應用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果

楊加祥　(中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術服務公司，湖北 武漢 430000)

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應用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果

楊加祥(中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術服務公司，湖北 武漢 430000)

[摘要]用微地震、產剖測試、示蹤劑監測等方法，研究頁巖氣多級壓裂水平井縫網形成特征，評價壓裂改造效果，由于受施工條件、經濟和環境等因素影響，難以取得明顯成效。以涪陵頁巖氣開發試驗井為例，應用反褶積方法，結合不穩定生產動態分析，研究多級壓裂水平井線性流、擬穩態流(或邊界控制流)響應特征，評價壓裂改造體積(SRV)，可以取得良好效果，為鉆完井、壓裂試氣工藝優化提供了技術依據。

[關鍵詞]頁巖氣井；壓力-產量反褶積；SRV；微地震

我國南方海相頁巖氣儲集層具有構造改造強、地應力復雜、埋藏較深和地表條件復雜等特點[1]。涪陵頁巖氣產建一期開發試驗井儲層壓力高、壓裂初期高產、微裂縫-頁理發育、游離氣占比大等表現特征，反映了頁巖氣“人工氣藏”縫網形成的復雜性和滲流條件的特殊性。壓裂試氣統計結果表明，一部分井在相似的鉆完井條件下，實際投產結果與預期目標差距過大；不同井(或井組)之間初始產能相差十分懸殊；單井富集高產形成的工程、地質主控因素不明確。用微地震、產剖測試、示蹤劑監測方法，研究頁巖氣多級壓裂水平井的縫網形成特征，評價壓裂改造效果，由于受到施工條件、經濟和環境等因素影響，難以取得明顯成效，亟待進一步的壓裂改造評價技術研究，為頁巖氣多級壓裂水平井鉆完井、壓裂試氣工藝優化提供技術依據。2001年， Schroeter 等[2]解決了壓力-產量反褶積算法上的穩定性問題后，壓力-產量反褶積方法被用于多個油氣田的開發實踐中，取得了良好的實際應用效果。壓力-產量反褶積方法能夠綜合生產(或測試)全過程所探測到的地層信息，幫助確定合理的解釋模型,得出比常規解釋更多、更可靠的解釋結果。2010年，Chen等[3]在加拿大西部沉積盆地不列顛哥倫比亞省東部(NEBC)地區，成功應用壓力-產量反褶積方法，估算落基山脈山麓地帶非常規氣藏天然裂縫連通泄流體積，計算了可采資源量。

筆者以涪陵頁巖氣開發試驗井為例，用壓力-產量反褶積方法研究多級壓裂水平井線性流、擬穩態(或邊界控制流)的壓力響應特征，評估壓裂改造體積。

1試井反褶積分析原理

根據杜哈美(Duhamel)原理[4]，得出壓力恢復和壓力降落的褶積方程為：

(1)

(2)

式中：p(t)為生產t時刻壓力，MPa；pi為初始地層壓力，MPa；t為生產時間，h；q為產量，m3/d；Δpu為單位產量下的重整壓力響應，MPa·d/m3；K為地層滲透系數，m/s；h為地層厚度，m；μ為流體運動黏度，m2/s；B為體積系數,1；pwf為流動壓力，MPa；τ為變量。

(3)

(4)

用上述褶積方程和最優化過程(非線性回歸)得出z(σ)分段函數，即可得出z(σ)～σ曲線，擬合實測和理論壓力導數曲線，而擬合時間范圍從開始生產直至最后一個數據錄取點為止。

目前，KAAPA公司的Saphir軟件提供了4種試井反褶積實現方式：①地層壓力為變量，用多個壓力恢復周期產生1個反褶積；②用相同的初始壓力，對每個壓力恢復周期計算1個反褶積；③用某個壓力恢復周期的早期數據和多個壓力恢復的后期數據計算1個反褶積；④用相同的初始壓力做常量，用某個壓力恢復的早期數據和幾個壓力恢復的后期數據計算1個反褶積。

2應用實例

某J井為涪陵頁巖氣田一口開發評價井，實鉆B靶點斜深4466m(垂深2481m)，壓裂試氣水平段長1590.5m，分19段(48射孔簇)進行壓裂，入井總液量34462m3，支撐劑總量850m3，壓裂后初期試氣獲無阻流量26.8×104m3/d。

該井自2014年1月23日至2015年5月20日期間，累計產氣3320×104m3、產水567m3。在該期間，共進行了3次關井，而在第3次關井時，用鋼絲下入存儲式電子壓力計進行壓力、溫度測量，測試歷時367h后起出井口。

根據關井壓力恢復測試雙對數曲線(見圖1)分析，井口關井后由于井筒氣液混相，壓力恢復雙對數曲線反映出井筒復雜的相態變化特征，之后壓力擴散作用由井筒逐漸向裂縫延伸，雙對數曲線具有十分清晰的多級壓裂水平井線性流變化特點，導數曲線后期似乎還顯示出短暫的“徑向流”特征水平線。

圖1　某J井關井壓力恢復測試雙對數圖

另外，由于該次測試經歷了足夠長的時間且有比較充分的關井壓力恢復，壓力擴散作用應該波及人工裂縫以外更大范圍的地層，但在雙對數曲線上并未反映出裂縫末端、或更進一步的頁巖氣原生地層信息。因此，將該井的實際生產資料與關井壓力恢復數據同步處理后，根據靜壓梯度換算取初始地層壓力為37.69MPa，用Saphir軟件提供的“方法一”進行壓力-產量反褶積，反褶積后的雙對數曲線如圖2所示。與關井壓力恢復雙對數曲線對比，二者前半部分實現較好的重疊，但在后半部分發生了偏離。其中，反褶積結果不僅綜合了多級壓裂水平井井筒+裂縫的主要流動變化特征，還額外增加了裂縫末端的某種供流信息，消除了僅用關井壓力恢復進行疊加分析所帶來的影響，測試時間至少延長了一個半對數周期。

圖2　某J井壓力恢復與反褶積雙對數曲線對比圖

根據壓力-產量反褶積結果，采用Saphir軟件三線性流擴展模型進行雙對數擬合(見圖3)，最終擬合解釋結果如下：初始靜壓力(井口)32.5MPa，井筒存儲系數11.6m3/MPa，地層系數0.512mD·m，滲透率 0.00575mD，表皮系數0.00714，平均裂縫半長115.9m, 裂縫導流系數0.7896mD·m，裂縫擴散系數1.83076。

圖3　某J井壓力產量反褶積雙對數擬合分析圖

如圖3所示，可將流動劃分為4個主要階段，即流動初期(Ⅰ區)主要受較強的井筒儲集效應影響，井眼不存在明顯的污染堵塞特征；中期(Ⅱ區)以線性流為主，在井筒+裂縫內形成層流、1/4雙線性流、1/2線性流等復雜流動狀態，說明有限導流裂縫(或次生縫)較為發育；晚期(Ⅲ區)為導流作用由裂縫向原生地層擴散的過渡階段，導數曲線斜率逐漸增大，由于外部原生地層相對較好的物性表現，雙對數導數未完全形成單位斜率為1的“封閉邊界”特征直線。據此分析計算平均人工裂縫半長為115.9m(假設裂縫全部貫穿優質儲層，即裂縫高度為38m)。后期過渡段延伸時間的長短主要取決于基質滲透率大小或天然裂縫發育程度，或形成擬徑向流、擬穩態流(或邊界控制流)等頁巖氣典型流動特征。根據壓力-產量歷史擬合(見圖4)檢驗分析，該井由于受壓裂液返排率較低的影響，生產期間產量和井口壓力“噪聲”干擾大，并且主關井期間未進行井底同步測壓，均不同程度地影響了歷史擬合效果。

圖4　某J井壓力-產量歷史擬合圖

圖5　某J井生產動態分析雙對數圖

圖6　某J井生產動態分析Blasingame圖

為進一步檢驗壓力-產量反褶積分析結果，再利用該井的壓力-產量資料，進行了不穩定生產動態分析(RTA)，結果見圖5、圖6。表1為解釋分析結果對比，由表1可見，二者解釋分析結果顯示，地層系數和裂縫半長基本一致。

統計結果表明，該井壓裂試氣初始產能明顯低于同井區多數井的平均水平(56×104m3/d)。壓力-產量反褶積解釋平均裂縫半長為115.9m，明顯低于215～260m壓裂設計參數要求，即使是在壓裂改造裂縫全部貫穿38m優質頁巖氣儲層的條件下，實際形成的壓裂改造體積也十分有限，而這可能就是該井未能獲得高產的主要原因。

3結論與認識

1)壓力-產量反褶積是評價頁巖氣多級壓裂水平井壓裂改造效果的一種經濟、有效的手段。實例說明，在缺乏準確的微地震解釋結果情況下，壓力-產量反褶積結果的可靠性難以得到很好驗證，在開發初期選擇合適的目標井開展微地震監測分析，明確人工裂縫貫通體積，可有效提高壓力-產量反褶積結果的可靠性。

2)壓力-產量反褶積要在取得較長時間的生產測試資料的基礎上才能發揮作用。因此，在頁巖氣井投產過程中，適時的井底壓力監測措施和關井恢復測試，特別是投產初期的地層壓力測試，對壓力-產量反褶積結果將產生重要影響。

3)不穩定生產動態分析實際是在試井分析基礎上，進行壓力-產量歸一化處理，引入物質平衡時間，對方程解進行積分變換。它解決了不穩定生產條件下的測試資料解釋技術難題，在不受關井影響生產的情況下，獲得與關井壓力恢復測試同樣的解釋結果，可以作為生產井動態分析的輔助手段，但不能完全替代關井壓力恢復測試。

4)涪陵頁巖氣多級壓裂水平井具有十分復雜的縫網成因和特殊的滲流條件。綜合利用生產井實際資料，應用現代試井分析方法，研究頁巖氣流動規律，評價壓裂改造效果，對鉆完井工藝優化和開發技術政策制定具有重要的指導意義。

表1　壓力-產量反褶積解釋與生產動態分析結果對比表

[參考文獻]

[1]郭彤樓.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產模式[J].石油勘探與開發，2014，12(3):35～38.

[2]Daungkaew S, Hollaender F , Gringarten A C. Frequently asked questions in well test analysis[J].SPE63077,2000.

[3]Chen A, Jones J R. Use of pressure-rate deconvolution to estimate connected reservoir drainage volume in naturally fractured unconventional gas reservoirs from Canadian Rockies Foothills[J].SPE143016,2012.

[4]Schroetervt, Hollaenderf, Gringartenca. Deconvolution of well test data as a nonlinear total least squares problem[J].SPE71574, 2001.

[編輯]黃鸝

Application of Deconvolution Method for Evaluating the Fracturing Effect of Shale-gas Wells

Yang Jiaxiang

(Author’sAddress:ShaleGasDevelopmentTechnicalServiceCompanyofJHOSC,SINOPEC,Wuhan430000,Hubei,China)

Abstract:The characteristics of fracture network of multi-stage fracturing in shale gas horizontal wells were studied by using the methods of macro-seism, production profile testing and tracer monitoring testing, the effect of fracturing and reconstruction was evaluated. Influenced by operation conditions, economy and environment, it was hard to achieve an obvious effect. By taking the testing well of shale gas development in Fuling Area for example, a deconvolution method is deployed to study the characteristics of linear flow, quasi-static flow(or boundary controlled flow), evaluate the stimulated reservoir volume(SRV)in combination with unstable production performance analysis. Good production effect is obtained. It provides a technical basis for drilling, completion and the optimization of fracturing and gas testing technology.

Key words:shale-gas well；deconvolution of pressure and production；SRV；micro-seism

[中圖分類號]TE375

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)8-0053-05

[作者簡介]楊加祥(1965-)，男，工程師，從事石油工程研究工作，597352260@qq.com。

[收稿日期]2015-10-21

[引著格式]楊加祥.應用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果[J].長江大學學報(自科版),2016,13(8):53～57.