頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化
——以四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田X1井組為例

朱海燕 宋宇家 唐煊赫 李奎東 肖佳林

1.“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) 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·西南石油大學(xué)3. 加拿大滑鐵盧大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)院 4. 中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，但目前卻普遍存在著儲(chǔ)層孔滲條件相對(duì)較差、開(kāi)發(fā)成本高等問(wèn)題[1-3]。為了控制成本、提高開(kāi)發(fā)效果，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐和探索，目前已經(jīng)形成了一套較為完善的方法體系。該體系主要采用“水平井+體積壓裂”的開(kāi)發(fā)工藝，配合“井工廠”的開(kāi)發(fā)模式，一次性部署多口水平井，集中施工，集中投產(chǎn)[4-6]。在該開(kāi)發(fā)模式下，合理控制井距、提高氣井控制范圍和儲(chǔ)層動(dòng)用程度便顯得尤為重要。早期美國(guó)頁(yè)巖氣水平井間距較大，主要集中在400 m左右，后期經(jīng)過(guò)優(yōu)化和加密，目前基本在200 m以內(nèi)[7-9]。由于我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣井壓裂改造認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致初期井距過(guò)大，井間儲(chǔ)量難以動(dòng)用[7,10]。目前我國(guó)蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣藏水平井井距介于400～500 m，涪陵地區(qū)初始井距約600 m[10-12]。因此，需要在初期開(kāi)發(fā)井網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過(guò)部署加密井等方式合理減小井距，緩解頁(yè)巖氣田產(chǎn)能衰減、提高資源動(dòng)用率，其中四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田已從2014年開(kāi)始進(jìn)行加密井開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)研究[11-13]。

氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，氣井生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力、地層應(yīng)力狀態(tài)及孔滲條件動(dòng)態(tài)變化，從而影響加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展。Yang等[14]和Guo等[15-16]采用有限元方法，研究了頁(yè)巖氣井生產(chǎn)過(guò)程中不同水力裂縫參數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力變化的影響。Ren等[17-18]結(jié)合離散元方法，考慮了天然裂縫的影響。Moradi等[19]采用基于離散裂縫模型和有限元模型的滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合方法，發(fā)現(xiàn)裂縫型儲(chǔ)層生產(chǎn)過(guò)程中，孔隙壓力降低會(huì)減小裂縫寬度及滲透率。Gupta等[20]采用有限元法、Safari等[21]結(jié)合邊界元與有限差分方法，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)氣藏多裂縫水平井生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)對(duì)地層應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，使加密井水力裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)。Yang等[22]結(jié)合有限差分模型和離散元模型，分析了地應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化條件下，加密井水力壓裂裂縫非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展情況。Gonzalez等[23-24]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂微地震數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了老井生產(chǎn)對(duì)加密井水力裂縫擴(kuò)展的影響。同時(shí)，加密井的部署與壓裂改造不是單井問(wèn)題，在一定井距和壓裂改造規(guī)模下，還存在著井間干擾的問(wèn)題。Morales等[25-27]的研究結(jié)果表明，當(dāng)井間距過(guò)小時(shí)，加密井壓裂裂縫會(huì)受“Frac-hit”效應(yīng)影響，削弱加密井壓裂增產(chǎn)效果，同時(shí)降低老井產(chǎn)能。因此，在現(xiàn)有井網(wǎng)條件下，部署加密井時(shí)必須同時(shí)考慮老井生產(chǎn)過(guò)程中地層力學(xué)狀態(tài)和物性條件變化以及加密井與老井之間的干擾作用。

不同的生產(chǎn)時(shí)間、地層條件以及老井和加密井井間干擾作用是動(dòng)態(tài)變化的，因而優(yōu)選合理的加密井壓裂時(shí)機(jī)就顯得尤為重要。Roussel等[28]采用邊界元與有限元相結(jié)合的方法，模擬了生產(chǎn)過(guò)程中地應(yīng)力狀態(tài)變化及其對(duì)加密井裂縫擴(kuò)展的影響，認(rèn)為老井間地應(yīng)力全部發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)為最佳加密井壓裂時(shí)機(jī)。但上述模型只考慮了單一裂縫，未考慮天然裂縫、儲(chǔ)層非均質(zhì)性及解吸擴(kuò)散等特殊氣體流動(dòng)情況。Pichon等[9]結(jié)合UFM水力裂縫擴(kuò)展模型及有限元力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了不同加密時(shí)機(jī)下，加密井和老井產(chǎn)量變化情況，認(rèn)為加密井壓裂時(shí)機(jī)越早，對(duì)老井和加密井產(chǎn)能影響越小，但其采用的是擬三維裂縫擴(kuò)展模型，無(wú)法模擬真三維條件下裂縫擴(kuò)展。Kumar等[29]結(jié)合位移不連續(xù)法與有限體積法，探討了老井生產(chǎn)對(duì)加密井水力壓裂裂縫的影響，研究結(jié)果表明，加密時(shí)機(jī)越晚，加密井水力裂縫非對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)效果越差，但該模型中水力裂縫為單一裂縫，未考慮復(fù)雜裂縫擴(kuò)展。

加密井壓裂時(shí)機(jī)的優(yōu)選是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其目的是發(fā)揮加密井的最大產(chǎn)能，同時(shí)減小加密井開(kāi)發(fā)對(duì)老井產(chǎn)能的負(fù)面影響，因而需要綜合考慮老井生產(chǎn)過(guò)程中地層條件變化、水力壓裂復(fù)雜裂縫非均勻擴(kuò)展、加密井與老井的井間干擾等，而目前國(guó)內(nèi)針對(duì)這一問(wèn)題的系統(tǒng)性研究成果則鮮見(jiàn)。為此，筆者以四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田X1井組為例，結(jié)合儲(chǔ)層非均質(zhì)性和天然裂縫分布特征，建立頁(yè)巖氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合條件下地應(yīng)力演化及復(fù)雜裂縫擴(kuò)展的多物理場(chǎng)模型，在地應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化模擬的基礎(chǔ)上，模擬加密井水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)、加密井及井組開(kāi)發(fā)效果，進(jìn)而優(yōu)選頁(yè)巖氣藏加密井最佳的壓裂時(shí)機(jī)。

1 頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化模擬

由于我國(guó)早期對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造認(rèn)識(shí)不足，在設(shè)計(jì)水平井井間距時(shí)過(guò)于保守，導(dǎo)致采收率和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)效益較低。為了縮短頁(yè)巖氣井投資回收期、增加凈現(xiàn)值，加密井部署成為目前我國(guó)頁(yè)巖氣藏有效開(kāi)發(fā)的重要措施。然而，頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層孔隙壓力和地應(yīng)力動(dòng)態(tài)非均勻變化會(huì)影響加密井水力裂縫擴(kuò)展及儲(chǔ)層產(chǎn)能發(fā)揮，因此，優(yōu)選最佳的加密井壓裂時(shí)機(jī)成為保證改造效果的關(guān)鍵。

1.1 頁(yè)巖加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化模擬方法

綜合考慮頁(yè)巖氣井生產(chǎn)過(guò)程中地層條件變化及其對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展和氣井產(chǎn)能的影響，筆者提出一套頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化模擬方法。該方法主要包含：儲(chǔ)層綜合三維地質(zhì)模型建立、老井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬、儲(chǔ)層四維地應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化模擬、加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬及加密井壓裂方案優(yōu)選共5個(gè)部分（圖1）。該方法通過(guò)成像測(cè)井、巖心描述和露頭裂縫描述等建立頁(yè)巖氣儲(chǔ)層天然裂縫的離散裂縫模型，結(jié)合井層數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖石力學(xué)、孔滲參數(shù)等，建立考慮儲(chǔ)層天然裂縫、巖石力學(xué)參數(shù)和物性參數(shù)等的三維地質(zhì)模型；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)老井水力壓裂施工數(shù)據(jù)和微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展老井水力壓裂數(shù)值模擬，得到老井水力壓裂的復(fù)雜裂縫形態(tài)及參數(shù)；基于地質(zhì)模型、老井水力壓裂復(fù)雜裂縫模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展頁(yè)巖氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬研究，得到頁(yè)巖氣藏孔隙壓力及地應(yīng)力演化結(jié)果；結(jié)合耦合模擬結(jié)果，建立頁(yè)巖氣加密井水力壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模型，揭示加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展規(guī)律，優(yōu)化加密井改造方案和參數(shù)；對(duì)比加密井不同壓裂時(shí)間裂縫擴(kuò)展形態(tài)，預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)量變化，優(yōu)選最佳加密井壓裂時(shí)機(jī)。該方法可系統(tǒng)地優(yōu)化加密井壓裂施工參數(shù)，優(yōu)選壓裂時(shí)間窗口，為我國(guó)頁(yè)巖氣加密井開(kāi)發(fā)提供有效的理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。

圖1 頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化模擬方法圖

1.2 模型建立與驗(yàn)證

1.2.1 三維地質(zhì)模型建立

以我國(guó)四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)能建設(shè)區(qū)X1井組為例，其主要產(chǎn)層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖，該層有機(jī)質(zhì)豐度高、巖石脆性好、天然裂縫發(fā)育，有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到高產(chǎn)效果[30]。該井組包括1口加密井（X2H）及相鄰4口老井（X1-1H、X1-2H、X1-3H、X1-4H），其井位分布及各井鉆遇層位情況如圖2所示。該井組主力層為1、3、4號(hào)層，井間距260～360 m。區(qū)域東西向（X方向）距離3 030 m，南北向（Y方向）4 650 m，儲(chǔ)層頂界深度（龍馬溪組9號(hào)層頂面）介于2 383.4～2 576.5 m，儲(chǔ)層總厚度96.5～163.0 m。

圖2 X1井組井位分布圖

該地區(qū)儲(chǔ)層致密，地層基質(zhì)滲透率主要介于0.001 5～5.71 mD，平均值約0.25 mD，孔隙度主要介于3%～6%，平均值約4.61%。受地層天然裂縫發(fā)育影響，該地區(qū)地層巖石力學(xué)參數(shù)具有較強(qiáng)的各向異性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該地區(qū)頁(yè)巖水平方向和垂直方向楊氏模量分別介于32～37 GPa和18～30 GPa，水平和垂向泊松比分別介于0.23～0.29和0.13～0.17，水平楊氏模量和泊松比均大于垂向[31-33]。該地區(qū)垂向主應(yīng)力（σv）、水平最大主應(yīng)力（σHmax）和水平最小主應(yīng)力（σHmin）梯度分別介于2.17～2.28 MPa/100 m、2.29～2.40 MPa/100 m和1.98～2.08 MPa/100 m，屬于走滑斷層機(jī)制。基于該地區(qū)實(shí)際地質(zhì)和巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，建立井區(qū)三維地質(zhì)屬性模型。

目標(biāo)區(qū)域儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫和層理裂縫發(fā)育，天然裂縫分布參數(shù)如表1所示，可以看出，該儲(chǔ)層天然裂縫以層理縫為主。采用基于增強(qiáng)Baecher模型的離散裂縫建模方法，可得到X1井組儲(chǔ)層天然裂縫的三維離散裂縫模型[34-35]。

表1 目標(biāo)區(qū)域天然裂縫分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

由于離散裂縫模型通常采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大，影響計(jì)算精度[36-37]。因此，筆者采用Oda方法將離散裂縫投影到地層網(wǎng)格上，構(gòu)建裂縫屬性模型，參與滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：儲(chǔ)層裂縫孔隙度為0.05%～0.10%；裂縫等效水平滲透率介于0.01～0.05 mD，等效垂向滲透率介于0.000 5～0.005 0 mD，水平滲透率明顯大于垂向，儲(chǔ)層天然裂縫滲透率具有較強(qiáng)的各向異性。

1.2.2 老井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬及驗(yàn)證

該地區(qū)頁(yè)巖地層天然裂縫發(fā)育，壓裂改造過(guò)程中水力裂縫能溝通儲(chǔ)層天然裂縫，形成復(fù)雜的非平面、非對(duì)稱(chēng)的網(wǎng)狀裂縫[38-39]。本文中水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型在離散裂縫模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化和修正。該模型根據(jù)地層網(wǎng)格模型力學(xué)屬性，計(jì)算離散裂縫應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合水力壓裂施工壓力、液量等參數(shù)，同時(shí)考慮縫內(nèi)摩阻和濾失，計(jì)算裂縫拉張擴(kuò)展和剪切破壞。對(duì)于拉張裂縫，當(dāng)天然裂縫縫內(nèi)孔隙壓力大于裂縫法向應(yīng)力時(shí)，裂縫開(kāi)啟。通過(guò)Secor和Pollard方法，計(jì)算裂縫寬度；再根據(jù)質(zhì)量守恒定律和縫內(nèi)液體體積，得到裂縫擴(kuò)展距離，通過(guò)迭代計(jì)算水力主裂縫和分支擴(kuò)張裂縫擴(kuò)展形態(tài)[40]。當(dāng)天然裂縫滿足Mohr-Coulomb失效準(zhǔn)則時(shí)，發(fā)生剪切破壞，形成剪切裂縫，但該模型不計(jì)算裂縫滑移量，各剪切裂縫尺寸和滲透率與原始天然裂縫相同。水力主裂縫沿最大主應(yīng)力方向開(kāi)啟，裂縫參數(shù)計(jì)算方法與擴(kuò)張裂縫相同。

表2為平臺(tái)4口老井的壓裂參數(shù)，其中平均每個(gè)壓裂段3個(gè)射孔簇，射孔簇間距平均約28 m，各段施工排量平均約14 m3/min。水力壓裂裂縫模擬產(chǎn)生水力主裂縫、分支擴(kuò)張裂縫和剪切自支撐裂縫，如圖3所示。其中水力主裂縫為水力壓裂所形成的主裂縫，張開(kāi)的天然裂縫與水力主裂縫相連形成分支擴(kuò)張裂縫，剪切自支撐裂縫是因天然裂縫剪切失效而產(chǎn)生，裂縫擴(kuò)展范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。可以看出：水力主裂縫范圍較小，分支擴(kuò)張裂縫及剪切自支撐裂縫范圍較大且剪切自支撐裂縫數(shù)量明顯大于分支擴(kuò)張裂縫。

表2 目標(biāo)區(qū)域老井壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 目標(biāo)區(qū)域老井水力壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展形態(tài)圖

表3 目標(biāo)區(qū)域老井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由于該平臺(tái)4口老井壓裂過(guò)程中未進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，因此本文中參考其鄰井X3-3H井壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。該井主要層位為1～3號(hào)小層，儲(chǔ)層特征參數(shù)與目標(biāo)區(qū)域相似，壓裂施工28段，每段施工液量平均約2 037 m3，支撐劑用量平均約51 m3。該井壓裂微地震事件分布如圖4所示，各段改造長(zhǎng)度介于230～480 m，改造寬度約70～180 m，改造高度30～80 m，與目標(biāo)區(qū)域4口老井壓裂模擬結(jié)果較為吻合。

圖4 X3-3H井水力壓裂微地震事件點(diǎn)分布圖

采用Oda法將水力裂縫投影到地質(zhì)網(wǎng)格上，生成水力裂縫等效滲透率張量，其中主方向滲透率kxx、kyy、kzz介于10～250 mD，明顯高于基質(zhì)和天然裂縫。受地應(yīng)力狀態(tài)影響，水力主裂縫為垂向裂縫，且沿東西向展布，水力分支裂縫由高角度構(gòu)造裂縫和低角度層理裂縫擴(kuò)張形成，因此，水力壓裂裂縫對(duì)儲(chǔ)層X(jué)方向和Z方向上滲流條件起到較好的改善作用。

1.2.3 滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型建立與驗(yàn)證

針對(duì)頁(yè)巖孔隙流體滲流特征，本文中氣藏滲流模擬采用雙孔—雙滲模型，基質(zhì)中頁(yè)巖氣流動(dòng)方式以解吸和擴(kuò)散為主，裂縫中則以滲流為主。因此，上文中計(jì)算所得天然裂縫及水力壓裂裂縫的孔滲屬性可作為滲流模型裂縫網(wǎng)格屬性參與運(yùn)算。為了避免全耦合模擬中由于地層非均質(zhì)性和各向異性等帶來(lái)的收斂性問(wèn)題，提高運(yùn)算效率，本文模型采用順序耦合方式完成滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬。利用Eclipse氣藏模擬軟件建立目標(biāo)區(qū)塊氣藏滲流模型，計(jì)算地層孔隙壓力變化；采用Abaqus有限元軟件平臺(tái)建立區(qū)塊地質(zhì)力學(xué)模型，以孔隙壓力為邊界條件，計(jì)算地層位移及應(yīng)力變化。受天然裂縫分布和地應(yīng)力變化影響，頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)過(guò)程中，地層滲透率應(yīng)力敏感效應(yīng)存在各向異性特征，因此模型中參考Li等[41]研究所得滲透率應(yīng)力敏感方程和參數(shù)，通過(guò)Abaqus軟件接口嵌入該應(yīng)力敏感模型程序，模擬生產(chǎn)過(guò)程中地層滲透率變化。

由于氣藏模擬器采用角點(diǎn)網(wǎng)格模型，有限元模擬器采用有限元網(wǎng)格模型，因此，筆者采用網(wǎng)格映射策略子程序，通過(guò)球形自適應(yīng)搜索算法實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)間網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[42-43]。

該區(qū)域X1-1H、X1-2H、X1-3H及X1-4H井從2013年12月開(kāi)始相繼投產(chǎn)，而加密井于2018年6月進(jìn)行壓裂投產(chǎn)。因此，筆者結(jié)合這4口老井2013年12月—2018年6月共54個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬，模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。考慮模型運(yùn)算精度及計(jì)算效率，滲流模型中網(wǎng)格平面尺寸為5 m×5 m，垂向網(wǎng)格尺寸根據(jù)各層位厚度劃分，平均網(wǎng)格高度為2 m；應(yīng)力模型中網(wǎng)格平面尺寸為10 m×10 m，網(wǎng)格高度平均為5 m。

采用定產(chǎn)量擬合井口壓力方式進(jìn)行滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合，圖5為X1-4H井生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。可以看出，該井初期產(chǎn)量較高，井口壓力下降較快，但后期有相對(duì)較長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)期。該井?dāng)M合井口壓力與實(shí)際生產(chǎn)井口壓力平均誤差為8.06%，壓力擬合效果較好。

對(duì)比老井生產(chǎn)前后WF1儲(chǔ)層孔隙壓力分布（圖6-a），可以看出，隨著氣井生產(chǎn)，井筒附近呈現(xiàn)明顯的壓降漏斗。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層致密，基質(zhì)滲透率低，裂縫波及范圍之外的儲(chǔ)層壓降較小。目標(biāo)區(qū)域試井資料顯示（表5）：X1-2和X1-3井生產(chǎn)43個(gè)月，井底壓力下降24～27 MPa，加密井X2H井底壓力與初始地層壓力相比下降約4.5 MPa，與模擬結(jié)果誤差均在3%以內(nèi)。

表4 目標(biāo)區(qū)域模型主要參數(shù)表

圖5 X1-4H井生產(chǎn)歷史擬合結(jié)果圖

受地層孔隙壓力變化影響，地層三向地應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生變化。圖6-b為老井生產(chǎn)前后WF1儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力分布，可以看出，最小水平主應(yīng)力在開(kāi)采過(guò)程中不斷降低，且在各生產(chǎn)井近井筒處下降幅度最大，介于8～10 MPa，在加密井X2H井處有小幅下降，介于3～5 MPa。垂向應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力變化規(guī)律與最小水平主應(yīng)力相似，但下降程度均小于最小水平主應(yīng)力。

圖6 目標(biāo)區(qū)域WF1儲(chǔ)層孔隙壓力、最小水平主應(yīng)力分布圖

表5 目標(biāo)區(qū)域部分井試井測(cè)試井底壓力與模擬井底壓力對(duì)比結(jié)果表

1.2.4 加密井水力壓裂裂縫模擬及驗(yàn)證

加密井X2H于2018年6月進(jìn)行水力壓裂施工，該井共施工27段，各段施工液量與老井相近，平均為1 898 m3，平均每段支撐劑用量61.8 m3，平均施工排量13.0～14.5 m3/min，平均砂比7.84%，平均施工壓力60～75 MPa。結(jié)合氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬所得地應(yīng)力場(chǎng)，開(kāi)展加密井X2H水力壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬，裂縫擴(kuò)展計(jì)算模型與老井相同。

圖7為加密井X2H水力壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展形態(tài)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)微地震事件分布對(duì)比，表6為加密井X2H壓裂模擬裂縫擴(kuò)展范圍及現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。與老井水力壓裂裂縫相比，加密井水力主裂縫、分支擴(kuò)張裂縫、剪切自支撐裂縫尺寸均較小，其中水力主裂縫縫長(zhǎng)與老井相比減小20～30 m，分支擴(kuò)張裂縫范圍長(zhǎng)度減小40～50 m，剪切自支撐裂縫范圍長(zhǎng)度減小10～25 m。同時(shí)，加密井分支擴(kuò)張縫主要集中在近井筒地帶，特別是層理擴(kuò)張裂縫，而老井分支擴(kuò)張縫分布較為均勻。加密井壓裂模擬裂縫擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)展范圍與現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬的可靠性。

1.2.5 加密井產(chǎn)能模擬及驗(yàn)證

根據(jù)加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果，采用Oda法計(jì)算加密井水力裂縫等效裂縫孔隙度和滲透率屬性，并將其導(dǎo)入氣藏模型中，擬合該井投產(chǎn)后9個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如圖8所示。與老井相比，加密井產(chǎn)量較高，但井口壓力下降較為明顯。與實(shí)際井口壓力相比，該井模擬井口壓力平均誤差為5.88%，擬合效果較好。

圖7 X2H井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展形態(tài)與實(shí)測(cè)微地震事件對(duì)比圖

表6 X2H井壓裂模擬裂縫與實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

圖8 加密井生產(chǎn)歷史擬合結(jié)果圖

2 加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化

水平井壓裂過(guò)程中，改造效果影響因素很多，但通常射孔簇間距和施工液量對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)及儲(chǔ)層產(chǎn)能發(fā)揮影響最為明顯[9,44]。為保證加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)選可靠性，減小因施工參數(shù)選取不當(dāng)對(duì)加密時(shí)機(jī)優(yōu)選帶來(lái)的不利影響，筆者以目標(biāo)區(qū)域已有加密井X2H為例，在該井實(shí)際壓裂施工時(shí)（井組生產(chǎn)54個(gè)月）地層應(yīng)力及孔隙壓力基礎(chǔ)上，對(duì)加密井射孔簇間距和施工液量進(jìn)行優(yōu)選，再結(jié)合最優(yōu)的加密井施工參數(shù)，進(jìn)行加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化。

2.1 加密井壓裂施工參數(shù)優(yōu)選

2.1.1 射孔簇間距優(yōu)選

根據(jù)實(shí)際施工效果，提出5種射孔簇間距方案：10 m、15 m、20 m、25 m、30 m，設(shè)計(jì)液量為每簇650 m3（表7），施工排量14.0 m3/min，平均砂比8%，施工壓力70 MPa。結(jié)合井組生產(chǎn)54個(gè)月時(shí)地層應(yīng)力和孔隙壓力，假設(shè)每個(gè)射孔簇處水力主裂縫均勻開(kāi)啟，加密井水力壓裂分支擴(kuò)張裂縫形態(tài)模擬結(jié)果如圖9-a所示。表8為加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，各射孔簇間距下水力主裂縫尺寸相同，分支擴(kuò)張裂縫和剪切自支撐裂縫擴(kuò)展范圍相近；當(dāng)射孔簇間距減小時(shí)，水力壓裂改造體積和裂縫密度增加，地層改造更加充分；但當(dāng)射孔簇間距小于15 m后，裂縫密度增加速率明顯降低。

表7 加密井不同射孔簇間距模擬參數(shù)對(duì)比表

采用氣藏滲流模型預(yù)測(cè)加密井投產(chǎn)后3年產(chǎn)量變化，模型采用定井底壓力5 MPa生產(chǎn)，對(duì)比不同射孔簇間距條件下加密井水力壓裂改造效果。圖10-a、b和c分別為不同射孔簇間距條件下加密井日產(chǎn)氣量、加密井累計(jì)產(chǎn)氣量及井組累計(jì)產(chǎn)氣量對(duì)比結(jié)果。可以看出，加密井初期產(chǎn)量較高，但由于頁(yè)巖滲透率極低，產(chǎn)量遞減較快，后期低產(chǎn)下穩(wěn)定期較長(zhǎng)[7,11]；生產(chǎn)500天以后，各射孔簇間距條件下加密井日產(chǎn)量基本相同；當(dāng)簇間距減小時(shí)，加密井初期日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量增大，壓裂改造效果提高；但射孔簇間距較小時(shí)，由于分支裂縫重疊及串通，使裂縫密度增加量減小，影響壓裂改造效果。由于目前井間距較大，現(xiàn)有加密井改造規(guī)模對(duì)鄰井影響相對(duì)較小，井組累計(jì)產(chǎn)氣量變化規(guī)律與加密井相同（圖10）。因此，較小簇間距有助于提高壓裂后產(chǎn)氣量，但同時(shí)增加了施工成本。為了優(yōu)選最為經(jīng)濟(jì)有效的施工參數(shù)，本文對(duì)比了平均每個(gè)射孔簇3年累計(jì)產(chǎn)氣量（圖10-d），可以看出當(dāng)射孔簇間距為15 m時(shí)，每個(gè)射孔簇累計(jì)產(chǎn)氣量最高，壓裂改造經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。因此，筆者優(yōu)選15 m為最佳射孔簇間距方案。

2.1.2 每簇壓裂施工液量?jī)?yōu)選

在優(yōu)選的15 m射孔簇間距基礎(chǔ)上，研究不同施工液量對(duì)壓裂效果的影響。提出5種每簇施工液量方案：200 m3、350 m3、500 m3、650 m3和800 m3（表9），模擬條件與上文中射孔簇間距優(yōu)選模型相同。加密井水力壓裂分支裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果如圖9-b所示，表10為加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，隨著施工液量的增加，水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍、壓裂改造體積和裂縫密度均增加；但當(dāng)每簇施工液量過(guò)大時(shí)，裂縫范圍、壓裂改造體積及裂縫密度增加量逐漸減小。

對(duì)比不同每簇施工液量條件下水力壓裂改造效果，模擬條件與上文中射孔簇間距優(yōu)選氣藏滲流模型相同。圖11-a、b和c分別為加密井日產(chǎn)氣量、加密井累產(chǎn)氣量及井組累產(chǎn)氣量對(duì)比結(jié)果。隨著施工液量的增大，加密井和井組產(chǎn)量增加，但施工液量過(guò)大時(shí)，裂縫密度增加量減小，壓裂液效率降低。考慮壓裂施工經(jīng)濟(jì)有效性，本文對(duì)比了加密井每立方米壓裂液3年累計(jì)增氣量（圖11-d），當(dāng)每簇施工液量350 m3時(shí)，每方壓裂液累計(jì)增氣量最高，增產(chǎn)效果最優(yōu)。因此，優(yōu)選350 m3為最佳每簇壓裂液量方案。

2.2 加密井壓裂時(shí)機(jī)確定

在最優(yōu)的加密井射孔簇間距和水力壓裂施工液量基礎(chǔ)上，優(yōu)選加密井壓裂時(shí)機(jī)。由于不同時(shí)間氣藏開(kāi)發(fā)程度不同，導(dǎo)致地層孔隙壓力和應(yīng)力條件發(fā)生變化，影響水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)以及加密井和鄰井產(chǎn)能發(fā)揮。因此，加密井加密壓裂時(shí)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)考慮水力裂縫擴(kuò)展、加密井壓裂改造效果及井組產(chǎn)能影響。

2.2.1 不同時(shí)機(jī)加密井壓裂裂縫擴(kuò)展對(duì)比

采用15 m射孔簇間距和每簇350 m3壓裂液量的施工方案，對(duì)比該井組生產(chǎn)12個(gè)月、24個(gè)月、36個(gè)月和54個(gè)月時(shí)加密井壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)（圖9-c）。結(jié)果表明，生產(chǎn)12個(gè)月時(shí)，加密井壓裂分支擴(kuò)張裂縫分布較為均勻，且主要以高角度構(gòu)造裂縫形成的分支擴(kuò)張裂縫為主；隨著壓裂時(shí)機(jī)的推遲，裂縫網(wǎng)絡(luò)前端（靠近老井處）分支裂縫逐漸減少，加密井井筒周?chē)鷦t逐漸增加，特別是低角度層理縫形成的分支擴(kuò)張裂縫。

表11為各壓裂時(shí)間下加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，壓裂時(shí)間越晚，水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍和壓裂改造體積越小，裂縫密度越大。隨著壓裂時(shí)間的推遲，分支裂縫逐漸集中在加密井井筒附近，增加了井筒附近裂縫復(fù)雜度，但限制了裂縫長(zhǎng)度方向延伸，使得改造體積減小，裂縫密度增加。

圖9 不同簇間距、每簇液量、壓裂時(shí)機(jī)下加密井分支擴(kuò)張裂縫展布形態(tài)圖

頁(yè)巖地層水力壓裂過(guò)程中，天然裂縫產(chǎn)狀和地應(yīng)力條件對(duì)裂縫擴(kuò)展有至關(guān)重要的作用。該地區(qū)主要發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫和低角度層理縫，在壓裂施工過(guò)程中，水平兩向應(yīng)力差越小，越有利于構(gòu)造縫開(kāi)啟，而垂向應(yīng)力差（垂向應(yīng)力與最小水平應(yīng)力之差）越小，越有利于層理縫開(kāi)啟[45-46]。在生產(chǎn)過(guò)程中，老井水力裂縫控制范圍內(nèi)的地層孔隙壓力降低，導(dǎo)致該區(qū)域水平兩向應(yīng)力差和垂向應(yīng)力差增大，不利于天然裂縫的開(kāi)啟。

圖12為加密井壓裂時(shí)各鄰井天然氣采出情況，過(guò)加密井X2H井第70簇做X1-2H和X1-3H井之間WF1儲(chǔ)層截面的應(yīng)力差剖面，如圖13所示。可以看出，當(dāng)鄰井天然氣采出程度提高時(shí)，兩向應(yīng)力差非線性增加。生產(chǎn)12個(gè)月時(shí)，由于只有X1-4H井生產(chǎn)，其余井井筒處地層應(yīng)力基本保持原地應(yīng)力狀態(tài)；生產(chǎn)24～54個(gè)月時(shí)，老井X1-2H和X1-3H井筒處垂向應(yīng)力差和水平應(yīng)力差明顯大于加密井X2H井筒處。隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，老井水力裂縫擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)垂向應(yīng)力差和水平應(yīng)力差逐漸增大，而加密井處變化不大，從而導(dǎo)致加密井壓裂時(shí)間越晚時(shí)，井筒處分支擴(kuò)張裂縫逐漸增多，而水力裂縫網(wǎng)絡(luò)前端的分支裂縫逐漸減少。

表8 不同簇間距下加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

圖10 不同射孔簇間距條件下加密井水力壓裂改造效果圖

表9 加密井不同施工液量模擬參數(shù)對(duì)比表

2.2.2 不同壓裂時(shí)機(jī)加密井壓后產(chǎn)能對(duì)比

對(duì)比不同壓裂時(shí)機(jī)加密井改造效果，模擬2013年12月—2021年6月各井產(chǎn)量變化。為了減低老井生產(chǎn)制度變化對(duì)井組整體產(chǎn)量的影響，氣藏模擬中4口老井在有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間內(nèi)（2013年6月—2019年2月），采用定產(chǎn)量生產(chǎn)，之后采用定井底壓力生產(chǎn)，而加密井從投產(chǎn)時(shí)即采用定井底壓力生產(chǎn)，井底壓力為5 MPa。圖14-a、b和c分別為不同時(shí)間加密井壓裂改造后日產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量及井組累計(jì)產(chǎn)氣量變化情況。可以看出，加密井壓裂時(shí)間越早，其初始產(chǎn)量越高；井組生產(chǎn)12個(gè)月部署加密井時(shí)，其壓裂后初期累計(jì)產(chǎn)量較高，但后期累產(chǎn)小于生產(chǎn)24個(gè)月加密。而從井組累計(jì)產(chǎn)量變化（圖14-c）可以看出，井組生產(chǎn)36個(gè)月部署加密井時(shí)，井組后期累計(jì)產(chǎn)量最高。

表10 不同每簇施工液量下加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

圖11 不同每簇施工液量條件下水力壓裂改造效果圖

表11 不同壓裂時(shí)機(jī)下加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

圖12 不同生產(chǎn)時(shí)間老井天然氣采出量圖

頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力、水力壓裂改造范圍和改造裂縫密度是頁(yè)巖氣加密井開(kāi)發(fā)效果的重要影響因素。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低，儲(chǔ)層壓力變化與井間距離、裂縫控制范圍及老井生產(chǎn)狀況有關(guān)。通常加密時(shí)機(jī)越早，地層采出程度越低，地層能量衰減越小，垂向應(yīng)力差及水平應(yīng)力差變化程度越小。對(duì)于本文目標(biāo)區(qū)域，井組生產(chǎn)時(shí)間小于24個(gè)月時(shí)，加密井區(qū)域地層能量受老井生產(chǎn)影響較小，初期產(chǎn)量變化不大，水力壓裂分支擴(kuò)張裂縫擴(kuò)展范圍相對(duì)較大，但裂縫密度相對(duì)較低，穩(wěn)產(chǎn)效果不理想，導(dǎo)致加密井產(chǎn)量遞減較快，開(kāi)發(fā)效果不佳。生產(chǎn)36個(gè)月時(shí)，水力壓裂改造范圍減小，但分支裂縫數(shù)量增加，裂縫密度增大，能夠充分發(fā)揮未動(dòng)用區(qū)域產(chǎn)能，同時(shí)對(duì)鄰井產(chǎn)能影響較小，從而使井組整體開(kāi)發(fā)效果較好。生產(chǎn)54個(gè)月加密時(shí)，老井井間未動(dòng)用區(qū)域縮小，地層壓力衰減較大，加密井后期產(chǎn)量難以保障。因此，對(duì)于該井組，生產(chǎn)36個(gè)月進(jìn)行加密井壓裂時(shí)產(chǎn)量效果最佳。

圖13 不同生產(chǎn)時(shí)間應(yīng)力差剖面圖

對(duì)于不同頁(yè)巖儲(chǔ)層，由于儲(chǔ)層物性、老井井間距離、改造規(guī)模、壓裂裂縫密度及生產(chǎn)制度不同，加密時(shí)機(jī)難以統(tǒng)一劃定，但可以通過(guò)各井區(qū)地層參數(shù)、地層壓力變化等，結(jié)合本文頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化方法，優(yōu)選最佳加密井壓裂時(shí)機(jī)。

3 結(jié)論

1）針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及井網(wǎng)加密需求，系統(tǒng)考慮儲(chǔ)層物性和力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性和各向異性、天然裂縫發(fā)育特征，提出了一套頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化方法，該方法通過(guò)模擬老井長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中地層孔隙壓力及地應(yīng)力狀態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上研究加密井壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展，預(yù)測(cè)壓后產(chǎn)量變化，優(yōu)選加密井壓裂參數(shù)及壓裂時(shí)機(jī)，有效指導(dǎo)加密井部署與壓裂施工。

2）當(dāng)加密井射孔簇間距減小、每簇施工液量增大時(shí)，水力壓裂改造體積、裂縫密度增大，壓后產(chǎn)量提高；但簇間距過(guò)小、每簇施工液量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分支裂縫串通和重疊，降低壓裂液效率，影響壓后產(chǎn)能；對(duì)于本文目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)射孔簇間距為15 m，每簇施工液量為350 m3時(shí)，壓裂施工最為經(jīng)濟(jì)有效。

3）在優(yōu)選的射孔簇間距和施工液量基礎(chǔ)上，加密時(shí)機(jī)越晚，受地層地應(yīng)力變化影響，加密井分支裂縫逐漸集中在井筒附近，導(dǎo)致壓裂改造范圍減小，裂縫密度增加；結(jié)合地層孔隙壓力影響，加密時(shí)機(jī)越晚，加密井初期產(chǎn)量越低；但由于加密井裂縫擴(kuò)展、地層壓力變化及井間干擾等因素的綜合影響，目標(biāo)井組生產(chǎn)36個(gè)月部署加密井時(shí)，井組累計(jì)產(chǎn)氣量最高，加密井壓裂改造綜合效果最優(yōu)，該研究方法也同樣適用于其他頁(yè)巖氣藏加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化。