柿莊南煤層氣重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)反演及效果分析評價

張萬春, 郭布民, 孔 鵬, 杜建波, 陳 玲, 王春林

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300459; 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 太原 030006)

柿莊南是沁水盆地南部煤層氣開發(fā)的核心區(qū)塊之一，目前已壓裂投產(chǎn)煤層氣井平均產(chǎn)氣量遠(yuǎn)低于周邊區(qū)塊，而且其中相對高產(chǎn)井大部分已出現(xiàn)大幅度的產(chǎn)量下降，平均單井產(chǎn)量低、生產(chǎn)規(guī)模增長慢、已減產(chǎn)區(qū)未盤活存量資源大所導(dǎo)致的低效開發(fā)現(xiàn)狀已經(jīng)嚴(yán)重制約了柿莊南區(qū)塊煤層氣的有效開發(fā)[1-3]。重復(fù)壓裂作為低產(chǎn)煤層氣井治理的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，在柿莊南區(qū)塊具有廣闊的市場應(yīng)用前景[4-7]。國內(nèi)從2010年開始逐漸開展煤層氣重復(fù)壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用，2010年，張義、鮮保安等研究認(rèn)為采用二次(重復(fù))水力壓裂改造技術(shù)可以有效提高煤儲層滲透率和單井產(chǎn)量[8]。2012—2016年，倪小明、朱明陽、林然等建立了煤層氣重復(fù)水力壓裂選井評價指標(biāo)體系，研究了煤層氣井連續(xù)多次壓裂裂縫展布特征，為現(xiàn)場煤層氣重復(fù)水力壓裂選井及設(shè)計提供了理論依據(jù)[9-11]。2016年，張建國、劉忠等研究了鄭莊區(qū)塊煤儲層特性相適應(yīng)的重復(fù)壓裂增產(chǎn)技術(shù)并進行了多井現(xiàn)場應(yīng)用，對同類型煤層氣田提高開發(fā)效果提供了參考[12]。2019年，張亞飛、李忠城等在沁南盆地某區(qū)塊優(yōu)選甜點區(qū)，有針對性地進行了重復(fù)壓裂等增產(chǎn)技術(shù)試驗，取得了較好的試驗效果[13]。目前，針對柿莊南典型低效煤層氣區(qū)塊已分階段進行了多井次重復(fù)壓裂試驗，但整體效果較差，對已重復(fù)壓裂井缺乏總結(jié)分析和規(guī)律性認(rèn)識，導(dǎo)致現(xiàn)有認(rèn)知對后續(xù)重復(fù)壓裂井指導(dǎo)性不強。該研究在歸納總結(jié)柿莊南煤層氣重復(fù)壓裂實施及生產(chǎn)概況基礎(chǔ)上，主要通過G函數(shù)及凈壓力擬合反演對比分析了重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)與壓裂效果的關(guān)系，旨在為后續(xù)柿莊南低產(chǎn)煤層氣井重復(fù)壓裂技術(shù)對策和方案設(shè)計優(yōu)化提供參考指導(dǎo)。

1 柿莊南煤層氣重復(fù)壓裂實施概況

截止目前，柿莊南煤層氣共計完成重復(fù)壓裂改造井20口，其中2014—2016年進行第一階段初步嘗試，完成8口重復(fù)壓裂改造井，2017—2020年進行第二階段技術(shù)探索，完成12口重復(fù)壓裂改造井。2014—2016年進行了柿莊南煤層氣第一階段重復(fù)壓裂井試驗。初選8口井，主要選井原則為：初次壓裂效果不好或加砂不足，由于煤粉堵塞或水鎖等原因產(chǎn)氣量大幅下降或不產(chǎn)氣，與鄰井比較產(chǎn)能明顯低于鄰井，鄰井產(chǎn)氣量均不高的一次壓裂井。同時針對不同低產(chǎn)原因分析采用大、中、小3種壓裂施工規(guī)模：小規(guī)模多用于解決近井筒污染及煤粉堵塞；中規(guī)模主要解決水鎖傷害及產(chǎn)氣量遞減趨勢明顯的井；大規(guī)模主要用于與鄰井比較產(chǎn)能明顯低的井，或者加砂不足壓裂效果不好的井。煤體結(jié)構(gòu)主要為原生-碎裂、碎裂-碎粒，采用常規(guī)連續(xù)加砂，無補孔無壓后返排。重復(fù)壓裂效果如圖1所示，設(shè)計施工情況見表1。

圖1 第一階段重復(fù)壓裂井產(chǎn)氣量對比Fig.1 Refracturing wells gas production of the first phase

2017—2020年進行了柿莊南煤層氣第二階段重復(fù)壓裂井試驗，優(yōu)選重復(fù)壓裂井12口。根據(jù)第一階段重復(fù)壓裂井的施工經(jīng)驗，優(yōu)化選井原則為：優(yōu)選曾經(jīng)高產(chǎn)或地質(zhì)條件好的低產(chǎn)井，或由于煤粉堵塞或水鎖等原因產(chǎn)氣量大幅下降或不產(chǎn)氣的一次壓裂井，煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)煤和原生-碎裂煤。施工工藝優(yōu)化主要體現(xiàn)在4個方面：1)部分井進行補孔試驗，提高施工成功率及新裂縫形成概率；2)嘗試脈沖加砂，擴大裂縫規(guī)模；3)增加壓后返排，返排壓力5～8 MPa，減少壓裂液污染；4)主要采用中規(guī)模解除水鎖、大規(guī)模造縫的原則。設(shè)計施工情況見表2，重復(fù)壓裂效果如圖2所示。

表1 第一階段重復(fù)壓裂井設(shè)計施工情況Table 1 Refracturing wells design and construction situation of the first phase

表2 第二階段重復(fù)壓裂井設(shè)計施工情況Table 2 Refracturing wells design and construction situation of the second phase

圖2 第二階段重復(fù)壓裂井產(chǎn)氣量對比Fig.2 Refracturing wells gas production of the second phase

重復(fù)壓裂壓后效果井間差異性較大，第一批重復(fù)壓裂井產(chǎn)氣效果較差，8口施工井壓后產(chǎn)氣超過500 m3/d的僅1口，其中3口井不產(chǎn)氣。第二批重復(fù)壓裂井產(chǎn)氣效果相對較好，平均單井日增產(chǎn)量595 m3/d，壓后產(chǎn)氣超過500 m3/d的7口，僅SZN-19井因壓后產(chǎn)水較大未產(chǎn)氣?？傮w來看，整體效果較差，未達到重復(fù)壓裂設(shè)計預(yù)期。目前煤層氣壓裂效果分析評價較簡單，對煤層氣壓裂裂縫形態(tài)分析較少。重復(fù)壓裂壓后復(fù)雜裂縫形態(tài)的形成被認(rèn)為是煤層氣壓裂成功的關(guān)鍵，通過判斷壓裂后裂縫形態(tài)可以為后續(xù)煤層氣重復(fù)壓裂技術(shù)對策制定和方案設(shè)計優(yōu)化提供重要指導(dǎo)作用。

2 重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)反演

壓裂后壓降分析為裂縫形態(tài)診斷提供了一種簡單高效的評價方法，G函數(shù)分析及凈壓力擬合則是壓后壓降分析的主要技術(shù)，通過G函數(shù)曲線特征，可以較準(zhǔn)確地得出不同形態(tài)曲線下的裂縫閉合參數(shù)和裂縫濾失及延伸情況，再通過裂縫凈壓力擬合就可反演地層參數(shù)和裂縫形態(tài)[14-15]。利用柿莊南煤層氣實際壓裂施工數(shù)據(jù)及測壓降數(shù)據(jù)，借助FRACPRO壓裂軟件壓降分析功能模塊，分別對柿莊南重復(fù)壓裂井第一次壓裂和重復(fù)壓裂進行了G函數(shù)分析和裂縫凈壓力擬合研究，反演了壓后裂縫形態(tài)。該軟件對于常規(guī)的濾失大且存在多裂縫的砂巖地層，能給出較好的擬合結(jié)果。該文通過對比分析發(fā)現(xiàn)重復(fù)壓裂裂縫特征總體可分為3類。

2.1 產(chǎn)生新縫

以SZN-20井為例，利用第一次壓裂與重復(fù)壓裂施工數(shù)據(jù)進行G函數(shù)分析和裂縫凈壓力擬合。分析結(jié)果表明：SZN-20井第一次壓裂井底閉合壓力為14.87 MPa，裂縫閉合時間為8.14 min，攜砂液效率為45.93%，裂縫凈壓力為3.15 MPa。G函數(shù)疊加導(dǎo)數(shù)(Gdp/dG)曲線(圖3中藍(lán)色曲線)呈波動狀，初期濾失速率較大，且不斷變化為不定值，這一時期裂縫濾失不僅受時間影響，還受壓力控制，表現(xiàn)為溝通天然裂縫呈現(xiàn)出多裂縫特征，如圖3所示。重復(fù)壓裂井底閉合壓力為11.48 MPa，裂縫閉合時間為12.1 min，攜砂液效率為14.8%，裂縫凈壓力為1.00 MPa。Gdp/dG曲線呈一條從原點開始的斜直線，在測壓降時間內(nèi)無下降趨勢，表明在該段時間無明顯裂縫閉合點，前期表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的Carter濾失，說明重復(fù)壓裂裂縫呈較簡單的雙翼主裂縫，如圖4所示。

圖3 SZN-20井第一次壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.3 The first time fracturing G function and pressure fitting curve of SZN-20

圖4 SZN-20井重復(fù)壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.4 SZN-20 refracturing G function and pressure fitting curve

SZN-20井重復(fù)壓裂較第一次壓裂施工閉合壓力降低，閉合時間變短，攜砂液效率降低，凈壓力降低，無多裂縫現(xiàn)象。圖4中重復(fù)壓裂測定的凈壓力曲線(白色曲線)為典型的“破壓下降型”曲線，即重復(fù)壓裂在第一次壓裂裂縫基礎(chǔ)上開啟了新的裂縫，導(dǎo)致地層濾失增加，裂縫滲透率提高，壓裂改造效果較好。在G函數(shù)分析基礎(chǔ)上通過調(diào)整地質(zhì)模型參數(shù)擬合凈壓力曲線(圖4黃色曲線)，再根據(jù)實際泵注程序反演出重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)，得到實際支撐裂縫半長為85.6 m，支撐裂縫高度為27.6 m，如圖5所示。

圖5 SZN-20井重復(fù)壓裂擬合裂縫形態(tài)Fig.5 SZN-20 refracturing fitting fracture morphology

根據(jù)分析結(jié)果，產(chǎn)生新縫的同類井還有SZN-11，SZN-12，SZN-09，SZN-10，SZN-06，SZN-05，SZN-18，SZN-03，SZN-01，SZN-04以及SZN-14。

2.2 無新縫產(chǎn)生

以SZN-02井G函數(shù)分析和裂縫凈壓力擬合結(jié)果為例。SZN-02井第一次壓裂井底閉合壓力為16.21 MPa，裂縫閉合時間為20.0 min，攜砂液效率為32.17%，裂縫凈壓力為7.04 MPa，Gdp/dG曲線呈波動狀，濾失系數(shù)與壓力相關(guān)，初期濾失速率較大，表現(xiàn)為溝通天然裂縫呈現(xiàn)出多裂縫特征，如圖6所示。重復(fù)壓裂井底閉合壓力為14.15 MPa，裂縫閉合時間為8.09 min，攜砂液效率為53.67%，裂縫凈壓力為10.79 MPa，Gdp/dG曲線也呈波動狀，濾失速率為不定值，裂縫濾失既受時間影響，也還受壓力控制，表現(xiàn)為多裂縫特征，如圖7所示。

SZN-02井重復(fù)壓裂較第一次壓裂施工閉合壓力升高，閉合時間變短，攜砂液效率升高，凈壓力升高，表現(xiàn)出多裂縫發(fā)育特征，造縫效果較差。圖7中重復(fù)壓裂凈壓力曲線為典型的“破壓上升型”曲線，即重復(fù)壓裂地層破壓后壓力大幅度上升，表現(xiàn)出施工加砂難度增加的現(xiàn)象，表明裂縫延伸困難，新的主裂縫形成的概率低。同上，反演出SZN-02井重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)，得到實際支撐裂縫半長為91.5 m，支撐裂縫高度為22.8 m，如圖8所示。

根據(jù)分析結(jié)果，無新縫產(chǎn)生的同類井還有SZN-15，SZN-16，SZN-17以及SZN-08。

圖6 SZN-02井一次壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.6 The first time fracturing G function andpressure curve fitting of SZN-02

圖7 SZN-02井重復(fù)壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.7 SZN-02 refracturingG function and pressure fitting curve

圖8 SZN-02井重復(fù)壓裂擬合裂縫形態(tài)Fig.8 SZN-02 refracturing fitting fracture morphology

2.3 縫高失控

以SZN-07井G函數(shù)分析和裂縫凈壓力擬合結(jié)果為例。 SZN-07井第一次壓裂井底閉合壓力為11.11 MPa，裂縫閉合時間為6.75 min，攜砂液效率為49.94%，裂縫凈壓力為3.07 MPa，Gdp/dG曲線呈波動狀，濾失系數(shù)與壓力相關(guān)，表現(xiàn)為溝通天然裂縫呈現(xiàn)出多裂縫特征，如圖9所示。重復(fù)壓裂井底閉合壓力為10.97 MPa，裂縫閉合時間為1.0 min，攜砂液效率為39.99%，裂縫凈壓力為0.31 MPa，Gdp/dG曲線呈從原點開始為一條短斜直線，初期濾失速率較大，裂縫快速閉合。如圖10所示。

圖9 SZN-07井一次壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.9 The first time fracturing G function and pressure fitting curve of SZN-07

SZN-07井重復(fù)壓裂較第一次壓裂施工閉合壓力降低，閉合時間變得極短，攜砂液效率降低，凈壓力變得極低。圖10中重復(fù)壓裂凈壓力曲線破壓后壓力大幅度下降，停泵后壓力快速降到0 MPa，表明裂縫可能存在壓穿高濾失儲層或串層、溝通斷層的情況，或裂縫縫高失控，壓裂效果差。同上，反演出SZN-07井重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)，得到實際支撐裂縫半長為71.3 m，支撐裂縫高度為35.6 m，如圖11所示。從SZN-07井地質(zhì)分析來看井周無明顯斷層，SZN-07井煤層上下隔層應(yīng)力差較小，根據(jù)裂縫形態(tài)反演結(jié)來看，縫高較高，裂縫向頂?shù)装甯魧舆^度擴展的較大，所以該井重復(fù)壓裂更可能表現(xiàn)出縫高失控的特征。

圖10 SZN-07井重復(fù)壓裂G函數(shù)及壓力擬合曲線Fig.10 SZN-07 refracturing G function and pressure fitting curve

圖11 SZN-07井重復(fù)壓裂擬合裂縫形態(tài)Fig.11 SZN-07refracturing fitting fracture morphology

根據(jù)各井壓裂施工數(shù)據(jù)運用Fracpro軟件進行凈壓力歷史擬合反演重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)，并與設(shè)計裂縫形態(tài)進行對比，根據(jù)比值劃分裂縫形態(tài)特征，得到重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)與壓后產(chǎn)量對應(yīng)關(guān)系，見表3。

表3 重復(fù)壓裂井壓裂裂縫形態(tài)與產(chǎn)量對應(yīng)關(guān)系Table 3 Refracturing Wells fracturing fracture morphology and production relations

續(xù)表3

3 重復(fù)壓裂效果分析評價

對支撐裂縫縫長進行分析，由表3可知，柿莊南區(qū)塊已實施重復(fù)壓裂井設(shè)計支撐裂縫半長為77.9～133.5 m，凈壓力歷史擬合得到的實際支撐裂縫半長為70.1～113.9 m，設(shè)計縫長與實際縫長之比為0.84～1.63，總體來看，實際裂縫半長小于設(shè)計值。由于煤巖割理發(fā)育，壓裂裂縫受天然裂縫的影響，沿層理和割理面擴展，故實際形成的裂縫主體為雙側(cè)不對稱分布的狹長主縫，同時部分支撐劑填充天然裂縫，呈現(xiàn)多縫或多縫與縫網(wǎng)過渡特征，導(dǎo)致實際裂縫半長小于設(shè)計裂縫半長，如圖12所示。

圖12 重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)示意圖Fig.12 Refracturing fracture morphology

對支撐裂縫縫高進行分析，由表3可知，柿莊南區(qū)塊已實施重復(fù)壓裂井設(shè)計支撐縫高為20.1～38.9 m，凈壓力歷史擬合得到的實際支撐縫高為20.3～36.8 m，設(shè)計縫高與實際縫高之比為0.77～1.46，總體來看，實際支撐縫高大于設(shè)計值。3#煤層平均厚度為6.25 m，實際支撐縫高與煤層厚度之比為3.22～6.03，平均值為4.51，故實際形成的裂縫易壓穿煤層頂?shù)装濉?/p>

分析壓裂裂縫形態(tài)與壓后產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)重復(fù)壓裂后日產(chǎn)量>1 000 m3的井實際支撐裂縫半長均>95 m，其中SZN-04井、SZN-18井、SZN-10井的設(shè)計縫長與實際縫長之比<1，即實際支撐縫長大于設(shè)計支撐縫長，實際縫高與煤層厚度之比分別為4.27，5.05和4.60，裂縫半縫長與縫高之比為4.67，3.43和3.70，裂縫形態(tài)特征為狹長縫，單井控制解吸面積較大，產(chǎn)氣量較高。以日產(chǎn)氣量500 m3為界限，分別統(tǒng)計重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量較高的井裂縫形態(tài)多為狹長縫，高短縫次之，反觀產(chǎn)量較低的井，高短縫的情況較為普遍，當(dāng)裂縫形態(tài)為短寬縫時，出現(xiàn)產(chǎn)量為0的情況，說明重復(fù)壓裂未能有效增大一次壓裂后的煤層氣解析區(qū)域，凈壓力歷史擬合所呈現(xiàn)的裂縫形態(tài)與可壓性評價結(jié)果相符，如圖13所示。

圖13 裂縫形態(tài)特征與產(chǎn)量的關(guān)系Fig.13 Fracture morphology characteristic and the production relations

4 結(jié)論

1)目前在柿莊南煤層氣區(qū)塊進行了兩階段共計20口井重復(fù)壓裂探索試驗，第一階段增產(chǎn)效果較差，通過優(yōu)化選井原則和施工工藝，在第二階段取得了較好的增產(chǎn)效果，措施有效率達90%以上，平均單井增產(chǎn)幅度達392%。

2)柿莊南煤層氣重復(fù)壓裂裂縫特征可歸納為“產(chǎn)生新縫、無新縫產(chǎn)生、縫高失控”3類；壓裂裂縫受天然裂縫和割理的影響，實際形成的裂縫呈現(xiàn)多縫或多縫與縫網(wǎng)過渡特征，重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)分為狹長縫、高短縫、短寬縫3種類型，日產(chǎn)氣量較高的井裂縫形態(tài)多為狹長縫，高短縫次之，當(dāng)裂縫形態(tài)為短寬縫時，產(chǎn)氣量較低或不產(chǎn)氣。

3)煤層氣重復(fù)壓裂實際裂縫半長大多小于設(shè)計值，實際形成的裂縫縫高易壓穿煤層頂?shù)装?，重?fù)壓裂設(shè)計應(yīng)優(yōu)化造新的狹長縫，如采用階梯升排量多級壓裂、縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向等手段，促進縫長延伸，控制縫高在頂?shù)装暹^度擴展，增加煤層改造體積。