◎陳守雨

頁巖氣井壓后試井分析與評(píng)價(jià)應(yīng)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(chǔ)層中制造具備有效滲流能力的改造體積，實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的改造工藝?，F(xiàn)場(chǎng)可通過壓裂過程中的實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測(cè)或壓后停泵壓降測(cè)試，對(duì)體積壓裂改造效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。事實(shí)上，實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測(cè)受到傳感器位置、噪聲點(diǎn)等因素影響，對(duì)壓裂裂縫特征描述可能失真；停泵壓降測(cè)試往往受到測(cè)試時(shí)間限制，解釋范圍較有限。通過試井手段對(duì)體積壓裂后頁巖氣井生產(chǎn)過程中流量和壓力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為改造效果評(píng)價(jià)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供更詳細(xì)、準(zhǔn)確的參數(shù)。與常規(guī)壓裂不同，體積壓裂以高排量、流體切換、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向等工藝手段克服地層脆性及應(yīng)力條件的限制，制造形態(tài)復(fù)雜的空間裂縫網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)主裂縫通道為中心點(diǎn)源流動(dòng)，從試井動(dòng)態(tài)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(zhì)若干數(shù)量級(jí)的有效滲透率，對(duì)改造體積進(jìn)行描述，對(duì)于評(píng)價(jià)體積壓裂效果和產(chǎn)能預(yù)測(cè)更具有實(shí)際意義。本文通過對(duì)四川威遠(yuǎn)頁巖氣井壓后生產(chǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行歷史擬合和長期產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

體積壓裂通過在致密頁巖內(nèi)建立有效的滲流通道，最大程度釋放儲(chǔ)層，對(duì)建立長期穩(wěn)定產(chǎn)能有著重要作用?，F(xiàn)階段，可以通過在壓裂過程中實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測(cè)，壓后停泵壓降測(cè)試，辨別、分析和評(píng)價(jià)體積壓裂改造效果。

然而，實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)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(huì)造成實(shí)時(shí)微地震解釋出現(xiàn)偏差。另外，微地震監(jiān)測(cè)記錄的是在壓裂過程中發(fā)生的巖體破裂事件和能量響應(yīng)，但很難高精度地分辨實(shí)際上具備有效導(dǎo)流的裂縫，微地震解釋改造體積往往遠(yuǎn)大于井控有效改造體積。壓裂施工停泵壓降測(cè)試雖然也是裂縫解釋的重要手段，但現(xiàn)場(chǎng)上受到測(cè)試時(shí)間較短的影響，記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)不足以描述壓力波在整個(gè)有效改造體積內(nèi)的傳播過程，定量描述裂縫系統(tǒng)形態(tài)有一定難度。

利用頁巖氣井壓后生產(chǎn)過程中的流量和測(cè)試壓力數(shù)據(jù)，通過試井分析手段能夠?qū)α黧w的滲流動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，識(shí)別水力壓裂產(chǎn)生的裂縫或裂縫系統(tǒng)的形態(tài)特征，定量評(píng)價(jià)裂縫的幾何參數(shù)、導(dǎo)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(píng)價(jià)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供更詳細(xì)、準(zhǔn)確的信息支撐。

基于傳統(tǒng)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(tài)描述上與頁巖氣體積壓裂所形成的裂縫系統(tǒng)差異較大，而且在生產(chǎn)過程中無法描述所觀察到的某些流場(chǎng)形態(tài)，在評(píng)價(jià)體積壓裂后有效的裂縫長度和改造體積內(nèi)的有效滲透率時(shí)，常出現(xiàn)較大偏差，產(chǎn)能預(yù)測(cè)與實(shí)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(wǎng)絡(luò)形態(tài)和預(yù)期改造效果，采用“較短有效裂縫半長+改造體積內(nèi)較高的有效滲透率”，對(duì)頁巖氣井體積壓裂的改造效果進(jìn)行分區(qū)描述，突出近井地帶的主裂縫通道形態(tài)，并利用平均有效滲透率概念，對(duì)中遠(yuǎn)井地帶由復(fù)雜、密集的裂縫系統(tǒng)切割破碎的壓裂體積的改造效果進(jìn)行等效描述，解決傳統(tǒng)長直平面縫模型不能描述改造體積內(nèi)部擬徑向流的問題，合理地評(píng)價(jià)體積壓裂對(duì)于改造體積內(nèi)部滲流能力改善的效果，提高產(chǎn)能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)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(chǔ)層形成空間上復(fù)雜交錯(cuò)的多級(jí)導(dǎo)流縫網(wǎng)系統(tǒng)（寬網(wǎng)裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)空間上對(duì)頁巖儲(chǔ)層充分破碎、切割，同時(shí)不同導(dǎo)流能力的裂縫組合，形成供給和輸送的合理匹配系統(tǒng)。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(nèi)凈壓力，在儲(chǔ)層可壓性允許的情況下將頁巖儲(chǔ)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(shí)兼顧沿井筒方向上裂縫網(wǎng)絡(luò)寬度的擴(kuò)展；不同粒徑支撐劑組合，著眼于支撐不同規(guī)模的裂縫，實(shí)現(xiàn)多級(jí)導(dǎo)流能力組合；實(shí)時(shí)使用可降解暫堵劑，降低濾失并實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)強(qiáng)制轉(zhuǎn)向，增加液體效率，增強(qiáng)裂縫系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

以四川威遠(yuǎn)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(jí)導(dǎo)流能力設(shè)計(jì)；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(xù)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(yuǎn)距離的處理效果；調(diào)整膠液注入時(shí)機(jī)和注入用量，保證裂縫高度延伸和平面上有效擴(kuò)展；實(shí)時(shí)加入可降解暫堵劑實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向。

A井寬網(wǎng)壓裂典型施工曲線如圖1所示。

體積壓裂后頁巖氣井流場(chǎng)分析

頁巖氣分段壓裂水平井在生產(chǎn)過程中，通過試井分析或長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)的流量重整壓力分析，可觀察到流場(chǎng)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(chǎng)演化可歸結(jié)為可能出現(xiàn)的流場(chǎng)序列：儲(chǔ)集效應(yīng)→裂縫內(nèi)線性流→雙線性流→地層線性流→改造體積邊界效應(yīng)流→改造體積外合成線性流→擬徑向流（橢圓流）+外邊界效應(yīng)。在試井診斷圖中，可通過導(dǎo)數(shù)曲線斜率變化來判別流場(chǎng)（圖2）。一般井儲(chǔ)效應(yīng)、裂縫內(nèi)線性流、雙線性流的出現(xiàn)需要早期測(cè)試數(shù)據(jù)的密度足夠大，或是流場(chǎng)持續(xù)時(shí)間足夠長。在儲(chǔ)集效應(yīng)后一般會(huì)出現(xiàn)一定的表皮效應(yīng)，且在裂縫線性流形成之前，理論上存在短時(shí)間的縫內(nèi)徑向流動(dòng)，但往往由于裂縫尺寸限制和導(dǎo)流能力較大等因素造成流場(chǎng)持續(xù)時(shí)間很短，以至于記錄的壓力響應(yīng)難以體現(xiàn)。所以，并不是所有流場(chǎng)都可被觀察到。

同時(shí)觀察到地層線性流和SRV邊界效應(yīng)流的情況下，利用重整壓力數(shù)據(jù)，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(chǎn)裂縫半長，ft; Vp為改造體積內(nèi)的孔隙體積，ft3; L為水平井段長，ft；?為儲(chǔ)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(shù)，無量綱；ct為綜合壓縮系數(shù)，1/psi；RNP為SRV邊界效應(yīng)流動(dòng)階段任意數(shù)據(jù)點(diǎn)的流量重整壓力，psi/(Mcf/d)；te為RNP對(duì)應(yīng)的物質(zhì)平衡時(shí)間，d。

式中，k為改造體積內(nèi)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(fā)生時(shí)間，d。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，在改造體積（SRV）內(nèi)部氣體才會(huì)發(fā)生有效流動(dòng)，而在改造體積外部（XRV），即使在很大的壓力梯度驅(qū)動(dòng)下也很難發(fā)生氣體流動(dòng)，因此頁巖氣井的改造體積邊界效應(yīng)往往是實(shí)際生產(chǎn)可觀察到的最終流場(chǎng)形態(tài)。另外，在地層線性流和改造體積邊界效應(yīng)流之間，有可能會(huì)出現(xiàn)圍繞各條裂縫的擬徑向流階段（圖3）。當(dāng)裂縫長度相對(duì)于裂縫間距小很多的時(shí)候，通常會(huì)發(fā)生擬徑向流階段，而且這種情況下后期所反映的邊界效應(yīng)很有可能并不是包含整個(gè)水平井段的連續(xù)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(guī)試井解釋手段（壓力恢復(fù)分析）很難觀察到頁巖氣井壓裂改造后的全部流場(chǎng)特征，一方面是有些流場(chǎng)特征受限于數(shù)據(jù)數(shù)量和數(shù)據(jù)密度而無法顯現(xiàn)，另一方面則是因?yàn)橛行B透率量級(jí)過低，導(dǎo)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(cuò)綜復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)帶，裂縫在各個(gè)方向上的長度、密度、導(dǎo)流能力、寬度等，與地層非均質(zhì)性、壓裂施工控制等有關(guān)，很難具體針對(duì)裂縫系統(tǒng)中各條裂縫分支進(jìn)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(chǔ)層往往會(huì)有以下幾種類型的孔隙空間：支撐裂縫、無支撐裂縫和有機(jī)孔，且支撐裂縫和無支撐裂縫在尺寸和導(dǎo)流能力上差距較大，因此，利用三重孔隙介質(zhì)模型（圖4）描述的方法比較可行。其無量綱滲流方程可表達(dá)為：

事實(shí)上，由微裂縫（包括在壓裂過程中產(chǎn)生的分支縫和開啟的天然裂縫）連通的有機(jī)孔與微裂縫之間的流動(dòng)并未如常規(guī)雙孔介質(zhì)竄流明顯，且相對(duì)于有支撐的主干裂縫，其滲透能力都遠(yuǎn)小于主干裂縫，其竄流特征很有可能由于滲透能力級(jí)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(chǔ)層物性分析和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的需要。

體積壓裂在近井地帶應(yīng)盡量避免大規(guī)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(jìn)水力裂縫延伸，但是流體進(jìn)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(yùn)移至遠(yuǎn)井相對(duì)難度更大，因此遠(yuǎn)井地帶可能失去裂縫主干形態(tài)，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(tài)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(nèi)(圖5)。

圖5可能出現(xiàn)的流場(chǎng)序列包括：儲(chǔ)集效應(yīng)→裂縫內(nèi)線性流→雙線性流→地層線性流→環(huán)裂縫擬徑向流→改造體積邊界效應(yīng)流，其特征可從試井分析或長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǔ)層模型與其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)形態(tài)（線性流+環(huán)主裂縫擬徑向流），利用擬徑向流階段數(shù)據(jù)，可以計(jì)算改造體積內(nèi)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(jīng)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(nèi)平均有效滲透率，md；xf為主干裂縫半長，ft; qg是氣體產(chǎn)量，Mcf/d；為平均氣體粘度，cp；為儲(chǔ)層平均孔隙度，無量綱；Bg為平均氣體體積系數(shù)，無量綱；h為裂縫高度，ft；mL為線性流動(dòng)診斷曲線斜率，對(duì)于壓降測(cè)試，mL為井底流壓pwf與t1/2作圖的斜率，對(duì)于壓力恢復(fù)測(cè)試，mL為關(guān)井壓力pws與Agarwal等效時(shí)間的平方根te1/2作圖的斜率。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

四川威遠(yuǎn)頁巖氣A井，水平段穿行層位為龍馬溪組底，完鉆垂深3555m，測(cè)深5455m，水平段長度1562.3m。該井主體工藝為寬網(wǎng)體積壓裂，單段長度75～120m，共射孔（不含第一段觸發(fā)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(jìn)行了實(shí)時(shí)井下微地震監(jiān)測(cè)，從微地震事件點(diǎn)的分布形態(tài)可以部分佐證體積縫的形成（圖9）；從壓后停泵壓降測(cè)試G函數(shù)疊加導(dǎo)數(shù)分析來看（圖10），多點(diǎn)起裂確實(shí)發(fā)生，且裂縫體積較大，驗(yàn)證了復(fù)雜縫網(wǎng)的形成。

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

對(duì)A井從2014年12月17日見氣，至2015年2月14日關(guān)井前，累計(jì)產(chǎn)氣350萬方。主體返排階段后，產(chǎn)量約12萬方/天，井口套壓降幅18MPa， 配產(chǎn)9.5萬方/天，持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)直至關(guān)井。關(guān)井550小時(shí)后重新開井，套壓降落明顯（降幅26.8MPa），但氣產(chǎn)量極低，在壓力重新恢復(fù)過程中再次采取關(guān)井，記錄終止時(shí)井口復(fù)壓至46.9MPa（圖12）。

對(duì)該井的第一個(gè)關(guān)井壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行試井分析，在雙對(duì)數(shù)診斷曲線上出現(xiàn)線性流+徑向流的特征流場(chǎng)（圖13）。根據(jù)體積壓裂頁巖氣水平井模型，連續(xù)出現(xiàn)的線性流+（擬）徑向流的流場(chǎng)序列對(duì)應(yīng)于圖6中的地層線性流和環(huán)近井主縫段徑向流。在建立試井分析模型時(shí)，采用流量均分法來考慮單條裂縫的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，同時(shí)考慮近井地帶的主裂縫通道相對(duì)于周圍儲(chǔ)層具備更高的滲透能力，而遠(yuǎn)井地帶裂縫形態(tài)復(fù)雜化且導(dǎo)流能力相對(duì)較低，可將儲(chǔ)層視作被均勻破碎達(dá)到體積改造，利用較短的主裂縫（半）長和高于頁巖基質(zhì)的有效滲透率進(jìn)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(duì)數(shù)診斷曲線中未觀察到邊界效應(yīng)流（對(duì)于壓恢測(cè)試表現(xiàn)為導(dǎo)數(shù)曲線急劇下落），故無法判定實(shí)際的井控改造體積。

擬合得到的裂縫半長僅為10m，與常規(guī)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(shù)代表著在近井地帶10m的范圍以高導(dǎo)流的支撐裂縫主通道，該通道的滲流能力相對(duì)地遠(yuǎn)大于其橫向上的儲(chǔ)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(shè)計(jì)理念相對(duì)應(yīng)；而在遠(yuǎn)井地帶，無論是高排量、大規(guī)模的滑溜水注入還是縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝，均以制造復(fù)雜縫網(wǎng)、達(dá)到整體體積壓裂效果為主?？紤]到遠(yuǎn)井地帶由于濾失、分流造成的凈壓力擴(kuò)散，裂縫開度相對(duì)較小，支撐效果受到影響，所以遠(yuǎn)井地帶滲流能力相對(duì)較低但分布較均勻。從試井分析解釋的有效滲透率量級(jí)看，相較于未改造的頁巖基質(zhì)滲透率（10～10至10～7md）已有若干數(shù)量級(jí)的激增，形成了在現(xiàn)有地層壓力驅(qū)動(dòng)條件下進(jìn)行有效滲流的條件，說明寬網(wǎng)體積壓裂對(duì)該井頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行了有效改造。

假設(shè)A井有效改造體積范圍可達(dá)到與鄰井間距的一半（200m），利用擬合模型參數(shù)進(jìn)行5年產(chǎn)能動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，天然氣累產(chǎn)可達(dá)7300萬m3。

結(jié)論與認(rèn)識(shí)

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(yōu)質(zhì)頁巖層中充分破碎巖體、制造復(fù)雜縫網(wǎng)體系形成有效體積改造，而非通過多條平面縫密切割進(jìn)行儲(chǔ)量控制。

2）實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測(cè)和停泵壓降測(cè)試分析均是評(píng)價(jià)體積壓裂效果的手段，但利用生產(chǎn)過程中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行試井分析，可提供更詳細(xì)的解釋結(jié)果。

3）體積壓裂在近井地帶以高導(dǎo)流主干裂縫為改造特征，中遠(yuǎn)井地帶主要以復(fù)雜裂縫系統(tǒng)破碎儲(chǔ)層，儲(chǔ)層改造程度相對(duì)均勻。

4）寬網(wǎng)體積壓裂頁巖氣井在試井分析動(dòng)態(tài)上以線性流+（擬）徑向流的流場(chǎng)序列為特征。

5）利用較小的裂縫有效半長結(jié)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(fù)雜的三孔介質(zhì)模型更加貼合實(shí)際。

（作者單位：四川合能正通石油化工有限公司）