頁巖氣儲層壓后返排特征及意義

楊 海, 李軍龍, 石孝志, 朱炬輝, 鄧 才, 王 丹

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司,四川成都 610051)

1 關井對產出量的影響

頁巖氣儲層經水力壓裂改造后通常經歷關井、返排、生產3個階段,但國內外學者對頁巖氣儲層壓后是否關井存在諸多爭議[7,10,21-22],因此有必要分析頁巖氣儲層經歷關井后的地層響應及產出特征,為是否關井以及何時關井提供更多依據。頁巖氣儲層主壓裂施工周期較長,因此將主壓裂時長納入關井時間[23],即為第一段主壓裂開始至正式開井排液為止稱為返排前關井，將返排或生產過程中關井稱為中途關井。

由于泵槍遇阻、處理套變、中途鉆磨橋塞等井下復雜情況會影響主壓裂進度導致部分井關井時間過長,因此根據返排前關井時間將威遠A井區29口井有效數據分為區域1和區域2(圖1)。如圖1(a)所示,返排前關井時間與見氣時間沒有明顯相關性,一定程度上說明該關井期間壓裂液向地層深部微細裂縫的滲吸與裂縫中氣體之間的交換作用有限。若返排前關井期間壓裂液通過滲吸作用可以將微細裂縫中的氣交換到近井裂縫中,則近井地帶含氣飽和度增加,為開井后氣體的流動提供良好的滲流環境,氣體更易突破,見氣更早,而29口井的返排數據并未發現返排前關井時間越長見氣越早的跡象,這可能與儲層本身的滲吸能力以及氣液交換作用的時效性、階段性和初始裂縫含氣飽和度有關。

圖1 見氣時間及首年返排率與返排前關井時間的關系Fig.1 Relationship between gas breaking time, water recovery of 1st year and shut-in time before flowback

值得注意的是,如圖1(b)及圖2所示,返排前關井時間與首年累積產氣量、首年單位優質儲層累積產氣量(首年累積產氣量與優質儲層改造長度的比值)以及首年返排率在區域1和區域2中分別呈現出一定的相關性。這可能是由于關井期間壓裂液在毛管力、滲透壓力以及剩余泵注壓力(停泵后一段時間內裂縫中尚未及時耗散的壓力)作用下向地層微細裂縫中滲吸,頁巖水化作用促使原始孔隙的溶蝕以及微細裂縫的起裂、擴展并相互溝通進而形成更加復雜的有效裂縫網絡,提升了儲層絕對滲透率[17,24-25],為氣井長期生產提供了良好的滲流基礎。

圖2 首年累積產氣量及首年單位優質儲層累積氣量與返排前關井時間的關系Fig.2 Relationship between cumulative gas production, cumulative gas production per high quality stimulated length of 1st year and shut-in time before flowback

雖然采用了首年單位優質儲層累積產氣量,在一定程度上降低了地質條件對產量的影響程度,但關井時間與首年累積產氣量并非單調相關,如圖2所示。關井時間并非越長越好,說明除關井時間之外,必然存在包括地質條件、返排制度、儲層含水飽和度、改造程度等在內的其他因素影響頁巖氣井長期產氣能力。

錢斌等[17]在圍壓10 MPa條件下進行了頁巖巖心水化實驗,發現液體在毛管力、滲透壓力共同作用下自發進入巖心并發生水化作用,促使新微細裂縫擴展。本文中利用地面微地震監測成果分析了頁巖氣井壓裂期間和停泵2 h后裂縫網絡變化情況,如圖3所示。單段主壓裂停泵2 h后微地震監測裂縫表體積仍在增加,增加區域包括停泵前裂縫未波及區域以及原裂縫內部區域,說明液體在沒有地面泵壓的情況下仍然能夠在剩余泵注壓力、毛管力、滲透壓力共同作用下繼續向地層深部擴散,為頁巖水化作用提供條件促使新裂縫形成,增加改造區域范圍,提升裂縫網絡復雜程度。室內實驗及現場微地震監測結果為頁巖氣儲層壓后是否關井提供了可靠依據。

圖3 Y井第5段主壓裂停止時與停止后2 h微地震能量對比Fig.3 Comparison of micro-seismic energy at moment of stop pumping and after 2 h of finishing pumping of the 5th stimulated stage of well Y

對該井區A4平臺6口井進行了中途關井,如圖4、5所示,關井前后產出特征具有明顯差異。重新開井后階段產氣量及套壓均高于關井前,一段時間內階段產氣量是關井前的1.7～8.5倍,平均為3.3倍。油嘴尺寸不大于關井前的條件下,階段產氣量的大幅增加現象與Marcellus頁巖返排過程中重新開井后現象一致[7]。一方面由于關井期間地層壓力的恢復,壓裂液的滲吸以及水化作用增加了主裂縫區氣相滲透率和儲層絕對滲透率;另一方面由于產氣過程中關井使氣體不斷在近井地帶聚集,導致近井含氣飽和度較高,開井后出現一定時間的高產。值得注意的是,重新開井后基本采用小于或等于關井前的油嘴尺寸進行排液或生產,氣井長期產氣量均高于關井前且基本保持平穩或正常遞減。

在環境保護督察方面，問題主要表現在以下幾個方面：一是2016年1月以來，通過第一輪的督察，中央環境保護督察組形成了強大的震懾力。盡管如此，捂蓋子的事情在各地仍然杜絕不了，如浙江湖州隱瞞填埋死豬事件，就是在中央環境保護督察組的干預之下于2017年被揭開蓋子。有些地方把群眾舉報的案件說成是不屬實的比例太高，很多真相的暴露和責任的追究仍然依靠領導的重視和媒體的曝光。如何建立讓環境保護黨內法規、國家法律法規自動啟動和全天候運行的機制，是一個值得法學界、法律界深入研究的問題。二是環境保護督察的作用如何常態化，克服一陣風的缺陷，也是一個值得思考的問題。

圖4 該井區A4-1井返排曲線Fig.4 Flowback curve of well A4-1

圖5 中后期關井前后階段氣/液量及壓力變化Fig.5 Comparison of water and gas production and pressure changes before and after shut-in operation at mid-term and later period of flowback process

目前未發現針對性的關井措施對氣井產氣能力的不利影響,針對性關井有助于增加儲層絕對滲透率、氣相滲透率,提升頁巖氣井產氣能力期望值。

2 開井后兩相流階段性特征

返排過程一般會出現以液相流動為主的近似單相液流、氣液兩相流和以氣相流動為主的近似單相氣流3個階段[26-27]。Barnett、Marcellus以及Horn River地區部分頁巖氣井壓后返排過程中并未發現單相液流階段,而是直接出現氣液兩相流階段[28-29]。這可能與延長關井時間以及開井油嘴尺寸(5～6 mm)較大有關,較大的油嘴尺寸短時間內會增加支撐劑回流量,若儲層有效應力較高,則會增加支撐劑嵌入程度及破碎幾率,不利于保障儲層改造效果。壓后關井期間,壓裂液在毛管力、滲透壓力以及剩余泵注壓力三者共同作用下進入頁巖微細裂縫導致主裂縫區域含水飽和度下降,開井后主裂縫區域初始氣相滲流環境較好;開井油嘴尺寸較大使初始返排壓差較大,氣體相對于液體流動性更好,在較高差壓下容易快速突破,直接進入氣液兩相流。

通過分析返排過程氣液流動規律發現,該井區36口頁巖氣井返排過程均表現出上述3個階段,但呈現出兩種典型曲線類型。

類型一,如圖6所示。該類型包含3個階段:①首先是產液產氣同步增加(氣液同增);②隨后出現產氣增加伴隨產液降低,具有明顯的氣增液降特征(即氣增液降);③最后表現出產液產氣同步降低或趨于平穩(即氣液同降或產出平穩)。36口井中有27口井在氣液兩相流階段表現出上述返排特征,占比75%。類型二,氣液同升同降取代類型一中的氣增液降特征,其余階段相似,如圖7所示。

圖6 兩相流階段氣增液降典型曲線(類型一)Fig.6 Representative curve of gas production increasing while water production decreasing during two phase flow process (type I)

圖7 兩相流階段氣液同升同降典型曲線(類型二)Fig.7 Representative curve of simultaneous production of gas and water during two phase flow process (type II)

返排過程是整個改造區域內液相飽和度降低、氣相飽和度增加的過程。由氣液兩相流理論方程可知,氣相滲透率的增加是兩相流階段出現氣增液降特征的根本原因,

(1)

式中,vg為氣相流速,m/s;k為儲層絕對滲透率,10-3μm2;kg為氣相滲透率,10-3μm2;Krg為氣相相對滲透率;μg為氣體黏度,mPa·s;pg為氣相壓力梯度,MPa/m。

氣增液降特征點的出現一方面說明儲層改造效果隨著返排過程的進行而逐漸體現,另一方面說明地層供給能力充足。若兩相流階段只表現出氣液同升同降特征,說明產氣量的增加不是主要由于含液飽和度的降低而導致氣相滲透率的增加,而是更大程度上依賴于返排壓差的增加,一定程度上說明地層供給能力有限。這與產量數據相吻合,兩相流階段出現氣液同升同降特征的9口井中的7口(另外2口井生產時間未到1 a),首年累積產氣量為(1 022～1 880)×104m3,平均為1 444×104m3,均屬于三類氣井。

氣增液降特征點出現后的氣量變化趨勢一定程度上反映了裂縫網絡中含氣飽和度。出現氣增液降特征之后,在不改變油嘴尺寸的情況下,若產氣量先持續上升后趨于平穩,說明裂縫區供給較好,此類井累積產氣量期望值較高;若產氣量呈現下降趨勢,說明裂縫區供給較差,累積產氣量期望值相對較低。A區塊出現類型一的27口井中有9口井在特征點后出現氣量下降趨勢,其首年累積產氣量為(1 243～3 370)×104m3,平均為2 263×104m3,其余15口井出現氣量持續上升或趨于平穩,其首年累積產氣量為(2 028～5 165)×104m3,平均為2 918×104m3,另外3口井生產時間未到1 a。

若出現如圖6所示的特征曲線,可按照控壓、控速最大程度保持地層壓力的原則進行正常排液測試或生產。若出現如圖7所示的特征曲線,建議采取關井措施,一方面恢復地層壓力,開井后能夠提供足夠的壓差;另一方面利用滲吸和頁巖水化作用提升部分區域氣相滲透率和儲層絕對滲透率,為氣體的流動提供良好的滲流環境。

3 返排率特征及液相支撐實驗

3.1 返排率特征

頁巖氣儲層壓后返排率低是區別于常規氣儲層、致密砂巖氣儲層的重要返排特征之一。這種低返排率現象普遍存在于國內外頁巖氣井區,數據顯示國外生產1 a后的壓裂液返排率為35%～62%[11],威遠A井區31口井首年平均返排率為48.4%。目前對低返排率的機制認識較為模糊,認為頁巖氣儲層壓后返排率受到儲層天然裂縫發育程度、巖石組構、儲層壓力系數、主壓裂施工參數、儲層改造程度以及排液制度等多種因素影響[5]。有研究認為氣體在大孔道形成通道后,小孔道內的液體被滯留在巖心內部,導致大量液體無法排出[13],液體滯留可能來源于微細裂縫表面吸附作用[12]。

目前通常認為頁巖儲層返排率相對較低的井產量更好,但是返排率低意味著儲層中含水飽和度高,從目前的滲流規律來看,過高的含水飽和度不利于氣相滲流。Song[30]認為有固相支撐裂縫的導流能力過高和過低都會降低液體返排率。當導流能力過高時,氣體會更快突破,氣體流動能力占優勢,剩余液體更難排出;當導流能力過低時,液體會滯留于遠井地帶,若僅存在固相支撐裂縫,則返排率通常較高。

威遠A井區31口井首年單位優質儲層改造長度累積產氣量與對應返排率的關系如圖8所示,首年累積產氣量與測試產氣量關系如圖9所示。返排率既不是越低越好,也不是越高越好,大部分氣井累積產氣量呈現出明顯的隨返排率的增加而先增加后降低的趨勢,說明存在最優返排率使氣相滲透率最大化,最優返排率對應的是一種最優返排策略。

圖8 首年單位優質儲層改造長度累積產氣量與返排率的關系Fig.8 Relationship between cumulative gas production per high quality stimulated length of 1st year and water recovery

圖9 首年累積氣量與測試產氣量的關系Fig.9 Relationship between cumulative gas production of 1st year and tested gas production

3.2 液相支撐實驗

相同供給能力條件下,經典相滲理論可以解釋產氣量隨返排率的增加而增加的現象,而Ehlig-Economides等[31]提出的液相支撐假說則可以解釋返排率過高時產氣量隨返排率增加而降低的現象。液相支撐假說是指主壓裂后存在于頁巖儲層微細裂縫中的液體可能充當了支撐劑的作用,使固體支撐劑無法進入的微細裂縫,在一定條件下仍然保持滲透性。

為了驗證頁巖儲層液相支撐假說,采用龍馬溪組頁巖儲層巖心進行室內實驗。

由于難以準確獲取頁巖巖心滲透率,實驗中從滲透率物理意義出發,采用一定壓差下氣體流量表達巖心在不同含水飽和度下的滲透性,采用不同驅替壓力間接定性表達巖心含水飽和度,即驅替次數越多(一次驅替包含0.2、0.4、0.6、0.8 MPa 4種壓差),表示巖心含水飽和度越低。

首先獲取12 MPa圍壓下干巖心(直徑2.5 cm,長度5 cm巖柱)不同入口壓力條件下的氣體流量,然后將巖心懸掛在電子天平下部并放入盛裝蒸餾水的巖心杯內進行水化實驗。

水化155 h后取出巖心,在圍壓12 MPa條件下進行連續驅替實驗,此時巖心含水飽和度為S1,氣相飽和度較低,流動性差,氣體流量明顯低于水化前干巖樣。如圖10所示,第一次驅替完成后,巖心含水飽和度降低為S2,此時巖心中氣相飽和度達到一定值,氣體流動阻力降低;第二次驅替過程氣體流量明顯高于干巖心,說明水化后巖心內部孔隙-裂縫結構發生了有利變化[17,24],為流體提供了更多、更順暢的滲流通道,完成第二次驅替后,巖心含水飽和度降為S3;第三次驅替后,巖心含水飽和度降為S4,氣體流量低于第二次驅替,說明此時巖心內部孔隙-裂縫發生了不利變化,孔隙-裂縫在圍壓作用下可能發生閉合[17]。完成第三次驅替后烘干巖心,烘干后巖心的氣體流量再次減少,且低于相同壓差下巖心水化前干巖樣氣體流量,表明巖心應力敏感程度增加,說明常壓下的水化作用增加了巖心微細裂縫復雜程度,同時也增加了應力敏感程度。

由圖10可知,相同驅替壓力下,氣體流量隨含水飽和度的降低而先增加后降低,含水飽和度為中值(S3)時氣體流量最大,說明該含水飽和度下液體對巖心中的微細裂縫起到了一定的支撐作用,這種支撐作用抵消了部分由應力敏感引起的滲透性降低。實驗表明,頁巖巖心存在最優含水飽和度使氣相滲透率最大,這與通過現場數據分析得到的存在最優返排率使產氣能力最大的認識吻合,為解釋圖8中返排率過高時累積產氣量較低的現象提供了依據。

盡管頁巖氣儲層液相支撐實驗和認識是初步的,但是為闡明頁巖水巖作用機制和返排率與產氣量的內在關系提供了有益的思路。頁巖儲層壓后返排階段需要趨利避害,既要最大化利用頁巖水化作用提升裂縫網絡復雜程度,又要適度降低微細裂縫中的含水飽和度,最大程度提升儲層氣相滲透率,提升氣井產氣能力期望值。

4 返排制度調整建議

頁巖儲層壓后返排應以追求氣相滲透率最大化為最終目標,以“控壓、控速”為總原則。控壓一方面盡可能保存地層壓力,為后期產出提供足夠的壓差,另一方面減小支撐劑回流幾率,同時讓裂縫緩慢閉合,降低支撐劑嵌入及破碎程度;返排前期的控速是控制返排速率,避免氣體過早突破導致主裂縫區(固體支撐裂縫區)含水飽和度過高而含氣飽和度不足,氣相滲透率較低,影響氣井產能;后期適度增加返排速率,使微裂縫區(液相支撐裂縫區)含水飽和度達到最優值,使整個改造區域氣相滲透率最大化。

返排前期應以低于支撐劑回流臨界流速、盡量保存地層壓力作為調整返排制度的階段目標。前期返排速度過大會增加支撐回流和嵌入風險,進而影響主裂縫區絕對滲透率,且由于氣體的過早突破會降低主裂縫區的排水能力導致主裂縫區含水飽和度較高,降低該區域的氣相滲透率;地層壓力的降低會影響后期主裂縫及次裂縫區的排水效果,擴大水相圈閉范圍,最后導致有水排不出,有氣出不來。中后期應以追求最佳含水飽和度作為調整油嘴尺寸的階段目標。由于不同區域頁巖氣儲層微觀組構及物性差異較大,目前頁巖水化程度及液相支撐能力未建立普適認識,建議對目標儲層取心進行水化強度、液相支撐等頁巖特性室內評價實驗,確定關井時間和最優含水飽和度評價值。

5 結 論

(1)返排前一定時間的關井在頁巖水化作用下能夠提升頁巖儲層壓裂裂縫復雜程度及滲透性;返排過程中針對性關井,地層壓力恢復的同時能夠增加裂縫復雜程度及其含氣飽和度,提升氣相流動能力。根據實時返排特征,伺機中途關井有助于提高產氣量期望值。

(2)頁巖氣儲層壓后返排兩相流階段具有兩種典型特征。出現氣增液降特征點的氣井具有更高的產氣量期望值,且氣增液降特征點出現后的產氣量變化趨勢一定程度上反映了裂縫網絡中含氣飽和度以及累積產氣量期望值,可根據返排曲線特征在早期評估氣井產氣能力。

(3)由于頁巖氣儲層液相支撐現象的存在,其氣相滲透率不是含水飽和度的單調函數。頁巖氣儲層返排率既不是越低越好,也不是越高越好,而是存在最優返排率使氣相滲透率最大化,但最優返排率不是指某一特定的值,而是對應了基于儲層特性的最優返排策略。

(4)頁巖氣儲層壓后返排應以追求氣相滲透率最大化為最終目標,以控壓、控速為總原則。返排前期應盡量保存地層壓力,中后期應以追求儲層最佳含水飽和度為目標調整排液制度。