頁巖氣井間壓竄影響因素分析和防竄對策

何 樂，袁燦明，龔 蔚

（中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610000）

隨著國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)提速，部分區(qū)塊已逐漸由試驗評價向規(guī)?；_發(fā)調(diào)整轉(zhuǎn)變。由于開發(fā)成本的限制，頁巖氣均采用平臺化部署水平井、“工廠化”鉆井和壓裂以及大規(guī)模連續(xù)作業(yè)方式，以實現(xiàn)經(jīng)濟高效開發(fā)。在開發(fā)模式上，普遍采用開發(fā)初期大井距，后期加密的“滾動開發(fā)”方案，降低開發(fā)風險[1]，但后期加密井壓裂容易導致老井與新井之間出現(xiàn)井間壓竄[2]。以長寧—威遠頁巖氣示范區(qū)某區(qū)塊為例，截至2018年底，累計發(fā)生33井次新老井井間壓竄情況，壓竄鄰井平均生產(chǎn)時間477 d。一方面井間壓竄影響生產(chǎn)井（母井）生產(chǎn)動態(tài)、降低產(chǎn)能，另一方面人工裂縫溝通低壓區(qū)不利于壓裂井（子井）保持凈壓力，影響改造效果。近幾年隨著北美頁巖氣加密井部署增多，井間壓竄問題受到廣泛關(guān)注。目前國外主要采用基于母井產(chǎn)量變化的統(tǒng)計分析、子井壓裂過程中施工壓力動態(tài)分析和考慮應(yīng)力場、地層壓力變化的裂縫擴展數(shù)值模擬3 種方法評價井間壓竄，AJANI 等[3]采用第1 種方法系統(tǒng)評價了井間距、母井生產(chǎn)時間對壓竄程度的影響，為Woodford 頁巖氣田加密井部署提供了重要參考；KING等[4]采用第2種方法評價了暫堵轉(zhuǎn)向、施工排量、交錯布縫等參數(shù)對壓竄的影響；MARONGIU-PORCU、PARYANI等[5-6]采用地質(zhì)—工程一體化方法，開展了考慮母井生產(chǎn)過程中應(yīng)力場、地層壓力變化的加密井壓裂裂縫擴展模擬評價，模擬發(fā)現(xiàn)壓降漏斗、應(yīng)力轉(zhuǎn)向、天然裂縫對子井裂縫擴展具有重要影響。國內(nèi)在井間壓竄研究方面，主要評價了常規(guī)油藏、致密砂巖氣藏常規(guī)壓裂工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)對壓竄及母井產(chǎn)能的影響[7-10]，李繼慶等[11]采用干擾試井方法評價了涪陵頁巖氣井間連通段滲透率，但目前尚未建立針對頁巖氣大規(guī)模體積壓裂的壓竄影響程度量化評價方法和工程參數(shù)優(yōu)化方法。位云生等[12]針對天然裂縫對井間干擾的影響作了定性分析，認為天然裂縫發(fā)育區(qū)，井間干擾對井距優(yōu)化有較大影響，盡量避免發(fā)生。

該文首次基于威遠頁巖氣母井受壓竄影響后產(chǎn)量變化特征，建立了以母井產(chǎn)量恢復(fù)速度、母井產(chǎn)量恢復(fù)程度為核心的壓竄影響程度綜合參考指標，在此基礎(chǔ)上評價了影響井間壓竄的關(guān)鍵地質(zhì)工程因素，包括井間位置關(guān)系、母井生產(chǎn)時間、平均單簇用液規(guī)模、天然裂縫等，以降低壓竄對母井生產(chǎn)動態(tài)的影響程度為目標，對子井壓裂時機、用液規(guī)模等提出了量化建議，對威遠頁巖氣開發(fā)過程中防止井間壓竄具有參考價值。

1 井間壓竄對母井生產(chǎn)影響特征

壓竄后，母井受到子井水力裂縫溝通、壓裂液侵入的影響[3]，原氣水兩相滲流系統(tǒng)受到干擾，母井生產(chǎn)動態(tài)變化主要表現(xiàn)為2 種模式（圖1）。其中產(chǎn)氣變化模式基本一致，整體表現(xiàn)為壓竄后降低，隨后按一定的速度恢復(fù)特征。而產(chǎn)水和套壓變化趨勢在不同井況和壓竄情況下有所差異，其主要受到母井壓竄前產(chǎn)水量、壓裂液侵入量、井筒液位、關(guān)井時間等多因素影響[3]。部分井由于生產(chǎn)時間較長，地層能量虧空、孔隙壓力較低，壓竄后產(chǎn)氣、產(chǎn)水量在恢復(fù)和后續(xù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象。

圖2為壓竄前后母井產(chǎn)氣量變化特征，壓竄后母井產(chǎn)氣量普遍呈先降后增的趨勢，但不同壓竄井況下，產(chǎn)量恢復(fù)速度Vr和產(chǎn)量恢復(fù)程度Er有所差異。產(chǎn)量恢復(fù)情況直接與母井后期生產(chǎn)能力相關(guān)，其能夠較為準確地反映壓竄影響程度，可作為壓竄量化評價指標。值得注意的是，由于頁巖氣生產(chǎn)過程存在自然遞減，且不同生產(chǎn)階段自然遞減率不同[13]，因此，壓竄前不同生產(chǎn)時間下母井產(chǎn)量恢復(fù)程度還受到不同程度自然遞減影響，相比之下，產(chǎn)量恢復(fù)速度比產(chǎn)量恢復(fù)程度能夠更加準確地評價壓竄影響程度。

式（1）—式（2）中：Vr為產(chǎn)量恢復(fù)速度，104m3/d2；q1為壓竄前母井產(chǎn)氣量，104m3/d；q2為壓竄后母井最低產(chǎn)氣量，104m3/d；q3為壓竄恢復(fù)后母井產(chǎn)氣量，104m3/d；t2為壓竄后母井產(chǎn)氣量降至最低時的生產(chǎn)時間，d；t3為壓竄后母井產(chǎn)氣量恢復(fù)后的生產(chǎn)時間，d；Er為產(chǎn)量恢復(fù)程度。

圖1 壓竄后母井生產(chǎn)動態(tài)曲線Fig.1 Production performance of parent well after frac hit

圖2 壓竄后生產(chǎn)井產(chǎn)氣變化Fig.2 Characteristic gas production curve of parent well after frac hit

2 井間壓竄影響因素灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它以各因素的樣本為依據(jù)，用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強烈、大小和次序，對于影響因素和總量間不存在嚴格的單因素數(shù)學關(guān)系時，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法進行分析是非常有效的，被廣泛用于壓后評估[14-16]。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析計算流程

1）灰色關(guān)聯(lián)分析參數(shù)選取

灰色關(guān)聯(lián)分析樣本選取威遠壓竄井33 井次，以母井產(chǎn)量恢復(fù)速度x0（j）為參考數(shù)列，同時綜合國外頁巖氣壓竄影響因素評價和威遠頁巖氣地質(zhì)—工程特點，選取10 項地質(zhì)、工程參數(shù)為比較數(shù)列xi（j），x1到x10依次為母井生產(chǎn)時間、單段用液規(guī)模、平均單簇用液規(guī)模、施工排量、射孔簇數(shù)、射孔孔數(shù)、井間距、巷道位置、天然裂縫強度（根據(jù)螞蟻體強度和貫穿程度劃分等級）、垂深，系統(tǒng)評價壓竄影響程度的主控地質(zhì)和工程因素。由于井數(shù)較多，列出其中10 井次的相關(guān)數(shù)據(jù)作計算過程介紹。壓竄影響因素原始數(shù)據(jù)如表1所示。

2）數(shù)據(jù)無量綱化處理，如式（3），計算結(jié)果見表2。

式中：yi(j)為無量綱化后的比較數(shù)列；xi(j)為第i列比較數(shù)列；maxx(j)第i列比較數(shù)列中的最大值。

3）計算無量綱化后參考數(shù)列與比較數(shù)列的絕對差值，見式（4）。計算所有比較數(shù)列中各樣品數(shù)據(jù)絕對差值的最大及最小值，見式（5）、式（6）。

式（4）—式（6）中：Δ0i(j)為無量綱化后參考數(shù)列與比較數(shù)列的絕對差值；y0(j)為無量綱化后參考數(shù)列；m為比較數(shù)列總數(shù)，取10；n為評價總樣品數(shù)（井次），取33；Δmax為無量綱化比較數(shù)列中各樣品數(shù)據(jù)絕對差值的最大值；Δmin為無量綱化比較數(shù)列中各樣品數(shù)據(jù)絕對差值的最小值，

表1 壓竄井影響因素原始數(shù)據(jù)Table1 Original data of frac hit influence factors

表2 壓竄井影響因素原始數(shù)據(jù)標準化處理Table2 Normalization of original data of frac-hit influence factors

進一步計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，將第i個比較數(shù)列與參考數(shù)列在第j個樣品的關(guān)聯(lián)系數(shù)表示為各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見式（7），計算結(jié)果見表3。

式中：ξ0i(j)為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，ρ∈（0，1），一般取0.5。

4）用所有樣品關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值定量反映數(shù)列間的關(guān)聯(lián)程度，見式（8）:

式中：r0i為第i個比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，說明比較數(shù)列與參考數(shù)列的變化越一致。

2.2 計算結(jié)果

如表4所示，為各項影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度，從大到小依次為井間距、巷道位置、母井生產(chǎn)時間、單簇用液規(guī)模、天然裂縫強度、單段孔數(shù)、單段簇數(shù)、單段用液規(guī)模、垂深、施工排量。從分析結(jié)果可以看出：①井間位置關(guān)系（井間距、巷道位置）與井間壓竄影響程度的灰色關(guān)聯(lián)度最高；②平均單簇用液規(guī)模比單段用液規(guī)模的灰色關(guān)聯(lián)度更高，在設(shè)計中需要重點考慮單段用液規(guī)模與射孔簇數(shù)匹配性，針對性優(yōu)化單簇用液規(guī)模；③母井生產(chǎn)時間與壓竄影響程度具有較高灰色關(guān)聯(lián)度，有必要制定子井的合理壓裂時機，降低壓竄影響程度；④天然裂縫對壓竄程度具有較大影響；⑤其他地質(zhì)、工程因素在該次分析中未做定量化分析，對壓竄的影響程度有待進一步開展相關(guān)研究。

3 井間壓竄影響因素分析

3.1 井間位置關(guān)系

圖3 不同巷道位置關(guān)系壓竄井占比和母井平均生產(chǎn)時間Fig.3 Proportion of frac hit in different positional relation and related parent well producing time

圖4 3種巷道位置關(guān)系Fig.4 The diagram of 3 types of lateral position

表3 壓竄井影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table3 Correlation coefficient of frac hit influence factors

表4 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果（按大小排序）Table4 Calculation result of gray correlation（Sort by quantitative value）

圖5 母井生產(chǎn)時間與產(chǎn)量恢復(fù)情況關(guān)系Fig.5 Relation between parent well producing time and production recovery data

研究區(qū)塊的壓竄井巷道位置模式主要有3 類，如圖3、圖4所示。巷道平行模式下，井間距主體在300～600 m，個別井間距在600～1 500 m；巷道錯位模式下，井間距主體在50～200 m。其中巷道平行模式占比為58%，是井間壓竄主要巷道模式。對于巷道錯位、相對模式下裂縫沿最小主應(yīng)力方向溝通母井，主要發(fā)生在母井長時間生產(chǎn)和天然裂縫發(fā)育區(qū)域，其對應(yīng)母井平均生產(chǎn)時間達到554 d和980 d，母井長時間生產(chǎn)后在水力裂縫體周圍出現(xiàn)水平主應(yīng)力場轉(zhuǎn)向，是導致新井裂縫容易沿井筒軸向方向擴展的原因之一[5-6]，形成巷道錯位、相對井間壓竄模式。

3.2 母井生產(chǎn)時間

如圖5所示，隨著母井生產(chǎn)時間增長，壓竄后其產(chǎn)量恢復(fù)速度和產(chǎn)量恢復(fù)程度整體呈明顯下降趨勢，說明母井生產(chǎn)過程中地層壓力和地應(yīng)力場變化對于壓竄影響程度具有重要影響，且該影響在不同井間距條件下趨勢基本一致。在母井生產(chǎn)時間小于300 d情況下，產(chǎn)氣恢復(fù)速率和產(chǎn)氣恢復(fù)率整體較高，產(chǎn)量恢復(fù)速度在0.1×104m3/d 以上、產(chǎn)量恢復(fù)程度在80%以上；在母井生產(chǎn)時間大于300 d時，產(chǎn)量恢復(fù)速度總體較低，范圍在（0.002～0.05）×104m3/d，而產(chǎn)量恢復(fù)程度不同井況下差異較大，范圍在10%～90%，說明在這個階段，其他地質(zhì)或工程因素對產(chǎn)量恢復(fù)程度具有較大影響，需要進一步分析；在母井生產(chǎn)時間大于800 d情況下，母井恢復(fù)后產(chǎn)氣量多表現(xiàn)為不穩(wěn)定波動，一般需要關(guān)井復(fù)壓、氣舉措施維持生產(chǎn)，說明母井長時間生產(chǎn)導致孔隙壓力降低，子井壓裂裂縫更容易向壓降漏斗區(qū)域延伸，導致大量壓裂液侵入，可能造成固相顆粒堵塞厚道、水鎖效應(yīng)、結(jié)垢等儲層傷害[4,17]，降低氣相滲透率，嚴重影響母井產(chǎn)量恢復(fù)。因此，建議以母井生產(chǎn)300 d 作為臨界加密期，及時開展母井壓后評價、子井壓裂作業(yè)，減小井間壓竄影響程度。

3.3 單簇用液規(guī)模

圖6為子井壓竄井段平均單簇用液規(guī)模與母井產(chǎn)量恢復(fù)情況關(guān)系，其中圖標大小表示井間距，井間距范圍在50～1 500 m。總體來看，隨著子井單簇用液規(guī)模增大，母井產(chǎn)量恢復(fù)速度和產(chǎn)量恢復(fù)程度有減小趨勢，表明隨著壓裂液侵入量增大，壓竄影響程度增大，母井產(chǎn)量恢復(fù)更加困難。在母井生產(chǎn)時間小于300 d 時，母井產(chǎn)量恢復(fù)速度、恢復(fù)程度與平均單簇用液規(guī)模具有較強的線性相關(guān)性，其中產(chǎn)量恢復(fù)速度的變化響應(yīng)更加明顯。在相同井間距下，隨著平均單簇用液規(guī)模降低，產(chǎn)量恢復(fù)速度顯著提高，說明在母井生產(chǎn)時間較短情況下，通過適度控制子井壓裂用液規(guī)模，可顯著降低壓竄影響程度。在母井生產(chǎn)時間大于800 d 的情況下，母井產(chǎn)量恢復(fù)速度整體偏低，但值得注意的是，隨著子井平均單簇用液規(guī)模減小，母井產(chǎn)量恢復(fù)程度有所提高，在平均單簇用液規(guī)模從700 m3降至400 m3左右時，母井產(chǎn)量恢復(fù)程度可從20%左右提高至70%左右。說明母井長時間生產(chǎn)情況下，雖然較低的地層壓力限制了產(chǎn)量恢復(fù)速度，但在設(shè)計和施工過程中著重考慮裂縫向母井低壓區(qū)一側(cè)非對稱擴展，優(yōu)化射孔參數(shù)、暫堵工藝，利用限流壓裂、暫堵轉(zhuǎn)向措施控制多簇裂縫均勻擴展[18-19]，控制用液規(guī)模，能夠降低對母井的壓竄影響。

圖6 子井平均單簇用液規(guī)模與產(chǎn)量恢復(fù)情況關(guān)系Fig.6 Relation between fluid volume of single interval and production recovery data

3.4 天然裂縫

如表5所示，從壓竄井統(tǒng)計分析可以看出，19次壓竄井段附近發(fā)育了天然裂縫，占壓竄井的比例達到57.5%，其中13井次發(fā)育了貫穿巷道型天然裂縫，即天然裂縫橫向貫穿相鄰兩口井水平井段，一旦壓裂過程中此類天然裂縫被激活，壓裂液可沿天然裂縫快速竄至鄰井。同時發(fā)現(xiàn)，對于天然裂縫發(fā)育情況下，母井平均生產(chǎn)時間為281 d，而天然裂縫不發(fā)育情況下，母井平均生產(chǎn)時間為762 d。說明即使鄰井生產(chǎn)時間較短未形成強壓降漏斗情況下，子井壓裂過程開啟天然裂縫會導致壓裂液沿裂縫低阻通道流動，形成壓竄。因此，針對天然裂縫發(fā)育井段，尤其是貫穿巷道型天然裂縫，應(yīng)當嚴格控制用液規(guī)模，同時適當減小施工排量，防止天然裂縫大規(guī)模開啟，增大壓竄風險。但水力裂縫與天然裂縫相互作用是一個復(fù)雜的物理問題，涉及裂縫尖端應(yīng)力場、相遇裂縫夾角、界面黏結(jié)和摩擦等多個因素的復(fù)雜過程[20]。國外學者研究發(fā)現(xiàn)[4,6]，井周發(fā)育一定數(shù)量、尺度和方向的天然裂縫將有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，從而防止縫長過度延伸，降低壓竄風險。因此，有必要針對目標區(qū)塊進一步開展天然裂縫精確識別和定量化表征研究，同時開展礦場尺度水力裂縫與不同角度、尺度天然裂縫相互作用機理研究，為定量化評價壓竄風險、優(yōu)化壓裂參數(shù)、材料提供重要參考。

表5 不同天然裂縫強度下壓竄井統(tǒng)計Table5 Statistic of frac hit wells with different intensity of natural fracture

4 現(xiàn)場試驗

開展了壓竄防范控制工藝現(xiàn)場試驗，在壓裂設(shè)計方面，與同平臺1口井做對比，如表6所示，主要針對性措施包括：①加密分簇，即增加單段簇數(shù)、縮短簇間距，嚴格控制平均單簇用液規(guī)模；②采用簇間暫堵轉(zhuǎn)向措施，確保多簇開啟效率，暫堵材料采用1 mm顆粒暫堵劑；③控制施工排量，降低天然裂縫開啟概率。從鄰井生產(chǎn)動態(tài)變化來看，雖然壓裂前后產(chǎn)量有所波動，但與同平臺對比井比較來看，產(chǎn)量恢復(fù)速度較快、恢復(fù)程度較高，壓竄影響程度得到了較好控制（表7）。

表6 試驗井與對比井壓裂施工參數(shù)匯總Table6 Hydraulic fracturing operational parameters of testing well and contrast well

表7 相鄰生產(chǎn)井數(shù)據(jù)Table7 Production data of adjacent wells

5 結(jié)論

1）基于灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，井間距、巷道位置、母井生產(chǎn)時間、平均單簇用液規(guī)模、天然裂縫與壓竄程度的關(guān)聯(lián)度較高。

2）井間壓竄以巷道平行方向為主，但隨著母井生產(chǎn)時間增長，巷道錯位或?qū)ξ环较驂焊Z顯著增加。根據(jù)井間位置關(guān)系優(yōu)化加密井壓裂時間，能夠有效降低壓竄影響程度，建議子井壓裂時間最好控制在母井投產(chǎn)300 d 以內(nèi)。同時針對性優(yōu)化用液規(guī)模和分簇參數(shù)，匹配最優(yōu)平均單簇用液規(guī)模，可降低壓竄影響程度。

3）對于貫穿型天然裂縫發(fā)育的井段，即使鄰井生產(chǎn)時間較短，仍容易出現(xiàn)井間壓竄，因此在設(shè)計和施工過程中需要嚴格控制用液規(guī)模、優(yōu)化射孔參數(shù)和施工排量。

4）現(xiàn)場試驗表明，通過優(yōu)化用液規(guī)模、分簇參數(shù)，實施暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝，能夠有效降低井間壓竄影響程度，提高相鄰壓竄生產(chǎn)井產(chǎn)量恢復(fù)速度和恢復(fù)程度。