張逸群， 余劉應(yīng)， 張國鋒

(1.油氣資源與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司特種作業(yè)事業(yè)部，北京 100020；3.中石化江漢石油工程有限公司，湖北武漢 430223)

基于微注入壓降測試的頁巖氣儲層快速評價方法

張逸群1， 余劉應(yīng)2， 張國鋒3

(1.油氣資源與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司特種作業(yè)事業(yè)部，北京 100020；3.中石化江漢石油工程有限公司，湖北武漢 430223)

頁巖氣儲層滲透率非常低，采用常規(guī)壓力恢復(fù)測試方法評價儲層時需要很長時間才能探測到徑向流動，導(dǎo)致效率非常低，而微注入壓降測試方法可以使頁巖氣儲層在較短時間內(nèi)出現(xiàn)擬徑向流，從而實(shí)現(xiàn)儲層的快速評價。在分析微注入壓降測試方法快速評價頁巖氣儲層原理的基礎(chǔ)上，針對涪陵頁巖氣儲層特點(diǎn)，從設(shè)備選擇、注入排量、總注入量和注入液體選擇等方面對微注入壓降測試施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涪陵頁巖氣田可以采用150～500 L/min排量注入清水進(jìn)行微注入壓降測試，待地層破裂后再持續(xù)泵注10～30 min，注入總量控制在5～15 m3，就可以獲得較好的測試結(jié)果。采用微注入壓降測試方法對涪陵頁巖氣田6口頁巖氣井儲層進(jìn)行了評價，通過對壓降測試曲線進(jìn)行G函數(shù)分析獲得了原始地層壓力和儲層有效滲透率，其與試驗分析和壓力測試結(jié)果相吻合。這表明，采用微注入壓降測試方法可以實(shí)現(xiàn)對頁巖儲層的快速評價。

頁巖氣；微注入壓降測試；試井解釋；儲層評價；G函數(shù)；涪陵頁巖氣田

水平井分段壓裂是非常規(guī)油氣資源有效開發(fā)的主要手段[1-7]，在壓裂施工前需要準(zhǔn)確評價儲層，以獲取影響壓裂后產(chǎn)能的儲層物性參數(shù)，從而為壓裂設(shè)計提供依據(jù)。采用壓力恢復(fù)試井方法進(jìn)行儲層評價時，因為頁巖氣儲層滲透率非常低，低至納達(dá)西量級，流體在頁巖氣儲層中的流動極其微弱，探測到徑向流動需要足夠長的測試時間，所以難以通過壓力恢復(fù)試井方法求取頁巖氣儲層的原始地層壓力、滲透率及地層可壓性等基礎(chǔ)參數(shù)。微注入壓降測試[8-10]又稱診斷性壓裂注入測試(diagnostic fracture injection tests)，可以使地層在較短時間內(nèi)出現(xiàn)擬徑向流，從而極大地縮短測試時間。國外學(xué)者開展了基于微注入壓降測試的頁巖氣儲層評價方法研究：A.S.Padmakar[11]利用儲層流動模擬器模擬了一組典型的頁巖氣井微注入壓降測試，并對裂縫閉合前后的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，K.G.Nolte推導(dǎo)的壓降方程[9]適用于低滲地層的試井解釋，并對利用微注入壓降測試準(zhǔn)確評價地層參數(shù)所需的關(guān)井時間提出了建議。J.Wallace等人[12]描述了關(guān)井后壓力降過陡、擬線性/擬徑向流缺失、儲層非均質(zhì)性、巖石-流體相互作用、熱效應(yīng)和天然裂縫等因素影響下的非理想狀態(tài)微注入壓降測試曲線，并討論了解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。國內(nèi)對頁巖氣井微注入壓降測試也開展了一些研究：王海濤[13]針對頁巖氣井的測試壓裂提出了設(shè)計思路及方案，并對測試壓裂監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)解釋與評價；曾博等人[14]分析了我國某頁巖氣示范區(qū)一口頁巖氣井的測試壓裂壓降數(shù)據(jù)，基于G函數(shù)曲線特征識別，獲得了頁巖氣儲層的參數(shù)，并將解釋結(jié)果與測井解釋結(jié)果及巖石物性分析結(jié)果進(jìn)行了對比。雖然前人在壓力動態(tài)分析方法上進(jìn)行了研究，但沒有從現(xiàn)場角度出發(fā)，討論頁巖氣儲層微注入壓降測試施工對策。基于此，筆者根據(jù)涪陵頁巖氣井空井筒壓裂試氣的工藝特點(diǎn)[15]，論證了采用微注入壓降測試方法快速獲取頁巖氣儲層相關(guān)地層參數(shù)的可行性，從設(shè)備儀器選擇、注入量/壓裂液確定和多方法壓力動態(tài)分析等方面提出了具體的技術(shù)對策，并在6口頁巖氣井的儲層評價中成功應(yīng)用。

1 微注入壓降測試方法的基本原理

與廣泛應(yīng)用于煤層氣勘探開發(fā)中的注入/壓降測試技術(shù)不同，針對低滲透、超低滲透地層的微注入壓降測試，是以恒定的微小排量向儲層注入一定量的液體，使地層產(chǎn)生微破裂，并在井筒周圍產(chǎn)生一個高于原始地層壓力的高壓區(qū)，然后關(guān)井，裂縫內(nèi)的液體在壓差作用下濾失到地層，井筒壓力逐漸與原始地層壓力達(dá)到平衡。由于產(chǎn)生的微裂縫能夠穿透近井筒傷害區(qū)，為井筒與地層之間流體的流動提供流動通道，使地層能夠在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)擬徑向流，基于不穩(wěn)定試井原理，分析壓降變化可獲取地層可壓性、原始地層壓力、有效滲透率等參數(shù)。對滲透率為10-7～10-2mD的頁巖氣儲層進(jìn)行了壓力恢復(fù)測試及微注入壓降測試模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行試井解釋，得到了壓力恢復(fù)測試和微注入壓降測試時地層達(dá)到徑向流的時間(見圖1，圖1中,K1,K2和K3為頁巖氣儲層的滲透率，mD；S為表皮系數(shù))。由圖1可知，微注入壓降測試達(dá)到擬徑向流的時間約為壓力恢復(fù)測試的十分之一。

圖1 壓力恢復(fù)測試與微注入壓降測試地層達(dá)到徑向流的時間Fig.1 Simulated time required for formation of pseudo-radial flows in the pressure build-up test and pre-frac injection/falloff diagnostic test

分析微注入壓降測試曲線時，將其分為裂縫閉合前和裂縫閉合后2部分。裂縫閉合前分析(pre-closure analysis，PCA)采用特殊差分方法和時間函數(shù)(G函數(shù)，t1/2函數(shù))[16-17]，用于辨識濾失特性和閉合壓力等。裂縫閉合后分析(after-closure analysis，ACA)[18]和常規(guī)的壓力傳導(dǎo)試井分析流程相似，采用脈沖求導(dǎo)方法獲取地層的滲透率和原始壓力。

2 微注入壓降測試參數(shù)及工藝優(yōu)化

圖2為一典型微注入壓降測試過程示意圖[11]。

圖2 微注入壓降測試過程示意Fig.2 A typical workflow of a pre-frac injection/falloff diagnostic test

由圖2可知，開始測試時以低排量將施工液泵入井筒，隨著泵注進(jìn)行，壓力會升至地層破裂壓力，地層破裂后出現(xiàn)壓力降落點(diǎn)，但注入排量保持不變，待施工液注入量達(dá)到設(shè)定值后，立即停注關(guān)井，進(jìn)行壓降監(jiān)測。

2.1 設(shè)備儀器的選擇

成功實(shí)現(xiàn)微注入壓降測試的關(guān)鍵是，使地層在短時間內(nèi)產(chǎn)生可閉合的微裂縫，因此，泵注過程中的精確控制至關(guān)重要?，F(xiàn)場進(jìn)行微注入壓降測試時，采用雙機(jī)雙泵實(shí)施泵注作業(yè)。

由于微注入壓降測試曲線的解釋就是尋找壓力與時間的細(xì)微變化關(guān)系，因此，采用分辨率為206.84 Pa 的高精度電子壓力計進(jìn)行壓力監(jiān)測。電子壓力計的精度極高，任何微小的壓力波動都會增大測試結(jié)果的分析難度，甚至導(dǎo)致測試失敗，因此，進(jìn)行微注入壓降測試時，應(yīng)避免外界環(huán)境對壓力計產(chǎn)生干擾。

2.2 排量和注入量的確定

注入液體會對儲層造成傷害，因此，應(yīng)盡量減少注入量，但同時注入量又要使儲層產(chǎn)生裂縫，以便達(dá)到獲取儲層參數(shù)的條件。對于低滲透率儲層，裂縫的開啟和延伸不需要大排量注入液體?？梢岳脧较蜻_(dá)西定律計算特定條件下的最大注入排量，計算公式為：

(1)

式中：qi,max為最大注入排量，L/min；K為儲層滲透率，mD；h為儲層厚度，m；pf為地層破裂壓力，MPa；pi為儲層原始地層壓力，MPa；μ為流體黏度，mPa·s；β為流體體積系數(shù)；re為泄流半徑，m；rw為井筒半徑，m。

理論分析和實(shí)踐表明，涪陵頁巖氣儲層一般采用150～500 L/min的排量注入液體，地層破裂后再持續(xù)泵注10～30 min，注入總量控制在5～15 m3，就可以獲得較好的測試結(jié)果。

2.3 注入液體的選擇

壓裂時一般選用凝膠或其他非牛頓流體，而微注入壓降測試則應(yīng)選取清水或柴油等非造壁性牛頓流體，其原因為：注入液體在未受傷害巖石中的流動可用恒壓邊界條件下的一維線性流滲流模型來描述(見圖3(a))，此時可以認(rèn)為裂縫面流體壓力不隨時間變化，遠(yuǎn)場孔隙壓力為常數(shù)。

圖3 不同地層條件下的濾失/滲流模型Fig.3 Filtration/seepage models under different formation conditions

注入開始時，壓力梯度和濾失速率很高，隨注入時間增長，注入液體濾失到儲層深部，壓力梯度和濾失速率逐漸降低。若注入液體具有一定的造壁性，則其在儲層中的流動可采用組合濾失流動模型(見圖3(b))描述，組合濾失流動模型包括高滲透率遠(yuǎn)場儲層區(qū)、近裂縫影響區(qū)和薄濾餅區(qū)3個區(qū)域，其壓降為各區(qū)域壓降之和，而每個區(qū)域的壓降可根據(jù)達(dá)西定律求取。注入液體會在井壁及裂縫面形成濾餅，并產(chǎn)生附加壓降(見圖3(c))，此時注入液體濾失過程與圖3(a)所示濾失模型明顯不同，基于濾失速率計算的遠(yuǎn)場壓力梯度就會偏小，裂縫閉合后分析得出的地層流動系數(shù)就不準(zhǔn)確了。

此外，頁巖氣水平井主要在水平井段第一段射孔后進(jìn)行微注入壓降測試，因此，射孔前通井時，必須用干凈的清水在射孔段充分循環(huán)洗井，以盡量避免形成濾餅，降低對測試結(jié)果的影響。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

涪陵頁巖氣田6口井在壓裂前應(yīng)用微注入壓降測試進(jìn)行儲層評價，取得了很好的評價效果，為壓裂選層及設(shè)計提供了依據(jù)。下面以A井為例介紹測試過程及測試資料的分析。

3.1 測試過程

表1為A井微注入壓降測試設(shè)計泵注程序。

表1 A井微注入壓降測試泵注程序

Table 1 Workflow of pre-frac injection/falloff diagnostic test scheme of Well A

排量/(m3·min-1)時間/min注入液量/m3累計注入液量/m3采樣間隔/s0 15101 501 5010 20102 003 5010 22306 6010 101

按照表1所示的泵注程序采用雙機(jī)雙泵向該井φ139.7 mm套管內(nèi)連續(xù)注入清水10.1 m3，并在井口采用高精度電子壓力計監(jiān)測微注入過程中和注入結(jié)束關(guān)井后280 h內(nèi)的壓力，前150 h的采樣間隔為1 s，后130 h的采樣間隔為30 s。圖4為A井微注入壓降測試施工曲線。

3.2 裂縫閉合前分析(PCA)

根據(jù)A井微注入壓降測試施工曲線(見圖4)，求得井口地層破裂壓力為56.51 MPa，井口瞬時停泵壓力(ISIP)為24.98 MPa。對壓降測試曲線進(jìn)行G函數(shù)分析和t1/2診斷，結(jié)果見圖5和圖6。根據(jù)圖5和圖6求得裂縫閉合G函數(shù)時間為4.625，真實(shí)閉合時間為8.92 h，估算凈壓力為7.57 MPa，井口閉合壓力為17.41 MPa(井口瞬時停泵壓力減去凈壓力)，折算井底閉合壓力為50.93 MPa，裂縫閉合壓力梯度為0.014 9 MPa/m。

圖4 A井微注壓降測試施工曲線Fig.4 Measured transient pressure data of Well A during pumping fluid for pre-frac injection/falloff diagnostic testing

圖5 A井微注入壓降測試G函數(shù)分析Fig.5 G-function analysis:plot of pressure and pressure derivatives during the pre-frac injection/falloff diagnostic testing

3.3 裂縫閉合后分析(ACA)

圖6 A井微注壓降測試t1/2函數(shù)分析結(jié)果Fig.6 Square root time analysis:plot of pressure and pressure derivatives during the pre-frac injection/falloff diagnostic testing

圖7 ACA雙對數(shù)分析結(jié)果Fig.7 After-closure analysis:log-log plot of pressure and pressure derivatives during the pre-frac injection/falloff diagnostic testing

根據(jù)G函數(shù)分析識別裂縫閉合點(diǎn)，并求取出閉合時間，從而進(jìn)行裂縫閉合后分析，計算地層壓力和地層滲透率。圖7為采用Saphir試井解釋軟件得出的A井裂縫閉合后的流態(tài)分布，由于使用了特殊的線性流時間平方函數(shù)(FL2)，該圖中的橫軸由左至右代表時間逐漸減小。由圖7計算得出，A井在裂縫閉合后1.06 d形成斜率為1/2的局部線性流，之后在4.55 d開始形成斜率為1的明顯擬徑向流。根據(jù)擬徑向流階段特征估算A井儲層中部壓力為37.53 MPa，折算儲層壓力系數(shù)1.118(后期關(guān)井實(shí)測儲層壓力系數(shù)為1.160)，儲層流動系數(shù)為1.928 mD·m/(mPa·s)，有效滲透率為0.001 51 mD。

由于該井出現(xiàn)了明顯的擬徑向流，故再對壓降曲線進(jìn)行Horner法分析，得到Horner斜率為441.06，折算地層中部壓力為37.47 MPa，地層流動系數(shù)為1.977 mD·m/(mPa·s)，有效滲透率為0.001 55 mD。Horner法分析結(jié)果與G函數(shù)和ACA的分析結(jié)果基本一致。

A井壓降測試曲線的雙對數(shù)診斷分析結(jié)果見圖8。由圖8可以看出，在裂縫閉合后出現(xiàn)短暫的線性流，之后為明顯的擬徑向流。據(jù)此，利用試井解釋軟件計算出地層流動系數(shù)為1.967 mD·m/(mPa·s)，平均有效滲透率為0.001 54 mD。

圖8 A井壓降曲線雙對數(shù)診斷分析結(jié)果Fig.8 Log-log plot:analysis of pre-frac injection/falloff diagnostic testing

由各方法的分析結(jié)果可以看出，利用雙對數(shù)法、ACA分析法和Horner法對壓降測試曲線進(jìn)行分析得到的地層流度、表皮系數(shù)、地層系數(shù)和地層壓力等參數(shù)基本一致。此外，利用以上3種方法計算出的地層有效滲透率均與巖石物性分析結(jié)果(0.000 1～0.020 0 mD)相吻合。

A井微注入壓降測試曲線分析結(jié)果表明，在頁巖氣井進(jìn)行微注入壓降測試，采用常規(guī)壓力動態(tài)分析方法對測得的壓降曲線進(jìn)行分析，就可以在短時間內(nèi)(280 h)實(shí)現(xiàn)對頁巖氣儲層的準(zhǔn)確評價。

4 結(jié)論與建議

1) 利用微注入壓降測試可以快速準(zhǔn)確獲取頁巖儲層的原始地層壓力、儲層滲透率及地層可壓性等參數(shù)，為頁巖氣儲量計算、壓裂優(yōu)化和產(chǎn)能評價預(yù)測等提供依據(jù)。

2) 影響微注入壓降測試分析的關(guān)鍵因素為時間和注入總液量，因此，必須嚴(yán)格按照設(shè)計的泵注程序注入液體，以便準(zhǔn)確判斷地層微破裂點(diǎn)。

3) 微注入壓降測試要按照泵注程序一次完成，若中斷后重新泵注，儲層條件就改變了，尤其在低滲透條件下，第一次泵注產(chǎn)生的壓力并不能完全消散，而脈沖求導(dǎo)分析不支持多次注入疊加。

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[編輯 劉文臣]

Rapid Evaluation of Shale Reservoirs Based on Pre-Frac Injection/Falloff Diagnostic Test

ZHANG Yiqun1,YU Liuying2,ZHANG Guofeng3

(1.TheStateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandEngineering(ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)),Beijing, 102249,China;2.DownholeOperationDivision，SinopecOilfieldServiceCorporation,Beijing,100020,China;3.SinopecJianghanOilfieldServiceCorporation,Wuhan,Hubei，430223,China)

Shale gas reservoirs are characterized by extremely low permeability.Conventional build-up tests used for reservoir assessments have extremely low efficiencies due to the prolonged time required for detection of radial flows.On the other hand,pre-frac injection/falloff diagnostic test(also known as Diagnostic Fracture Injection Test，DFIT)can detect pseudo-radial flow in a short time,and consequently may quickly assess reservoir conditions.Based on that,design optimization was performed for shale gas reservoirs in the Fuling Area with consideration to equipment selection,injection flow rates,overall injection volume and properties of injection fluids.Research results showed that satisfactory test results could be obtained by using a flow-rate of 150-500L/min and by bumping for 10-30 min after formation fractured.The total volume of injection fluids should be maintained at 5-15 m3.DFIT had been conducted in 6 wells to assess the properties of shale gas reservoirs. Through G-function and ACA analysis using the acquired data,original formation pressures and effective reservoir permeability were determined and it was discovered that relevant results coincided well with formation test results. It had been verified that the DFIT could be used for rapid assessment of shale reservoirs.

shale gas;DFIT;well test data interpretation；reservoir evaluation;G-function;Fuling Shale Gas Field

2017-02-17；改回日期：2017-04-25。

張逸群(1989—)，男，江蘇揚(yáng)州人，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，2015年獲英國Heriot-Watt大學(xué)石油工程專業(yè)博士學(xué)位，講師，主要從事油氣藏動態(tài)監(jiān)測與評價、油氣井測試及完井基礎(chǔ)理論研究工作。E-mail:zhangyq@cup.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金重大國際(地區(qū))合作項目“頁巖氣藏水平井完井與多級壓裂增產(chǎn)的基礎(chǔ)研究”(編號：51210006)和國家自然科學(xué)基金石油化工聯(lián)合基金(A類)項目“深層高溫高壓油氣井安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究”(編號：U1562212)聯(lián)合資助。

10.11911/syztjs.201703019

TE353

A

1001-0890(2017)03-0107-06