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公司)

勘探開發頁巖氣資源最為成功是北美地區，北美地區頁巖氣年產量于2000年突破100×108m3，至2010年該地區的頁巖氣年產量達到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3 大頁巖氣田累計探明頁巖氣地質儲量5 441.29×108m3，實現頁巖氣工業化開采，年產量逾40×108m3[3-4]。

頁巖層具有展布廣、規模大、儲量大，但同時又具有滲透率低、連通性差、孔隙度小等特點。目前的思路是“打碎”巖石，形成復雜裂縫，溝通天然裂縫、微細孔隙空間，因此分段壓裂技術成為了頁巖氣開發至關重要的技術。采用水平井多級分段，段內多簇射孔進行壓裂，致使裂縫擴張、脆性巖石剪切滑移，形成復雜裂縫，增大接觸面積，減小流通距離，提高開采效率。評價是否形成復雜裂縫，對指導優化頁巖氣改造壓裂設計，實現有效增產具有重要意義。

通過近幾年的探索，四川頁巖氣與北美幾個重點頁巖氣區塊的儲層參數差別較大，呈現出埋深較深，有機碳含量較低、孔隙度較低、熱成熟度較高、儲層應力復雜的特點。總體而言，四川盆地頁巖氣改造難度大于北美大部分頁巖氣區塊。

基于水擊效應、生產數據、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價分析，便于后期設計優化，最大限度提高有效儲層動用率，提高頁巖氣單井產能。

一、壓裂改造中水擊效應分析

經典水擊理論中連續方程[5-6]：

(1)

在停泵過程中，從穩態恒定流→低排量→排量為零，井底會發生多次水擊作用。水擊能量衰減循環是摩擦水頭損失作用，壓力脈動上下震動。

如果與大裂縫網絡連接，壓力通過人造網絡裂縫大量釋放，能量衰減更大，時間更短。

因此，復雜縫網群一旦溝通，壓力脈動反應時間大幅降低，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. 單井實例分析

國內頁巖氣水平井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，壓力振幅與產量貢獻占比保持波動性一致，反映出一定的正相關性。

基于三參數(衰減時間、壓力振幅、產量貢獻占比)關系分析，產量越高，壓力衰減時間越短，與壓力水擊響應保持一致。

在現場施工中，結合水擊響應相關參數，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，發生水擊效應，通過標定此刻微地震事件響應數，進行對比分析。

由圖1可知，微地震監測事件響應中86%與水擊效果保持一致保持；升排量過程中臺階數與壓裂效果相關性不強。排量變化次數與微地震監測數據基本保持正相關性。變化次數越多，監測事件點越多，表明形成的裂縫越復雜，更有利于單井高產的目的。

圖1 同層位參數對比圖

2. 多井實例分析

同一平臺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+橋塞進行分段壓裂。

基于振幅壓力、衰減時間、壓力差值、產量貢獻占比等參數分析(表1)，可以結合多參數來定性判定是否形成復雜裂縫。當波動壓力值大于60 MPa，同時衰減時間小于30 s時，可以判定其形成了復雜裂縫，對單井產量具有明顯貢獻。現場施工中，停泵結束后可結合實際數據，快速判斷壓裂效果，并可以結合下一段地質情況，實時調整壓裂參數，增大有效改造體積。壓力差值與產量相關性不強，指導意義不明顯。

表1 水擊多參數分析表

注：壓力差值—最大值與穩定值的差值。

二、某區塊頁巖氣產能擬合分析

生產曲線歷史擬合表明(表2)，有效動用的儲層厚度集中在6～10 m，有效動用儲層厚度薄，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。有效儲層薄和水平滲透率相對較高(層理縫發育)導致了單井產量遞減速度快。頁巖氣儲層非均質性強，水平滲透率4.2×10-5～2.9×10-4mD，水平滲透率變化和差異大。儲層有效厚度明顯呈現出減少的趨勢，并且可以解釋為優質儲層鉆遇率與產量具有一定的正相關性。

三、壓裂數據分析

B井進行頁巖氣井儲層改造，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 多井產能擬合分析結果表

粉砂段塞進入地層后，壓力波動主要集中在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向，為后期陶粒順利泵注與縫網形成提供便利條件。

分析中充分考慮了支撐劑未進入高壓管線時與支撐劑完全進入地層后進行數據拾取，避免支撐劑重力作用、不同濃度、不同長度等因素的影響；整個加砂過程中，全程采用滑溜水進行攜砂完成。

圖2 加入粉砂壓力響應

加砂時，井筒容積通常40～50 m3，設計段塞長度小于一個井筒容積，估算為30 m3，產生壓力p1=40 MPa；同體積純液柱產生壓力p2=35 MPa；兩者對比差值為p1-p2=5 MPa；在井筒中流體摩阻按井深4 000 m計算，產生壓力p摩阻=16 MPa。

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

溝通天然裂縫時，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，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范圍3～7 MPa，段內每個段塞壓力波動范圍1.3～5 MPa，并且部分施工段整體壓力曲線響應呈下降趨勢。

大致能夠定性推測在頁巖氣壓裂中，層內壓裂改造某些時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改造都具有一定的效果，可以作為現場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雜程度等相關參數還需進一步分析才能獲得。

四、結論及建議

(1)排量變動，流體波動大，產生水擊，更易于造新縫。壓力峰值高，衰減快，裂縫更復雜。

(2)形成復雜縫網，儲層溝通性好，壓力降低快，當壓力脈沖通過縫網時會吸收更多的能量，水擊現象衰減更快。

(3)水擊效應中，當波動壓力值大于60 MPa，同時衰減時間小于30 s時，可以判定其形成了一定的復雜裂縫。

(4)國內頁巖氣儲層改造有效動用儲層厚度薄，有效裂縫半長、縱向改造還需要突破；頁巖氣儲層非均質性強，包括滲透率等參數，需要有針對性，精細壓裂改造。

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

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

(7)通常壓后分析，需要大量的時間與大量的數據為基礎，不能快速有效反饋給現場指揮，而此方法可以解決此問題。