基于初次壓裂地質工程條件及改造效果的頁巖氣井重復壓裂選井模型

任千秋 林然 趙金洲 吳建發 宋毅

1. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室；2. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

我國頁巖氣開發不斷向深層超深層邁進［1］，但部分中淺層頁巖氣老井由于儲層條件、壓裂工藝、完井工藝等因素造成壓后效果不佳、產量遞減快，這些老井亟需通過重復壓裂提升產量［2］。重復壓裂是提升頁巖氣老井與低產井產能的重要技術，而選取合理的重復壓裂井是重復壓裂施工成功的關鍵一步［3］。

國內外學者對頁巖氣重復壓裂選井進行了大量研究。Sinha 等［4］定義“完井指數”，通過生產動態和完井數據分析，進行頁巖氣水平井重復壓裂選井。Brady 等［5］在考慮生產動態基礎上加入當前泄油面積、壓力衰減及經濟效益等因素進行重復壓裂候選井的優選。Aniemena 等［6］定義增產指數與相對增產指數進行重復壓裂候選井優選。Asala 等［7］根據神經網絡算法、t 分布隨機近鄰嵌入圖和技術經濟評價的聯合結果，考慮儲層地質條件及初次壓裂改造效果來優選重復壓裂井。Ibá?ez 等［8］考慮應力重定向和裂縫相互作用，使用無量綱圖表法，將數字決策工作流與模擬工作流結合起來進行重復壓裂候選井優選；崔靜等［2］引入了多孔彈性應力轉向系數、單位壓降產量與壓力系數等評價指標，建立了頁巖氣井適用性較強的重復壓裂選井評價模型。

目前，重復壓裂選井方法主要考慮改造效果、地質條件及壓裂施工參數，國內外學者在設計重復壓裂選井方法時，通常只考慮其中1～2 類因素，并未將3 類因素同時考慮，以至于重復壓裂候選井優選結果不精準。本文將同時考慮初次壓裂時儲層地質條件、壓裂施工參數以及改造效果，建立頁巖氣井重復壓裂選井模型，并通過川南頁巖氣區塊6 口老井的優選對模型進行驗證。

1 頁巖氣井重復壓裂選井模型

1.1 選井評價指標

選取5 項影響重復壓裂效果的核心評價指標，其中“水平應力差異系數”、“頁巖氣儲層評價指數”用于反映重復壓裂候選井的地質特征，“單井用液指數”、“單井支撐劑用量指數”用于反映重復壓裂候選井在初次壓裂時的工程特征，“初次壓裂儲層改造體積比”用于反映重復壓裂候選井在初次壓裂時的地質工程綜合特征。地質特征是儲層固有性質，很難通過人工干預對其進行提升，所以重復壓裂井需同時滿足評價地質特征的兩項指標；工程特征可以通過技術的進步進行改善，重復壓裂候選井在不滿足其中一項指標時，若滿足地質工程綜合特征評價指標，也可以作為重復壓裂目標井。

1.1.1 水平應力差異系數

水平主應力差不僅決定天然裂縫能否張開形成有效裂縫，也是影響巖石破裂后能否形成縫網的重要因素［9］。實際壓裂施工中，裂縫的高度受最小水平主應力的影響，且水平應力差越小，越有利于形成網狀裂縫。本文采用水平應力差異系數評價初次壓裂時在儲層中形成復雜縫網程度。根據川南某區五峰組-龍馬溪組形成縫網的水平應力差條件，水平應力差異系數小于0.2 時，巖石中易形成復雜的縫網［10-11］。水平應力差計算公式為

式中，Kh為水平應力差異系數；σhmax、σhmin為最大和最小水平主應力，MPa。

1.1.2 頁巖氣儲層評價指數

有機碳含量、孔隙度、總含氣量以及脆性指數是頁巖氣儲層品質綜合評價的關鍵參數［11］。在裂縫溝通到更多的儲層基質時，需要良好的儲層基質提供豐富的頁巖氣以達到理想的產能。采用頁巖氣儲層評價指數綜合評價頁巖氣藏的品質。將有機碳含量、孔隙度、總含氣量以及脆性指數歸一化處理后計算頁巖氣儲層評價指數。

式中，λi為儲層各參數歸一化后的數值，無因次；ximax、ximin分別為候選井所在壓裂平臺所有井的儲層參數最大值與最小值；xi為候選井儲層各參數值；RQ為頁巖氣儲層評價指數，無因次；n為考慮的儲層參數數量，n=4；ωi為各儲層參數權重，由于頁巖氣儲層總有機碳含量和含氣量不能通過人為改造得到提升，而孔隙度和脆性指數可以通過技術上的突破進行提高，所以本文中總有機碳含量和含氣量所占權重分別為0.3，而孔隙度和脆性指數所占權重分別為0.2。

1.1.3 單井用液指數

對頁巖氣井來說，壓裂施工中，用液強度越高最終采收率越高，改造效果越好［12］。施工排量高，支撐劑在裂縫中的垂直沉降時間大于其水平運移時間，使得支撐劑能夠鋪置更遠的距離，且在復雜裂縫中，高施工排量能夠使支撐劑進入更多的次級裂縫，使次級裂縫成為有效的頁巖氣流動通道［13］。本文中構建單井用液指數，通過繪制單段用液強度與單段最高施工排量的綜合圖，確定低于目標區塊當前壓裂施工技術的用液強度、排量的井段數量，計算單井用液指數。

式中，Sf為單段用液強度，m3/m；W為單段用液量，m3；L為單段長度，m；ξWq為用液評價指數，無因次；NWq為單段用液強度及排量滿足重復壓裂需求段數；N為候選井段數。

1.1.4 單井支撐劑用量指數

支撐劑用量是頁巖氣壓裂的核心因素，只有支撐劑進入地層并實現有效支撐，才能夠提供有效導流通道。大量現場實踐表明，加砂強度越大，產氣量越高，說明人工裂縫支撐效果越好［12,14］。壓裂施工中，砂比是十分關鍵的施工參數，在合理范圍內，砂比越高，復雜裂縫的支撐效果越好，但砂比過高會導致縫口懸浮態支撐劑擾動效應增強，動能降低，不利于裂縫深處的鋪砂，甚至會發生砂堵［13,15］，所以重復壓裂井初次壓裂施工時的砂比應在合理的范圍外。本文中構建單井支撐劑用量指數概念，通過繪制單段加砂強度與砂比綜合圖，確定低于當前壓裂施工技術的加砂強度并且滿足一定砂比范圍要求的井段數量，計算單井支撐劑用量評價指數。

式中，Sp為加砂強度，kg/m；Wp為支撐劑質量，kg；Sr為砂比，%；Vp為單段支撐劑體積，m3；WpL為單段攜砂液量，m3；ξp為支撐劑用量評價指數，無因次；Np為滿足支撐劑用量指標段數。

1.1.5 初次壓裂儲層改造體積比

儲層改造體積能夠綜合反映儲層的地質工程條件以及壓裂施工效果，是評價儲層初次壓裂改造效果的重要參數［16］，可作為重復壓裂井優選的關鍵參數。國內外頁巖氣開發經驗表明，儲層改造體積越大，頁巖氣產量越高。基于微地震監測可以得到儲層增產改造體積。引入初次壓裂儲層改造體積比評價初次壓裂效果，對于初次壓裂儲層改造體積比小于0.5 的井，可以進行重復壓裂［17］。

式中，ηSRV為初次壓裂儲層改造體積比，無因次；VSRV為初次壓裂儲層改造體積，m3；Hw為井間距，m；Hg為儲層厚度(定義為A 靶點與上一地層的垂厚)，m；Hh為水平段長，m。

1.2 選井評價模型

綜合考慮初次壓裂時儲層地質條件、施工參數以及初次壓裂改造效果，建立適合目標區塊的重復壓裂選井模型。首先，找到符合初次壓裂時儲層地質條件的候選井，要求候選井儲層水平應力差異系數較小，頁巖氣儲層評價指數較高；其次，找到滿足初次壓裂施工參數條件的候選井作為重復壓裂井，在重復壓裂時，需要再次下入井下作業工具，若滿足單段用液強度與單段最高施工排量的井段數量或者滿足單段加砂強度與砂比的井段數量不足頁巖氣水平井井段數量一半，則沒有重復壓裂的必要，所以要求單井用液指數及單井支撐劑用量指數均大于0.5，若單井用液指數小于0.5，則選取初次壓裂儲層改造體積指數低于0.5、單井支撐劑用量指數大于0.5 的候選井作為重復壓裂井。重復壓裂選井評價模型流程見圖1(其中m、l需要根據目標區塊的地層性質確定)。

圖1 重復壓裂選井評價模型流程Fig. 1 Workflow of evaluation model for refracturing candidate well selection

2 案例分析

通過調研川南某頁巖氣區塊壓裂相關文獻，結合現場施工經驗［9-11］，該區塊應力差異系數Kh小于0.2(m=0.2)、頁巖氣儲層評價指數RQ大于0.6(l=0.6)的重復壓裂候選井具有重復壓裂價值。當前壓裂施工技術條件下，加砂強度2.0～2.5 t/m、用液強度介于30～35 m3/m、施工排量約16 m3時，能夠得到更高的產量，砂比介于10%～20%時能在增加裂縫中的支撐劑濃度的同時降低施工成本，故初次壓裂施工未滿足上述施工條件的候選井具有重復壓裂價值［14,18-19］。

2.1 候選井概況

選取川南某頁巖氣區塊H5 平臺上半支及H7 平臺下半支的6 口頁巖氣井，從圖2 日產氣動態曲線可以看出，6 口井的日產氣量在壓后投產初期快速上升，在達到峰值后的一年內迅速下降。短期日產氣量上升是由于頁巖氣井在投產初期為帶液生產，返排液對氣井產量產生較大影響［20］。日產氣量的迅速下降則可能因為頁巖中的黏土礦物含量較高易水化膨脹堵塞通道，頁巖表面的毛細管力增加頁巖氣流動阻力以及生產壓差過小導致井眼附近液相揮發速度較慢造成水鎖堵塞滲流通道［21］。無論是哪種原因，都可以通過重復壓裂疏通頁巖氣在儲層中的流動通道，溝通更多的天然裂縫再次提升頁巖氣產量，但不是所有老井都適合重復壓裂，需要在這6 口井中優選出重復壓裂目標井。表1 為6 口井初次壓裂時的儲層參數和儲層改造體積參數，圖3、圖4 分別為6 口井初次壓裂施工時的用液強度與排量散點圖、加砂強度與砂比散點圖。

表1 重復壓裂候選井儲層參數和儲層改造體積參數Table 1 Reservoir and SRV parameters of candidate wells for refracturing

圖2 候選井生產動態曲線Fig. 2 Production performance of the candidate well

圖3 候選井初次壓裂各段用液強度及最高施工排量Fig. 3 Liquid injection intensity and maximum pump rates of each stage during primary fracturing of candidate wells

圖4 候選井初次壓裂各段加砂強度及砂比Fig. 4 Proppant injection intensity and concentrations of each stage during primary fracturing of candidate wells

2.2 評價結果與分析

根據重復壓裂候選井的數據以及重復壓裂選井模型中的參數計算公式，得到選井模型中各項評價指數見表2。將各項評價指數代入到本文重復壓裂選井模型，進行重復壓裂選井評價。H5-5、H7-3 井因其水平應力差異系數大于0.2，即使進行重復壓裂，縫網建造仍難以取得理想成效，不作為重復壓裂目標井；H7-2 井因單井支撐劑用量指數過小，進行重復壓裂仍難以在裂縫中取得理想的導流效果，不作為重復壓裂目標井；H5-4、H5-6、H7-1 井各項評價指數均滿足條件，可作為重復壓裂目標井。

表2 重復壓裂候選井評價指數Table 2 Evaluation indexes of candidate wells for refracturing

從圖5 中看出H5-4、H5-6 井的產量與H5-5 井的產量相差較大；H7-1 井相較于同平臺其他井的產量，差距過大。壓后產能較高的頁巖氣井反映了其儲層地質條件優秀并且初次壓裂施工成效顯著，而造成頁巖氣井壓后產能低的原因有很多，通過本文的重復壓裂選井模型優選出H5-4、H5-6、H7-1 井，說明H5-4、H5-6、H7-1 井產能低的原因是在良好的儲層地質條件下并沒有得到有效的儲層改造，因此具有重復壓裂價值。

圖5 H5 平臺下半支及H7 平臺初次壓裂后測試產量Fig. 5 Testing production of the lower-half of Platform H5 and Platform H7 after primary fracturing

3 結論

(1)本文建立的頁巖氣井重復壓裂選井模型，可以快速準確地對重復壓裂候選井進行優選。

(2)基于初次壓裂時地質條件、施工參數及儲層改造效果，對川南長寧頁巖氣區塊的6 口頁巖氣井進行重復壓裂選井，優選出H5-4、H5-6、H7-1 井作為重復壓裂目標井，目標井在初次壓裂后的產能較低，說明本文建立的模型能夠有效地優選頁巖氣重復壓裂井。但本模型未考慮初次壓裂對儲層的影響。

(3)本模型可在已有的數據基礎上進行重復壓裂候選井優選，同時本模型可以在獲取其他頁巖氣區塊地質工程參數后推廣應用到新的頁巖氣區塊。下一步對頁巖氣重復壓裂候選井優選研究中，將考慮初次壓裂后頁巖氣儲層地應力變化。