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        涪陵頁巖氣田加密井壓裂技術(shù)的實(shí)踐與認(rèn)識

        2022-11-30 05:42:48張馳周彤肖佳林韋琦馬文濤
        斷塊油氣田 2022年6期
        關(guān)鍵詞:焦頁單段老井

        張馳 ,周彤 ,肖佳林 ,韋琦 ,馬文濤

        (1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408014;3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;4.中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院,湖北 武漢 430035;5.中國石化中原石油工程有限公司工程服務(wù)管理中心,河南 濮陽 457001)

        0 引言

        在北美頁巖氣區(qū)塊開發(fā)過程中,普遍采用早期部署大井距母井(即加密前的老井),后續(xù)在母井間合理部署加密井的開發(fā)模式,力求在較小的開發(fā)風(fēng)險下實(shí)現(xiàn)整體區(qū)塊的高效開發(fā)。Marcellus,Haynesville,Eagle Ford,Duvernay等多個頁巖區(qū)塊開發(fā)實(shí)踐表明,當(dāng)開發(fā)井距與壓裂工藝匹配較好時,加密井壓裂可以提高母井產(chǎn)量。反之,則有可能出現(xiàn)母井產(chǎn)量受加密井壓裂影響不明顯的問題,甚至加密井與相鄰的母井產(chǎn)生負(fù)面的井間干擾現(xiàn)象,嚴(yán)重影響區(qū)塊開發(fā)效果[1-2]。因此,設(shè)計(jì)合理開發(fā)井距,并優(yōu)化形成與之配套的壓裂工藝參數(shù),一直是北美頁巖氣開發(fā)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。

        涪陵頁巖氣田是我國首個實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田。其中,焦石壩區(qū)塊自2018年起在國內(nèi)率先開展了井網(wǎng)加密現(xiàn)場試驗(yàn),在老井間以300 m井距部署加密井,并主體采用“單段9簇密切割+限流射孔+高強(qiáng)度加砂”的壓裂工藝?yán)砟钔瓿蓧毫迅脑?。從開發(fā)實(shí)施效果來看,加密井產(chǎn)量普遍低于老井,且部分老井沒有受到相鄰加密井的正向井間干擾影響[3-5]。對于涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊,在加密井已完成部署、井距確定的前提下,弄清前期加密井效果不佳的主要原因,并通過壓裂工藝的優(yōu)化提升區(qū)塊開發(fā)效果,這已成為當(dāng)前氣田開發(fā)亟需解決的難題。

        1 研究區(qū)概況

        涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊位于川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶焦石壩斷背斜,儲層埋深約為2 100~2 600 m,構(gòu)造整體平緩,被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等多條斷層夾持。焦石壩區(qū)塊主力目的層段為下志留統(tǒng)龍馬溪組下段—上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖儲層(厚度為89 m),總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TOC)介于1.04%~5.89%,孔隙度介于3.44%~5.27%,總含氣量介于1.20~6.19 m3/t,黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于30.27%~44.70%,地層壓力系數(shù)達(dá)到1.55。儲層整體品質(zhì)較好,具有較大的開發(fā)潛力。焦石壩區(qū)塊于2013年啟動產(chǎn)能建設(shè),一次井網(wǎng)采用600 m井距、山地叢式交叉布井模式。2017年起,在2口老井間以300 m井距部署加密井,進(jìn)行加密開發(fā)。

        2 加密井壓裂改造難點(diǎn)分析及思路

        2.1 難點(diǎn)分析

        前期加密井壓裂改造以提升近井帶泄氣面積為核心,設(shè)計(jì)單段9~10簇限流射孔,射孔簇間距為8~10 m。壓裂液為黏度2~3 mPa·s的滑溜水,壓裂液用量為1 600~1 800 m3,施工排量為13~14 m3/min,單段加砂量為160~170 t??紤]到多簇裂縫非均勻擴(kuò)展問題,將單段射孔孔眼數(shù)由60孔減少至40孔,以便通過增大射孔摩阻大幅度降低應(yīng)力干擾。加密井壓裂施工整體較為順利,但壓裂后測試產(chǎn)量、壓力分別為周邊老井的69.55%,53.43%,且相鄰老井并未出現(xiàn)明顯的壓裂受效,井組開發(fā)效果無明顯提升。

        本文充分利用加密井壓裂施工前的測井解釋、壓裂過程中的微地震監(jiān)測以及壓裂施工后的產(chǎn)氣剖面測試等資料,對加密井壓裂改造效果進(jìn)行了分析評價,認(rèn)為造成其壓裂改造效果不佳的主要原因有4個方面。

        1)壓裂段內(nèi)多簇非均勻擴(kuò)展嚴(yán)重。產(chǎn)氣剖面結(jié)果顯示,射孔簇數(shù)較多時,目前采用的限流射孔工藝效果有限,單段內(nèi)僅有30%~40%的射孔簇有較高的產(chǎn)氣貢獻(xiàn),段間仍存在各簇裂縫的不均勻擴(kuò)展現(xiàn)象[6]。

        2)井間儲量未動用儲層的壓裂改造不充分。老井的生產(chǎn)會導(dǎo)致其周邊地層壓力系數(shù)降低。微地震監(jiān)測結(jié)果顯示,加密井壓裂過程中水力裂縫由于充滿高壓液體,更容易受到老井低壓區(qū)的誘導(dǎo),向地層壓力更低的區(qū)域延伸[7-9],導(dǎo)致井筒周邊儲量未動用儲層的壓裂改造不充分(見圖1。圖中:藍(lán)線為焦頁C-3HF井井軌跡,該井累計(jì)產(chǎn)氣4 930×104m3;綠線為焦頁C-4HF井井軌跡,該井累計(jì)產(chǎn)氣5 897×104m3;黃線為加密井焦頁D-5HF井井軌跡,井軌跡上的彩色短線段均為不同段的射孔段簇;彩色散點(diǎn)為微地震監(jiān)測信號)。

        圖1 焦頁D-5HF井壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果示意

        3)裂縫復(fù)雜程度有限。老井生產(chǎn)會改變加密井周邊的地應(yīng)力條件[10-11]。在焦石壩區(qū)塊加密井中,雖然最大(最?。┧街鲬?yīng)力出現(xiàn)小幅度的降低,但是水平主應(yīng)力差有所增大,增加了水力裂縫轉(zhuǎn)向的難度,不利于裂縫復(fù)雜化[12](見表 1)。

        表1 加密井焦頁D-5HF井與相鄰老井儲層參數(shù)對比

        4)裂縫縫長較短,未能與開發(fā)井距匹配。與加密井相鄰的老井并未出現(xiàn)明顯增產(chǎn)效果,一定程度上說明現(xiàn)階段水力裂縫的縫長可能較短,未能波及到老井改造的范圍,起不到提高井組開發(fā)效果的作用。

        2.2 壓裂改造思路

        針對難點(diǎn)分析結(jié)果,將加密井壓裂改造思路優(yōu)化為:促進(jìn)水力裂縫向儲量未動用區(qū)域延伸,在此基礎(chǔ)上,控制水力裂縫縫長與開發(fā)井距相匹配,并盡可能地提高近井帶水力裂縫復(fù)雜程度。具體從4個方面優(yōu)化。

        1)射孔簇間距??紤]到水平主應(yīng)力差的增大,可以通過優(yōu)化簇間距,進(jìn)一步強(qiáng)化各簇裂縫間的誘導(dǎo)應(yīng)力、近井帶水力裂縫的復(fù)雜程度[13],以及提升改造強(qiáng)度。

        2)單段簇數(shù)。雖然繼續(xù)減少射孔孔眼數(shù)量可以進(jìn)一步提升多簇裂縫擴(kuò)展的均勻性,但射孔摩阻的大幅增加將導(dǎo)致壓裂施工壓力的升高,不利于排量及砂比的提高。因此,需考慮適當(dāng)降低單段射孔簇數(shù),盡可能使得各簇裂縫都有更好的延伸擴(kuò)展。

        3)中途暫堵?,F(xiàn)階段暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)主要有2種:一是投加暫堵球,以便封堵炮眼,促使未開啟射孔簇的開啟[13-14];二是投加縫內(nèi)暫堵劑,促使水力裂縫轉(zhuǎn)向[15-16]。由于射孔孔眼不規(guī)則,可能會影響到暫堵劑對縫口的封堵,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中暫不考慮投球暫堵轉(zhuǎn)向,而是采用中途投加暫堵劑的方式改變裂縫延伸趨勢。

        4)施工規(guī)模。單段壓裂施工規(guī)模直接決定了水力裂縫的縫長,必須綜合考慮井距、射孔簇數(shù)等因素,對單段施工規(guī)模進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[17-18]。

        3 加密井壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        3.1 射孔簇間距

        結(jié)合加密井地質(zhì)概況,建立裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算模型。設(shè)定凈壓力為9 MPa,裂縫高度為30 m,模擬2個相鄰射孔簇在不同間距條件下的應(yīng)力變化(見圖2)。

        圖2 射孔簇間距對最大(最小)水平主應(yīng)力的影響

        水力裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力會使得最大(最?。┧街鲬?yīng)力在一定程度上的增大;在最小水平主應(yīng)力方向上的影響大于最大水平主應(yīng)力,兩者變化的差異性也直接影響到水平主應(yīng)力差的變化。由圖2可知:當(dāng)射孔簇間距大于15 m時,水平主應(yīng)力差隨簇間距的增大而減小;當(dāng)簇間距小于10 m時,水平主應(yīng)力差隨簇間距的減小而大幅增加。這不利于提高裂縫系統(tǒng)的復(fù)雜程度,因此實(shí)際施工簇間距應(yīng)控制在10~15 m。

        3.2 單段射孔簇數(shù)

        根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)參數(shù),建立平面及三維“井筒-多裂縫擴(kuò)展”全耦合計(jì)算模型[19],設(shè)定單段壓裂液用量為1 800 m3,簇間距為 12 m,壓裂液黏度為 3 mPa·s,施工排量為16 m3/min,并模擬單段射孔簇數(shù)對裂縫擴(kuò)展的影響(見圖3)。

        圖3 單段射孔簇數(shù)對裂縫擴(kuò)展的影響

        由圖3可以看出:在相同用液強(qiáng)度條件下,壓裂段內(nèi)射孔簇數(shù)越多,水力裂縫密集程度越大,段內(nèi)裂縫總面積明顯增加,但各簇進(jìn)液量差異系數(shù)也逐漸增大,表明裂縫的非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象更加嚴(yán)重。當(dāng)單段射孔簇數(shù)大于7簇時,各簇裂縫進(jìn)液量差異系數(shù)明顯增大。綜合考慮段內(nèi)裂縫總面積和裂縫非均勻性,選擇單段5~7簇射孔,既能保證一定的裂縫總面積,也能避免更為嚴(yán)重的非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象發(fā)生。

        3.3 壓裂施工規(guī)模

        利用“井筒-多裂縫擴(kuò)展”全耦合計(jì)算模型,分別進(jìn)行老井及加密井水力裂縫縫長的模擬。其中:老井按照實(shí)際壓裂施工參數(shù),設(shè)定單段段長80 m,簇間距22 m,單段3簇,壓裂液黏度6 mPa·s,施工排量14 m3/min,單段壓裂液用量1 900 m3進(jìn)行模擬;加密井則基于以上設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果,設(shè)定單段段長70 m,簇間距12 m,壓裂液黏度3 mPa·s,施工排量16 m3/min,分別開展單段5,6,7 簇、壓裂液用量規(guī)模 1 200,1 300,1 400,1 500,1 600,1 700 m3條件下的水力裂縫擴(kuò)展模擬。模擬結(jié)果顯示:1)早期老井單段壓裂液用量高,射孔簇數(shù)少,液體黏度大,且簇間距較大,簇間干擾降低;水力裂縫縫長延伸順利,平均半縫長達(dá)到173 m。2)對于加密井,強(qiáng)調(diào)提升壓裂改造裂縫面積,水力裂縫縫長明顯更短。在施工規(guī)模相同的條件下,射孔簇數(shù)越多,水力裂縫縫長越短;在射孔簇數(shù)一定的條件下,隨著施工規(guī)模的增大,水力裂縫的縫長呈逐漸增加的趨勢。

        考慮300 m井距以及老井的水力裂縫縫長,不同簇數(shù)條件下應(yīng)采用不同的壓裂施工規(guī)模(即壓裂液用量)。由圖4可知,在單段5,6,7簇射孔條件下,壓裂液用量分別控制在1 300~1 400,1 400~1 500,1 500~1 600 m3,可以獲得較好的壓裂改造效果。

        圖4 不同壓裂液用量對加密井裂縫擴(kuò)展的影響

        4 現(xiàn)場試驗(yàn)情況及效果

        焦頁A-6HF井為焦石壩主體區(qū)加密井,其西側(cè)300 m有老井焦頁A-4HF井,東側(cè)270 m部署了加密井焦頁A-7HF井。3口井垂深均在2000~2 600 m,且各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)大體相當(dāng)。焦頁A-6HF井壓裂施工前,焦頁A-4HF井已累計(jì)生產(chǎn)1 200×104m3;而焦頁A-7HF井剛完成壓裂施工,未投產(chǎn)。因此,焦頁A-6HF井東西兩側(cè)地層壓力存在較大的差異(見表2)。

        表2 焦頁A-6HF與鄰井儲層參數(shù)對比

        根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,對焦頁A-6HF井進(jìn)行了壓裂施工設(shè)計(jì)[20-22]并完成施工。該井水平段長1 319 m,共分19段,采用單段射孔簇7簇、簇間距10.8 m的射孔方式。該井設(shè)計(jì)單段施工壓裂液用量控制在1 536.12 m3,在單段施工壓裂液用量達(dá)到設(shè)計(jì)值50%左右時,以2 m3/min排量投加暫堵劑150~200 kg。該井共泵入壓裂液29 186.32 m3,支撐劑 1 412.4 m3,施工排量穩(wěn)定在 14~16 m3/min,最大砂比達(dá)18.00%,平均砂比8.35%。

        在焦頁A-6HF井壓裂過程中,采用鄰井井中微地震監(jiān)測的方式,監(jiān)測該井水力裂縫的擴(kuò)展延伸效果。監(jiān)測結(jié)果顯示,受西側(cè)焦頁A-4HF井采出程度的影響,在壓裂施工早期焦頁A-6HF井微地震事件點(diǎn)主要出現(xiàn)在其井筒西側(cè),但在投加暫堵劑后,微地震事件點(diǎn)更多地出現(xiàn)在其井筒東側(cè),暫堵轉(zhuǎn)向效果明顯(見圖5。圖中紅色、黃色散點(diǎn)分別為暫堵前、后微地震監(jiān)測信號,紅線為井軌跡,井軌跡上彩色短線段為不同段內(nèi)的射孔段簇)。該井水平段平均半縫長控制在123~135 m,整體改造體積達(dá)到1 822.4×104m3,相比于同區(qū)塊加密井提升了7.30%。分析認(rèn)為,優(yōu)化后的工藝,對該井改造更加均勻、充分。

        圖5 焦頁A-6HF井分段暫堵轉(zhuǎn)向工藝微地震監(jiān)測結(jié)果示意

        焦頁A-6HF井壓裂后采用φ8 mm油嘴測試求產(chǎn),在井口套壓25.18 MPa下測得穩(wěn)定產(chǎn)氣量19.83×104m3/d,相比于同區(qū)塊其他加密井測試產(chǎn)量提升了10.13%。相鄰的老井焦頁A-4HF井在焦頁A-6HF井壓裂前以6.00×104m3/d左右產(chǎn)量穩(wěn)定生產(chǎn)(井口油壓5.65 MPa);在該井壓裂過程中,焦頁A-4HF井關(guān)井,復(fù)產(chǎn)后,焦頁A-4HF井繼續(xù)以6.00×104m3/d左右產(chǎn)量生產(chǎn),井口油壓升高至19.00 MPa左右(見圖6),生產(chǎn)效果提升明顯。

        圖6 焦頁A-4HF井生產(chǎn)曲線

        5 結(jié)論

        1)老井的壓裂和生產(chǎn)會增加儲層水平主應(yīng)力差,降低地層壓力。這不僅增大了加密井形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度,同時也容易誘導(dǎo)加密井的水力裂縫向采出程度更高的區(qū)域擴(kuò)展,對加密井的壓裂改造帶來挑戰(zhàn)。

        2)通過應(yīng)用暫堵轉(zhuǎn)向工藝,以及針對性優(yōu)化射孔間距、施工規(guī)模等壓裂參數(shù),可增強(qiáng)加密井對儲量未動用儲層的壓裂改造,同時也提升老井生產(chǎn)效果。

        3)老井采出程度越高,其儲量動用區(qū)域內(nèi)地層壓力越低,對加密井水力裂縫擴(kuò)展的誘導(dǎo)作用越大。在本文現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)例中,加密井周邊老井采出程度相對較低,兩側(cè)地層壓力差異有限,應(yīng)用暫堵轉(zhuǎn)向工藝可一定程度改變裂縫擴(kuò)展趨勢,提升井筒兩側(cè)改造的均勻性。但是如果加密井兩側(cè)地層壓力差異較大,現(xiàn)有的暫堵轉(zhuǎn)向工藝可能難以取得理想的效果。因此,在今后的加密井部署過程中,應(yīng)充分考慮加密井周邊老井采出程度,通過差異化設(shè)計(jì)井距提升區(qū)塊開發(fā)效果。

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