周小金 楊洪志 范 宇 曾 波 宋 毅 苑術(shù)生 何 斌劉 波 楊 蕾 宋雯靜 王峻源

（1中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院；2中國石油西南油氣田公司重慶氣礦；3中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部）

0 引言

相較于常規(guī)天然氣儲層，頁巖儲層物性差，孔隙度低，滲透率極低。在原始條件下，地層流體無法流動，唯有通過增產(chǎn)改造才能獲得工業(yè)氣流。因此，頁巖氣藏又被稱為“人造氣藏”，水平井鉆井與分段壓裂成為頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。為降低地面征地成本及設(shè)備搬運時間，提高工作效率及開發(fā)效益，頁巖氣常采用平臺井組式開發(fā)模式。

美國作為最早實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的國家，擁有世界領(lǐng)先的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)體系及作業(yè)經(jīng)驗。近年來，為縮短資本投資回收周期，北美頁巖氣開采作業(yè)者通過加密井、調(diào)整井的部署不斷縮小了水平井巷道間距，同時提高了改造強度，導致壓裂井間干擾普遍存在[1-7]，如何避免井間干擾已成為困擾北美頁巖氣開采作業(yè)者的難題[8-18]。川南頁巖氣開發(fā)借鑒北美先進技術(shù)理念，也出現(xiàn)壓裂井間干擾日益頻繁的現(xiàn)象。

1 井間干擾階段

井間干擾可分為3個階段（圖1）：第①階段為壓力的溝通；第②階段為壓裂液的溝通；第③階段為支撐劑的溝通。

第①階段表現(xiàn)為鄰井壓力輕微上漲，但鄰井井口無液體返出。壓力溝通可改變壓裂液未波及區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，可通過形成細微裂縫改善未改造區(qū)滲流環(huán)境、提高氣體流動能力，同時高壓環(huán)境有利于將氣體驅(qū)替至井筒，從而有利于頁巖氣井增產(chǎn)。

第②階段一般表現(xiàn)為鄰井壓力上漲的同時井口有液體返出。液體溝通后沿鄰井原有裂縫通道流動，不利于形成新裂縫，不利于提高改造效果。

第③階段可能使壓裂施工井支撐劑進入鄰井井筒，導致鄰井套管變形、套管擠毀、井筒堵塞甚至全井筒被填埋的井下事故復(fù)雜發(fā)生，不利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，不利于資源整體動用。

圖1 壓裂井間干擾的3個階段Fig.1 Three stages of frac-hit during the fracturing operation

井間物質(zhì)溝通發(fā)生在井間壓力溝通之后，因此，研究井間壓力溝通具有更為現(xiàn)實的井間干擾防控意義。

關(guān)于壓裂井間干擾的研究，國內(nèi)多集中在常規(guī)天然氣井領(lǐng)域，林彥兵等[19]針對紅河油田的地質(zhì)特征，以平面徑向穩(wěn)定滲流及單向線性穩(wěn)定滲流公式為基礎(chǔ)，研究了壓裂竄通機理。結(jié)果表明：線性流的滲流速度是徑向流滲流速度的7～8倍，儲層滲透率、注入壓差及井距是影響井間溝通的主要因素。封猛等[20]利用吉木薩爾凹陷井生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析了壓裂水平井裂縫線性流特征，提出了根據(jù)裂縫線性流特征判斷井間干擾類型的方法。針對新場氣田的加密井壓裂井間干擾，張家由等[21]、滕小蘭等[22-23]、徐曉峰[24]分析了加密井壓裂井間干擾的現(xiàn)狀，提出了從壓裂方案中對目標縫長、加砂規(guī)模、前置液比、平均砂比及排量等優(yōu)化來降低井間干擾的技術(shù)對策。針對頁巖氣井組壓裂井間干擾，國內(nèi)尚未有相關(guān)文獻發(fā)表。

2 川南頁巖氣井壓裂井間干擾現(xiàn)狀

四川盆地頁巖氣資源量豐富，龍馬溪組和筇竹寺組為最有利勘探開發(fā)層系，估算頁巖氣總資源量超過39×1012m3。經(jīng)過多輪科技攻關(guān)，實現(xiàn)了川南地區(qū)埋深3500m以淺頁巖氣的規(guī)模開發(fā)[25-26]，川南地區(qū)2020年年產(chǎn)頁巖氣量超過100×108m3。

近年來，為提高區(qū)域內(nèi)頁巖氣資源整體動用率，提高頁巖氣開發(fā)效益，川南頁巖氣平臺井巷道間距由開發(fā)初期的500m逐漸縮短至目前的主體400m，部分平臺300m。隨著開發(fā)技術(shù)政策的調(diào)整，壓裂井間干擾日益頻繁，其中長寧區(qū)塊壓裂井間干擾比例超過30%，威遠區(qū)塊老井生產(chǎn)期間井間干擾發(fā)生比例超 過60%。

井間干擾是兩口鄰井之間的壓力或物質(zhì)發(fā)生相互影響，可分為干擾井（壓裂井）與被干擾井。川南頁巖氣井間干擾常發(fā)生于以下3種鄰井工況：①鄰井鉆完井期間；②鄰井壓裂期間；③鄰井生產(chǎn)期間。

2.1 鄰井鉆完井期間的井間干擾

鄰井鉆井期間出現(xiàn)井間干擾常表現(xiàn)為正鉆井出現(xiàn)溢流、井涌、井噴等險情。針對頁巖儲層脆性好、細微層理發(fā)育的特征，正鉆井存在井眼垮塌、擠毀或填埋井下鉆具風險，從而為鉆井作業(yè)帶來不可估量的損失。針對已完成固井作業(yè)的鄰井，壓裂井間干擾易誘發(fā)井下套管損壞甚至被擠毀，從而出現(xiàn)“未壓先變”的情況。

針對鄰井鉆完井期間的井間干擾，礦場常采用壓裂作業(yè)立即停止，待鉆完井作業(yè)完成后再恢復(fù)壓裂作業(yè)。一定程度上避免了鉆井井下鉆具被埋風險，但不能解決井下套管“未壓先變”難題。

2.2 鄰井壓裂期間的井間干擾

鄰井壓裂期間出現(xiàn)井間干擾常表現(xiàn)為被干擾井井口壓力上漲（圖2），嚴重情況下可能出現(xiàn)井涌；若被干擾井處于泵送橋塞作業(yè)期間，高壓流體可能導致井下射孔管串落井、電纜纏繞等風險；同時被干擾井井下套管也存在變形、擠毀風險，已改造段存在被鄰井壓裂支撐劑填埋風險。

圖2 長寧區(qū)塊X1井部分井段壓裂期間井間干擾曲線圖Fig.2 Frac hit curve of fracturing in Well X1 in the Changning Block

井間干擾的有效監(jiān)測是避免干擾程度進一步加大、控制經(jīng)濟損失最有效的手段，針對鄰井壓裂井，礦場常采用鄰井壓力監(jiān)測與微地震監(jiān)測，對井間干擾開展預(yù)防與實時監(jiān)測（圖3），從而給作業(yè)現(xiàn)場提供方案調(diào)整依據(jù)。

圖3 長寧區(qū)塊X2井第7段壓裂期間微地震監(jiān)測結(jié)果（左）及鄰井壓力曲線圖（右）Fig.3 Microseismic monitoring results (left) and pressure curve of adjacent well (right) during the fracturing of seventh stage in Well Changning X2

當鄰井出現(xiàn)井間干擾時，礦場常采用減小壓裂井壓裂液用量、減小施工排量等手段降低井間干擾程度。如圖4所示，X3井在縮小改造規(guī)模前，鄰井井口壓力漲幅明顯，最高值接近9MPa，縮小改造規(guī)模后，井間干擾現(xiàn)象明顯減弱，鄰井L1井、L2井井口壓力漲幅普遍小于2MPa；X4井壓裂最高施工排量與鄰井L3井井口壓力具有一定正相關(guān)關(guān)系，雖然時間上具有一定滯后，但減小壓裂井最高施工排量對降低鄰井井間干擾效果明顯（圖5）。

圖4 長寧區(qū)塊X3井降低壓裂液用量前后鄰井壓力漲幅曲線Fig.4 Pressure increase curve of adjacent wells before and after reducing fracturing fluid volume in Well Changning X3 in the Changning Block

同時，在支撐劑加入濃度、射孔參數(shù)方面進行了調(diào)整，探索采用高濃度石英砂對竄流通道進行封堵（圖6）并增加射孔簇數(shù)，通過增加干擾井近井筒起裂點，分散壓裂液水動力能量，縮短壓裂造縫縫長，部分井取得了較好效果。

圖5 長寧區(qū)塊X4井最高施工排量與鄰井壓力漲幅曲線圖Fig.5 Pressure increase curve of adjacent wells with pumping rate change in Well Changning X4 in the Changning Block

圖6 長寧地區(qū)X5井暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工曲線Fig.6 Temporary plugging fracturing operation curve in Well Changning X5 in the Changning Block

2.3 鄰井生產(chǎn)期間的井間干擾

鄰井生產(chǎn)期間的井間干擾常表現(xiàn)為產(chǎn)氣量下降，產(chǎn)液量上升，井口壓力波動較大。如圖7所示，X6井因鄰井壓裂施工導致該井在生產(chǎn)期間發(fā)生井間干擾，在生產(chǎn)制度不變的情況下，X6井井口套壓經(jīng)歷多次波動由32MPa下降至24MPa，產(chǎn)氣量則由35×104m3/d下降至18×104m3/d，排液速度由18m3/h上升至28m3/h，出現(xiàn)顯著的“水淹”特征。

針對以上情況，礦場常對生產(chǎn)井實施關(guān)井，待鄰井壓裂完成后重新開井生產(chǎn)。礦場實踐表明，重新開井生產(chǎn)后，生產(chǎn)井產(chǎn)氣量需經(jīng)歷較長時間才能恢復(fù)至井間干擾前水平，且井間干擾前生產(chǎn)時間越長，產(chǎn)量恢復(fù)速度越慢。如圖7所示，X6井生產(chǎn)約5天后發(fā)生井間干擾，待重新開井生產(chǎn)約20天后，氣井日產(chǎn)氣量、排液速度、井口壓力才得以恢復(fù)正常；而針對已生產(chǎn)數(shù)年的老井，開井復(fù)產(chǎn)后產(chǎn)量恢復(fù)至井間干擾前產(chǎn)量的50%～60%往往需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間。

因此，鄰井生產(chǎn)期間的井間干擾對頁巖氣開發(fā)效果、建產(chǎn)速度影響最為直觀。本文以同平臺壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)期間的井間干擾為研究重點，明確影響壓裂井間干擾的主控因素。

圖7 壓裂井間干擾對鄰井排采曲線的影響Fig.7 The influence of frac hit on the drainage and production of adjacent wells

3 頁巖氣平臺井組壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)模型建立

長寧區(qū)塊主體儲層厚度薄，儲層可簡化為二維平面模型，如圖8所示，平臺同方位部署A井、B井、C井3口井，各井間距為300m，其中C井處于壓后排液采氣階段；A井對應(yīng)段已完成壓裂施工，但尚未排液采氣；B井該段待壓裂。受儲層非均質(zhì)性影響，各井各簇裂縫長度存在較大差異，具體參數(shù)見表1。鑒于頁巖儲層壓裂人工裂縫展布及裂縫幾何參數(shù)認識有待進一步深化，假設(shè)模型壓裂后人工裂縫呈單一裂縫形態(tài)。由于現(xiàn)有平臺井組拉鏈式壓裂間隔時間差異較大，壓裂后儲層壓力波及范圍認識不清，故該模型假設(shè)A井、C井壓裂后儲層壓力仍為原始地層壓力，各簇裂縫內(nèi)壓力與儲層壓力存在差異。當中間井B井壓裂期間，各簇裂縫與周圍地層發(fā)生壓力傳遞。

圖8 同平臺壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)模型圖Fig.8 Model of synchronous fracturing and production on the same platform

假設(shè)A井該段已完成壓裂施工，B井壓裂期間及C井生產(chǎn)期間，各簇縫內(nèi)壓力呈線性變化，其中B井各簇裂縫尖端壓力為儲層最小水平主應(yīng)力，C井各簇裂縫尖端壓力為地層壓力。各井井筒與儲層邊界和外部環(huán)境之間不產(chǎn)生物質(zhì)交換。

B井壓裂期間，壓力沿裂縫表面進行擴展，根據(jù)彈性多孔介質(zhì)單相微可壓縮液體不穩(wěn)定滲流理論，壓力傳導滿足以下方程：

式中x——裂縫長度，m；

y——裂縫間距，m；

t——傳導時間，s；

p——壓力，MPa；

α——導壓系數(shù)，cm2/s；

K——儲層綜合滲透率，mD；

μ——黏度，mPa·s；

Ct——儲層綜合彈性壓縮系數(shù)，10MPa-1。

表1 同平臺壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)模型裂縫參數(shù)表Table 1 Fracture parameters of synchronous operation model of fracturing and production on the same platform

4 井間干擾影響因素分析

井間干擾是壓裂方案制定、施工工藝實時調(diào)整、排液采氣制度優(yōu)化的重點防控對象，厘清井間干擾影響因素，對井間干擾的防治具有實際意義。根據(jù)本文所建立的模型，采用長寧地區(qū)X1井DFIT解釋獲取的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)及常規(guī)壓裂施工參數(shù)（表2）進行模擬計算，開展井間干擾影響因素分析。

表2 井間干擾模型計算參數(shù)表Table 2 Table of parameters for frac hit model calculation

4.1 儲層地質(zhì)條件對井間干擾的影響

儲層地質(zhì)條件是影響井間干擾程度的重要因素，如圖9所示，在300m巷道間距下，當儲層綜合滲透率由0.0084mD分別提高10倍及100倍時，相同工程參數(shù)條件下井間干擾程度由未見明顯干擾到輕微干擾，最后為明顯干擾。因此影響儲層綜合滲透率的層理、細微天然裂縫發(fā)育程度、大尺度天然裂縫帶發(fā)育程度對井間干擾程度影響大。

壓力傳導類井間干擾的實質(zhì)是壓裂施工井與被干擾井之間存在壓力差，在相隔距離較近的情況下，對應(yīng)層位發(fā)生井間壓力溝通。如圖9所示，同平臺壓裂井與排采井之間更易誘發(fā)井間干擾。北美地區(qū)現(xiàn)場實踐表明，儲層壓力衰竭區(qū)域加密井部署大幅度加大了井間干擾程度[27-30]。

4.2 工程條件對井間干擾的影響

以低孔、超低滲為顯著特征的頁巖儲層，人工裂縫參數(shù)是影響頁巖氣井改造效果的關(guān)鍵，國內(nèi)外普遍以儲層改造體積SRV及裂縫復(fù)雜程度表征實施效果。頁巖氣開發(fā)工程參數(shù)，如布井方式、水平井巷道間距、壓裂工藝參數(shù)差異等都將影響井間干擾程度，如圖9所示，單一裂縫形態(tài)條件下，裂縫縫長越長，越易導致井間干擾，A井第②簇與B井第①簇左側(cè)裂縫雖通過交錯布縫未造成裂縫直接相遇，但同一平面上距離近，增加了井間干擾風險。鄰井相鄰壓裂簇間距越短，越易誘發(fā)井間干擾。

施工排量越低，對應(yīng)井底施工壓力越低，壓力傳導越慢，井間干擾概率越低；在同等施工排量（施工井底壓力）條件下，井間干擾程度隨著壓裂時間的推移愈發(fā)明顯（圖10），因此壓裂改造規(guī)模越大，井間干擾越嚴重。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

基于以上研究認識，提出了以下井間干擾防控措施：①深化地質(zhì)工程一體化開發(fā)理念，加強頁巖儲層地質(zhì)特征研究，著重開展天然裂縫/斷層精細描述，針對天然裂縫發(fā)育段在壓裂設(shè)計方面提前采取降低改造強度、多簇射孔、暫堵轉(zhuǎn)向等工藝措施降低水力裂縫縫長，從而降低井間干擾發(fā)生概率；②新投產(chǎn)井因井周附近地層壓力虧空有限，壓裂井間干擾發(fā)生概率相對較低，壓裂井間干擾發(fā)生后礦場常采取關(guān)井措施，待鄰井壓裂完成后再重新開井生產(chǎn)（圖11a）；③針對長時間生產(chǎn)的老井，井周附近地層壓力虧空明顯，壓裂井間干擾發(fā)生概率相對較高，礦場常在鄰井壓裂前對生產(chǎn)老井實施關(guān)井復(fù)壓、泵注氮氣復(fù)壓等措施來降低井間干擾發(fā)生概率（圖11b）。壓裂井間干擾防控技術(shù)推廣應(yīng)用以來取得了較為明顯的效果，其中長寧區(qū)塊壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)平臺井間干擾發(fā)生概率由35.7%降低至26.1%，井間干擾發(fā)生次數(shù)由平均5.8次/井降低至1.0次/井。

圖9 不同儲層綜合滲透率條件下壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution diagram of synchronous fracturing and production with different reservoir permeability

圖10 相同泵注壓力不同泵注時間（規(guī)模）條件下壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)壓力分布圖Fig.10 Pressure distribution diagram of synchronous fracturing and production with same pumping pressure and different pumping time (scale)

6 結(jié)論與建議

（1）川南頁巖氣平臺壓裂井間干擾存在3種工況：①鄰井鉆井期間；②鄰井壓裂期間；③鄰井生產(chǎn)期間。第①種、第②種工況下主要帶來井下復(fù)雜，因井下復(fù)雜處理而降低礦場生產(chǎn)時效；第③種工況帶來井下復(fù)雜的同時還影響鄰井產(chǎn)能發(fā)揮，井間干擾發(fā)生后的關(guān)井時間及漫長的產(chǎn)能恢復(fù)時間影響區(qū)塊上產(chǎn)周期。針對井間干擾，缺乏有效的預(yù)防手段，通常情況下，在出現(xiàn)壓裂井間干擾后才采取被動的應(yīng)對方案。

（2）儲層高滲透帶（天然裂縫發(fā)育區(qū)）、壓力虧空是誘發(fā)壓裂井間干擾的重要地質(zhì)內(nèi)因；水平井巷道間距縮短、人工裂縫半長增加是誘發(fā)壓裂井間干擾的工程外因之一。

（3）壓裂井間干擾防治是一項系統(tǒng)工程，其涉及儲層地質(zhì)基礎(chǔ)、開發(fā)技術(shù)政策、壓裂實施方案、生產(chǎn)組織的深度融合與參數(shù)匹配，礦場現(xiàn)有的井間干擾防控技術(shù)措施取得了較為明顯的效果，但仍需進一步優(yōu)化完善。①建議深化區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)力學、天然裂縫精細描述等方面的研究，構(gòu)建區(qū)域三維地質(zhì)屬性體；②強化開發(fā)技術(shù)政策與壓裂實施方案的匹配研究，針對小巷道間距開發(fā)井天然裂縫發(fā)育改造段，開展壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化，進一步探索降低井間干擾程度的實時調(diào)整工藝，提高壓裂方案的針對性；③統(tǒng)籌管理、整體優(yōu)化生產(chǎn)組織進度，盡可能實現(xiàn)區(qū)域開發(fā)進度一致，新井部署盡可能避開因氣井長期生產(chǎn)而產(chǎn)生的壓力虧空區(qū)；④加強區(qū)域老井生產(chǎn)動態(tài)跟蹤與維護，進一步探索能量補給新方法。

圖11 壓裂生產(chǎn)同步作業(yè)平臺井間干擾防控技術(shù)實施效果對比Fig.11 Implementation effect of prevention and control measures for frac hit of synchronous fracturing and production