頁巖氣井壓后試井分析與評價應用

◎陳守雨

頁巖氣井壓后試井分析與評價應用

◎陳守雨

體積壓裂是一種通過充分破碎致密頁巖巖體，在儲層中制造具備有效滲流能力的改造體積，實現頁巖氣經濟開發的改造工藝。現場可通過壓裂過程中的實時微地震監測或壓后停泵壓降測試，對體積壓裂改造效果進行分析和評價。事實上，實時微地震監測受到傳感器位置、噪聲點等因素影響，對壓裂裂縫特征描述可能失真；停泵壓降測試往往受到測試時間限制，解釋范圍較有限。通過試井手段對體積壓裂后頁巖氣井生產過程中流量和壓力測試數據進行分析，為改造效果評價和產能預測提供更詳細、準確的參數。與常規壓裂不同，體積壓裂以高排量、流體切換、縫內轉向等工藝手段克服地層脆性及應力條件的限制，制造形態復雜的空間裂縫網絡，其滲流特征與面源縫大不相同，更近于以射孔孔眼或近井地帶一定范圍內主裂縫通道為中心點源流動，從試井動態上是徑向或擬徑向流特征，而非線性流。利用較短的主裂縫長度和高于頁巖基質若干數量級的有效滲透率，對改造體積進行描述，對于評價體積壓裂效果和產能預測更具有實際意義。本文通過對四川威遠頁巖氣井壓后生產的測試數據進行試井分析，給出了了典型的頁巖氣井體積壓裂后的滲流特征，并利用試井解釋建模，進行歷史擬合和長期產能預測。

體積壓裂通過在致密頁巖內建立有效的滲流通道，最大程度釋放儲層，對建立長期穩定產能有著重要作用。現階段，可以通過在壓裂過程中實時微地震監測，壓后停泵壓降測試，辨別、分析和評價體積壓裂改造效果。

然而，實時微地震監測結果通常受到多方面因素的影響，如檢波器的密度和分布的位置、壓裂過程中其他噪聲源影響、微地震解釋精度等，都會造成實時微地震解釋出現偏差。另外，微地震監測記錄的是在壓裂過程中發生的巖體破裂事件和能量響應，但很難高精度地分辨實際上具備有效導流的裂縫，微地震解釋改造體積往往遠大于井控有效改造體積。壓裂施工停泵壓降測試雖然也是裂縫解釋的重要手段，但現場上受到測試時間較短的影響，記錄的數據點不足以描述壓力波在整個有效改造體積內的傳播過程，定量描述裂縫系統形態有一定難度。

利用頁巖氣井壓后生產過程中的流量和測試壓力數據，通過試井分析手段能夠對流體的滲流動態進行分析，識別水力壓裂產生的裂縫或裂縫系統的形態特征，定量評價裂縫的幾何參數、導流能力和有效的改造體積及有效滲透率等，為壓裂改造效果評價和產能預測提供更詳細、準確的信息支撐。

基于傳統的分段壓裂水平井試井模型采用的多條平面縫橫切水平井筒的描述方法，不僅在裂縫形態描述上與頁巖氣體積壓裂所形成的裂縫系統差異較大，而且在生產過程中無法描述所觀察到的某些流場形態，在評價體積壓裂后有效的裂縫長度和改造體積內的有效滲透率時，常出現較大偏差，產能預測與實際情況誤差較大。

本文通過分析頁巖氣井體積壓裂形成的裂縫網絡形態和預期改造效果，采用“較短有效裂縫半長+改造體積內較高的有效滲透率”，對頁巖氣井體積壓裂的改造效果進行分區描述，突出近井地帶的主裂縫通道形態，并利用平均有效滲透率概念，對中遠井地帶由復雜、密集的裂縫系統切割破碎的壓裂體積的改造效果進行等效描述，解決傳統長直平面縫模型不能描述改造體積內部擬徑向流的問題，合理地評價體積壓裂對于改造體積內部滲流能力改善的效果，提高產能預測的準確性和穩定性。

頁巖氣體積壓裂改造工藝

頁巖氣井體積壓裂主體思路是在頁巖儲層形成空間上復雜交錯的多級導流縫網系統（寬網裂縫導流系統），實現空間上對頁巖儲層充分破碎、切割，同時不同導流能力的裂縫組合，形成供給和輸送的合理匹配系統。頁巖氣體積壓裂改造包括以下措施：

采用高排量注入維持縫內凈壓力，在儲層可壓性允許的情況下將頁巖儲層盡量破碎；低粘度滑溜水和一定粘度膠液組合，保證垂直井筒方向上的裂縫延伸，同時兼顧沿井筒方向上裂縫網絡寬度的擴展；不同粒徑支撐劑組合，著眼于支撐不同規模的裂縫，實現多級導流能力組合；實時使用可降解暫堵劑，降低濾失并實現縫內強制轉向，增加液體效率，增強裂縫系統的復雜程度。

以四川威遠頁巖氣A井的體積壓裂為例，工藝上考慮：

滑溜水與活性膠液組合；100目+40/70目+30/50目支撐劑組合，微縫+支縫+主縫3級導流能力設計；以段塞式加砂為主，在施工壓力條件允許情況下采取分段連續加砂；前置酸液作為前置液的一部分使用，提高較大范圍和較遠距離的處理效果；調整膠液注入時機和注入用量，保證裂縫高度延伸和平面上有效擴展；實時加入可降解暫堵劑實現縫內轉向。

A井寬網壓裂典型施工曲線如圖1所示。

體積壓裂后頁巖氣井流場分析

頁巖氣分段壓裂水平井在生產過程中，通過試井分析或長期生產數據的流量重整壓力分析，可觀察到流場的演化。

在以往的分段壓裂水平井研究中，只考慮沿水平井段分布的若干條單一裂縫（平面縫），其完整的滲流場演化可歸結為可能出現的流場序列：儲集效應→裂縫內線性流→雙線性流→地層線性流→改造體積邊界效應流→改造體積外合成線性流→擬徑向流（橢圓流）+外邊界效應。在試井診斷圖中，可通過導數曲線斜率變化來判別流場（圖2）。一般井儲效應、裂縫內線性流、雙線性流的出現需要早期測試數據的密度足夠大，或是流場持續時間足夠長。在儲集效應后一般會出現一定的表皮效應，且在裂縫線性流形成之前，理論上存在短時間的縫內徑向流動，但往往由于裂縫尺寸限制和導流能力較大等因素造成流場持續時間很短，以至于記錄的壓力響應難以體現。所以，并不是所有流場都可被觀察到。

同時觀察到地層線性流和SRV邊界效應流的情況下，利用重整壓力數據，可以通過公式（1）和公式（2）分別求取有效裂縫半長和地層有效滲透率。

式中，xf為有效供產裂縫半長，ft; Vp為改造體積內的孔隙體積，ft3; L為水平井段長，ft；?為儲層平均孔隙度，無量綱；h為裂縫高度，ft；qref為參考流量，Mcf/d; Bg為平均氣體體積系數，無量綱；ct為綜合壓縮系數，1/psi；RNP為SRV邊界效應流動階段任意數據點的流量重整壓力，psi/(Mcf/d)；te為RNP對應的物質平衡時間，d。

式中，k為改造體積內平均有效滲透率，md；g為平均氣體粘度，cp；xs為裂縫間距，ft；teplf為縫間干擾發生時間，d。

實際生產過程中，在改造體積（SRV）內部氣體才會發生有效流動，而在改造體積外部（XRV），即使在很大的壓力梯度驅動下也很難發生氣體流動，因此頁巖氣井的改造體積邊界效應往往是實際生產可觀察到的最終流場形態。另外，在地層線性流和改造體積邊界效應流之間，有可能會出現圍繞各條裂縫的擬徑向流階段（圖3）。當裂縫長度相對于裂縫間距小很多的時候，通常會發生擬徑向流階段，而且這種情況下后期所反映的邊界效應很有可能并不是包含整個水平井段的連續改造體邊界，而是各條裂縫各自有效改造體積的邊界。

顯然，常規試井解釋手段（壓力恢復分析）很難觀察到頁巖氣井壓裂改造后的全部流場特征，一方面是有些流場特征受限于數據數量和數據密度而無法顯現，另一方面則是因為有效滲透率量級過低，導致壓力波傳播速度緩慢而無法觀察。

與多條平面縫的改造特征不同，頁巖氣井體積壓裂在地層中制造了錯綜復雜的裂縫網絡帶，裂縫在各個方向上的長度、密度、導流能力、寬度等，與地層非均質性、壓裂施工控制等有關，很難具體針對裂縫系統中各條裂縫分支進行幾何描述，其改造效果可以等效為一種整體平均有效滲透率的激增。

壓后的頁巖氣儲層往往會有以下幾種類型的孔隙空間：支撐裂縫、無支撐裂縫和有機孔，且支撐裂縫和無支撐裂縫在尺寸和導流能力上差距較大，因此，利用三重孔隙介質模型（圖4）描述的方法比較可行。其無量綱滲流方程可表達為：

事實上，由微裂縫（包括在壓裂過程中產生的分支縫和開啟的天然裂縫）連通的有機孔與微裂縫之間的流動并未如常規雙孔介質竄流明顯，且相對于有支撐的主干裂縫，其滲透能力都遠小于主干裂縫，其竄流特征很有可能由于滲透能力級差較小而被遮蔽，因此，利用改造后平均有效滲透率描述的地層模型可以滿足儲層物性分析和產能預測的需要。

體積壓裂在近井地帶應盡量避免大規模濾失，以保持足夠凈壓力維持水力裂縫向地層深處延伸。前置膠液的使用可有效地促進水力裂縫延伸，但是流體進入地層深處，其造縫能力隨著凈壓力的消耗逐漸降低，支撐劑運移至遠井相對難度更大，因此遠井地帶可能失去裂縫主干形態，取而代之的是大量的分支縫、次生縫，所以具有明顯主縫形態的裂縫往往無法延伸至地層深處，而是在近井地帶一定范圍內(圖5)。

圖5可能出現的流場序列包括：儲集效應→裂縫內線性流→雙線性流→地層線性流→環裂縫擬徑向流→改造體積邊界效應流，其特征可從試井分析或長期生產數據的流量重整壓力曲線辨別（圖6）。同樣，并不是所有流程特征都可觀察到。

按照體積壓裂儲層模型與其對應的流場形態（線性流+環主裂縫擬徑向流），利用擬徑向流階段數據，可以計算改造體積內的平均有效滲透率：

利用線性流階段，可以在平均有效滲透率已經求取的情況下求取有效裂縫半長（主干裂縫）：

式中，k為改造體積內平均有效滲透率，md；xf為主干裂縫半長，ft; qg是氣體產量，Mcf/d；為平均氣體粘度，cp；為儲層平均孔隙度，無量綱；Bg為平均氣體體積系數，無量綱；h為裂縫高度，ft；mL為線性流動診斷曲線斜率，對于壓降測試，mL為井底流壓pwf與t1/2作圖的斜率，對于壓力恢復測試，mL為關井壓力pws與Agarwal等效時間的平方根te1/2作圖的斜率。

現場應用

四川威遠頁巖氣A井，水平段穿行層位為龍馬溪組底，完鉆垂深3555m，測深5455m，水平段長度1562.3m。該井主體工藝為寬網體積壓裂，單段長度75～120m，共射孔（不含第一段觸發式滑套）48簇。該井共注入壓裂液35345.08m3，支撐劑1361.45噸。平均施工排量14m3/min，施工泵壓67-82MPa。各段入地液量和入地支撐劑量如圖7和圖8所示。

該井在壓裂過程中進行了實時井下微地震監測，從微地震事件點的分布形態可以部分佐證體積縫的形成（圖9）；從壓后停泵壓降測試G函數疊加導數分析來看（圖10），多點起裂確實發生，且裂縫體積較大，驗證了復雜縫網的形成。

A井壓裂結束后，累計記錄返排1440小時，油嘴尺寸范圍由3mm逐級放大至10mm（穩定返排油嘴6-9mm）； 3mm油嘴返排速度為6方/小時，油嘴6mm時排液速度達到峰值23方/小時，隨后排液速度降至10方/小時，套壓降落17.2MPa。換用9mm油嘴排液速度回升至39方/小時，但快速降至10方/小時，最后調整油嘴至6mm，排液速度穩定于3方/小時，套壓緩慢下降至21MPa。累計返排液量為11792方，返排率為31.3%（圖11）。

對A井從2014年12月17日見氣，至2015年2月14日關井前，累計產氣350萬方。主體返排階段后，產量約12萬方/天，井口套壓降幅18MPa， 配產9.5萬方/天，持續穩定生產直至關井。關井550小時后重新開井，套壓降落明顯（降幅26.8MPa），但氣產量極低，在壓力重新恢復過程中再次采取關井，記錄終止時井口復壓至46.9MPa（圖12）。

對該井的第一個關井壓力恢復數據進行試井分析，在雙對數診斷曲線上出現線性流+徑向流的特征流場（圖13）。根據體積壓裂頁巖氣水平井模型，連續出現的線性流+（擬）徑向流的流場序列對應于圖6中的地層線性流和環近井主縫段徑向流。在建立試井分析模型時，采用流量均分法來考慮單條裂縫的生產動態，同時考慮近井地帶的主裂縫通道相對于周圍儲層具備更高的滲透能力，而遠井地帶裂縫形態復雜化且導流能力相對較低，可將儲層視作被均勻破碎達到體積改造，利用較短的主裂縫（半）長和高于頁巖基質的有效滲透率進行歷史擬合（圖13、圖14），得到主裂縫半長10m，滲透率2.7d（0.0027md）。由于在雙對數診斷曲線中未觀察到邊界效應流（對于壓恢測試表現為導數曲線急劇下落），故無法判定實際的井控改造體積。

擬合得到的裂縫半長僅為10m，與常規意義上的縫長相比過小，但這并不代表所注入的壓裂流體和支撐劑只在近井地帶形成了若干條半長10m的裂縫。其試井模型參數代表著在近井地帶10m的范圍以高導流的支撐裂縫主通道，該通道的滲流能力相對地遠大于其橫向上的儲層，這與壓裂工藝中采用前置膠液以較低的濾失和較大的凈壓力突破近井地帶、向地層深處延伸的設計理念相對應；而在遠井地帶，無論是高排量、大規模的滑溜水注入還是縫內轉向工藝，均以制造復雜縫網、達到整體體積壓裂效果為主。考慮到遠井地帶由于濾失、分流造成的凈壓力擴散，裂縫開度相對較小，支撐效果受到影響，所以遠井地帶滲流能力相對較低但分布較均勻。從試井分析解釋的有效滲透率量級看，相較于未改造的頁巖基質滲透率（10～10至10～7md）已有若干數量級的激增，形成了在現有地層壓力驅動條件下進行有效滲流的條件，說明寬網體積壓裂對該井頁巖儲層進行了有效改造。

假設A井有效改造體積范圍可達到與鄰井間距的一半（200m），利用擬合模型參數進行5年產能動態預測，天然氣累產可達7300萬m3。

結論與認識

1）體積壓裂是頁巖氣水平井壓裂改造的有效工藝，是通過在優質頁巖層中充分破碎巖體、制造復雜縫網體系形成有效體積改造，而非通過多條平面縫密切割進行儲量控制。

2）實時微地震監測和停泵壓降測試分析均是評價體積壓裂效果的手段，但利用生產過程中的測試數據進行試井分析，可提供更詳細的解釋結果。

3）體積壓裂在近井地帶以高導流主干裂縫為改造特征，中遠井地帶主要以復雜裂縫系統破碎儲層，儲層改造程度相對均勻。

4）寬網體積壓裂頁巖氣井在試井分析動態上以線性流+（擬）徑向流的流場序列為特征。

5）利用較小的裂縫有效半長結合較大的平均有效滲透率，描述體積壓裂改造頁巖氣井及改造體積特征，相較于復雜的三孔介質模型更加貼合實際。

（作者單位：四川合能正通石油化工有限公司）