裂縫參數對壓裂后頁巖氣水平井排采影響

卞曉冰，蔣廷學，蘇 瑗，王海濤，劉致嶼

(1.中石化石油工程技術研究院，北京 100101;2.中國石油大學，北京 102249)

引 言

頁巖氣藏具有儲層巖性復雜、基質滲透性差、頁理層理發育等特征，壓裂后形成的網絡裂縫體系是其主要的滲流通道[1-2]。頁巖氣水平井單井壓裂液用量一般為2×104～4×104m3，大量液體在壓裂施工結束后滯留于裂縫及地層中[3-5]。因此，建立頁巖氣水平井壓裂后排采模型的關鍵是對裂縫形態的描述和壓裂后地層壓力、飽和度的初始化。目前國內外對于頁巖氣水平井壓裂后排采尚沒有進行系統的研究[6-8]，工藝方面主要集中在利用壓裂液和支撐劑示蹤分析壓裂液的返排及井間干擾[9-11];機理方面主要通過數值模擬手段建立三維氣水兩相模型，考慮了天然裂縫體系、毛管力等單因素的影響[12-13]。本文以川東南一口頁巖氣評價井為例，在模擬壓裂注入過程的基礎上，通過精細描述裂縫體系形態，研究其對壓裂后排采的影響及主控因素，并以此為基礎進行生產歷史擬合及排采預測。

1 模型的建立

為了盡可能準確地模擬頁巖氣水平井多段壓裂施工后的排采過程，利用Eclipse從頁巖地質建立、裂縫形態描述、壓力場及飽和度場初始化3方面進行精細建模:①采用雙重介質模型給頁巖的基質系統和天然裂縫系統分別賦值，包括孔隙度、滲透率、含水飽和度和相對滲透率等，應用Langmuir曲線表征頁巖氣的解吸附過程，同時考慮氣體從基質向微裂縫的擴散;②基于主、次裂縫是否連通，初步把人工裂縫分為單一縫、復雜縫、網絡縫3種類型，縫高剖面在縱向上逐漸變化;③模擬壓裂井注入過程，井口壓力為施工壓力，注入液量為施工總液量，以此來初始化壓裂后的壓力場和飽和度場，盡可能真實模擬壓裂施工后的狀態。

以川東南某頁巖氣評價井為例，模型所采用基礎數據如下:氣藏大小為2 000 m×1 500 m×60 m，網格數量為218×75×10個，水平段長為1 260 m，地層壓力為30 MPa，總含氣量為3.91 m3/t(其中吸附氣含量占30%)，基質滲透率為10-7μm2，孔隙度為4.6%，共壓裂22段，每段壓裂2簇，簇間距為20 m，每段注入量為1 900 m3，單一裂縫半長為300 m，裂縫導流能力為2 μm2·cm，井底流壓為22 MPa。

2 裂縫參數影響因素分析

建立單段壓裂模型，以研究不發生縫間干擾情況下不同裂縫參數，包括裂縫半長、縫高剖面和裂縫形態對頁巖氣水平井壓后累計產氣量與返排率的影響。

2.1 裂縫半長的影響

模擬裂縫半長為100～400 m，600 d時的累計產氣量與返排率曲線如圖1所示。由模擬結果可知:200 m裂縫半長是累計產量和返排率變化的拐點;累計產氣量隨著裂縫半長的增加而增加，但其增幅逐漸減緩;而隨著裂縫半長的增加，返排率逐漸遞減。

2.2 縫高剖面的影響

圖1 600d時不同裂縫半長對應的累計產氣量與返排率

頁巖氣水平井壓裂后，真實縫高剖面在縱向上是變化的，模擬了4種縫高剖面(圖2)，有效裂縫面積依次減小。

圖2 不同縫高剖面模擬圖

表1 600 d時不同縫高剖面對應的累計產氣量與返排率

4種縫高剖面對應600 d時的累計產氣量與返排率曲線如表1所示。由模擬結果可知:縫高剖面越小累計產氣量越低。但縫高剖面對返排率的影響更為復雜:由于壓裂液基于裂縫面向地層中濾失，因此在相同的總壓裂液量條件下，縫高剖面越小，滯留在近井筒地層中的壓裂液也越多，而近井帶的高壓聚集有利于壓后返排(返排率大小順序為剖面3、剖面2、剖面1);但縫高剖面太小(剖面4裂縫面積僅為剖面1的2/5)會導致壓裂液向垂直于裂縫面更遠處的地層中過度濾失，從而導致返排率下降。

2.3 裂縫形態的影響

模擬裂縫形態為單一縫、復雜縫和網絡縫對生產效果的影響(圖3)。其中紅色區域代表主裂縫，綠色區域代表次裂縫，次裂縫導流能力設置為主裂縫的1/5。在復雜裂縫中，次裂縫連通了2條主裂縫;而網絡縫中各條主、次裂縫均是連通的。

圖3 不同裂縫形態模擬圖

3種裂縫形態對應600 d時的累計產氣量與返排率曲線如表2所示。由模擬結果可知:裂縫形態越復雜，累計產氣量越大，但返排率較低。以網絡縫為例，由于次裂縫的導流能力較低，大量存在于其中的壓裂液是網絡縫返排率較低的原因之一。因此，相互連通的網絡縫可極大提高產氣量，但增加了壓裂液的返排難度。

表2 600 d時不同裂縫形態對應的累計產氣量與返排率

3 裂縫參數主控因素分析

在考慮段間干擾和縫間干擾的情況下，為了全面并定性地分析各裂縫參數對頁巖氣水平井壓后排采的影響程度，對裂縫半長、縫高剖面和裂縫形態各取3個值，共設計27種方案進行數值模擬(表3)。

表3 裂縫參數取值

27個方案600 d的累計產氣量和返排率值如表4所示，方差分析結果見表5。綜合評價結果顯示，縫高剖面和裂縫形態是影響壓后產氣量的顯著因素，而裂縫形態對返排率影響最大，但裂縫參數對返排率均無顯著影響。因此，在對于頁巖氣水平井進行壓裂設計時，可以采取變排量、膠液前置造縫、混合加砂等措施，保證縫高在縱向上充分延伸并盡可能形成復雜裂縫體系，以提高壓裂后生產效果。而對于已施工井，頁巖氣水平井壓裂后裂縫參數的準確判斷則是建立可靠排采模型的基礎。

表4 600d時27個方案對應的累計產氣量與返排率

表5 裂縫參數對累計產氣量及返排率影響程度顯著性對比

4 實例應用

川東南某頁巖氣水平井投產后自噴產氣、水量少，后下電泵抽汲。根據施工曲線擬合結果及G函數曲線特征，診斷裂縫半長為250～300 m;縫高剖面為楔形。應用本文裂縫參數模擬方法建立了該井壓裂后排采模型，并進行生產歷史擬合(圖4)?？梢姡撃Ｐ湍芊磻獙嶋H井的生產動態，同時也驗證了本文所建立排采模型方法的可靠性。

圖4 某頁巖氣井生產歷史擬合結果

對于下泵階段，可根據氣相流入流出曲線的生產協調點獲得優化的井底流壓[14]，最優值為16.4 MPa，對應產氣量為2.2×104m3/d。以井底流壓為基礎對擬合后的模型進行排采預測，與真實排采情況對比，壓后3個月的累計產量增加了34.7%，返排率增加了2.5個百分點。此優化結果對該井下一步措施調整具有一定的指導意義。

5 結論

(1)建立了頁巖氣水平井多段壓裂排采模型，模型考慮了頁巖地質特征、裂縫參數特征和壓力場及飽和度場的初始化，盡可能準確地模擬了頁巖氣水平井多段壓裂排采過程。

(2)裂縫參數對頁巖氣水平井壓后排采影響較大，主控因素分析結果顯示，縫高剖面和裂縫形態是影響壓后產氣量的顯著因素，但裂縫參數對返排率無顯著影響。

(3)對川東南某頁巖氣水平井的歷史擬合結果表明，本文所建立的排采模型能真實反應實際井的生產動態，初步優化了下泵排采的生產制度，優化結果對該井下一步措施調整具有一定的指導意義。

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