任國輝,趙昕迪,陸應輝,李妍僖,胡寒,聶靖雯

(中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021)

0 引 言

圖1 斯倫貝謝公司地質(zhì)工程一體化思路

四川盆地南部地區(qū)頁巖氣資源量豐富,具有大面積、低豐度連續(xù)分布特點,開發(fā)潛力巨大[1]。但頁巖以納米級孔隙和納達西級滲透率為主[2-3],無自然產(chǎn)能,屬于典型人造氣藏,必須采用水平井和大規(guī)模體積壓裂技術(shù)[4-6]才能實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)。為實現(xiàn)川南地區(qū)頁巖氣高效開發(fā),提出了地質(zhì)工程一體化的理念[7]。地質(zhì)工程一體化就是圍繞提高平均單井產(chǎn)能,以三維模型為核心、以地質(zhì)—儲層綜合研究為基礎(chǔ),在油氣藏勘探開發(fā)的不同階段,針對遇到的關(guān)鍵性挑戰(zhàn),開展具有前瞻性、針對性、預測性、指導性、實效性和時效性的動態(tài)研究和及時應用。配合有效的組織管理和作業(yè)實施,對鉆井、固井、壓裂、試采、生產(chǎn)等多學科知識及工程作業(yè)經(jīng)驗進行系統(tǒng)性積累,對鉆井、壓裂等工程技術(shù)方案進行不斷調(diào)整和完善,在區(qū)塊、平臺和單井這3種尺度,分層次、動態(tài)地優(yōu)化工程效率與開發(fā)效益,實現(xiàn)提產(chǎn)增效的中長期目標?；诘刭|(zhì)工程一體化理念,吳奇等[7]首先提出了“品質(zhì)三角形”,以及基于此的針對中國南方海相頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)工程一體化實施的技術(shù)路線。胡文瑞[8]針對低品質(zhì)油氣資源,提出了地質(zhì)工程一體化是實現(xiàn)低品位資源高效開發(fā)的必由之路。黃浩勇等[9]針對長寧頁巖區(qū)塊地質(zhì)特點和面臨的難點,開展了長寧區(qū)塊頁巖氣水平井組地質(zhì)工程一體化研究。

射孔是國內(nèi)外廣泛使用的完井方法。針對頁巖氣等非常規(guī)油氣藏,通常采用橋塞射孔聯(lián)作技術(shù)。在縱向上,射孔孔眼不僅僅是油氣進入井筒的通道,還是壓裂液體系進出地層的唯一通道,直接影響和決定了壓裂改造效果;在橫向上,分簇射孔需要通過橋塞把水平井分成若干段和簇,實現(xiàn)集中改造、重點突破。為更好地發(fā)揮射孔的作用,為頁巖氣藏高效壓裂提供孔道條件和分段條件,提出了為改造而射孔、橋射聯(lián)作保壓裂的新理念。

最大化橋塞射孔聯(lián)作效果,融入頁巖氣地質(zhì)工程一體化的開發(fā)模式,提出了射孔地質(zhì)工程一體化概念。緊密結(jié)合地質(zhì)特征(總有機碳含量、脆性、地應力、層理、裂縫等)和工程參數(shù)(施工排量、液量、固井質(zhì)量、套管接箍等),以地質(zhì)優(yōu)化為目的、工程實現(xiàn)為約束,通過“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,為油氣井“量身定制”優(yōu)化的射孔參數(shù)和射孔工藝,提升壓裂裂縫復雜程度、降低施工壓力、控制裂縫起裂及延伸,提高頁巖氣井單井產(chǎn)量和估算的最終可采儲量。

1 射孔地質(zhì)工程一體化研究內(nèi)容及思路

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前,射孔作業(yè)方重心在現(xiàn)場施工,僅僅完成了“工程意義上的射孔”,很少介入分段、分簇、射孔參數(shù)優(yōu)化、射孔工藝優(yōu)化、作業(yè)效果評價等“地質(zhì)意義上的射孔”。射孔地質(zhì)工程一體化要求在施工作業(yè)前開展具有前瞻性、針對性、指導性的射孔優(yōu)化研究并實施;施工作業(yè)后開展全面、科學的射孔效果評價,并對射孔參數(shù)和工藝進行持續(xù)優(yōu)化(見圖1)。射孔地質(zhì)工程一體化理論和實踐在中國處于萌芽狀態(tài)。斯倫貝謝公司等國際大公司采用地質(zhì)工程一體化思路,在多個非常規(guī)油氣區(qū)塊開展了地質(zhì)模型、地質(zhì)力學模型和壓裂模型的三維建模技術(shù)研究,形成一套Mangrove軟件,根據(jù)每口井的地質(zhì)工程資料,完成分段分簇射孔優(yōu)化設(shè)計。

1.2 研究內(nèi)容

頁巖氣射孔地質(zhì)工程一體化主要研究內(nèi)容是充分利用射孔、物探、測井、錄井、壓裂等專業(yè)知識,實現(xiàn)分段、分簇、射孔參數(shù)、射孔管柱、施工工藝等5個方面的優(yōu)化(見圖2)。中國頁巖氣射孔參數(shù)優(yōu)化大都借鑒北美的經(jīng)驗,還沒有真正和油藏、壓裂相結(jié)合。射孔管柱優(yōu)化和施工工藝優(yōu)化由射孔作業(yè)方完成,射孔作業(yè)方都做了相應的工作,但是智能化及信息化方面比較薄弱。針對頁巖氣射孔作業(yè)監(jiān)測及作業(yè)效果評價的研究很少,極大地影響了整個射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)的進步?；诖?射孔地質(zhì)工程一體化必須考慮分段優(yōu)化和分簇優(yōu)化。

圖2 射孔地質(zhì)工程一體化研究內(nèi)容

1.3 研究思路

通過對頁巖氣水平井壓裂的裂縫形態(tài)及延伸規(guī)律進行研究,以最大化增產(chǎn)改造體積為目標,綜合考慮頁巖水平層段脆性、含氣量、應力大小的分布特點,對人造裂縫參數(shù)進行模擬優(yōu)化,確定最優(yōu)的分段和分簇。根據(jù)儲層物性、導流能力、壓裂加砂程序等優(yōu)化射孔孔徑、相位、方位等參數(shù),實現(xiàn)降低破裂壓力、提升壓裂裂縫復雜程度、控制裂縫起裂及延伸的目的。依據(jù)分段、分簇、射孔參數(shù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合作業(yè)井況(井口壓力、井深、水平段長、狗腿度、井眼軌跡等)設(shè)計施工作業(yè)管串,并確保管串能夠順利輸送至目的層完成分段及分簇作業(yè)。頁巖氣射孔地質(zhì)工程一體化的研究思路見圖3。

為推進射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)的深化研究,引入了深度學習和大數(shù)據(jù)分析等新方法,開發(fā)一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的射孔設(shè)計優(yōu)化算法,實現(xiàn)頁巖氣射孔分段、分簇、射孔參數(shù)優(yōu)化等的自動化及精確化。

1.4 射孔地質(zhì)工程一體化優(yōu)化軟件

依托分段、分簇、射孔參數(shù)、射孔管柱、施工工藝等5個方面的優(yōu)化算法及規(guī)則,通過對油氣井射孔主控因素的研究,初步搭建了頁巖氣射孔模型。形成以地質(zhì)需求為目標、錄井測井資料為參照、工程優(yōu)化為約束的射孔優(yōu)化設(shè)計與作業(yè)監(jiān)測1.0版。該軟件集自動分段分簇、射孔參數(shù)和工藝自動優(yōu)化、射孔作業(yè)監(jiān)測、射孔管柱自動優(yōu)化、射孔數(shù)據(jù)可視化等功能于一體。

2 射孔地質(zhì)工程一體化實踐

2.1 分段優(yōu)化

分段優(yōu)化的一般原則是將儲層物性、完井參數(shù)相近的層段劃分為同一壓裂段,避免同一段內(nèi)由于屬性差異過大而導致的壓裂改造不均勻、不充分。頁巖氣分段需要利用精細計算的礦物組分、孔隙度、總有機碳含量、含氣量、巖石力學參數(shù)、脆性指數(shù)等關(guān)鍵評價參數(shù),為優(yōu)選有利壓裂層段提供依據(jù)。

圖3 射孔地質(zhì)工程一體化研究思路

頁巖氣開發(fā)力求徹底破碎儲層,獲得高產(chǎn),通常采用細分切割的分段方案。試油分段優(yōu)化步驟:①確定試油井段,依據(jù)測井解釋成果,同一小層劃為一段;②依據(jù)測井解釋成果(結(jié)合螞蟻體裂縫預測技術(shù)),將可能有天然裂縫發(fā)育段劃為一段;③儲層參數(shù)(總有機碳含量、孔隙度等)相近的劃為一段;④巖石力學參數(shù)(脆性指數(shù)、地應力等)相近的劃為一段;⑤氣測值相近的劃為一段;⑥根據(jù)工程需要避開高狗腿度及套管接箍,按照大體均勻分段及段長40～80 m的總思路,調(diào)整及細化分段。

2.2 分簇優(yōu)化

射孔簇位置應選擇儲層物性好、巖石脆性高、低地應力區(qū)域,提高裂縫復雜度和降低施工壓力。射孔簇間距應充分考慮多裂縫應力干涉的影響,合理布置簇間距,提高裂縫擴展能力和裂縫復雜性。射孔簇數(shù)、簇長和孔密的優(yōu)化應能降低摩擦阻力并提高射孔簇有效水馬力。

2.3 射孔參數(shù)優(yōu)化

頁巖氣射孔參數(shù)的優(yōu)化以保障壓裂高效實施為目標,即降低施工壓力、提升壓裂裂縫復雜程度、控制裂縫起裂及延伸。

2.3.1 射孔孔徑及孔眼數(shù)優(yōu)化

(1)降摩擦阻力優(yōu)化。在頁巖氣壓裂增產(chǎn)措施施工中,射孔孔眼摩擦阻力的大小對施工壓力存在影響,尤其在頁巖氣大排量壓裂情況下,這種影響更為明顯,因此需要降低孔眼摩擦阻力。單從射孔角度來說,孔徑和孔密對孔眼摩擦阻力均有直接影響。隨著孔徑的增加,孔眼摩擦阻力在最初也急劇減小,然后影響逐漸趨緩,因此,采用大孔徑射孔彈是有必要的。隨著孔密增加,射孔數(shù)相應增加,孔眼摩擦阻力在起初急劇減小后,逐漸變得緩慢。

(2)單孔流量優(yōu)化。根據(jù)預測的壓裂施工排量,綜合考慮孔眼摩擦阻力、單孔流量和孔眼效率,確定合理的孔眼數(shù)。如果按照12～14 m3/min排量施工,每級總孔數(shù)48孔,單孔流量為0.25～0.29 m3/min,有利于形成復雜縫。

(3)孔眼一致性優(yōu)化。在水平井進行射孔時,射孔槍由于受重力的作用,使得射孔槍下側(cè)靠近套管內(nèi)壁,造成射孔彈發(fā)射后,在套管各個相位上的孔徑大小不同。造成后續(xù)壓裂的時候進液不均,有效射孔孔眼數(shù)減少,影響壓裂改造效果。等孔徑射孔后,套管上各相位上的孔徑大小基本一致,孔眼摩擦阻力變化小,壓裂液在孔眼處的壓力損失較小,有助于消除常規(guī)射孔非均勻效應的影響,消除近井地帶的扭曲摩擦阻力,降低施工壓力。同時,等孔徑射孔由于增加了有效孔眼數(shù),提高了施工排量、液量、加砂量、加砂強度,對提高頁巖氣儲層的增產(chǎn)改造效果具有重要意義。

2.3.2 射孔相位、方位優(yōu)化

裂縫起裂受到井筒附近地應力場的影響。按照主應力的大小,地應力場可以分為3類:垂直應力為最大主應力、垂直應力為中間主應力、垂直應力為最小主應力。水平井筒指向最大和最小水平主應力方向時,沿井筒周向上的破裂壓力分布,其中橫軸的角度以井筒橫截面正北方向為起點。在井筒橫截面上,最小破裂壓力所在位置其實指向橫截面上最大主應力方向,即在該方向上最先破裂。在30°以下,破裂壓力隨夾角增大而增大,但變化相對平緩;30°～47°破裂壓力急劇增大。47°以上,破裂壓力變化很小,這時裂縫已經(jīng)不在孔眼上開始?；谝陨戏治?認為理論上最佳的射孔應設(shè)計指向最低破裂壓力的位置,即采用定方位射孔,可以大大提高壓裂施工處理效率。

圖4 W202HXX-1井分段分簇優(yōu)化*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2

2.3.3 射孔定向優(yōu)化

由于川南頁巖氣優(yōu)質(zhì)頁巖層相對較薄,水平井在鉆井過程中可能出現(xiàn)井眼軌跡偏離優(yōu)質(zhì)儲層,穿越至產(chǎn)層的上方或下方。同時,國內(nèi)外已充分證明頁巖氣藏體積壓裂改造過程中水力裂縫縫高延伸有限,這是由頁巖儲層其本身發(fā)育的層理地質(zhì)特征所決定的。需采用定向分簇射孔對偏離層段進行定向射孔,最大可能誘導水裂裂縫向最優(yōu)質(zhì)頁巖層延伸,實現(xiàn)對設(shè)計靶體的最大限度改造,獲得最優(yōu)效果。

2.4 射孔管柱、施工工藝(參數(shù))優(yōu)化

根據(jù)分段分簇優(yōu)化結(jié)果、射孔參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及作業(yè)井井況(井口壓力、井深、地層壓力、水平段長等),設(shè)計射孔作業(yè)管柱及施工工藝參數(shù)。通過泵送排量模擬分析及通過能力分析,優(yōu)化射孔作業(yè)管柱;通過全井筒泵送模擬,優(yōu)化施工工藝(參數(shù))。

2.5 作業(yè)監(jiān)測及效果評價

頁巖氣射孔作業(yè)監(jiān)測和效果評價是地質(zhì)工程一體化技術(shù)的重要環(huán)節(jié),也是最薄弱環(huán)節(jié)。只有系統(tǒng)地作業(yè)監(jiān)測和效果評價才能實現(xiàn)真正意義的射孔優(yōu)化。射孔及壓裂施工后對裂縫的評價方法主要有遠離裂縫直接成法、直接近精通裂縫診斷法等。遠離裂縫直接成法包括微地震監(jiān)測、測斜儀監(jiān)測等,直接近精通裂縫診斷法包括示蹤劑監(jiān)測、生產(chǎn)測井等。

(1)微地震監(jiān)測。微地震監(jiān)測是應用最廣泛的直接監(jiān)測方法,通過微地震事件監(jiān)測可以確定人工裂縫的整體趨勢。微地震監(jiān)測結(jié)合地面測斜儀監(jiān)測可以分析水平井壓后形成裂縫的復雜程度。通過計算水平井主要的裂縫形態(tài)及其所占的比例、多裂縫系數(shù)、裂縫復雜指數(shù)來判斷射孔參數(shù)是否合理、優(yōu)化射孔參數(shù)。

(2)生產(chǎn)效果評價。利用頁巖氣水平井產(chǎn)出剖面測試結(jié)果,分析水平段各小層、各射孔簇的產(chǎn)能貢獻,為射孔優(yōu)化提供支撐。

3 應用實例

以W202HXX-1井優(yōu)化過程為例,輸入基本井況數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、套管數(shù)據(jù)、井斜數(shù)據(jù)后,進行優(yōu)化流程構(gòu)建,并按步驟進行井況確認、測井參數(shù)篩選、智能分段分簇、射孔彈優(yōu)選、射孔器材優(yōu)選、入井工具優(yōu)選、射孔管串結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水平井射孔管柱通過能力分析、水平井射孔管柱泵送程序設(shè)計,最終輸出W202HXX-1井射孔優(yōu)化設(shè)計報告(見圖4)。在現(xiàn)場作業(yè)過程中,通過監(jiān)測模塊實時收集、分析作業(yè)數(shù)據(jù)提供在線技術(shù)支持,同時將數(shù)據(jù)實時分析的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中對射孔參數(shù)的優(yōu)化算法,人工智能模型進行更新和調(diào)整,形成完整的射孔優(yōu)化閉環(huán)。

4 結(jié)論和建議

(1)初步形成一套頁巖氣射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù),但是中國總體研究還處于萌芽狀態(tài)。射孔作業(yè)公司應形成射孔地質(zhì)工程一體化共識,開展射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)的深入研究及實踐,實現(xiàn)“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,為頁巖氣井量身定制射孔參數(shù)和射孔工藝。

(2)射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)的核心是構(gòu)建基于真實油氣藏的射孔作業(yè)模型。需要開展3個方面的研究:基于真實巖石、真實地應力、真實儲層環(huán)境條件下的射孔性能及儲層響應研究;室內(nèi)射孔效能評價技術(shù)研究,結(jié)合大物模試驗等手段,深入研究射孔與壓裂響應的關(guān)系;射孔現(xiàn)場效果評價研究,結(jié)合微地震監(jiān)測、壓裂參數(shù)、產(chǎn)氣剖面測試、示蹤劑測井等方法,對分段分簇、射孔參數(shù)及射孔工藝進行系統(tǒng)地持續(xù)優(yōu)化。

(3)射孔地質(zhì)工程一體化涉及地震、測井、錄井及壓裂、射孔、固井等多個學科,組建一體化的多專業(yè)研究團隊對于推動射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)的發(fā)展勢在必行。

(4)建議引入“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)技術(shù),建立射孔深度學習方法,避免射孔數(shù)據(jù)煙囪、信息孤島的出現(xiàn)。利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析提升射孔地質(zhì)工程一體化技術(shù)水平,形成地質(zhì)、油藏、完井、壓裂于一體的射孔優(yōu)化技術(shù)及軟件,保障頁巖氣井上產(chǎn)增效。