基于初次壓裂地質(zhì)工程條件及改造效果的頁巖氣井重復(fù)壓裂選井模型

任千秋 林然 趙金洲 吳建發(fā) 宋毅

1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室；2. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

我國頁巖氣開發(fā)不斷向深層超深層邁進(jìn)［1］，但部分中淺層頁巖氣老井由于儲層條件、壓裂工藝、完井工藝等因素造成壓后效果不佳、產(chǎn)量遞減快，這些老井亟需通過重復(fù)壓裂提升產(chǎn)量［2］。重復(fù)壓裂是提升頁巖氣老井與低產(chǎn)井產(chǎn)能的重要技術(shù)，而選取合理的重復(fù)壓裂井是重復(fù)壓裂施工成功的關(guān)鍵一步［3］。

國內(nèi)外學(xué)者對頁巖氣重復(fù)壓裂選井進(jìn)行了大量研究。Sinha 等［4］定義“完井指數(shù)”，通過生產(chǎn)動態(tài)和完井?dāng)?shù)據(jù)分析，進(jìn)行頁巖氣水平井重復(fù)壓裂選井。Brady 等［5］在考慮生產(chǎn)動態(tài)基礎(chǔ)上加入當(dāng)前泄油面積、壓力衰減及經(jīng)濟(jì)效益等因素進(jìn)行重復(fù)壓裂候選井的優(yōu)選。Aniemena 等［6］定義增產(chǎn)指數(shù)與相對增產(chǎn)指數(shù)進(jìn)行重復(fù)壓裂候選井優(yōu)選。Asala 等［7］根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、t 分布隨機(jī)近鄰嵌入圖和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價的聯(lián)合結(jié)果，考慮儲層地質(zhì)條件及初次壓裂改造效果來優(yōu)選重復(fù)壓裂井。Ibá?ez 等［8］考慮應(yīng)力重定向和裂縫相互作用，使用無量綱圖表法，將數(shù)字決策工作流與模擬工作流結(jié)合起來進(jìn)行重復(fù)壓裂候選井優(yōu)選；崔靜等［2］引入了多孔彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)向系數(shù)、單位壓降產(chǎn)量與壓力系數(shù)等評價指標(biāo)，建立了頁巖氣井適用性較強(qiáng)的重復(fù)壓裂選井評價模型。

目前，重復(fù)壓裂選井方法主要考慮改造效果、地質(zhì)條件及壓裂施工參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在設(shè)計重復(fù)壓裂選井方法時，通常只考慮其中1～2 類因素，并未將3 類因素同時考慮，以至于重復(fù)壓裂候選井優(yōu)選結(jié)果不精準(zhǔn)。本文將同時考慮初次壓裂時儲層地質(zhì)條件、壓裂施工參數(shù)以及改造效果，建立頁巖氣井重復(fù)壓裂選井模型，并通過川南頁巖氣區(qū)塊6 口老井的優(yōu)選對模型進(jìn)行驗證。

1 頁巖氣井重復(fù)壓裂選井模型

1.1 選井評價指標(biāo)

選取5 項影響重復(fù)壓裂效果的核心評價指標(biāo)，其中“水平應(yīng)力差異系數(shù)”、“頁巖氣儲層評價指數(shù)”用于反映重復(fù)壓裂候選井的地質(zhì)特征，“單井用液指數(shù)”、“單井支撐劑用量指數(shù)”用于反映重復(fù)壓裂候選井在初次壓裂時的工程特征，“初次壓裂儲層改造體積比”用于反映重復(fù)壓裂候選井在初次壓裂時的地質(zhì)工程綜合特征。地質(zhì)特征是儲層固有性質(zhì)，很難通過人工干預(yù)對其進(jìn)行提升，所以重復(fù)壓裂井需同時滿足評價地質(zhì)特征的兩項指標(biāo)；工程特征可以通過技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)行改善，重復(fù)壓裂候選井在不滿足其中一項指標(biāo)時，若滿足地質(zhì)工程綜合特征評價指標(biāo)，也可以作為重復(fù)壓裂目標(biāo)井。

1.1.1 水平應(yīng)力差異系數(shù)

水平主應(yīng)力差不僅決定天然裂縫能否張開形成有效裂縫，也是影響巖石破裂后能否形成縫網(wǎng)的重要因素［9］。實際壓裂施工中，裂縫的高度受最小水平主應(yīng)力的影響，且水平應(yīng)力差越小，越有利于形成網(wǎng)狀裂縫。本文采用水平應(yīng)力差異系數(shù)評價初次壓裂時在儲層中形成復(fù)雜縫網(wǎng)程度。根據(jù)川南某區(qū)五峰組-龍馬溪組形成縫網(wǎng)的水平應(yīng)力差條件，水平應(yīng)力差異系數(shù)小于0.2 時，巖石中易形成復(fù)雜的縫網(wǎng)［10-11］。水平應(yīng)力差計算公式為

式中，Kh為水平應(yīng)力差異系數(shù)；σhmax、σhmin為最大和最小水平主應(yīng)力，MPa。

1.1.2 頁巖氣儲層評價指數(shù)

有機(jī)碳含量、孔隙度、總含氣量以及脆性指數(shù)是頁巖氣儲層品質(zhì)綜合評價的關(guān)鍵參數(shù)［11］。在裂縫溝通到更多的儲層基質(zhì)時，需要良好的儲層基質(zhì)提供豐富的頁巖氣以達(dá)到理想的產(chǎn)能。采用頁巖氣儲層評價指數(shù)綜合評價頁巖氣藏的品質(zhì)。將有機(jī)碳含量、孔隙度、總含氣量以及脆性指數(shù)歸一化處理后計算頁巖氣儲層評價指數(shù)。

式中，λi為儲層各參數(shù)歸一化后的數(shù)值，無因次；ximax、ximin分別為候選井所在壓裂平臺所有井的儲層參數(shù)最大值與最小值；xi為候選井儲層各參數(shù)值；RQ為頁巖氣儲層評價指數(shù)，無因次；n為考慮的儲層參數(shù)數(shù)量，n=4；ωi為各儲層參數(shù)權(quán)重，由于頁巖氣儲層總有機(jī)碳含量和含氣量不能通過人為改造得到提升，而孔隙度和脆性指數(shù)可以通過技術(shù)上的突破進(jìn)行提高，所以本文中總有機(jī)碳含量和含氣量所占權(quán)重分別為0.3，而孔隙度和脆性指數(shù)所占權(quán)重分別為0.2。

1.1.3 單井用液指數(shù)

對頁巖氣井來說，壓裂施工中，用液強(qiáng)度越高最終采收率越高，改造效果越好［12］。施工排量高，支撐劑在裂縫中的垂直沉降時間大于其水平運(yùn)移時間，使得支撐劑能夠鋪置更遠(yuǎn)的距離，且在復(fù)雜裂縫中，高施工排量能夠使支撐劑進(jìn)入更多的次級裂縫，使次級裂縫成為有效的頁巖氣流動通道［13］。本文中構(gòu)建單井用液指數(shù)，通過繪制單段用液強(qiáng)度與單段最高施工排量的綜合圖，確定低于目標(biāo)區(qū)塊當(dāng)前壓裂施工技術(shù)的用液強(qiáng)度、排量的井段數(shù)量，計算單井用液指數(shù)。

式中，Sf為單段用液強(qiáng)度，m3/m；W為單段用液量，m3；L為單段長度，m；ξWq為用液評價指數(shù)，無因次；NWq為單段用液強(qiáng)度及排量滿足重復(fù)壓裂需求段數(shù)；N為候選井段數(shù)。

1.1.4 單井支撐劑用量指數(shù)

支撐劑用量是頁巖氣壓裂的核心因素，只有支撐劑進(jìn)入地層并實現(xiàn)有效支撐，才能夠提供有效導(dǎo)流通道。大量現(xiàn)場實踐表明，加砂強(qiáng)度越大，產(chǎn)氣量越高，說明人工裂縫支撐效果越好［12,14］。壓裂施工中，砂比是十分關(guān)鍵的施工參數(shù)，在合理范圍內(nèi)，砂比越高，復(fù)雜裂縫的支撐效果越好，但砂比過高會導(dǎo)致縫口懸浮態(tài)支撐劑擾動效應(yīng)增強(qiáng)，動能降低，不利于裂縫深處的鋪砂，甚至?xí)l(fā)生砂堵［13,15］，所以重復(fù)壓裂井初次壓裂施工時的砂比應(yīng)在合理的范圍外。本文中構(gòu)建單井支撐劑用量指數(shù)概念，通過繪制單段加砂強(qiáng)度與砂比綜合圖，確定低于當(dāng)前壓裂施工技術(shù)的加砂強(qiáng)度并且滿足一定砂比范圍要求的井段數(shù)量，計算單井支撐劑用量評價指數(shù)。

式中，Sp為加砂強(qiáng)度，kg/m；Wp為支撐劑質(zhì)量，kg；Sr為砂比，%；Vp為單段支撐劑體積，m3；WpL為單段攜砂液量，m3；ξp為支撐劑用量評價指數(shù)，無因次；Np為滿足支撐劑用量指標(biāo)段數(shù)。

1.1.5 初次壓裂儲層改造體積比

儲層改造體積能夠綜合反映儲層的地質(zhì)工程條件以及壓裂施工效果，是評價儲層初次壓裂改造效果的重要參數(shù)［16］，可作為重復(fù)壓裂井優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)。國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗表明，儲層改造體積越大，頁巖氣產(chǎn)量越高。基于微地震監(jiān)測可以得到儲層增產(chǎn)改造體積。引入初次壓裂儲層改造體積比評價初次壓裂效果，對于初次壓裂儲層改造體積比小于0.5 的井，可以進(jìn)行重復(fù)壓裂［17］。

式中，ηSRV為初次壓裂儲層改造體積比，無因次；VSRV為初次壓裂儲層改造體積，m3；Hw為井間距，m；Hg為儲層厚度(定義為A 靶點(diǎn)與上一地層的垂厚)，m；Hh為水平段長，m。

1.2 選井評價模型

綜合考慮初次壓裂時儲層地質(zhì)條件、施工參數(shù)以及初次壓裂改造效果，建立適合目標(biāo)區(qū)塊的重復(fù)壓裂選井模型。首先，找到符合初次壓裂時儲層地質(zhì)條件的候選井，要求候選井儲層水平應(yīng)力差異系數(shù)較小，頁巖氣儲層評價指數(shù)較高；其次，找到滿足初次壓裂施工參數(shù)條件的候選井作為重復(fù)壓裂井，在重復(fù)壓裂時，需要再次下入井下作業(yè)工具，若滿足單段用液強(qiáng)度與單段最高施工排量的井段數(shù)量或者滿足單段加砂強(qiáng)度與砂比的井段數(shù)量不足頁巖氣水平井井段數(shù)量一半，則沒有重復(fù)壓裂的必要，所以要求單井用液指數(shù)及單井支撐劑用量指數(shù)均大于0.5，若單井用液指數(shù)小于0.5，則選取初次壓裂儲層改造體積指數(shù)低于0.5、單井支撐劑用量指數(shù)大于0.5 的候選井作為重復(fù)壓裂井。重復(fù)壓裂選井評價模型流程見圖1(其中m、l需要根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊的地層性質(zhì)確定)。

圖1 重復(fù)壓裂選井評價模型流程Fig. 1 Workflow of evaluation model for refracturing candidate well selection

2 案例分析

通過調(diào)研川南某頁巖氣區(qū)塊壓裂相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗［9-11］，該區(qū)塊應(yīng)力差異系數(shù)Kh小于0.2(m=0.2)、頁巖氣儲層評價指數(shù)RQ大于0.6(l=0.6)的重復(fù)壓裂候選井具有重復(fù)壓裂價值。當(dāng)前壓裂施工技術(shù)條件下，加砂強(qiáng)度2.0～2.5 t/m、用液強(qiáng)度介于30～35 m3/m、施工排量約16 m3時，能夠得到更高的產(chǎn)量，砂比介于10%～20%時能在增加裂縫中的支撐劑濃度的同時降低施工成本，故初次壓裂施工未滿足上述施工條件的候選井具有重復(fù)壓裂價值［14,18-19］。

2.1 候選井概況

選取川南某頁巖氣區(qū)塊H5 平臺上半支及H7 平臺下半支的6 口頁巖氣井，從圖2 日產(chǎn)氣動態(tài)曲線可以看出，6 口井的日產(chǎn)氣量在壓后投產(chǎn)初期快速上升，在達(dá)到峰值后的一年內(nèi)迅速下降。短期日產(chǎn)氣量上升是由于頁巖氣井在投產(chǎn)初期為帶液生產(chǎn)，返排液對氣井產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響［20］。日產(chǎn)氣量的迅速下降則可能因為頁巖中的黏土礦物含量較高易水化膨脹堵塞通道，頁巖表面的毛細(xì)管力增加頁巖氣流動阻力以及生產(chǎn)壓差過小導(dǎo)致井眼附近液相揮發(fā)速度較慢造成水鎖堵塞滲流通道［21］。無論是哪種原因，都可以通過重復(fù)壓裂疏通頁巖氣在儲層中的流動通道，溝通更多的天然裂縫再次提升頁巖氣產(chǎn)量，但不是所有老井都適合重復(fù)壓裂，需要在這6 口井中優(yōu)選出重復(fù)壓裂目標(biāo)井。表1 為6 口井初次壓裂時的儲層參數(shù)和儲層改造體積參數(shù)，圖3、圖4 分別為6 口井初次壓裂施工時的用液強(qiáng)度與排量散點(diǎn)圖、加砂強(qiáng)度與砂比散點(diǎn)圖。

表1 重復(fù)壓裂候選井儲層參數(shù)和儲層改造體積參數(shù)Table 1 Reservoir and SRV parameters of candidate wells for refracturing

圖2 候選井生產(chǎn)動態(tài)曲線Fig. 2 Production performance of the candidate well

圖3 候選井初次壓裂各段用液強(qiáng)度及最高施工排量Fig. 3 Liquid injection intensity and maximum pump rates of each stage during primary fracturing of candidate wells

圖4 候選井初次壓裂各段加砂強(qiáng)度及砂比Fig. 4 Proppant injection intensity and concentrations of each stage during primary fracturing of candidate wells

2.2 評價結(jié)果與分析

根據(jù)重復(fù)壓裂候選井的數(shù)據(jù)以及重復(fù)壓裂選井模型中的參數(shù)計算公式，得到選井模型中各項評價指數(shù)見表2。將各項評價指數(shù)代入到本文重復(fù)壓裂選井模型，進(jìn)行重復(fù)壓裂選井評價。H5-5、H7-3 井因其水平應(yīng)力差異系數(shù)大于0.2，即使進(jìn)行重復(fù)壓裂，縫網(wǎng)建造仍難以取得理想成效，不作為重復(fù)壓裂目標(biāo)井；H7-2 井因單井支撐劑用量指數(shù)過小，進(jìn)行重復(fù)壓裂仍難以在裂縫中取得理想的導(dǎo)流效果，不作為重復(fù)壓裂目標(biāo)井；H5-4、H5-6、H7-1 井各項評價指數(shù)均滿足條件，可作為重復(fù)壓裂目標(biāo)井。

表2 重復(fù)壓裂候選井評價指數(shù)Table 2 Evaluation indexes of candidate wells for refracturing

從圖5 中看出H5-4、H5-6 井的產(chǎn)量與H5-5 井的產(chǎn)量相差較大；H7-1 井相較于同平臺其他井的產(chǎn)量，差距過大。壓后產(chǎn)能較高的頁巖氣井反映了其儲層地質(zhì)條件優(yōu)秀并且初次壓裂施工成效顯著，而造成頁巖氣井壓后產(chǎn)能低的原因有很多，通過本文的重復(fù)壓裂選井模型優(yōu)選出H5-4、H5-6、H7-1 井，說明H5-4、H5-6、H7-1 井產(chǎn)能低的原因是在良好的儲層地質(zhì)條件下并沒有得到有效的儲層改造，因此具有重復(fù)壓裂價值。

圖5 H5 平臺下半支及H7 平臺初次壓裂后測試產(chǎn)量Fig. 5 Testing production of the lower-half of Platform H5 and Platform H7 after primary fracturing

3 結(jié)論

(1)本文建立的頁巖氣井重復(fù)壓裂選井模型，可以快速準(zhǔn)確地對重復(fù)壓裂候選井進(jìn)行優(yōu)選。

(2)基于初次壓裂時地質(zhì)條件、施工參數(shù)及儲層改造效果，對川南長寧頁巖氣區(qū)塊的6 口頁巖氣井進(jìn)行重復(fù)壓裂選井，優(yōu)選出H5-4、H5-6、H7-1 井作為重復(fù)壓裂目標(biāo)井，目標(biāo)井在初次壓裂后的產(chǎn)能較低，說明本文建立的模型能夠有效地優(yōu)選頁巖氣重復(fù)壓裂井。但本模型未考慮初次壓裂對儲層的影響。

(3)本模型可在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行重復(fù)壓裂候選井優(yōu)選，同時本模型可以在獲取其他頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)工程參數(shù)后推廣應(yīng)用到新的頁巖氣區(qū)塊。下一步對頁巖氣重復(fù)壓裂候選井優(yōu)選研究中，將考慮初次壓裂后頁巖氣儲層地應(yīng)力變化。