基于頁巖氣井壓后返排液氯離子分析的壓后效果評價

周小金, 張錦濤, 苑術(shù)生, 陽 星, 段希宇, 楊昕睿, 王雨莎

(1中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 2頁巖氣評價與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗室 3中國石油西南油氣田公司 4中國石油川慶鉆探公司試修公司)

水平井分段壓裂是頁巖氣商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有頁巖氣開發(fā)模式下，為形成復(fù)雜縫網(wǎng)和增大儲層改造體積(SRV)，常采用大排量、大液量、大砂量、分簇射孔壓裂工藝。壓裂完成后，關(guān)井?dāng)?shù)天(又稱“燜井”)開始放噴排液，頁巖氣井壓裂將數(shù)萬立方米的壓裂液注入儲層，壓裂液的返排動態(tài)可表征儲層壓后的裂縫形態(tài)，是影響頁巖氣井壓后產(chǎn)能效果的重要因素。因此，明確壓后返排液在儲層中的賦存特征、分布狀態(tài)、返排特征及其對產(chǎn)能的影響規(guī)律具有重要的實(shí)踐意義[1]。

關(guān)于頁巖氣井返排特征的研究較少，張濤等[1]以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了頁巖氣井早期生產(chǎn)返排特征，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，研究了關(guān)井持續(xù)時間、生產(chǎn)制度對頁巖氣井返排率和產(chǎn)能的影響。劉斌等[2]通過對涪陵地區(qū)頁巖氣井壓后返排規(guī)律的分析研究，提出了該區(qū)的壓后返排特點(diǎn)。張孝玉[3]開展了建頁HF-1井壓裂及返排效果分析。才博等[4]基于儲層基質(zhì)與壓裂液存在的離子交換現(xiàn)象，建立了體積改造后返排液飽和度分布模型，分析了返排液中鹽濃度與裂縫復(fù)雜程度間的關(guān)系。陳守雨等[5]從頁巖氣井壓后壓裂液流動機(jī)理出發(fā)，討論了壓裂液分布區(qū)域和分布特征，分析了壓裂液在裂縫和地層中的滯留機(jī)理。劉乃震等[6]研究了天然裂縫間距、裂縫導(dǎo)流能力、壓裂規(guī)模、壓力系數(shù)和關(guān)井時間對返排的影響規(guī)律，分析了頁巖氣井壓后返排困難的原因。李莉[7]等采用巖心驅(qū)替的實(shí)驗方法，研究了滑溜水浸泡后對黏土組分和儲層物性的影響。倪杰[8]等對儲層層理特征、礦物組成、相對滲透率、毛管力、裂縫應(yīng)力敏感、壓裂液性能等對頁巖氣井返排規(guī)律進(jìn)行了分析。劉飛等[9]對頁巖氣井壓后返排特征進(jìn)行了剖析，形成了適合長寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊的連續(xù)排采制度。謝奎等[10]對威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣井排采出砂工藝進(jìn)行了分析。

一、壓裂液返排率對頁巖氣井產(chǎn)能的影響

頁巖氣壓裂以裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大，儲層流體從基質(zhì)流到裂縫的距離最短，基質(zhì)中流體向裂縫滲流所需壓差最小為目標(biāo)，以 “打碎”儲層，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫為改造理念。雖然大量壓裂液被注入儲層，但統(tǒng)計表明頁巖氣井壓后返排率普遍較低，“燜井”是壓裂液與頁巖儲層離子交換的過程，“燜井”時間越長，壓裂液與儲層離子交換越充分。

頁巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，不同區(qū)塊具有不同的返排特征，為統(tǒng)一對比，常采用30 d返排率作為對比指標(biāo)。30 d返排率可作為儲層裂縫復(fù)雜程度的表征指標(biāo)，裂縫復(fù)雜程度越高，則儲層細(xì)微裂縫越發(fā)育，次級裂縫占比越高，壓裂液在裂縫中受毛細(xì)管力越大，壓裂液流動所需的驅(qū)替壓力越高，越不容易返排出地層，從而出現(xiàn)返排率越低且壓后效果越好的現(xiàn)象。長寧、威遠(yuǎn)(W202、W204井區(qū))地區(qū)統(tǒng)計表明，30 d返排率越高地區(qū)，首年井均日產(chǎn)越低，如圖1。

圖1 返排率與測試日產(chǎn)關(guān)系圖

長寧區(qū)塊壓后“燜井”3～5 d，開井初期采用?3 mm油嘴排液，后期逐級放大油嘴，確保排液制度相對穩(wěn)定和排液連續(xù)。該區(qū)具有見氣時間早、返排率低的特征，2017年以前投產(chǎn)井返排率在6%～59.7%，平均29.65%，日返排率初期較高，在0.2%～1.3%，20～50 d后日返排率迅速遞減到0.08%以下。氣井最高產(chǎn)氣量出現(xiàn)時返排率在5%～30%，初期高產(chǎn)井30 d平均返排率15%。

二、返排液氯離子濃度對產(chǎn)能的評價

地層水多為NaHCO3型和CaCl2型，且儲層埋藏越深，CaCl2型可能性越大。現(xiàn)有頁巖氣開發(fā)儲層屬海相沉積環(huán)境，成巖過程中隨著埋深及溫度的增加，泥頁巖不斷被壓實(shí)，泥頁巖中的水被擠壓出巖層，細(xì)微孔隙中的水分被蒸發(fā)，導(dǎo)致頁巖儲層礦物鹽含量高，且以CaCl2為主。

目前頁巖氣壓裂液主體采用清水配制，部分井采用返排液與清水混合配制，壓裂液中氯離子濃度較地層原始礦化度存在一定差異。即壓后裂縫系統(tǒng)與頁巖基質(zhì)系統(tǒng)存在一定的滲透壓差，驅(qū)動縫內(nèi)流體進(jìn)入基質(zhì)系統(tǒng)，裂縫壁面則類似半滲透膜發(fā)生滲吸現(xiàn)象。隨著“燜井”時間的延長，裂縫壁面與基質(zhì)系統(tǒng)氯離子濃度逐漸趨于平衡。在裂縫系統(tǒng)中，越靠近裂縫壁表面離子濃度越高，從而發(fā)生離子擴(kuò)散以降低裂縫系統(tǒng)內(nèi)的離子濃度差異。針對縫寬較寬的裂縫系統(tǒng)，靠近裂縫壁面的壓裂液與基質(zhì)通過滲吸作用進(jìn)行離子交換，同時與分支裂縫發(fā)生離子擴(kuò)散。因此，儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越復(fù)雜，壓裂液與儲層接觸面積越大，離子交換速度越快，在相同“燜井”時間的條件下，離子交換越充分。故可通過返排液氯離子濃度變化表征裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜程度。

1.返排期間氯離子濃度經(jīng)歷3個區(qū)域

頁巖氣井返排是壓力逐漸由井底波及至裂縫遠(yuǎn)端、頁巖基質(zhì)的一個過程。即逐級放大油嘴排液制度下，基質(zhì)中的返排液流向細(xì)微裂縫再到主裂縫，最后流向井筒并返排出井口。

“燜井”在壓后返排期間，氯離子濃度可分為3個明顯區(qū)域：①快速上漲區(qū)；②緩慢上漲區(qū)；③趨于平穩(wěn)區(qū)(如圖2)。三個區(qū)域分別反映了返排過程，先返排出井筒、主裂縫內(nèi)的壓裂液，后返排出次級裂縫內(nèi)的壓裂液，最后返排出微裂縫內(nèi)壓裂液的過程。氯離子濃度的變化，反映了返排期間壓裂液從多尺度裂縫系統(tǒng)回流的過程。

圖2 四川某頁巖氣井壓后返排液氯離子變化曲線

同種返排制度下，各區(qū)域持續(xù)時間長短反映多尺度裂縫間差異，持續(xù)時間越短，說明該級裂縫與下一級裂縫尺度差異相對較小，即裂縫復(fù)雜程度越高，壓后改造效果越好。在改造效果非常好或采用返排液與清水混合配液時，可能導(dǎo)致相鄰區(qū)域變化不明顯或消失，但仍可開展鄰井對比。

2.鄰井返排液氯離子變化規(guī)律趨于一致

同區(qū)塊、同平臺具有基本相同的沉積環(huán)境，因而地層水礦化度相近，采用同種壓裂液配液原料、同種壓裂工藝以及相似的壓后返排制度條件下，相鄰井具有一致的返排液氯離子濃度變化規(guī)律(如圖3)。受儲層非均值性影響仍具有微小差異，如圖3ZGX1、ZGX2井分別為自貢地區(qū)兩口頁巖氣水平井，通過返排曲線可見ZGX1井各階段持續(xù)時間少于ZGX2井(t1

圖3 自貢區(qū)塊某2口頁巖氣井壓裂返排液氯離子濃度變化曲線

同平臺井在地質(zhì)條件相當(dāng)?shù)臈l件下，可通過氯離子變化判定氣井壓裂效果，如圖4所示，CNX1平臺共3口井，CNX1-1/2井先壓裂，采用清水配制滑溜水，CNX1-3井采用CNX1-1/2井返排液與清水混合配制滑溜水。返排曲線表明，采用返排液配制壓裂液壓裂井壓后返排液初期氯離子濃度更高，對CNX1-3井氯離子數(shù)據(jù)進(jìn)行減掉初期差值處理，3口井氯離子濃度變化趨于一致。

圖4 CNX1平臺氯離子返排曲線圖

3.氣井最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)在氯離子濃度趨于穩(wěn)定區(qū)域

隨著頁巖氣井返排液氯離子濃度變化進(jìn)入?yún)^(qū)域③，井底壓力波及至細(xì)微裂縫及基質(zhì)，燜井期間聚集于細(xì)微裂縫中的氣體得以被驅(qū)替進(jìn)入主裂縫，隨之進(jìn)入井筒產(chǎn)出地面。此時為頁巖氣人工氣藏最大供氣能力和氣井最高產(chǎn)量(如圖5)，在合理的生產(chǎn)制度下，氣體通常不會在井底滯留，即氯離子變化區(qū)域③表征了頁巖氣井的最大生產(chǎn)能力。因此可通過井口返排液氯離子濃度變化反應(yīng)氣井生產(chǎn)能力，為頁巖氣井后續(xù)生產(chǎn)提供參考。

圖5 CNX1-1井排采曲線

三、結(jié)束語

(1)壓裂返排液氯離子濃度變化分為3個區(qū)域：①快速上漲區(qū)、②緩慢上漲區(qū)、③趨于平穩(wěn)區(qū)。

(2)同區(qū)塊、同平臺相鄰井，在相同壓裂工藝及返排制度下，返排液氯離子濃度變化趨勢趨于一致。

(3)頁巖氣井返排率越低，返排期間氯離子濃度變化幅度越小，即區(qū)域①、②延續(xù)時間越短，裂縫復(fù)雜程度越高，壓裂改造效果越好。

(4)頁巖氣井最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)在返排液氯離子濃度趨于穩(wěn)定區(qū)域。