煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能主控因素研究

秦 鵬，朱建英，劉世界，段寶江，宣 濤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

煤層氣分段壓裂水平井增產(chǎn)機(jī)理是利用其水平段長(zhǎng)度和水利裂縫有效溝通儲(chǔ)層中的裂縫，大大增加了煤層氣泄流面積，進(jìn)而可以大幅度提高煤層氣井產(chǎn)能，目前，國(guó)內(nèi)煤層氣分段壓裂水平井開發(fā)實(shí)踐表明，不同地質(zhì)條件和不同分段水平井設(shè)計(jì)方案的分段水平井開發(fā)效果差異較大[1-6]。鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區(qū)塊，2013年開展了中國(guó)第一口煤層氣水平井套管完井分段壓裂試驗(yàn)，單井產(chǎn)氣量達(dá)12 000 m3/d，2015年又陸續(xù)開展了3口煤層氣水平井分段壓裂試驗(yàn)，單井產(chǎn)氣量為6 000～12 000 m3/d；淮北蘆嶺煤礦LG01多段壓裂水平井組產(chǎn)氣峰值10 000 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)期平均產(chǎn)氣量4 887 m3/d； 沁水盆地趙莊井田2015-2018年實(shí)施一組分段壓裂水平井，穩(wěn)定產(chǎn)量4 000～5 000 m3/d；鄭莊區(qū)塊壓裂水平井產(chǎn)量可達(dá)到7 000 m3/d以上；山西晉城寺河20 000 m3/d；鄂爾多斯盆地東緣延川南區(qū)塊東部YP1井，產(chǎn)氣量?jī)H維持在450～500 m3/d。目前，對(duì)關(guān)于影響煤層氣分段壓裂水平井開發(fā)效果的主控因素研究較少，任飛等優(yōu)化了沁水拗陷東翼中段煤層氣分段水平井壓裂參數(shù)[7]； 張勇年等優(yōu)化了沁端區(qū)塊煤層氣分段水平井壓裂參數(shù)[8]； 王晶等優(yōu)化了趙莊井田煤層氣水平井壓裂參數(shù)[9]。總體來(lái)看，對(duì)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)和工程設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能影響缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，因此，筆者利用數(shù)值模擬手段，采用正交試驗(yàn)方法研究得出影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的主控因素，對(duì)煤層氣分段壓裂水平井選區(qū)和優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

1 多段壓裂水平井滲流規(guī)律分析

研究水平井產(chǎn)能主控因素之前，首先應(yīng)該研究分析多段壓裂水平井滲流特征。本文利用不穩(wěn)定壓力分析軟件Saphir對(duì)多段壓裂水平井生產(chǎn)過(guò)程中的壓力變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，從模擬結(jié)果(圖1)可以看出，流動(dòng)共分為4個(gè)階段：①雙線性流動(dòng)階段；②裂縫間干擾流動(dòng)階段；③儲(chǔ)層改造區(qū)域外流動(dòng)階段；④邊界控制的擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段。

圖1 多段壓裂水平井壓力雙對(duì)數(shù)特征曲線圖

1) 雙線性流動(dòng)階段：多段壓裂水平井投產(chǎn)初期，其滲流特征主要表現(xiàn)為雙線性流特征，該階段流體裂縫中的流體呈線性流入井筒，儲(chǔ)層流體呈線性流入井筒， 而裂縫之間并未發(fā)生干擾，在壓力雙對(duì)數(shù)曲線上表現(xiàn)為斜率為1/4的兩條平行曲線。

2) 裂縫間干擾流動(dòng)階段：當(dāng)裂縫間發(fā)生干擾時(shí)，在壓力雙對(duì)數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線相互靠攏，當(dāng)壓力剛好傳播到裂縫改造區(qū)之外時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入一個(gè)類似于“擬穩(wěn)態(tài)”流動(dòng)階段。在壓力雙對(duì)數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線接近于重合，且曲線呈斜率為1的直線特征。

3) 儲(chǔ)層改造區(qū)域外流動(dòng)階段：裂縫間出現(xiàn)嚴(yán)重干擾以后，壓力會(huì)進(jìn)一步向外擴(kuò)展，延伸到裂縫改造區(qū)以外，此時(shí)，若地層有足夠的流動(dòng)能力，將繼續(xù)擴(kuò)大滲流半徑，在壓力傳播到“邊界”之前，該階段即為儲(chǔ)層改造區(qū)域外流動(dòng)階段。

4) 邊界控制的“擬穩(wěn)態(tài)”流動(dòng)階段：當(dāng)壓力傳播到儲(chǔ)層邊界時(shí)，此時(shí)流動(dòng)達(dá)到邊界控制的擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，在壓力雙對(duì)數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線相互靠攏并接近于重合，此時(shí)曲線呈斜率為1的直線特征。

第1階段和第2階段時(shí)間長(zhǎng)短與儲(chǔ)層物性和裂縫間距有關(guān)，階段時(shí)間長(zhǎng)度與儲(chǔ)層物性呈反比，與裂縫間距呈正比；第3階段與水平段長(zhǎng)度、裂縫半長(zhǎng)，導(dǎo)流能力、儲(chǔ)層邊界有關(guān)，其階段時(shí)間長(zhǎng)度與水平段長(zhǎng)度、裂縫半長(zhǎng)、裂縫導(dǎo)流能力呈反比，與儲(chǔ)層邊界大小成反比；第4階段時(shí)間長(zhǎng)短與儲(chǔ)層物性有關(guān)。

因此，多段壓裂水平井的地質(zhì)條件和裂縫參數(shù)決定其滲流特征，不同滲流特征制約著多段壓裂水平井的開發(fā)效果。為了提高多段壓裂水平井開發(fā)效果，需要研究得出影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的主控因素。

2 分段壓裂水平井模型建立

本文運(yùn)用現(xiàn)代油藏?cái)?shù)值模擬軟件ECLIPSE模擬不同地質(zhì)因素和工程因素對(duì)煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能影響規(guī)律。建立模型網(wǎng)格大小為1 500 m×1 000 m，研究地質(zhì)主控因素所用的多段壓裂水平井參數(shù)分別為：水平段長(zhǎng)600 m，6條裂縫，裂縫導(dǎo)流能力為300 mD·m；研究工程主控因素多用到的主要地質(zhì)參數(shù)分別為：裂縫孔隙度為0.01，滲透率為0.1 mD，含氣量為15 m3/t，儲(chǔ)層厚度5 m，見表1。

表1 煤層氣藏基礎(chǔ)參數(shù)

3 多段壓裂水平井產(chǎn)能主控因素

影響煤層氣多段壓裂水平井產(chǎn)能的因素包括地質(zhì)因素和工程因素。其中地質(zhì)因素包括：儲(chǔ)層厚度、含氣量、滲透率、孔隙度；工程因素包括：水平段長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度以及裂縫導(dǎo)流能力。本文采用L9_3_4正交實(shí)驗(yàn)表分別對(duì)地質(zhì)因素和工程因素進(jìn)行模擬分析[10]。

3.1 地質(zhì)主控因素

為了使正交試驗(yàn)具有一定的代表性，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)主要煤層氣區(qū)塊物性進(jìn)行了調(diào)研[11-17]，平均滲透率為0.01～1 mD；平均孔隙度為2.84%～5.21%；平均含氣量7.99～21.62 m3/t。正交試驗(yàn)中滲透率取0.01 mD、0.1 mD、1 mD；孔隙度分別取2%、3%、4%；含氣量分別取10 m3/t、15 m3/t、20 m3/t；煤層厚度分別取3 m、5 m、7 m，詳細(xì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

對(duì)影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的地質(zhì)因素以累計(jì)產(chǎn)氣量(表2、圖3)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，以其極差大小評(píng)定影響因素主次，也就是極差大者為影響產(chǎn)能的主要因素。從圖4可以明顯看出：滲透率和含氣量?jī)蓚€(gè)影響因素的極差明顯大于厚度和孔隙度兩個(gè)影響因素。因此，影響煤層氣壓裂水平井產(chǎn)能的主控地質(zhì)因素為滲透率和含氣量。

表2 地質(zhì)因素正交方案設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

圖3 地質(zhì)因素正交試驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)氣量曲線圖

圖4 主要地質(zhì)因素極差直方圖

3.2 工程主控因素

正交試驗(yàn)中水平段長(zhǎng)度分別取400 m、800 m、1 200 m；裂縫條數(shù)分別取4條、6條、8條；裂縫半長(zhǎng)分別取100 m、200 m、300 m；裂縫導(dǎo)流能力分別取100 mD·m、200 mD·m、300 mD·m,詳細(xì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

同樣，對(duì)影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的工程因素以累計(jì)產(chǎn)氣量(表3、圖5)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，以其極差大小評(píng)定影響因素主次。從圖6可以明顯看出：水平段長(zhǎng)度和裂縫半長(zhǎng)兩個(gè)影響因素的極差明顯大于裂縫段數(shù)和裂縫導(dǎo)流能力兩個(gè)影響因素。因此，影響煤層氣壓裂水平井產(chǎn)能的主控工程因素為水平段長(zhǎng)度和裂縫半長(zhǎng)。

表3 工程因素正交方案設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

圖5 工程因素正交試驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)氣量曲線圖

圖6 主要工程因素極差直方圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 煤層氣多段壓裂水平井滲流一般經(jīng)歷雙線性流動(dòng)、裂縫間干擾、改造區(qū)外流動(dòng)以及邊界控制流動(dòng)等4個(gè)階段。地質(zhì)條件和裂縫參數(shù)決定其滲流特征，不同滲流特征制約著多段壓裂水平井的開發(fā)效果。

2) 煤層氣多段壓裂水平井產(chǎn)能主控地質(zhì)因素為滲透率和含氣量，主控工程因素為水平段長(zhǎng)度和裂縫半長(zhǎng)。因此，在煤層氣多段壓裂水平井選區(qū)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮滲透率高和含氣量高的區(qū)塊，以及壓裂設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)增加水平段長(zhǎng)度和裂縫半長(zhǎng)。