肖佳林 游 園 朱海燕 唐煊赫 張 峰 劉 煒

1.中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)

0 引言

焦石壩區(qū)塊作為重慶涪陵頁(yè)巖氣田主產(chǎn)氣區(qū)，其目的層系為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，厚度約89 m。根據(jù)礦物含量、物性、含氣性特征，縱向上可劃分9個(gè)小層，五峰組—龍馬溪組中①—⑤小層為下部氣層，龍馬溪組中⑥—⑨小層為上部氣層。前期開(kāi)發(fā)布井主要基于對(duì)北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和焦石壩儲(chǔ)層地質(zhì)條件，采用“1 500 m水平段+600 m井距的一次井網(wǎng)、山地叢式交叉布井，穿行①—③小層”的開(kāi)發(fā)模式，將五峰組—龍馬溪組地層作為一套頁(yè)巖層系開(kāi)發(fā)。一次井網(wǎng)實(shí)施完成后，壓裂改造范圍和壓后產(chǎn)能評(píng)價(jià)均顯示該區(qū)塊下部氣層以600 m井距不能充分動(dòng)用儲(chǔ)量，平面上儲(chǔ)量動(dòng)用差異大[1]。2018年以來(lái)，焦石壩區(qū)塊率先實(shí)施調(diào)整井（包括加密井、子母井等）開(kāi)發(fā)，在一次井網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)下部氣層進(jìn)行井間加密+上部氣層部署調(diào)整井的方式，將壓裂縫網(wǎng)由單井控制的局部范圍拓展到多井控制的全局范圍，從而有效提高頁(yè)巖氣藏采收率。調(diào)整井開(kāi)發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵在于使用合理的人工壓裂改造方式強(qiáng)化現(xiàn)有的人工縫網(wǎng)系統(tǒng)，大幅提高氣田的儲(chǔ)量動(dòng)用程度[2]。

北美頁(yè)巖氣已實(shí)施開(kāi)發(fā)調(diào)整井，在井位布置與時(shí)機(jī)選擇、井間壓竄預(yù)測(cè)與控制、壓后產(chǎn)能評(píng)價(jià)等方面已開(kāi)展了大量研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[3]。但相較于北美頁(yè)巖氣，焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井是對(duì)一套無(wú)明顯隔層的單一頁(yè)巖層開(kāi)展工作，焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組具有非均質(zhì)性強(qiáng)、埋深變化大、裂縫分布復(fù)雜等特點(diǎn)，北美頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)調(diào)整井經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)難以適用。作為國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)施開(kāi)發(fā)調(diào)整井布井及壓裂的頁(yè)巖氣區(qū)塊，焦石壩區(qū)塊主要面臨一次開(kāi)發(fā)后應(yīng)力場(chǎng)—地層壓力復(fù)雜多變，以加密井、上部氣層為代表的開(kāi)發(fā)調(diào)整井單井技術(shù)可采儲(chǔ)量相比老井有不同程度降低等壓裂改造新挑戰(zhàn)，亟需對(duì)技術(shù)提檔升級(jí)以實(shí)現(xiàn)剩余儲(chǔ)量高效動(dòng)用。

針對(duì)焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井改造面臨的問(wèn)題，通過(guò)總結(jié)分析開(kāi)發(fā)調(diào)整井的儲(chǔ)層特征和改造難點(diǎn)，提出了以四維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模擬分析為核心，以井間精準(zhǔn)布縫優(yōu)化設(shè)計(jì)、縱向分層促縫—控縫精細(xì)化設(shè)計(jì)和井間干擾識(shí)別與實(shí)時(shí)調(diào)控為關(guān)鍵措施的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)調(diào)整井立體縫網(wǎng)精準(zhǔn)壓裂工藝。該工藝在焦石壩開(kāi)發(fā)調(diào)整井中進(jìn)行了大規(guī)模推廣應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果，為我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)調(diào)整井壓裂提供了有益借鑒。

1 焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井儲(chǔ)層特征與改造難點(diǎn)

相比一次井網(wǎng)，焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整階段按下部氣層（①—⑤小層）和上部氣層（⑥—⑨小層）兩套層系開(kāi)發(fā)。平面上具有平臺(tái)井?dāng)?shù)更多、井網(wǎng)更密集、水平段更長(zhǎng)的特征；縱向上立體井位部署、兩套目的層品質(zhì)差異大等特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)對(duì)象、地質(zhì)條件等一系列變化給高效壓裂帶來(lái)了新難題，主要表現(xiàn)為地層非均質(zhì)性更強(qiáng)、改造效率降低、降本提產(chǎn)要求更高等三個(gè)方面。

1.1 一次井網(wǎng)開(kāi)發(fā)后資源較豐富

焦石壩區(qū)塊一次井網(wǎng)投產(chǎn)254口井，平均井口生產(chǎn)壓力為4.79 MPa，日產(chǎn)氣量為1 027×104m3，①—⑨小層整體平均采收率為12.57%，其中①—⑤小層平均采收率為21.33%，可見(jiàn)上部氣層（⑥—⑨小層）儲(chǔ)層剩余資源較豐富，具有良好的開(kāi)發(fā)前景。

1.2 儲(chǔ)層特征

焦石壩區(qū)塊受北東向和近南北向兩組斷裂控制，整體呈箱狀斷背斜形態(tài)，主體變形較弱，斷裂不發(fā)育、地層傾角小。縱向地質(zhì)條件表現(xiàn)出較為明顯的“三段式”特征（表1），綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為①—⑤小層為Ⅰ類儲(chǔ)層，⑥—⑨小層為Ⅱ類儲(chǔ)層[5]。

表1 焦石壩區(qū)塊縱向地質(zhì)條件概況表

1.3 儲(chǔ)層改造難點(diǎn)

以焦石壩區(qū)塊為代表的頁(yè)巖氣調(diào)整井壓裂改造主要存在2大工程難點(diǎn)：①一次井網(wǎng)開(kāi)發(fā)后儲(chǔ)層非均質(zhì)性變強(qiáng)，使得調(diào)整井壓裂改造范圍設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)難度增大；②一次井網(wǎng)開(kāi)發(fā)后地層壓力下降，不受控的調(diào)整井壓裂波及區(qū)與前期生產(chǎn)井有效控制區(qū)部分交叉重疊，導(dǎo)致調(diào)整改造效率降低。

1.3.1 一次井網(wǎng)開(kāi)發(fā)后地層非均質(zhì)性變強(qiáng)

頁(yè)巖氣藏經(jīng)歷了一次大規(guī)模改造后，老井壓裂改造的人工縫網(wǎng)及剩余儲(chǔ)量分布都呈非均勻分布。橫向上，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明井間改造范圍分布復(fù)雜，單井單段壓裂裂縫展布差異較大，如J8平臺(tái)3口井平均單段壓裂縫長(zhǎng)介于216～319 m（圖1），單段壓裂縫高介于31～46 m，單段壓裂縫寬介于45～90 m?？v向上。儲(chǔ)量動(dòng)用評(píng)價(jià)認(rèn)為一次井網(wǎng)對(duì)下部氣層（①—⑤小層）井間動(dòng)用程度低，剩余地質(zhì)儲(chǔ)量豐度達(dá)4.69×108m3/km2；上部氣層（⑥—⑨小層）儲(chǔ)量基本未動(dòng)用，地質(zhì)儲(chǔ)量豐度達(dá)4.11×108m3/km2。

圖1 J8平臺(tái)3口井微地震監(jiān)測(cè)事件密度體、波及特征結(jié)果俯視圖

1.3.2 一次井網(wǎng)開(kāi)發(fā)后地層壓力下降導(dǎo)致改造效率降低

長(zhǎng)期開(kāi)采導(dǎo)致焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣藏地層壓力普遍降低，其中一次井網(wǎng)的老井壓力降幅明顯，地層壓力系數(shù)由早期的1.4～1.5下降至0.9～1.2。以Z1井區(qū)為例，老井開(kāi)采后地層壓力降了6.4 MPa，屬于低壓區(qū)；調(diào)整井投產(chǎn)前平均地層壓力約26.7 MPa，平均地層壓力系數(shù)約1.10；上部氣層投產(chǎn)前平均地層壓力約24.8 MPa，平均地層壓力系數(shù)約1.03。調(diào)整井的開(kāi)井、延伸及停泵壓力等關(guān)鍵核心壓力指標(biāo)相較于前期開(kāi)發(fā)井均整體降低。另一方面，由于老井長(zhǎng)期開(kāi)采形成的衰竭區(qū)，對(duì)調(diào)整井壓裂裂縫有較強(qiáng)誘導(dǎo)作用，進(jìn)而降低對(duì)調(diào)整井的改造強(qiáng)度和效果[6]。下部氣層加密井JY2-5井實(shí)施過(guò)程中微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)了上述認(rèn)識(shí)，該井部分井段監(jiān)測(cè)事件點(diǎn)向西側(cè)偏移，東側(cè)事件明顯減少，可能受累產(chǎn)相對(duì)更高的老井（J-4井）影響。一次井網(wǎng)開(kāi)采導(dǎo)致的氣藏整體壓力下降和老井衰竭區(qū)對(duì)調(diào)整井裂縫的誘導(dǎo)作用，共同導(dǎo)致了調(diào)整井壓后測(cè)試產(chǎn)能普遍低于老井。

2 高效壓裂對(duì)策及實(shí)踐

2.1 四維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模擬分析技術(shù)

儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)（孔隙壓力、三向地應(yīng)力、孔隙度及滲透率特性、巖石變形特性等）是制約井位部署、鉆井、完井、壓裂的主要因素。同區(qū)塊前期生產(chǎn)頁(yè)巖氣井在開(kāi)采過(guò)程中，包括孔隙壓力、地應(yīng)力在內(nèi)的地質(zhì)力學(xué)特征參數(shù)會(huì)隨著生產(chǎn)時(shí)間發(fā)生變化，無(wú)法將已實(shí)施井原始地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)直接應(yīng)用于開(kāi)發(fā)調(diào)整井?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)僅能反應(yīng)單點(diǎn)地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)且具有成本高昂的挑戰(zhàn)，無(wú)法在大規(guī)模調(diào)整井部署中進(jìn)行推廣。因此，如何通過(guò)數(shù)值模擬手段獲取四維（三維空間+生產(chǎn)時(shí)間維）動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)演化規(guī)律，成為開(kāi)發(fā)調(diào)整井部署、鉆井以及水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力模擬分析技術(shù)是在高精度三維地質(zhì)力學(xué)建?；A(chǔ)上，開(kāi)展老井壓后生產(chǎn)的滲流—應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，計(jì)算得到整個(gè)區(qū)域儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律[3,7]。傳統(tǒng)四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力建模分析方法難以綜合考慮儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中非均質(zhì)性、天然裂縫、儲(chǔ)層地應(yīng)力、孔隙壓力等因素。本文創(chuàng)建了裂縫性頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中的四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力模擬分析技術(shù)，其主要步驟為[8-9]：①三維綜合地質(zhì)力學(xué)建模，通過(guò)基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)構(gòu)建地質(zhì)構(gòu)造及網(wǎng)格模型，綜合地震—測(cè)井—室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)開(kāi)展三維物性及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)分析，并在地質(zhì)模型中建立三維屬性地質(zhì)力學(xué)模型，為目標(biāo)井壓裂生產(chǎn)模擬提供基礎(chǔ)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)；②天然—水力（人工）裂縫DFN（離散裂縫網(wǎng)絡(luò)）建模，包括基于巖心、測(cè)井、地層數(shù)據(jù)進(jìn)行天然裂縫分析建立的天然裂縫DFN模型，并結(jié)合水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果建立水力—天然裂縫組成的復(fù)雜裂縫DFN模型，為頁(yè)巖氣復(fù)雜裂縫擴(kuò)展提供前提條件；③滲流—地質(zhì)力學(xué)建模及耦合，在三維動(dòng)態(tài)滲流—應(yīng)力耦合模型基礎(chǔ)上，建立起真實(shí)地層尺度的頁(yè)巖儲(chǔ)層三維滲流模型、三維地質(zhì)力學(xué)模型，并執(zhí)行滲流—地質(zhì)力學(xué)交叉迭代耦合計(jì)算。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析包括地應(yīng)力在內(nèi)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)演變情況。

上述建模分析方法及成果于2018年首次應(yīng)用于焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)調(diào)整井（JY2-JY10平臺(tái)）。受老井壓后生產(chǎn)波及影響，儲(chǔ)層三向地應(yīng)力變化存在差異，最小主應(yīng)力變化最大，其次是最大水平主應(yīng)力，而垂向主應(yīng)力變化微小。與初始應(yīng)力差相比，老井附近水平應(yīng)力差升高達(dá)3～5 MPa，新井附近基本無(wú)變化（圖2）。開(kāi)采后期井周地層壓力降低50%時(shí)，壓力衰減波及距離達(dá)200～500 m（因各井及井內(nèi)各段前期改造效果而異），使得開(kāi)發(fā)調(diào)整井井周地層處于老井壓后開(kāi)采的波及范圍內(nèi)。與一次老井和加密井的測(cè)井解釋對(duì)比可知，開(kāi)發(fā)調(diào)整階段相對(duì)早期地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，四維模型預(yù)測(cè)成果得到了驗(yàn)證。

圖2 沿裂縫擴(kuò)展方向的三向地應(yīng)力分布情況圖[8]

與傳統(tǒng)單一裂縫壓后生產(chǎn)導(dǎo)致兩向水平應(yīng)力差逐漸減小的情況不同，焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣藏呈現(xiàn)出隨老井開(kāi)采孔隙壓力變化，垂向—水平地應(yīng)力及水平兩向地應(yīng)力差值變大的現(xiàn)象，其主要原因在于：傳統(tǒng)單一裂縫的泄壓方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，因此最大水平主應(yīng)力下降速率大于最小水平主應(yīng)力（即水平兩向應(yīng)力差減小，甚至出現(xiàn)應(yīng)力關(guān)系逆轉(zhuǎn)）。而頁(yè)巖體積壓裂改造模式下，壓裂各段之間基本無(wú)未改造區(qū)，即沿著井筒軸線方向（最小水平主應(yīng)力方向）形成連續(xù)泄壓區(qū)，因此最小水平主應(yīng)力下降速率大于最大水平主應(yīng)力（即水平兩向應(yīng)力差增大）。平面和縱向上地應(yīng)力非均勻分布及老井誘導(dǎo)效應(yīng)疊加影響，導(dǎo)致層理開(kāi)啟難度增大、人工縫復(fù)雜度降低，進(jìn)而影響開(kāi)發(fā)調(diào)整井近端—遠(yuǎn)端壓裂成縫復(fù)雜度及改造效果。因此，頁(yè)巖氣老井壓后開(kāi)采的壓力—應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化對(duì)新壓井縫網(wǎng)形成易產(chǎn)生抑制與劣化作用。

2.2 水平井組立體縫網(wǎng)精準(zhǔn)壓裂工藝

從地質(zhì)—工程一體化角度出發(fā)，針對(duì)開(kāi)發(fā)調(diào)整井儲(chǔ)層特征變化及開(kāi)發(fā)需求，壓裂思路應(yīng)由“單井單層改造”向“多井立體改造”轉(zhuǎn)變，如何實(shí)現(xiàn)多井立體改造條件下的人工裂縫系統(tǒng)精準(zhǔn)布縫和控縫協(xié)同優(yōu)化成為充分動(dòng)用立體剩余儲(chǔ)量的關(guān)鍵。基于儲(chǔ)層復(fù)雜構(gòu)造、天然裂縫、四維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)分析關(guān)鍵認(rèn)識(shí)，前期研究與實(shí)踐形成了以“井間”精準(zhǔn)布縫、“層間”精準(zhǔn)促縫—控縫、井間干擾識(shí)別與實(shí)時(shí)調(diào)控為主要技術(shù)特點(diǎn)的水平井組立體縫網(wǎng)精準(zhǔn)壓裂工藝目標(biāo)，具體通過(guò)2個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工實(shí)時(shí)調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 基于四維地應(yīng)力—壓力場(chǎng)分析的井間精準(zhǔn)布縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

不同常規(guī)單井設(shè)計(jì)，由于老井采出導(dǎo)致地層壓力、裂縫的不規(guī)則展布，加之原始先存天然裂縫分布特征差異，井間和層間剩余儲(chǔ)量均存在分布不均的情況。開(kāi)發(fā)調(diào)整井應(yīng)更加注重老井壓后生產(chǎn)的滲流—地質(zhì)力學(xué)特征變化對(duì)新井人工裂縫和井組綜合改造效果影響。重點(diǎn)考慮裂縫展布、改造強(qiáng)度與井網(wǎng)井距、剩余儲(chǔ)量動(dòng)用相匹配，以井組為設(shè)計(jì)單元，優(yōu)化匹配立體井網(wǎng)的壓裂縫網(wǎng)形態(tài)。①結(jié)合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)及四維地應(yīng)力—壓力場(chǎng)模擬，分析前期壓裂和生產(chǎn)過(guò)程中儲(chǔ)層地應(yīng)力—壓力的演化情況；②建立耦合水力/天然裂縫、地應(yīng)力—壓力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的三維開(kāi)發(fā)調(diào)整井水力壓裂擴(kuò)展模型，并進(jìn)行不同施工參數(shù)組合開(kāi)發(fā)調(diào)整井水力壓裂裂縫模擬，評(píng)價(jià)老井應(yīng)力—壓力場(chǎng)作用下對(duì)開(kāi)發(fā)調(diào)整井裂縫展布形態(tài)、壓后產(chǎn)能影響，以縫網(wǎng)三維空間展布為核心制訂改造主體思路，包括簇間距、簇?cái)?shù)、施工規(guī)模等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)策略（圖3）。

圖3 基于四維地應(yīng)力—壓力場(chǎng)分析的精準(zhǔn)布縫優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

以JL56井組下部氣層加密井（Z1、Z2、3HF、4HF）簇間距優(yōu)化為例。①?gòu)母脑炝芽p的角度，不同簇間距下（段長(zhǎng)不變）單井裂縫形態(tài)變化對(duì)比反映（圖4），在同一壓裂段施工液量相同時(shí)，簇間距越小，射孔簇?cái)?shù)越多，使得單簇進(jìn)液量越少，導(dǎo)致裂縫縫長(zhǎng)、改造寬度及儲(chǔ)層改造體積越?。虎趶膯尉畨汉螽a(chǎn)能和縱向波及范圍角度，不同的分簇方式則表現(xiàn)出多種不同的規(guī)律：當(dāng)簇間距為5 m時(shí)初期產(chǎn)能最大；后期簇間距為10 m和15 m穩(wěn)產(chǎn)效果更好；③10 m簇間距在5年內(nèi)的總產(chǎn)量最大。

圖4 JL56井組下部氣層加密井不同簇間距裂縫參數(shù)模擬平面圖

出現(xiàn)上述特征的主要地質(zhì)力學(xué)原因在于：①隨著簇間距增大，裂縫長(zhǎng)度增加，加密井生產(chǎn)壓力波及范圍變大（橫向波及由180 m增加至260 m）；②簇間距降低，單簇液量降低，不利于主裂縫擴(kuò)展，但能解決部分非均勻起裂和非對(duì)稱擴(kuò)展導(dǎo)致的簇間地層未被充分改造的問(wèn)題，同時(shí)增加裂縫復(fù)雜度和激活天然裂縫數(shù)量；③簇間距降低不利于形成更大的改造范圍，后期穩(wěn)產(chǎn)效果較差。

具體到不同井組、下部氣層加密和上部氣層不同單井，可以視老井開(kāi)采程度、井間剩余儲(chǔ)量具體分布狀況，以裂縫形態(tài)及壓后產(chǎn)能為雙重約束指標(biāo)，差異化設(shè)計(jì)簇間距，同時(shí)匹配優(yōu)化對(duì)應(yīng)井段單段簇?cái)?shù)、用液及加砂規(guī)模。以單簇裂縫改造強(qiáng)度即單簇用液量、單簇加砂量等為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，更能準(zhǔn)確控制裂縫平面展布，前期單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示上述參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣井長(zhǎng)期累產(chǎn)作用明顯，應(yīng)作為匹配控制剩余儲(chǔ)量的關(guān)鍵。

2.2.2 縱向分層促縫—控縫精細(xì)化設(shè)計(jì)

頁(yè)巖縱向應(yīng)力是控制人工縫高的關(guān)鍵因素，脆性、層理密度是導(dǎo)致上部、下部氣層壓裂裂縫復(fù)雜度差異的主控因素。針對(duì)上下部氣層特征及成縫機(jī)制的共性和差異，形成了不同小層、不同類型井段差異化壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

儲(chǔ)層縱向上不同應(yīng)力差異背景下，人工縫高擴(kuò)展模擬揭示應(yīng)力差異越小，縫高向上延伸能力越強(qiáng)，控制范圍越大，人工壓裂縫高與頁(yè)巖小層間的應(yīng)力差呈正相關(guān)關(guān)系，即差值越大，半縫高越高。當(dāng)應(yīng)力差低于5 MPa時(shí)，壓裂上縫高提升20%～50%?？紤]焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段為一套厚層頁(yè)巖層、儲(chǔ)層內(nèi)部無(wú)明顯隔層等特征，基于“層間應(yīng)力弱遮擋+壓力墻保護(hù)”雙效應(yīng)制訂了針對(duì)性工藝對(duì)策，綜合應(yīng)用造縫階段階梯控制排量變化速率及頻次、粉砂/暫堵劑封堵等多種手段控制縫高擴(kuò)展。同時(shí)施工過(guò)程中老井提前關(guān)井補(bǔ)壓，新井與老井形成壓力屏障，緩解低壓區(qū)影響；上部氣層井施工前，通過(guò)下部氣層老井關(guān)井和加密井先行壓裂補(bǔ)壓，控制縱向波及，促進(jìn)上下部氣層壓裂裂縫在目標(biāo)層位延伸，實(shí)現(xiàn)了人工裂縫由“單層充分?jǐn)U展”向“層間適度擴(kuò)展”轉(zhuǎn)變。

細(xì)密布縫模式下，布縫密度、段內(nèi)多簇裂縫均衡起裂擴(kuò)展成為提升人工裂縫質(zhì)量的關(guān)鍵。針對(duì)不同地層壓力區(qū)域井段進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，形成了匹配井組地質(zhì)特點(diǎn)的多簇布縫方式。相鄰老井低采出高地層壓力井段，以適當(dāng)密切割為主，擴(kuò)大改造體積，保證裂縫有效性；老井高采出低壓井段，以增大布縫密度為主，降低老井影響，提高近井復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)近井高采出。針對(duì)上部、下部?jī)商讱鈱拥乃悸?、?duì)策和推薦參數(shù)體系見(jiàn)圖5，自下而上儲(chǔ)層由于成縫條件變差，布縫密度需進(jìn)一步增強(qiáng)（提升50%）。考慮下部氣層加密井“地層虧空、應(yīng)力場(chǎng)改變、鄰井老縫誘導(dǎo)”效應(yīng)影響，以“控縫長(zhǎng)、提高近井裂縫密度”為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特征，通過(guò)平面三維多裂縫擴(kuò)展邊界元法模擬分析，制訂了適應(yīng)加密井改造需求的限流射孔設(shè)計(jì)方法，形成并推廣應(yīng)用了水平井多簇限流壓裂工藝；針對(duì)上部氣層塑性、層理欠發(fā)育、局部高應(yīng)力等特征，從控縫高促裂縫復(fù)雜角度出發(fā)，確定了“控縫高+前期促縫長(zhǎng)延伸”關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化原則，應(yīng)用CFD和DEM井筒內(nèi)流固耦合分析方法，研究長(zhǎng)水平段與射孔孔眼處暫堵球運(yùn)移特性[10]，明確了“投球坐卡封堵—液體能效再分配—新縫破裂開(kāi)啟”暫堵工藝增產(chǎn)機(jī)理，在國(guó)內(nèi)率先推廣應(yīng)用了多簇投球暫堵工藝。

圖5 開(kāi)發(fā)調(diào)整井上下部氣層壓裂工藝差異化設(shè)計(jì)思路及對(duì)策圖

2.2.3 基于天然裂縫—構(gòu)造應(yīng)力的井間干擾識(shí)別與實(shí)時(shí)調(diào)控

井間干擾是壓裂方案制訂、施工工藝實(shí)時(shí)調(diào)整、排液采氣制度優(yōu)化的重點(diǎn)防控對(duì)象[11]。無(wú)論是北美和我國(guó)焦石壩區(qū)塊早期400～600 m井距，還是四川盆地當(dāng)前大規(guī)模采用的150～300 m井距，井間干擾與調(diào)整井?dāng)_動(dòng)老井的現(xiàn)象均普遍存在[12]。美國(guó)和加拿大頁(yè)巖氣生產(chǎn)井的完井與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)資料與室內(nèi)機(jī)理研究顯示：壓裂沖擊帶來(lái)的負(fù)面影響主要體現(xiàn)為調(diào)整井采氣系數(shù)下降20%～40%，老井影響更大、套管損壞、地面設(shè)備故障和井筒出砂等方面[13-16]，決定壓裂沖擊正負(fù)面的決定性因素是生產(chǎn)時(shí)間和產(chǎn)量，超過(guò)這兩個(gè)極限，壓裂沖擊將產(chǎn)生負(fù)面影響[17]。焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井在老井壓裂及生產(chǎn)地應(yīng)力演化基礎(chǔ)上，充分考慮天然裂縫和構(gòu)造應(yīng)力，進(jìn)行井間干擾識(shí)別與實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法。

一方面，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)主要依賴于壓裂段之間相互溝通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而與更大面積的儲(chǔ)層相互接觸，而天然裂縫發(fā)育的程度是決定裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的核心[18]。焦石壩區(qū)塊壓裂設(shè)計(jì)及實(shí)踐主要依賴曲率間接反映天然裂縫發(fā)育特征。焦石壩區(qū)塊根據(jù)裂縫發(fā)育程度強(qiáng)弱，可劃分為空白、斑點(diǎn)、條帶狀3種類型（圖6），3類曲率特征與人工裂縫延伸密切相關(guān)，曲率空白區(qū)即天然縫相對(duì)不發(fā)育，需重點(diǎn)考慮層理影響；斑點(diǎn)狀曲率發(fā)育區(qū)域反映天然裂縫發(fā)育程度適中，利于人工縫延伸和復(fù)雜度的提高；條帶狀曲率間接反映近井局部地層構(gòu)造變形大，可能對(duì)人工裂縫形成阻礙。另一方面，構(gòu)造應(yīng)力（張應(yīng)力、擠壓應(yīng)力）而言，地應(yīng)力強(qiáng)度和方向隨單井及周緣的構(gòu)造特征及產(chǎn)狀變化，直接影響井筒兩側(cè)壓裂裂縫非均勻擴(kuò)展及有效改造體積，是預(yù)判人工裂縫延伸方向和縫網(wǎng)展布關(guān)鍵因素。

圖6 基于曲率體的天然裂縫識(shí)別圖

根據(jù)本區(qū)塊平面上不同井區(qū)構(gòu)造應(yīng)力、天然裂縫特征，以促進(jìn)復(fù)雜地質(zhì)條件下裂縫延伸擴(kuò)展和復(fù)雜化為目標(biāo)，制訂了差異化的工藝實(shí)施對(duì)策及參數(shù)調(diào)控措施（表2），從而保障壓裂方案有效性和單井改造效果。

表2 不同構(gòu)造應(yīng)力、天然裂縫特征背景下工藝對(duì)策及調(diào)整方法表

以現(xiàn)有的調(diào)整井壓裂施工對(duì)鄰井影響作用機(jī)制研究及認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)[19-21]，焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井目前已總結(jié)出多種類型的井間壓裂干擾分析方法，即利用調(diào)整井和相鄰老井可建立壓裂井排量與老井壓力響應(yīng)曲線，開(kāi)展壓力響應(yīng)形態(tài)分析，并依據(jù)上漲壓力、響應(yīng)變化主斜率、壓力下降時(shí)間3個(gè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了彈性介質(zhì)響應(yīng)、混合響應(yīng)、直接沖擊等不同類型響應(yīng)類型識(shí)別（圖7）：①?gòu)椥越橘|(zhì)一般為鄰近裂縫之間的純應(yīng)力相互作用；②混合響應(yīng)為裂縫之間的應(yīng)力相互作用+流體路徑，直接沖擊模式下連通裂縫沖擊的主要是液體，地層壓力衰竭越嚴(yán)重，壓力反映強(qiáng)烈，造成沖擊的可能性越大；③直接壓裂沖擊的井段造成影響可能性較大，短時(shí)間、高壓力響應(yīng)時(shí)需考慮采取控制措施。

圖7 焦石壩區(qū)塊井間典型壓裂沖擊響應(yīng)特征圖

根據(jù)壓力響應(yīng)判別機(jī)制，制定了動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)策，實(shí)時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)（表3）。現(xiàn)場(chǎng)采用壓裂干擾判別機(jī)制進(jìn)行調(diào)控，基于相鄰老井響應(yīng)判斷擾動(dòng)類型、驗(yàn)證縫網(wǎng)波及有效性，實(shí)時(shí)調(diào)整施工規(guī)模、改造強(qiáng)度、縫間及縫內(nèi)暫堵工藝參數(shù)（暫堵干預(yù)時(shí)機(jī)、暫堵材料類型/組合模式、用量）等關(guān)鍵參數(shù)，可有效控制井間負(fù)面干擾，實(shí)現(xiàn)新井充分改造、老井同步受效。

表3 不同壓力響應(yīng)特征壓裂實(shí)施調(diào)整對(duì)策表

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 典型井應(yīng)用效果

基于四維地應(yīng)力—壓力場(chǎng)分析的精準(zhǔn)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)調(diào)整井中推廣應(yīng)用取得了顯著的效果[22]。以J6井組為例，通過(guò)一次井網(wǎng)后的四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力反演，老井開(kāi)采5年后，上部氣層地層壓力下降了7.91～19.01 MPa，地應(yīng)力基本與原始狀態(tài)相當(dāng)；下部氣層地層壓力下降了29.63～30.73 MPa，當(dāng)前地層壓力介于5.40～5.82 MPa，井周兩向水平應(yīng)力差由4～6 MPa上升至10.8～11.5 MPa，老井開(kāi)采后橫向應(yīng)力擾動(dòng)波及區(qū)約為老井改造縫長(zhǎng)的1.6倍，縱向波及范圍基本與老井改造縫高相當(dāng)。下部氣層加密井以克服老井虧空區(qū)影響、提升縫內(nèi)凈壓力促?gòu)?fù)雜裂縫為目標(biāo)，上部氣層井以提高裂縫復(fù)雜度、擴(kuò)大改造體積為目標(biāo)，針對(duì)性優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后該井組取得了較好的試氣效果，上部氣層平均單井測(cè)試產(chǎn)量為16.4×104m3/d，下部氣層平均單井測(cè)試產(chǎn)量為22.8×104m3/d。微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，平面上新井壓裂裂縫基本覆蓋了井間未動(dòng)用儲(chǔ)量區(qū)，確保動(dòng)用井控儲(chǔ)量；縱向上未出現(xiàn)明顯竄層，整體縫高控制較好，實(shí)現(xiàn)了立體縫網(wǎng)的精準(zhǔn)有效控制。

3.2 總體應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)前期一次井網(wǎng)動(dòng)態(tài)地應(yīng)力演化評(píng)價(jià)，平面與立體布井壓裂優(yōu)化與施工，調(diào)整井網(wǎng)壓后產(chǎn)能評(píng)價(jià)等多期次研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了水平井立體縫網(wǎng)精準(zhǔn)壓裂工藝及配套技術(shù)，并在焦石壩區(qū)塊開(kāi)展了大規(guī)模推廣應(yīng)用，有效解決了新老井協(xié)同受效、新井改造效率低等難題，提產(chǎn)降本效果顯著。截至2021年12月，開(kāi)發(fā)調(diào)整井壓裂工藝?yán)塾?jì)應(yīng)用255井次，相比實(shí)施初期，下部氣層加密井單井測(cè)試產(chǎn)量提升10.8%，上部氣層單井測(cè)試產(chǎn)量提升1倍，單井壓裂費(fèi)用最大降幅達(dá)30%。一次井網(wǎng)175口老井受開(kāi)發(fā)調(diào)整井壓裂影響，正面影響（壓力、產(chǎn)量恢復(fù)）井占比87%，負(fù)面影響（壓力、產(chǎn)量加速衰減）井占比3%，負(fù)面影響井占比明顯低于國(guó)外同類頁(yè)巖氣藏（負(fù)面影響占比15%～64%）。該工藝技術(shù)在未來(lái)焦石壩區(qū)塊上部氣層南擴(kuò)、下部氣層評(píng)價(jià)、江東和平橋區(qū)塊立體開(kāi)發(fā)調(diào)整中可進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以進(jìn)一步提升氣田采收率。

4 結(jié)論

1）焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)歷一次井網(wǎng)開(kāi)采后，井間壓力—應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)新壓井縫網(wǎng)形成存在一定的抑制與劣化影響，主要包括2方面因素：①老井裂縫低壓虧空區(qū)產(chǎn)生誘導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致新井改造不能充分動(dòng)用剩余氣富集區(qū)；②老井生產(chǎn)后井周的地應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)非均質(zhì)性分布，水平兩向應(yīng)力差增加，降低了人工裂縫系統(tǒng)復(fù)雜度。

2）在開(kāi)發(fā)調(diào)整井技術(shù)可采儲(chǔ)量降低、建井成本控制和常規(guī)壓裂技術(shù)相對(duì)低效共同約束下，需以井組剩余氣資源有效動(dòng)用為目標(biāo)，轉(zhuǎn)變改造理念：以密切割增大儲(chǔ)層接觸面積、多場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、多層儲(chǔ)層特征差異化為核心方法，開(kāi)展井間精準(zhǔn)布縫、縱向精準(zhǔn)促縫、地質(zhì)—工程多要素識(shí)別調(diào)控3方面的精細(xì)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新—老井、上部—下部氣層、多簇裂縫間的壓裂參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。

3）前期平面加密、兩層立體開(kāi)發(fā)良好的施工及生產(chǎn)效果表明，地質(zhì)—工程一體化壓裂設(shè)計(jì)及可迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層品質(zhì)和完井交互融合的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展不同分區(qū)、不同井網(wǎng)模式下上—下部氣層開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，是持續(xù)提高采收率的重要方向，應(yīng)以少井高產(chǎn)、低成本開(kāi)發(fā)為目標(biāo)，持續(xù)開(kāi)展地質(zhì)—工程一體化技術(shù)攻關(guān)，完善頁(yè)巖氣田立體開(kāi)發(fā)壓裂關(guān)鍵技術(shù)和模式，提高氣田資源利用率。