基于施工曲線的頁巖氣井壓后評估新方法

卞曉冰 蔣廷學 賈長貴 王海濤 李雙明 蘇　瑗 衛　然中國石化石油工程技術研究院

卞曉冰等.基于施工曲線的頁巖氣井壓后評估新方法.天然氣工業,2016,36(2):60-65.

?

基于施工曲線的頁巖氣井壓后評估新方法

卞曉冰 蔣廷學 賈長貴 王海濤 李雙明 蘇瑗 衛然
中國石化石油工程技術研究院

卞曉冰等.基于施工曲線的頁巖氣井壓后評估新方法.天然氣工業,2016,36(2):60-65.

摘 要基于有限的資料進行壓后評估分析，對于壓裂方案的持續改進具有重要的意義。為了再認識儲層及人工裂縫參數，把壓裂施工曲線分為前置液注入和主壓裂施工兩個階段。通過統計前置液注入階段的地層破裂次數、平均壓力降幅和平均壓力降速，可以定性判斷地層脆塑性；根據壓裂施工中的能量區域可定量化計算綜合脆性指數。真三軸大型物理模擬試驗結果顯示，主壓裂施工階段曲線壓力波動頻率和幅度反映了裂縫的復雜程度，結合地層脆塑性可綜合診斷遠井裂縫形態。以渝東南某頁巖氣P井為例，進行壓后評估分析。結果表明：①水平井筒延伸方向的頁巖地層非均質性較強，以自然伽馬值260 API作為該區地層脆塑性的界限，偏脆性地層更易形成復雜裂縫系統；②P井有一半裂縫為單一縫，為了進一步改善開發效果，應進一步采取精細分段、轉向壓裂等措施。該成果為進一步改進該區壓裂井設計、提高壓裂有效改造體積提供了理論依據。

關鍵詞頁巖氣井壓后評估前置液注入主壓裂施工脆性裂縫復雜性定量評估渝東南

頁巖基質孔隙度、滲透率極低且富含吸附氣，故頁巖氣具有開采壽命長和生產周期長的特點[1-4]。渝東南某頁巖氣區塊單井鉆完井及壓裂開發成本高,介于7 000 萬元～9 000萬元，穩定產氣量為1×104～2×104m3/d。為了控制成本，許多輔助性措施(如常規測井、裂縫形態監測及產氣剖面測試等)實施得較少[5-7]。基于成熟軟件模型的壓后評估方法具有多解性，且需提供模型可解釋的數據，如基于停泵壓降曲線的G函數分析方法需要長時間的停泵后壓力測試數據，若現場測壓時間較短則無法進行解釋。因此壓后評估結果的可信度與評估者的經驗直接相關[8-10]。如何基于有限的資料對頁巖地層進行更為準確的認識，一直是困擾廣大科技工作者的難題。筆者提出了基于壓裂施工曲線反演儲層參數與定性評估壓后裂縫形態的新方法，通過對已施工井資料進行充分挖掘，進行儲層及裂縫參數再認識，并以渝東南某頁巖氣井P井為例進行壓后評價，為進一步改進該區壓裂井設計、提高壓裂有效改造體積提供理論依據。

1　已施工井概況

P井位于渝東南某頁巖氣區塊，完鉆斜深4 190 m，水平段長1 260 m，目的層為下志留統龍馬溪組。該井總共壓裂22段，2～3簇/段，最高施工排量保持在13.0～14.5 m3/min，平均施工壓力60～70 MPa，施工總液量46 542 m3，總砂量2 108 m3。

按照地層瞬時停泵壓力梯度（ISIP）及地層是否滲漏（前6段鉆遇漏失層），將施工壓力曲線分為4種類型：類型1，第1～2段，滲漏地層，ISIP = 0.021～0.023 MPa/m；類型2，第3～7段，滲漏地層，ISIP = 0.016～0.017 MPa/m；類型3，第8～13段，非滲漏地層，ISIP = 0.018～0.022 MPa/m；類型4，第14～22段，非滲漏地層，ISIP=0.023～0.026 MPa/m。如圖1所示，P井在趾端前100 m附近地應力較高，之后到跟端地應力逐漸增加。

圖1　示例井壓裂施工曲線分類圖

2　地層脆塑性識別

在頁巖氣井壓裂施工過程中，隨著前置液逐漸泵入地層，裂縫不斷起裂并隨之延伸擴展。基于P井破裂壓力點壓力降幅和降速，進行頁巖地層脆塑性識別。

2.1地層破裂特征表征

選取類型2第5段壓裂施工曲線（圖2），對矩形紅色虛線圈閉的前置液階段進行地層破裂壓力特征分析。該段為低地應力滲漏層，在升排量過程中及較大排量下地層均發生破裂，較為明顯的3處破裂壓力降幅2.1～5.2 MPa，壓力降速為1.68～6.67 MPa/min。地層發生破裂后壓力降幅較大、降速較快，說明地層脆性好、濾失大，天然裂縫較發育。

同理，統計了P井22段壓裂施工在升排量階段的地層破裂次數、平均壓力降幅及降速(表1)。其中前6段天然裂縫發育，壓力降幅和降速較大，整個排量過程發生多次明顯破裂，地層偏脆性；第7～11段壓力降幅和降速小，相對低排量發生2～3次微小破裂，地層偏塑性；第12～22段受較高的地應力影響，壓力降速有所降低，發生明顯破裂的次數減少，地層脆塑性居中。

圖2　第5段壓裂施工數據圖

表1　P井22段地層破裂特征數據統計表

2.2地層脆塑性定量評價

塑性頁巖地層發生破裂后施工壓力幾乎不變，但持續的變形導致較大的能量消耗；脆性頁巖地層破裂后壓力快速下降，能量消耗相對較小。根據本文參考文獻[11]中提出的方法，利用壓裂施工中地層發生破裂時的能量區域來表征施工過程中的綜合脆性指數。即式中BI表示頁巖的綜合脆性指數；p(t)表示井口壓力，MPa；pmax表示頁巖井口破裂壓力，MPa；ph表示靜液柱壓力，MPa；pf表示井筒沿程摩阻壓力，MPa；Tc表示地層破裂變形后壓力下降到最低值時的時間，min；T0表示地層變形后壓力上升到最高值時的時間，min。

計算P井施工井段的綜合脆性指數，其結果如表2所示。脆性指數范圍為30.9%～54.3%，水平井段穿行頁巖地層非均質性較強。

表2　P井各段脆性指數表

2.3地層脆塑性綜合評價

綜合看來，P井水平段射孔位置自然伽馬值以及各壓裂段施工壓力曲線地層破裂特征具有如下對應關系：①自然伽馬值150～260 API，平均破裂次數4.1次，平均壓力降幅3.9 MPa，平均降速13.1 MPa/min，平均脆性指數40.1%；②自然伽馬值大于260 API，平均破裂次數2.4次，平均壓力降幅2.0 MPa，平均降速9.7 MPa/min，平均脆性指數35.8%。針對該區塊頁巖氣井，可根據自然伽馬值對水平井段穿越地層的脆塑性進行判斷，進而為每段壓裂設計思路提供依據。

3　裂縫復雜形態綜合評價方法

3.1大型物理模擬試驗

針對該區塊進行了大量真三軸壓縮條件下的300 mm×300 mm×300 mm頁巖露頭水力壓裂物理模擬試驗，壓后監測顯示復雜縫和單一縫均有形成。以復雜縫典型巖樣為例（圖3），預制模擬井眼的露頭試樣完整性良好，僅有少量沿天然層理面方向的未貫穿天然裂縫。三向應力分別設定為：σv=20.4 MPa，σH=18.4 MPa，σh=14.7 MPa，泵壓排量為0.5 mL/s。在壓裂液中加入紅色示蹤劑以記錄裂縫延伸狀態。壓裂后試樣剖切顯示，壓裂后形成垂直層理面的裂縫，與開裂的天然層理面相互交匯形成縫網。圖4所示的聲發射實時監測結果亦驗證了該區塊頁巖具備形成復雜裂縫的基礎。

圖3　頁巖露頭物理模擬試驗圖

圖4　頁巖露頭聲發射實時監測結果圖

3.2壓力曲線形態

P井僅有4段曲線進行了停泵后壓力降測試，因此無法通過G函數分析診斷各段裂縫形態。大型物理模擬試驗表明，施工過程中壓力曲線波動頻率越大、壓力降幅越高，則聲發射監測到的信號分布范圍越廣，裂縫形態越復雜。基于此，統計了P井滑溜水壓裂施工階段消除攜砂液密度差影響的井底壓力波動頻率和平均壓力波幅，井底壓力計算公式為[12]：

式中pb表示井底壓力，MPa；pw表示井口壓力，MPa。

以4種壓力類型施工曲線為例，分別選取第2、5、8、18段進行壓力波動頻率和幅度統計，其結果見表3。P井22段施工曲線的壓力波動頻率和幅度統計結果如圖5所示。綜合而言，第5、6、18、20段遠井裂縫發育程度較好、分布范圍均較大，壓裂后易形成復雜裂縫。

3.3裂縫形態綜合診斷

結合頁巖脆塑性、典型頁巖壓裂試驗，以及壓力曲線形態分析結果，進行P井裂縫形態綜合診斷(表4)，P井單一裂縫比例高達50 %。總體而言，對于施工分段的4種類型，類型1和類型2裂縫發育程度較好、分布范圍均較大，壓裂后易形成天然層理縫與水力裂縫相交的復雜裂縫。類型3塑性強、天然裂縫不發育，易形成單一縫。類型4整體壓力波動情況稍差于類型1和2，有形成復雜縫的可能。

表3　P井代表段壓力波動頻率和幅度表

圖5　P井22段施工曲線的壓力波動頻率和幅度統計圖

表4　P井裂縫形態診斷結果表

4　提高裂縫復雜性的工藝措施優化

頁巖氣井壓后產量高低取決于兩個要素[13-15]：①壓裂段簇是否處于優質甜點區；②壓裂施工是否形成復雜裂縫。針對頁巖地層非均質性強、壓裂改造復雜縫形成比例低的問題，為了改善區塊開發效果，應進一步采取如下工藝措施。

1）精細分段，根據新井的伽馬測井數據初步判斷沿水平井筒方向的地層脆塑性，進而優選含氣性高及天然裂縫發育的脆性地層為地質甜點區，針對性設置段簇分布。

2）提高復雜裂縫所占比例，適當提高施工排量及滑溜水黏度，配合加砂濃度、時機、段塞量及壓裂液交替注入等工藝措施，增加施工過程中的凈壓力。

3）還可借鑒美國的轉向壓裂技術，進行縫內及縫口暫堵以增加頁巖改造體積。

5　結論

1）針對頁巖儲層非均質性較強的特征，利用施工曲線對地層進行脆塑性識別，初步建立自然伽馬值與頁巖脆塑性的關聯性，自然伽馬值在260 API以上地層脆性相對變差。

2）基于大型物理模擬試驗結果，通過統計施工過程中井底壓力曲線波動頻率及壓力降幅，同時結合地層脆塑性分析結果綜合判斷裂縫形態。P井單一縫占50.0%，復雜裂縫占36.4%，網絡裂縫占13.6%。

3）考慮到水平段的穿行軌跡及已壓裂井施工情況，提出了針對不同小層進行針對性精細分段及提高復雜裂縫所占比例的工藝技術措施，以增加有效改造體積、提高開發效果。

參考文獻

[1]唐穎,張金川,張琴,龍鵬宇.頁巖氣井水力壓裂技術及其應用分析[J].天然氣工業,2010,30(10):33-38.Tang Ying,Zhang Jinchuan,Zhang Qin,Long Pengyu.An analysis of hydraulic fracturing technology in shale gas wells and its application[J].Natural Gas Industry,2010,30(10):33-38.

[2]陳尚斌,朱炎銘,王紅巖,劉洪林,魏偉,羅越,等.中國頁巖氣研究現狀與發展趨勢[J].石油學報,2010,31(4):689-694.Chen Shangbin,Zhu Yanming,Wang Hongyan,Liu Honglin,Wei Wei,Luo Yue,et al.Research status and trends of shale gas in China[J].Acta Petrolei Sinica,2010,31(4):689-694.

[3]劉玉章,修乃嶺,丁云宏,王欣,盧擁軍,竇晶晶,等.頁巖儲層水力裂縫網絡多因素耦合分析[J].天然氣工業,2015,35(1):61-66.Liu Yuzhang,Xiu Nailing,Ding Yunhong,Wang Xin,Lu Yongjun,Dou Jingjing,et al.Multi-factor coupling of hydraulic fracture network in a shale gas reservoir[J].Natural Gas Industry,2015,35(1):61-66.

[4]Gulen G,Ikonnikova S,Browning J,Tinker S.Fayetteville shale-production outlook[J].SPE Economics & Management,2014,7(2):47-59.

[5]郭小哲,周長沙.基于擴散的頁巖氣藏壓裂水平井滲流模型研究[J].西南石油大學學報:自然科學版,2015,37(3):38-44.Guo Xiaozhe,Zhou Changsha.Diffusion seepage model for fractured horizontal well in shale gas reservoir[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition,2015,37(3):38-44.

[6]葉登勝,李建忠,朱炬輝,尹從彬,肖霞,張俊成.四川盆地頁巖氣水平井壓裂實踐與展望[J].鉆采工藝,2014,37(3):42-44.Ye Dengsheng,Li Jianzhong,Zhu Juhui,Yin Congbin,Xiao Xia,Zhang Juncheng.Practice and prospect of horizontal well fracturing technology in Sichuan shale gas reservoir[J].Drilling & Production Technology,2014,37(3):42-44.

[7]錢斌,張俊成,朱炬輝,方澤本,寇雙峰,陳銳.四川盆地長寧地區頁巖氣水平井組“拉鏈式”壓裂實踐[J].天然氣工業,2015,35(1):81-84.Qian Bin,Zhang Juncheng,Zhu Juhui,Fang Zeben,Kou Shuangfeng,Chen Rui.Application of zipper fracturing of horizontal cluster wells in the Changning shale gas pilot zone,Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2015,35(1):81-84.

[8]Soliman MY,East LE,Augustine JR.Fracturing design aimed at enhancing fracture complexity[C]//SPE EUROPEC/EAGE Annual Conference and Exhibition,14-17 June 2010,Barcelona,Spain.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/130043-MS.

[9]吳奇,胥云,王騰飛,王曉泉.增產改造理念的重大變革——體積改造技術概論[J].天然氣工業,2011,31(4):7-12.Wu Qi,Xu Yun,Wang Tengfei,Wang Xiaoquan.The revolution of reservoir stimulation:An introduction of volume fracturing[J].Natural Gas Industry,2011,31(4):7-12.

[10]高世葵,朱文麗,殷誠.頁巖氣資源的經濟性分析——以Marcellus頁巖氣區帶為例[J].天然氣工業,2014,34(6):141-148.Gao Shikui,Zhu Wenli,Yin Cheng.An economic analysis of shale gas resources:A case study of the Marcellus Shale Play[J].Natural Gas Industry,2014,34(6):141-148.

[11]蔣廷學,卞曉冰,蘇瑗,劉雙蓮,衛然.頁巖可壓性指數評價新方法及應用[J].石油鉆探技術,2014,42(5):16-20.Jiang Tingxue,Bian Xiaobing,Su Yuan,Liu Shuanglian,Wei Ran.A new method for evaluating shale fractability index and its application[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(5):16-20.

[12]蔣廷學.壓裂施工中井底壓力的計算方法及其應用[J].天然氣工業,1997,17(5):82-84.Jiang Tingxue.A method to calculate bottom hole pressure during fracturing and its application[J].Natural Gas Industry,1997,17(5):82-84.

[13]侯磊,Elsworth D,孫寶江,王金堂.頁巖支撐裂縫中滲透率變化規律實驗研究[J].西南石油大學學報:自然科學版,2015,37(3):31-37.Hou Lei,Elsworth D,Sun Baojiang,Wang Jintang.Experimental study on permeability evolution in propped shale fracture[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition,2015,37(3):31-37.

[14]Kennedy RL,Gupta R,Kotov SV,Burton WA,Knecht WN,Ahmed U.Optimized shale resource development:Proper placement of wells and hydraulic fracture stages[C]//Abu Dhabi International Petroleum Conference and Exhibition,11-14 November 2012,Abu Dhabi,UAE.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/162534-MS.

[15]Willian J,Clarkson CR.Stochastic modeling of two-phase flowback of multi-fractured horizontal wells to estimate hydraulic fracture properties and forecast production[C]//SPE Unconventional Resources Conference,10-12 April 2013,The Woodlands,Texas,USA.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/164550-MS.

(修改回稿日期 2015-10-31 編輯 韓曉渝)

A new post-fracturing evaluation method for shale gas wells based on fracturing curves

Bian Xiaobing,Jiang Tingxue,Jia Changgui,Wang Haitao,Li Shuangming,Su Yuan,Wei Ran
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100044,China)

NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 2，pp.60-65，2/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Post-fracturing evaluation by using limited data is of great significance to continuous improvement of the fracturing programs.In this paper,a fracturing curve was divided into two stages (i.e.,prepad fluid injection and main fracturing) so as to further understand the parameters of reservoirs and artificial fractures.The brittleness and plasticity of formations were qualitatively identified by use of the statistics of formation fracture frequency,and average pressure dropping range and rate during the prepad fluid injection.The composite brittleness index was quantitatively calculated by using the energy zones in the process of fracturing.It is shown from the large-scale true triaxial physical simulation results that the complexity of fractures is reflected by the pressure fluctuation frequency and amplitude in the main fracturing curve,and combined with the brittleness and plasticity of formations,the fracture morphology far away from the well can be diagnosed.Well P,a shale gas well in SE Chongqing,was taken as an example for post-fracturing evaluation.It is shown that the shale beds are of stronger heterogeneity along the extension directions of horizontal wells,and with GR 260 API as the dividing line between brittleness and plasticity in this area,complex fracture systems tend to form in brittleness-prone formations.In Well P,half of the fractures are single fractures,so it is necessary to carry out fine subsection and turnaround fracturing so as to improve development effects.This paper provides a theoretical basis for improving the fracturing well design and increasing the effective stimulated volume in this area.

Keywords:Shale gas well; Post-fracturing evaluation; Prepad fluid injection; Main fracturing; Brittleness; Fracture complexity; Quantitative evaluation; SE Chongqing

作者簡介：卞曉冰，1985年生，副研究員，博士；主要從事水力壓裂優化設計及數值模擬研究工作。地址：（100101）北京市朝陽區北辰東路8號北辰時代大廈612。電話：（010）84988216。ORCID:0000-0002-5066-2219。E-mail:xiaobingbian@126.com

基金項目：國家自然科學基金項目“頁巖地層動態隨機裂縫控制機理與無水壓裂理論”（編號：51490653）、中國石化科技攻關課題“涪陵區塊頁巖氣層改造優化技術研究”（編號：P14091）、國家科技重大專項“彭水地區常壓頁巖氣勘探開發示范工程”（編號：2016ZX05061）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.008