頁巖氣水平井壓裂改造多角度分析研究

曾凌翔, 鄭云川, 蒲祖鳳, 龔順祥, 李松林

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

勘探開發(fā)頁巖氣資源最為成功是北美地區(qū)，北美地區(qū)頁巖氣年產(chǎn)量于2000年突破100×108m3，至2010年該地區(qū)的頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到1 500×108m3，10年間增長了10倍以上[1-2]。

四川盆地主要層位為五峰組—龍馬溪組，涪陵、長寧、威遠(yuǎn)3 大頁巖氣田累計(jì)探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量5 441.29×108m3，實(shí)現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化開采，年產(chǎn)量逾40×108m3[3-4]。

頁巖層具有展布廣、規(guī)模大、儲(chǔ)量大，但同時(shí)又具有滲透率低、連通性差、孔隙度小等特點(diǎn)。目前的思路是“打碎”巖石，形成復(fù)雜裂縫，溝通天然裂縫、微細(xì)孔隙空間，因此分段壓裂技術(shù)成為了頁巖氣開發(fā)至關(guān)重要的技術(shù)。采用水平井多級(jí)分段，段內(nèi)多簇射孔進(jìn)行壓裂，致使裂縫擴(kuò)張、脆性巖石剪切滑移，形成復(fù)雜裂縫，增大接觸面積，減小流通距離，提高開采效率。評(píng)價(jià)是否形成復(fù)雜裂縫，對(duì)指導(dǎo)優(yōu)化頁巖氣改造壓裂設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有效增產(chǎn)具有重要意義。

通過近幾年的探索，四川頁巖氣與北美幾個(gè)重點(diǎn)頁巖氣區(qū)塊的儲(chǔ)層參數(shù)差別較大，呈現(xiàn)出埋深較深，有機(jī)碳含量較低、孔隙度較低、熱成熟度較高、儲(chǔ)層應(yīng)力復(fù)雜的特點(diǎn)?？傮w而言，四川盆地頁巖氣改造難度大于北美大部分頁巖氣區(qū)塊。

基于水擊效應(yīng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、壓裂施工壓力等多角度分析頁巖氣水平井改造效果，能夠快速有效定性評(píng)價(jià)分析，便于后期設(shè)計(jì)優(yōu)化，最大限度提高有效儲(chǔ)層動(dòng)用率，提高頁巖氣單井產(chǎn)能。

一、壓裂改造中水擊效應(yīng)分析

經(jīng)典水擊理論中連續(xù)方程[5-6]：

(1)

在停泵過程中，從穩(wěn)態(tài)恒定流→低排量→排量為零，井底會(huì)發(fā)生多次水擊作用。水擊能量衰減循環(huán)是摩擦水頭損失作用，壓力脈動(dòng)上下震動(dòng)。

如果與大裂縫網(wǎng)絡(luò)連接，壓力通過人造網(wǎng)絡(luò)裂縫大量釋放，能量衰減更大，時(shí)間更短。

因此，復(fù)雜縫網(wǎng)群一旦溝通，壓力脈動(dòng)反應(yīng)時(shí)間大幅降低，并且與長的單裂縫相比，有更高的壓力震蕩和更快的衰減速度[7-9]。

1. 單井實(shí)例分析

國內(nèi)頁巖氣水平井A井：完鉆井深5 000 m，完鉆層位龍馬溪組，采用?139.7 mm套管完井，水平段長1 500 m。改造段數(shù)20段，采用速鉆橋塞作為分段工具，施工排量11～13 m3/min，力保足夠凈壓力開啟層理縫與縱向縫，單段注入液量2 000 m3，砂量120 t。

停泵時(shí)，壓力振幅與產(chǎn)量貢獻(xiàn)占比保持波動(dòng)性一致，反映出一定的正相關(guān)性。

基于三參數(shù)(衰減時(shí)間、壓力振幅、產(chǎn)量貢獻(xiàn)占比)關(guān)系分析，產(chǎn)量越高，壓力衰減時(shí)間越短，與壓力水擊響應(yīng)保持一致。

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，結(jié)合水擊響應(yīng)相關(guān)參數(shù)，可快速有效做出效果判斷，為下段改造施工提供有效的修正意見。

施工過程中排量變化，發(fā)生水擊效應(yīng)，通過標(biāo)定此刻微地震事件響應(yīng)數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖1可知，微地震監(jiān)測(cè)事件響應(yīng)中86%與水擊效果保持一致保持；升排量過程中臺(tái)階數(shù)與壓裂效果相關(guān)性不強(qiáng)。排量變化次數(shù)與微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本保持正相關(guān)性。變化次數(shù)越多，監(jiān)測(cè)事件點(diǎn)越多，表明形成的裂縫越復(fù)雜，更有利于單井高產(chǎn)的目的。

圖1 同層位參數(shù)對(duì)比圖

2. 多井實(shí)例分析

同一平臺(tái)3口井，垂深3 500 m左右，泵注滑溜水+膠液，油層套管?139.7 mm，施工排量12～14 m3/min，單段注入液量2 000 m3，砂量120 t，采用泵注射孔槍+橋塞進(jìn)行分段壓裂。

基于振幅壓力、衰減時(shí)間、壓力差值、產(chǎn)量貢獻(xiàn)占比等參數(shù)分析(表1)，可以結(jié)合多參數(shù)來定性判定是否形成復(fù)雜裂縫。當(dāng)波動(dòng)壓力值大于60 MPa，同時(shí)衰減時(shí)間小于30 s時(shí)，可以判定其形成了復(fù)雜裂縫，對(duì)單井產(chǎn)量具有明顯貢獻(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，停泵結(jié)束后可結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，快速判斷壓裂效果，并可以結(jié)合下一段地質(zhì)情況，實(shí)時(shí)調(diào)整壓裂參數(shù)，增大有效改造體積。壓力差值與產(chǎn)量相關(guān)性不強(qiáng)，指導(dǎo)意義不明顯。

表1 水擊多參數(shù)分析表

注：壓力差值—最大值與穩(wěn)定值的差值。

二、某區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能擬合分析

生產(chǎn)曲線歷史擬合表明(表2)，有效動(dòng)用的儲(chǔ)層厚度集中在6～10 m，有效動(dòng)用儲(chǔ)層厚度薄，壓裂有效裂縫半長在100 m左右，與巷道間距300 m，有效裂縫縫長較短。有效儲(chǔ)層薄和水平滲透率相對(duì)較高(層理縫發(fā)育)導(dǎo)致了單井產(chǎn)量遞減速度快。頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，水平滲透率4.2×10-5～2.9×10-4mD，水平滲透率變化和差異大。儲(chǔ)層有效厚度明顯呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，并且可以解釋為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率與產(chǎn)量具有一定的正相關(guān)性。

三、壓裂數(shù)據(jù)分析

B井進(jìn)行頁巖氣井儲(chǔ)層改造，壓裂液總量38 000 m3，其中滑溜水總量27 000 m3，100目粉砂總量136 t，40/70目低密度陶粒總量888 t。

表2 多井產(chǎn)能擬合分析結(jié)果表

粉砂段塞進(jìn)入地層后，壓力波動(dòng)主要集中在p≤3.5 MPa(圖2)。目前粉砂主要是打磨近井孔眼與近井扭曲以及裂縫轉(zhuǎn)向，為后期陶粒順利泵注與縫網(wǎng)形成提供便利條件。

分析中充分考慮了支撐劑未進(jìn)入高壓管線時(shí)與支撐劑完全進(jìn)入地層后進(jìn)行數(shù)據(jù)拾取，避免支撐劑重力作用、不同濃度、不同長度等因素的影響；整個(gè)加砂過程中，全程采用滑溜水進(jìn)行攜砂完成。

圖2 加入粉砂壓力響應(yīng)

加砂時(shí)，井筒容積通常40～50 m3，設(shè)計(jì)段塞長度小于一個(gè)井筒容積，估算為30 m3，產(chǎn)生壓力p1=40 MPa；同體積純液柱產(chǎn)生壓力p2=35 MPa；兩者對(duì)比差值為p1-p2=5 MPa；在井筒中流體摩阻按井深4 000 m計(jì)算，產(chǎn)生壓力p摩阻=16 MPa。

p泵壓+p液柱(5 MPa)-p摩阻(3 MPa)=p延伸；泵壓波動(dòng)值為<2 MPa。

溝通天然裂縫時(shí)，p泵壓(壓力值降低)+p液柱-p摩阻=p延伸(壓力值降低)，壓力下降。

人造裂縫時(shí)，p泵壓(壓力值上升)+p液柱-p摩阻=p延伸(壓力值上升)，壓力上升。

B井施工過程中每一段壓力波動(dòng)范圍3～7 MPa，段內(nèi)每個(gè)段塞壓力波動(dòng)范圍1.3～5 MPa，并且部分施工段整體壓力曲線響應(yīng)呈下降趨勢(shì)。

大致能夠定性推測(cè)在頁巖氣壓裂中，層內(nèi)壓裂改造某些時(shí)間段形成了一定程度的人造裂縫；層間壓裂改造之間形成的人造裂縫相互作用具有一定的干擾影響。

基于整體壓力曲線來分析，無論是層間還是層內(nèi)改造都具有一定的效果，可以作為現(xiàn)場(chǎng)快速分析效果的一種有效手段。僅通過壓力值來確定裂縫復(fù)雜程度等相關(guān)參數(shù)還需進(jìn)一步分析才能獲得。

四、結(jié)論及建議

(1)排量變動(dòng)，流體波動(dòng)大，產(chǎn)生水擊，更易于造新縫。壓力峰值高，衰減快，裂縫更復(fù)雜。

(2)形成復(fù)雜縫網(wǎng)，儲(chǔ)層溝通性好，壓力降低快，當(dāng)壓力脈沖通過縫網(wǎng)時(shí)會(huì)吸收更多的能量，水擊現(xiàn)象衰減更快。

(3)水擊效應(yīng)中，當(dāng)波動(dòng)壓力值大于60 MPa，同時(shí)衰減時(shí)間小于30 s時(shí)，可以判定其形成了一定的復(fù)雜裂縫。

(4)國內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層改造有效動(dòng)用儲(chǔ)層厚度薄，有效裂縫半長、縱向改造還需要突破；頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，包括滲透率等參數(shù)，需要有針對(duì)性，精細(xì)壓裂改造。

(5)根據(jù)整個(gè)壓裂施工曲線顯示，粉砂段塞進(jìn)入地層后，打磨過程中壓力值波動(dòng)小于3.5 MPa；陶粒進(jìn)入地層，壓力顯示波動(dòng)超過2 MPa，推測(cè)可能形成了新的裂縫。

(6)綜合分析水擊效應(yīng)、施工中壓力波動(dòng)等壓力值，可以快速有效分析本層改造，優(yōu)化下層壓裂改造施工手段；收集多井生產(chǎn)信息，能夠更加真實(shí)反演地層特性。

(7)通常壓后分析，需要大量的時(shí)間與大量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不能快速有效反饋給現(xiàn)場(chǎng)指揮，而此方法可以解決此問題。