劉立之

1. 中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司, 重慶 408000;2. 中石化重慶頁巖氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 重慶 408000

0 前言

涪陵頁巖氣田采用“長(zhǎng)水平井+分段壓裂”開發(fā)模式取得巨大成功[1-4],相較于一期焦石壩主體區(qū)地層變化平緩,二期產(chǎn)建區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地層產(chǎn)狀變化大,特別是江東和平橋區(qū)塊,部分區(qū)域地層傾角達(dá)到20°～25°,若水平段長(zhǎng)1 500 m,則高程差達(dá)到513～634 m。由于前期兩口大垂差評(píng)價(jià)井測(cè)試產(chǎn)量偏低(5×104～10×104m3),為了弄清各段、簇產(chǎn)出情況,評(píng)價(jià)水平井段壓裂施工效果,開展水平井連續(xù)油管傳輸流體掃描成像(FSI)測(cè)井技術(shù)進(jìn)行水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井工作,通過產(chǎn)剖解釋結(jié)果對(duì)比不同試氣井段的測(cè)試情況,分析不同段簇產(chǎn)氣特征規(guī)律,對(duì)后續(xù)制定合理生產(chǎn)制度和開發(fā)技術(shù)政策調(diào)整起重要作用。

1 FSI測(cè)井技術(shù)

1.1 傳輸系統(tǒng)

在直井或者井斜較小時(shí),數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)和測(cè)試儀器可憑借自身重力克服井筒摩擦及流體阻力下放至目的層位,但當(dāng)水平井井斜達(dá)到45°～75°時(shí),摩擦阻力增大，難以將儀器送至水平段。目前采用電纜拖拉器作為測(cè)試儀器的動(dòng)力裝置,但該方法牽引力較小、工作時(shí)間短,對(duì)井筒技術(shù)條件要求較高,若遇井筒有污染物或者套管變形,可能導(dǎo)致施工失敗。因此,鑒于連續(xù)油管傳送力大、易于深度控制、施工成功率高等優(yōu)點(diǎn),采用連續(xù)油管內(nèi)穿電纜或者光纖連接測(cè)井儀器的施工方式[5-6],對(duì)于頁巖氣長(zhǎng)水平井段需多次“上提”和“下放”測(cè)井操作有較強(qiáng)的適應(yīng)性,而采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)了施工過程中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、井下工況實(shí)時(shí)診斷。

1.2 FSI測(cè)井

水平井井下流動(dòng)受完井方式、井眼軌跡等因素的綜合影響較大,井筒中流體分布不對(duì)稱、重質(zhì)相回流,液相多分布于井筒的低凹處或下部。另外,流體分異、流動(dòng)型態(tài)也會(huì)影響流動(dòng)剖面,因此適應(yīng)于垂直管單相流的測(cè)試儀器難以應(yīng)用到水平井兩相流動(dòng)中。

FSI測(cè)井儀針對(duì)大斜度井和水平井,可測(cè)量自然伽瑪、磁定位、溫度、壓力、流量、持率等參數(shù)，見圖1。FSI儀器有兩個(gè)儀器臂，其中一個(gè)儀器臂上有4個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì),測(cè)量流動(dòng)速度剖面;另一個(gè)臂上有5個(gè)FloView電探針和5個(gè)Ghost光學(xué)探針,分別測(cè)量局部的持水率和持氣率。另外,儀器殼體上還有一個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)和一對(duì)電探針和光學(xué)探針,測(cè)量井筒底端的流動(dòng)。由于流量轉(zhuǎn)子和探針的陣列分布,它可測(cè)量到單個(gè)居中轉(zhuǎn)子測(cè)不出的速度變化,解決了傳統(tǒng)方法無法評(píng)價(jià)水平井分層流動(dòng)的問題[7],解釋結(jié)果更加客觀真實(shí)。

圖1 流動(dòng)掃描成像測(cè)井儀

2 產(chǎn)氣特征及影響因素研究

經(jīng)典巖石斷裂力學(xué)理論認(rèn)為人工裂縫總是沿著垂直于水平最小主應(yīng)力方向延伸[8-9],當(dāng)水平井筒與最大主應(yīng)力垂直,壓裂時(shí)人工裂縫所受近井彎曲摩阻最小,段間重復(fù)改造區(qū)域最小,儲(chǔ)層有效改造體積最大。因此,涪陵頁巖氣田水平井布井方式主要是采取水平井段與水平最大主應(yīng)力方向相垂直的方位鉆進(jìn)。

2.1 大垂差水平井產(chǎn)氣特征及影響因素

隨著二期儲(chǔ)層變化大,地層傾角增大,若沿用該布井方式對(duì)于平均1 500m水平段就會(huì)出現(xiàn)A-B靶點(diǎn)垂差相差較大的情況。例如焦頁A-1HF井實(shí)際試氣長(zhǎng)度1 586 m,A-B靶點(diǎn)垂差160 m,分兩次進(jìn)行FSI測(cè)井,第一次對(duì)前6段在10×104m3/d制度下進(jìn)行測(cè)試,第二次對(duì)全井22段在20×104m3/d制度下進(jìn)行測(cè)試,前6段和全井22段在兩個(gè)制度下各段簇產(chǎn)氣、產(chǎn)水情況對(duì)比結(jié)果見表1。

表1焦頁A-1HF井不同測(cè)試制度下段簇產(chǎn)氣、產(chǎn)水貢獻(xiàn)率對(duì)比

段號(hào)簇號(hào)測(cè)試制度(10×104m3·d-1)測(cè)試制度(20×104m3·d-1)簇產(chǎn)水量/m3段產(chǎn)水量/(m3·d-1)簇產(chǎn)氣量/(m3·d-1)簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率/(%)段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率(%)簇產(chǎn)水量/m3段產(chǎn)水量/(m3·d-1)簇產(chǎn)氣量/(m3·d-1)簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率/(%)段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率/(%)616284711546694331404454613461159224716142075452920563658533993680211575082081102514101693131654122332150030336742372863999287636605083711619321850222085439310946100612446906438148902094118810110625491634731411167925986881531478155234987183552595000016227430844193770220010638169827195478212469062676919763752477416930500945009412765400720891761081152613654251324141254639441216552416850079485084784412485116110643257193566256600003520510180181326204214254152142208843751667384709293477008574218023782659620000000

圖2 一期產(chǎn)建區(qū)無阻流量與A-B靶點(diǎn)高程差關(guān)系圖

目前,對(duì)于頁巖氣水平井分段壓裂產(chǎn)氣剖面出現(xiàn)這種變化現(xiàn)象的影響機(jī)理研究不多[10-11],除去壓裂改造施工的原因,主要是因?yàn)殚L(zhǎng)水平井筒中積液嚴(yán)重,井筒中氣液兩相流流型復(fù)雜,難以建立針對(duì)性強(qiáng)的流態(tài)模型。對(duì)于這種垂差較大的井眼軌跡,在水平井筒中,水在井筒低部位或者水平段下部積滯,各段受液柱壓力和摩阻影響存在啟動(dòng)壓力,當(dāng)生產(chǎn)壓差大于啟動(dòng)壓差時(shí),即各段地層壓力大于井底流壓,則該段簇開始產(chǎn)氣。另外,在不同生產(chǎn)壓差下同一口井不同段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率不同,這表明在生產(chǎn)壓差大于該臨界值時(shí),低產(chǎn)氣層段開始出氣,產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率有所上升,使得產(chǎn)氣剖面得到改善。

2.2 水平井筒方位對(duì)壓裂效果的影響

為了減小由于大垂差帶來的井筒積液影響,在地層產(chǎn)狀變化較大時(shí),考慮順地層構(gòu)造線布井方式,這樣就會(huì)導(dǎo)致井筒軌跡與最小水平主應(yīng)力存在一定夾角。目前頁巖氣水平井筒方位與最小主應(yīng)力之間夾角對(duì)后續(xù)壓裂施工主要有三方面的影響[12-14]:一是在壓裂施工中存在較大的彎曲摩阻,增加施工壓力;二是為了減小段簇之間的應(yīng)力干擾,避免重復(fù)改造,采取放大段間距設(shè)計(jì)從而導(dǎo)致實(shí)際段間距受限;三是等效縫長(zhǎng)減小,影響有效改造體積,不能充分動(dòng)用單井控制產(chǎn)能,水平井筒與最小主應(yīng)力方向存在夾角時(shí)人工縫網(wǎng)示意圖見圖3。

圖3 水平井筒與最小主應(yīng)力方向存在夾角時(shí)人工縫網(wǎng)示意圖

從前人研究成果來看[15-17],同樣壓裂規(guī)模等條件下,水平井筒與最小主應(yīng)力的夾角逐漸增大時(shí),其改造體積逐漸降低,當(dāng)水平井筒與最小主應(yīng)力夾角小于30°時(shí)其對(duì)壓裂施工影響較小,大于40°時(shí)改造體積下降趨勢(shì)明顯[18-20],改造體積隨著水平井筒與最小主應(yīng)力方向夾角變化關(guān)系見圖4。

涪陵氣田一期投產(chǎn)井無阻流量與水平段方位角之間的關(guān)系見圖5,從圖5可知,一期產(chǎn)建區(qū)投產(chǎn)井與最小主應(yīng)力方向夾角小于40°時(shí)無阻流量明顯較高,當(dāng)夾角過大時(shí),對(duì)單井產(chǎn)能有較大影響。

圖4 改造體積隨著水平井筒與最小主應(yīng)力方向夾角變化關(guān)系圖

圖5 一期產(chǎn)建區(qū)無阻流量與水平段方位角關(guān)系圖

3 實(shí)施調(diào)整及應(yīng)用效果

3.1 制定大垂差氣井合理生產(chǎn)方式

焦頁B-2 HF井水平段長(zhǎng)為1 919m,地層傾角達(dá)到27.45°,A-B靶點(diǎn)垂差相差892.5 m,共分28段進(jìn)行壓裂改造。通過對(duì)比焦頁B-2 HF兩次試氣結(jié)果,第一階段對(duì)前1～15段放噴測(cè)試,12 mm油嘴制度下,井口壓力5 MPa,日產(chǎn)氣4×104m3,日產(chǎn)水220 m3;第二階段下入全封橋塞對(duì)14～28段進(jìn)行放噴測(cè)試,12 mm油嘴制度下,井口壓力4.3 MPa,日產(chǎn)氣3×104m3,日產(chǎn)水220.8 m3?？紤]到該井產(chǎn)水較高,如果全井生產(chǎn),由于高程差太大,水平段前半程受井筒積液影響,產(chǎn)能得不到釋放,決定調(diào)整為先對(duì)后半程進(jìn)行生產(chǎn),待產(chǎn)能自然遞減達(dá)到前半程臨界生產(chǎn)壓差時(shí)再全井一起生產(chǎn),盡量減少因高程差給生產(chǎn)帶來的不利影響。

3.2 優(yōu)化調(diào)整二期井位部署

綜合考慮鉆井軌跡對(duì)后續(xù)壓裂改造及調(diào)配產(chǎn)的影響,結(jié)合前期流體成像產(chǎn)出剖面測(cè)試認(rèn)識(shí),在二期區(qū)塊井位部署時(shí),以垂直于最大水平主應(yīng)力布井為主,在地層產(chǎn)狀高陡區(qū),調(diào)整水平段方位設(shè)計(jì)時(shí)兼顧最小主應(yīng)力方向夾角盡量控制在40°以內(nèi),同時(shí)高程差盡量控制在200 m以內(nèi),在滿足壓裂改造效果的前提下,保證各段簇均勻產(chǎn)氣,達(dá)到單井產(chǎn)能釋放最大化。

3.3 優(yōu)化順構(gòu)造井壓裂工藝

對(duì)于順構(gòu)造井,采用“變黏度+變粒徑+變排量”的主體壓裂工藝。

“變黏度”是指壓裂液采用減阻水和膠液混合注入的模式：1)采用2～3 mPa·s低黏減阻水和6～9 mPa·s增黏減阻水,利用不同黏度減阻水進(jìn)入不同級(jí)次裂縫,進(jìn)一步提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度;2)前置階段采用線性膠,利用膠液黏度大、濾失小的特點(diǎn)促進(jìn)主縫充分延伸,延伸階段轉(zhuǎn)膠液提高裂縫縫內(nèi)凈壓力,促使人工裂縫轉(zhuǎn)向。

“變粒徑”是指通過優(yōu)化加砂方式注入70～140目、40～70目、30～50目不同粒徑規(guī)格支撐劑實(shí)現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)支撐：1)前期采用中低砂比中長(zhǎng)段塞加砂可以提高遠(yuǎn)端裂縫的鋪砂濃度,提高裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流效果;2)施工中期采用粉陶段塞、粉陶+中陶混合注入等方式,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控壓、微縫支撐、降濾轉(zhuǎn)向等作用。

“變排量”是指泵入階段根據(jù)施工要求改變注入排量：1)擠酸階段,在酸液進(jìn)地層前提高擠酸排量,隨著排量增加有效孔眼數(shù)量增加,待酸液達(dá)到孔眼時(shí)可以進(jìn)入更多的孔眼,提高酸降效果;2)膠液造縫,在前置膠液造縫階段穩(wěn)定排量在8～10 m3/min,一是可以避免天然裂縫發(fā)育儲(chǔ)層的多裂縫效應(yīng),二是膠液在低排量、低剪切速率條件下,對(duì)于保持黏度更為有利,提高造縫效果；3)施工中后期充分利用裝備等級(jí)進(jìn)一步提升施工排量,達(dá)到補(bǔ)充裂縫凈壓力的目的,目前涪陵頁巖氣田后期施工排量從14 m3/min提高至16～18 m3/min。

3.4 應(yīng)用效果

分析近期已完試的6口沿構(gòu)造線布井的試氣情況,通過采用“變黏度+變粒徑+變排量”的壓裂工藝,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)和分級(jí)支撐的目的,平均單井無阻流量為40.11×104m3/d,其中焦頁C-5 HF井與最小主應(yīng)力夾角達(dá)到48°,通過優(yōu)化壓裂工藝參數(shù),試獲無阻流量120.8×104m3/d高產(chǎn)工業(yè)氣流,為二期產(chǎn)能建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)流體掃描成像測(cè)井結(jié)果表明,當(dāng)頁巖氣水平井A-B靶點(diǎn)垂差超過200 m時(shí)井筒積液對(duì)試氣效果影響較大,當(dāng)水平井筒與最小主應(yīng)力夾角較大時(shí),通過優(yōu)化壓裂參數(shù)保證改造效果。

2)對(duì)于大垂差井可以采用分段開采的方式,減少因井筒積液和液體“回流”帶來的段簇產(chǎn)氣不均現(xiàn)象,能夠充分挖掘單井產(chǎn)能,提高最終采收率。

3)綜合考慮壓裂施工和采氣工程,在地層產(chǎn)狀變化大時(shí),水平段方位設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧最小主應(yīng)力方向夾角在40°以內(nèi),同時(shí)高程差盡量控制在200 m以內(nèi)。

4)對(duì)于順構(gòu)造井,采用“變黏度+變粒徑+變排量”的主體工藝取得了較好的試氣效果,已經(jīng)試氣的6口順構(gòu)造線布水平井平均單井無阻流量為40.11×104m3/d。

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