卞曉冰 蔣廷學(xué) 賈長(zhǎng)貴 王海濤 李雙明 蘇 瑗 衛(wèi) 然中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院
卞曉冰等.基于施工曲線的頁(yè)巖氣井壓后評(píng)估新方法.天然氣工業(yè),2016,36(2):60-65.
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基于施工曲線的頁(yè)巖氣井壓后評(píng)估新方法
卞曉冰 蔣廷學(xué) 賈長(zhǎng)貴 王海濤 李雙明 蘇瑗 衛(wèi)然
中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院
卞曉冰等.基于施工曲線的頁(yè)巖氣井壓后評(píng)估新方法.天然氣工業(yè),2016,36(2):60-65.
摘 要基于有限的資料進(jìn)行壓后評(píng)估分析,對(duì)于壓裂方案的持續(xù)改進(jìn)具有重要的意義。為了再認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層及人工裂縫參數(shù),把壓裂施工曲線分為前置液注入和主壓裂施工兩個(gè)階段。通過(guò)統(tǒng)計(jì)前置液注入階段的地層破裂次數(shù)、平均壓力降幅和平均壓力降速,可以定性判斷地層脆塑性;根據(jù)壓裂施工中的能量區(qū)域可定量化計(jì)算綜合脆性指數(shù)。真三軸大型物理模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,主壓裂施工階段曲線壓力波動(dòng)頻率和幅度反映了裂縫的復(fù)雜程度,結(jié)合地層脆塑性可綜合診斷遠(yuǎn)井裂縫形態(tài)。以渝東南某頁(yè)巖氣P井為例,進(jìn)行壓后評(píng)估分析。結(jié)果表明:①水平井筒延伸方向的頁(yè)巖地層非均質(zhì)性較強(qiáng),以自然伽馬值260 API作為該區(qū)地層脆塑性的界限,偏脆性地層更易形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng);②P井有一半裂縫為單一縫,為了進(jìn)一步改善開發(fā)效果,應(yīng)進(jìn)一步采取精細(xì)分段、轉(zhuǎn)向壓裂等措施。該成果為進(jìn)一步改進(jìn)該區(qū)壓裂井設(shè)計(jì)、提高壓裂有效改造體積提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞頁(yè)巖氣井壓后評(píng)估前置液注入主壓裂施工脆性裂縫復(fù)雜性定量評(píng)估渝東南
頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度、滲透率極低且富含吸附氣,故頁(yè)巖氣具有開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)[1-4]。渝東南某頁(yè)巖氣區(qū)塊單井鉆完井及壓裂開發(fā)成本高,介于7 000 萬(wàn)元~9 000萬(wàn)元,穩(wěn)定產(chǎn)氣量為1×104~2×104m3/d。為了控制成本,許多輔助性措施(如常規(guī)測(cè)井、裂縫形態(tài)監(jiān)測(cè)及產(chǎn)氣剖面測(cè)試等)實(shí)施得較少[5-7]?;诔墒燔浖P偷膲汉笤u(píng)估方法具有多解性,且需提供模型可解釋的數(shù)據(jù),如基于停泵壓降曲線的G函數(shù)分析方法需要長(zhǎng)時(shí)間的停泵后壓力測(cè)試數(shù)據(jù),若現(xiàn)場(chǎng)測(cè)壓時(shí)間較短則無(wú)法進(jìn)行解釋。因此壓后評(píng)估結(jié)果的可信度與評(píng)估者的經(jīng)驗(yàn)直接相關(guān)[8-10]。如何基于有限的資料對(duì)頁(yè)巖地層進(jìn)行更為準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí),一直是困擾廣大科技工作者的難題。筆者提出了基于壓裂施工曲線反演儲(chǔ)層參數(shù)與定性評(píng)估壓后裂縫形態(tài)的新方法,通過(guò)對(duì)已施工井資料進(jìn)行充分挖掘,進(jìn)行儲(chǔ)層及裂縫參數(shù)再認(rèn)識(shí),并以渝東南某頁(yè)巖氣井P井為例進(jìn)行壓后評(píng)價(jià),為進(jìn)一步改進(jìn)該區(qū)壓裂井設(shè)計(jì)、提高壓裂有效改造體積提供理論依據(jù)。
P井位于渝東南某頁(yè)巖氣區(qū)塊,完鉆斜深4 190 m,水平段長(zhǎng)1 260 m,目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組。該井總共壓裂22段,2~3簇/段,最高施工排量保持在13.0~14.5 m3/min,平均施工壓力60~70 MPa,施工總液量46 542 m3,總砂量2 108 m3。
按照地層瞬時(shí)停泵壓力梯度(ISIP)及地層是否滲漏(前6段鉆遇漏失層),將施工壓力曲線分為4種類型:類型1,第1~2段,滲漏地層,ISIP = 0.021~0.023 MPa/m;類型2,第3~7段,滲漏地層,ISIP = 0.016~0.017 MPa/m;類型3,第8~13段,非滲漏地層,ISIP = 0.018~0.022 MPa/m;類型4,第14~22段,非滲漏地層,ISIP=0.023~0.026 MPa/m。如圖1所示,P井在趾端前100 m附近地應(yīng)力較高,之后到跟端地應(yīng)力逐漸增加。
圖1 示例井壓裂施工曲線分類圖
在頁(yè)巖氣井壓裂施工過(guò)程中,隨著前置液逐漸泵入地層,裂縫不斷起裂并隨之延伸擴(kuò)展。基于P井破裂壓力點(diǎn)壓力降幅和降速,進(jìn)行頁(yè)巖地層脆塑性識(shí)別。
2.1地層破裂特征表征
選取類型2第5段壓裂施工曲線(圖2),對(duì)矩形紅色虛線圈閉的前置液階段進(jìn)行地層破裂壓力特征分析。該段為低地應(yīng)力滲漏層,在升排量過(guò)程中及較大排量下地層均發(fā)生破裂,較為明顯的3處破裂壓力降幅2.1~5.2 MPa,壓力降速為1.68~6.67 MPa/min。地層發(fā)生破裂后壓力降幅較大、降速較快,說(shuō)明地層脆性好、濾失大,天然裂縫較發(fā)育。
同理,統(tǒng)計(jì)了P井22段壓裂施工在升排量階段的地層破裂次數(shù)、平均壓力降幅及降速(表1)。其中前6段天然裂縫發(fā)育,壓力降幅和降速較大,整個(gè)排量過(guò)程發(fā)生多次明顯破裂,地層偏脆性;第7~11段壓力降幅和降速小,相對(duì)低排量發(fā)生2~3次微小破裂,地層偏塑性;第12~22段受較高的地應(yīng)力影響,壓力降速有所降低,發(fā)生明顯破裂的次數(shù)減少,地層脆塑性居中。
圖2 第5段壓裂施工數(shù)據(jù)圖
表1 P井22段地層破裂特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
2.2地層脆塑性定量評(píng)價(jià)
塑性頁(yè)巖地層發(fā)生破裂后施工壓力幾乎不變,但持續(xù)的變形導(dǎo)致較大的能量消耗;脆性頁(yè)巖地層破裂后壓力快速下降,能量消耗相對(duì)較小。根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[11]中提出的方法,利用壓裂施工中地層發(fā)生破裂時(shí)的能量區(qū)域來(lái)表征施工過(guò)程中的綜合脆性指數(shù)。即式中BI表示頁(yè)巖的綜合脆性指數(shù);p(t)表示井口壓力,MPa;pmax表示頁(yè)巖井口破裂壓力,MPa;ph表示靜液柱壓力,MPa;pf表示井筒沿程摩阻壓力,MPa;Tc表示地層破裂變形后壓力下降到最低值時(shí)的時(shí)間,min;T0表示地層變形后壓力上升到最高值時(shí)的時(shí)間,min。
計(jì)算P井施工井段的綜合脆性指數(shù),其結(jié)果如表2所示。脆性指數(shù)范圍為30.9%~54.3%,水平井段穿行頁(yè)巖地層非均質(zhì)性較強(qiáng)。
表2 P井各段脆性指數(shù)表
2.3地層脆塑性綜合評(píng)價(jià)
綜合看來(lái),P井水平段射孔位置自然伽馬值以及各壓裂段施工壓力曲線地層破裂特征具有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:①自然伽馬值150~260 API,平均破裂次數(shù)4.1次,平均壓力降幅3.9 MPa,平均降速13.1 MPa/min,平均脆性指數(shù)40.1%;②自然伽馬值大于260 API,平均破裂次數(shù)2.4次,平均壓力降幅2.0 MPa,平均降速9.7 MPa/min,平均脆性指數(shù)35.8%。針對(duì)該區(qū)塊頁(yè)巖氣井,可根據(jù)自然伽馬值對(duì)水平井段穿越地層的脆塑性進(jìn)行判斷,進(jìn)而為每段壓裂設(shè)計(jì)思路提供依據(jù)。
3.1大型物理模擬試驗(yàn)
針對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行了大量真三軸壓縮條件下的300 mm×300 mm×300 mm頁(yè)巖露頭水力壓裂物理模擬試驗(yàn),壓后監(jiān)測(cè)顯示復(fù)雜縫和單一縫均有形成。以復(fù)雜縫典型巖樣為例(圖3),預(yù)制模擬井眼的露頭試樣完整性良好,僅有少量沿天然層理面方向的未貫穿天然裂縫。三向應(yīng)力分別設(shè)定為:σv=20.4 MPa,σH=18.4 MPa,σh=14.7 MPa,泵壓排量為0.5 mL/s。在壓裂液中加入紅色示蹤劑以記錄裂縫延伸狀態(tài)。壓裂后試樣剖切顯示,壓裂后形成垂直層理面的裂縫,與開裂的天然層理面相互交匯形成縫網(wǎng)。圖4所示的聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果亦驗(yàn)證了該區(qū)塊頁(yè)巖具備形成復(fù)雜裂縫的基礎(chǔ)。
圖3 頁(yè)巖露頭物理模擬試驗(yàn)圖
圖4 頁(yè)巖露頭聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖
3.2壓力曲線形態(tài)
P井僅有4段曲線進(jìn)行了停泵后壓力降測(cè)試,因此無(wú)法通過(guò)G函數(shù)分析診斷各段裂縫形態(tài)。大型物理模擬試驗(yàn)表明,施工過(guò)程中壓力曲線波動(dòng)頻率越大、壓力降幅越高,則聲發(fā)射監(jiān)測(cè)到的信號(hào)分布范圍越廣,裂縫形態(tài)越復(fù)雜?;诖?,統(tǒng)計(jì)了P井滑溜水壓裂施工階段消除攜砂液密度差影響的井底壓力波動(dòng)頻率和平均壓力波幅,井底壓力計(jì)算公式為[12]:
式中pb表示井底壓力,MPa;pw表示井口壓力,MPa。
以4種壓力類型施工曲線為例,分別選取第2、5、8、18段進(jìn)行壓力波動(dòng)頻率和幅度統(tǒng)計(jì),其結(jié)果見(jiàn)表3。P井22段施工曲線的壓力波動(dòng)頻率和幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。綜合而言,第5、6、18、20段遠(yuǎn)井裂縫發(fā)育程度較好、分布范圍均較大,壓裂后易形成復(fù)雜裂縫。
3.3裂縫形態(tài)綜合診斷
結(jié)合頁(yè)巖脆塑性、典型頁(yè)巖壓裂試驗(yàn),以及壓力曲線形態(tài)分析結(jié)果,進(jìn)行P井裂縫形態(tài)綜合診斷(表4),P井單一裂縫比例高達(dá)50 %。總體而言,對(duì)于施工分段的4種類型,類型1和類型2裂縫發(fā)育程度較好、分布范圍均較大,壓裂后易形成天然層理縫與水力裂縫相交的復(fù)雜裂縫。類型3塑性強(qiáng)、天然裂縫不發(fā)育,易形成單一縫。類型4整體壓力波動(dòng)情況稍差于類型1和2,有形成復(fù)雜縫的可能。
表3 P井代表段壓力波動(dòng)頻率和幅度表
圖5 P井22段施工曲線的壓力波動(dòng)頻率和幅度統(tǒng)計(jì)圖
表4 P井裂縫形態(tài)診斷結(jié)果表
頁(yè)巖氣井壓后產(chǎn)量高低取決于兩個(gè)要素[13-15]:①壓裂段簇是否處于優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)區(qū);②壓裂施工是否形成復(fù)雜裂縫。針對(duì)頁(yè)巖地層非均質(zhì)性強(qiáng)、壓裂改造復(fù)雜縫形成比例低的問(wèn)題,為了改善區(qū)塊開發(fā)效果,應(yīng)進(jìn)一步采取如下工藝措施。
1)精細(xì)分段,根據(jù)新井的伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)初步判斷沿水平井筒方向的地層脆塑性,進(jìn)而優(yōu)選含氣性高及天然裂縫發(fā)育的脆性地層為地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū),針對(duì)性設(shè)置段簇分布。
2)提高復(fù)雜裂縫所占比例,適當(dāng)提高施工排量及滑溜水黏度,配合加砂濃度、時(shí)機(jī)、段塞量及壓裂液交替注入等工藝措施,增加施工過(guò)程中的凈壓力。
3)還可借鑒美國(guó)的轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù),進(jìn)行縫內(nèi)及縫口暫堵以增加頁(yè)巖改造體積。
1)針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)的特征,利用施工曲線對(duì)地層進(jìn)行脆塑性識(shí)別,初步建立自然伽馬值與頁(yè)巖脆塑性的關(guān)聯(lián)性,自然伽馬值在260 API以上地層脆性相對(duì)變差。
2)基于大型物理模擬試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)統(tǒng)計(jì)施工過(guò)程中井底壓力曲線波動(dòng)頻率及壓力降幅,同時(shí)結(jié)合地層脆塑性分析結(jié)果綜合判斷裂縫形態(tài)。P井單一縫占50.0%,復(fù)雜裂縫占36.4%,網(wǎng)絡(luò)裂縫占13.6%。
3)考慮到水平段的穿行軌跡及已壓裂井施工情況,提出了針對(duì)不同小層進(jìn)行針對(duì)性精細(xì)分段及提高復(fù)雜裂縫所占比例的工藝技術(shù)措施,以增加有效改造體積、提高開發(fā)效果。
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(修改回稿日期 2015-10-31 編輯 韓曉渝)
A new post-fracturing evaluation method for shale gas wells based on fracturing curves
Bian Xiaobing,Jiang Tingxue,Jia Changgui,Wang Haitao,Li Shuangming,Su Yuan,Wei Ran
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100044,China)
NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 2,pp.60-65,2/25/2016.(ISSN 1000-0976;In Chinese)
Abstract:Post-fracturing evaluation by using limited data is of great significance to continuous improvement of the fracturing programs.In this paper,a fracturing curve was divided into two stages (i.e.,prepad fluid injection and main fracturing) so as to further understand the parameters of reservoirs and artificial fractures.The brittleness and plasticity of formations were qualitatively identified by use of the statistics of formation fracture frequency,and average pressure dropping range and rate during the prepad fluid injection.The composite brittleness index was quantitatively calculated by using the energy zones in the process of fracturing.It is shown from the large-scale true triaxial physical simulation results that the complexity of fractures is reflected by the pressure fluctuation frequency and amplitude in the main fracturing curve,and combined with the brittleness and plasticity of formations,the fracture morphology far away from the well can be diagnosed.Well P,a shale gas well in SE Chongqing,was taken as an example for post-fracturing evaluation.It is shown that the shale beds are of stronger heterogeneity along the extension directions of horizontal wells,and with GR 260 API as the dividing line between brittleness and plasticity in this area,complex fracture systems tend to form in brittleness-prone formations.In Well P,half of the fractures are single fractures,so it is necessary to carry out fine subsection and turnaround fracturing so as to improve development effects.This paper provides a theoretical basis for improving the fracturing well design and increasing the effective stimulated volume in this area.
Keywords:Shale gas well; Post-fracturing evaluation; Prepad fluid injection; Main fracturing; Brittleness; Fracture complexity; Quantitative evaluation; SE Chongqing
作者簡(jiǎn)介:卞曉冰,1985年生,副研究員,博士;主要從事水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究工作。地址:(100101)北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰東路8號(hào)北辰時(shí)代大廈612。電話:(010)84988216。ORCID:0000-0002-5066-2219。E-mail:xiaobingbian@126.com
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖地層動(dòng)態(tài)隨機(jī)裂縫控制機(jī)理與無(wú)水壓裂理論”(編號(hào):51490653)、中國(guó)石化科技攻關(guān)課題“涪陵區(qū)塊頁(yè)巖氣層改造優(yōu)化技術(shù)研究”(編號(hào):P14091)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)“彭水地區(qū)常壓頁(yè)巖氣勘探開發(fā)示范工程”(編號(hào):2016ZX05061)。
DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.008