沒有結(jié)論。為探索涪陵地區(qū)儲層是否具有壓裂后悶井的潛力,利用井底巖心,開展了一系列的室內(nèi)實驗,分析了涪陵地區(qū)主力產(chǎn)層與壓裂液之間的相互作用特征,分析了涪陵地區(qū)頁巖氣儲層的悶井潛力,并進行了壓裂后悶井的礦場試驗。該研究可對其他頁巖氣儲層開展壓裂后悶井提供參考。
儲層物性是影響儲層與壓裂液相互作用的重要因素,直接關(guān)系到壓裂后悶井效果。涪陵頁巖氣主力產(chǎn)層微納米孔隙高度發(fā)育,有機質(zhì)邊界微裂隙尤其發(fā)育,黏土礦物含量高。儲層有機質(zhì)分布廣泛,有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育豐富的蜂窩狀孔隙網(wǎng)絡(luò),連通性好,且有機質(zhì)孔隙親水性弱,受壓裂液影響小,是天然氣滲流的另一個重要通道。此外,層理普遍高度發(fā)育,部分層段極度發(fā)育,可增強儲層的連通性[10],有利于形成更加復(fù)雜的縫網(wǎng),擴大有效改造體積,在增加壓裂液存儲空間的同時提高了壓裂液分布的均勻性,防止局部區(qū)域壓裂液聚集,降低了局部水鎖的概率。
壓裂液的滲吸可能引起黏土膨脹,造成滲透率下降。根據(jù)X射線衍射結(jié)果,涪陵頁巖主力產(chǎn)層礦物組分層間差異較大,總體隨埋深逐步降低,平均黏土含量為37.85%,較為適中,石英含量隨埋深逐步增大,平均含量約為39.00%。下部儲層黏土含量僅為25.20%,石英含量達到50.08%。黏土礦物以伊蒙混層為主,占45.00%,綠泥石含量相對較高,約為23.18%。綠泥石以玫瑰花瓣狀、針狀賦存,具有很高的比表面積[11],對儲層與壓裂液之間相互作用更為有利。伊蒙混層中伊利石比例更高,水化膨脹風險較低;根據(jù)脆性評估可壓裂性理論,適中的石英含量,儲層形成復(fù)雜縫網(wǎng)的概率更高[12-13]。研究區(qū)儲層底部石英含量高,具有更高的可壓裂性,而上層黏土含量較高,儲層具有更多的微裂隙,總體可壓性較高,易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。根據(jù)測井資料及相關(guān)文獻[14],主力產(chǎn)層初始含水飽和度約為30%~45%,遠低于束縛水飽和度(80%),處于欠飽和狀態(tài),可充分發(fā)揮毛管力作用,為儲層提供充足的滲吸動力。
根據(jù)以上分析,涪陵頁巖氣主力產(chǎn)層儲層礦物組分、含量,孔隙、裂隙發(fā)育程度對壓裂液滲吸及形成復(fù)雜縫網(wǎng)較為有利,形成水鎖的風險低。
儲層自發(fā)滲吸實驗可反映儲層對壓裂液的滲吸能力和滲吸特征[15-18]。在恒溫恒濕環(huán)境下采用對應(yīng)產(chǎn)層巖心開展儲層自發(fā)滲吸實驗(圖1)。巖心氦氣孔隙度約為2.70%~7.12%,滲透率約為0.002 7~0.410 4 mD。
圖1 產(chǎn)層巖心自發(fā)滲吸曲線
圖1為將滲吸質(zhì)量對滲吸面積做歸一化處理后,根據(jù)Handy公式[19],得到歸一化滲吸質(zhì)量與滲吸時間均方根的變化。根據(jù)曲線形態(tài),整體上可分為2組,底部層位巖心(1-8、2-1)歸一化滲吸能力更強,在滲吸曲線上體現(xiàn)為滲吸前段上升速度更快,具有更大的歸一化滲吸質(zhì)量。根據(jù)曲線的上升段持續(xù)時間,上部儲層巖心(3-4、4-1、5-1)更早達到滲吸終點,如圖中紅色虛線所示,上部儲層巖心在900 min左右達到滲吸平衡狀態(tài);底部層段在1 200 min左右達到滲吸平衡階段,如圖中綠色虛線所示,這與下部儲層層理、微裂隙發(fā)育程度更高具有一定關(guān)系。自發(fā)滲吸實驗處于常壓環(huán)境,主要反映儲層巖心毛管力作用下的滲吸能力,在壓裂過程中,縫內(nèi)流體具有很高的壓力,儲層條件下壓裂液的滲吸速度更快,滲吸總量更高。
通過室內(nèi)自發(fā)滲吸實驗,驗證了涪陵地區(qū)儲層對壓裂液具有很強的滲吸能力,尤其是在微裂隙、層理高度發(fā)育的層位,具備更強的滲吸能力,但需要更長的滲吸平衡時間。
自發(fā)滲吸實驗難以體現(xiàn)孔隙內(nèi)部的滲吸特征,利用核磁共振技術(shù)監(jiān)測了井底巖心在滲吸過程中T2譜的變化,根據(jù)T2時間與孔徑正相關(guān),振幅與孔隙內(nèi)部的流體量正相關(guān)的原理,分析了滲吸過程中不同孔隙內(nèi)部的流體量變化。為模擬儲層壓力條件,在自發(fā)滲吸達到平衡后,對滲吸流體施加10 MPa壓力繼續(xù)滲吸5 d,得到T2弛豫譜(圖2)。
圖2 滲吸過程中的T2弛豫譜變化
根據(jù)振幅變化及弛豫時間的分布特征將弛豫譜分為4個區(qū)域。A區(qū)域?qū)?yīng)最小孔徑的微孔隙內(nèi)部的流體變化,A區(qū)域滲吸初期弛豫譜振幅相差很小,且與加壓滲吸后的弛豫譜基本重合,說明這部分孔隙含水飽和度變化最快,且自發(fā)滲吸階段這部分孔隙內(nèi)流體已經(jīng)接近飽和。B區(qū)域弛豫譜之間振幅差值最明顯,如藍色虛線所示,振幅隨滲吸的進行不斷增加,且這一部分信號在全譜范圍最大,體現(xiàn)了儲層內(nèi)部數(shù)量最多、孔徑中等的孔隙,結(jié)合掃描電鏡分析,這部分信號反映的是微裂隙部分,這部分孔隙含水飽和度上升速度稍慢,與加壓滲吸后的弛豫譜對比,最大振幅沒有差異,說明在自發(fā)滲吸階段已經(jīng)達到高度飽和的狀態(tài)下,即使加壓,含水飽和度也不會繼續(xù)增加。C區(qū)域?qū)?yīng)的弛豫時間部分沒有信號,說明巖心內(nèi)部缺乏這部分孔徑的孔隙。D區(qū)域?qū)?yīng)的孔隙為層理裂隙,孔徑相對更大,根據(jù)弛豫譜振幅變化,在自發(fā)滲吸階段這部分區(qū)域幾乎沒有信號,說明自發(fā)滲吸過程中這部分孔隙含水飽和度較低,加壓10 MPa條件下才能進入流體,說明這部分層理可成為天然氣滲流的主要通道。根據(jù)Liu[20]的研究,微裂隙和微孔隙內(nèi)部具有更高的毛管力,孔徑更大的裂隙內(nèi)部滯留的壓裂液會進一步向微孔隙、微裂隙內(nèi)遷移,使較大孔徑的裂隙、孔隙內(nèi)部的含水飽和度進一步降低,為天然氣產(chǎn)出創(chuàng)造高速通道。根據(jù)Meng[21]的研究,龍馬溪組的頁巖在自發(fā)滲吸后,層理微裂隙得到了進一步拓展,巖心滲透率發(fā)生扭轉(zhuǎn),超越了初始滲透率,水鎖得到解除,Bostrom[22]的研究也得到了相似的結(jié)果,說明滲吸誘導(dǎo)的微裂隙能進一步改善儲層的滲流能力,可見層理是天然氣產(chǎn)出的重要通道,對壓裂后悶井效果起到了重要的作用。
綜合以上實驗與儲層物性分析,涪陵地區(qū)儲層具有很高的壓裂液滲吸能力,層理高度發(fā)育,易形成復(fù)雜縫網(wǎng),同時,水敏性低,且壓力系數(shù)高,具有充足的能量,有助于將主縫、分支縫等孔徑較大的縫隙內(nèi)部的壓裂液返排,保證主通道,水鎖風險低,儲層具有較高的悶井增產(chǎn)潛力。
根據(jù)實驗結(jié)果,選取涪陵地區(qū)江東區(qū)塊A平臺4口井開展現(xiàn)場悶井試驗,4口井基礎(chǔ)地質(zhì)情況見表1。表1中,A-2井為壓裂后直接試氣放噴。各井基礎(chǔ)地質(zhì)條件相當,采用的改造工藝基本一致,因此,可根據(jù)試氣及返排階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比來驗證壓裂后悶井的效果。
表1 實驗井基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)
由于各井試產(chǎn)時間有所不同,采用平均返排速率分析返排效果更加準確。壓裂后返排情況見表2。采用悶井工藝的3口井返排率均低于10.00%,平均排液速率低于140.00 m3/d,而未采用悶井工藝的A-2井,返排率為29.85%,平均排液速率高達652.49 m3/d。在各井相同油嘴(12 mm)條件下,對比產(chǎn)氣量穩(wěn)定時的產(chǎn)水量:采用悶井工藝的氣井產(chǎn)水量明顯低于未采用悶井工藝的氣井,悶井時間最長的A-3、A-4井產(chǎn)水量最低。從現(xiàn)場試驗結(jié)果看,壓裂后悶井促進了滲吸,使壓裂液充分進入微裂隙,有效降低了產(chǎn)水量。
表2 實驗井試氣階段返排情況
圖3為4口試驗井的返排速率及返排率隨悶井時間變化曲線。由圖3可知:悶井時間最短的A-1井產(chǎn)水最高,悶井時間最長的A-3井次之,悶井時間居中的A-4井產(chǎn)水最低,可見壓裂后悶井存在最佳的悶井時長。通過對比微地震數(shù)據(jù)可知,A-3井改造效果不如A-4井。A-3井的悶井時間雖然較長,但由于其溝通天然裂縫較少,不利于儲層充分吸水,缺乏壓裂液儲存的空間,因此,產(chǎn)水量也相對較高,可見改造效果對返排率也起到重要作用。
圖3 實驗井試氣平均返排速率及返排率
表3為4口井壓裂后悶井測試產(chǎn)能情況統(tǒng)計。由表3可知:4口井使用相同油嘴(12 mm)測試產(chǎn)能,在基礎(chǔ)地質(zhì)條件相當、壓裂改造效果相近的前提下,采用悶井工藝的3口井相較于未悶井的A-2井無阻流量明顯提高,且悶井時間相對較長的A-3、A-4井效果更為明顯。
涪陵地區(qū)下部產(chǎn)層對壓裂液具有很強的滲吸能力,壓裂后采用悶井工藝降低了壓裂液的返排,促使壓裂液進入儲層內(nèi)的微孔隙、微裂隙中,可獲得更高的試氣初期產(chǎn)能。由實驗結(jié)果可知:對于涪陵地區(qū)微裂隙、層理高度發(fā)育,具備較高能量,水敏程度低的儲層,采用壓裂后悶井的工藝,可降低返排,一定程度上可以獲得更高的產(chǎn)能??紤]到試驗井還沒有正式投產(chǎn),因此,壓裂后悶井對于氣井產(chǎn)能長期的影響還需要長期跟蹤觀察。
表3 壓裂后悶井測試產(chǎn)能情況
(1) 涪陵頁巖氣儲層具有豐富的微米、納米級孔隙網(wǎng)絡(luò),超低含水飽和度,適中的黏土含量,高度發(fā)育的層理及微裂隙,具備較強的滲吸能力,且水鎖風險較低,具備較好的壓裂后悶井潛力。
(2) 采用壓裂后悶井工藝的氣井試氣階段返排率及平均返排速率比常規(guī)氣井低很多,氣井產(chǎn)量也更高,初步判定壓裂后悶井有利于提高涪陵頁巖氣井產(chǎn)量。
(3) 悶井后產(chǎn)能變化影響因素眾多,在儲層物性具有優(yōu)勢的條件下,壓裂改造效果起到了至關(guān)重要的作用,壓裂后悶井對產(chǎn)能的長期影響還需要深入進行探究。