應(yīng)用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果

楊加祥　(中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司，湖北 武漢 430000)

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應(yīng)用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果

楊加祥(中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司，湖北 武漢 430000)

[摘要]用微地震、產(chǎn)剖測試、示蹤劑監(jiān)測等方法，研究頁巖氣多級壓裂水平井縫網(wǎng)形成特征，評價壓裂改造效果，由于受施工條件、經(jīng)濟和環(huán)境等因素影響，難以取得明顯成效。以涪陵頁巖氣開發(fā)試驗井為例，應(yīng)用反褶積方法，結(jié)合不穩(wěn)定生產(chǎn)動態(tài)分析，研究多級壓裂水平井線性流、擬穩(wěn)態(tài)流(或邊界控制流)響應(yīng)特征，評價壓裂改造體積(SRV)，可以取得良好效果，為鉆完井、壓裂試氣工藝優(yōu)化提供了技術(shù)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]頁巖氣井；壓力-產(chǎn)量反褶積；SRV；微地震

我國南方海相頁巖氣儲集層具有構(gòu)造改造強、地應(yīng)力復(fù)雜、埋藏較深和地表條件復(fù)雜等特點[1]。涪陵頁巖氣產(chǎn)建一期開發(fā)試驗井儲層壓力高、壓裂初期高產(chǎn)、微裂縫-頁理發(fā)育、游離氣占比大等表現(xiàn)特征，反映了頁巖氣“人工氣藏”縫網(wǎng)形成的復(fù)雜性和滲流條件的特殊性。壓裂試氣統(tǒng)計結(jié)果表明，一部分井在相似的鉆完井條件下，實際投產(chǎn)結(jié)果與預(yù)期目標差距過大；不同井(或井組)之間初始產(chǎn)能相差十分懸殊；單井富集高產(chǎn)形成的工程、地質(zhì)主控因素不明確。用微地震、產(chǎn)剖測試、示蹤劑監(jiān)測方法，研究頁巖氣多級壓裂水平井的縫網(wǎng)形成特征，評價壓裂改造效果，由于受到施工條件、經(jīng)濟和環(huán)境等因素影響，難以取得明顯成效，亟待進一步的壓裂改造評價技術(shù)研究，為頁巖氣多級壓裂水平井鉆完井、壓裂試氣工藝優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。2001年， Schroeter 等[2]解決了壓力-產(chǎn)量反褶積算法上的穩(wěn)定性問題后，壓力-產(chǎn)量反褶積方法被用于多個油氣田的開發(fā)實踐中，取得了良好的實際應(yīng)用效果。壓力-產(chǎn)量反褶積方法能夠綜合生產(chǎn)(或測試)全過程所探測到的地層信息，幫助確定合理的解釋模型,得出比常規(guī)解釋更多、更可靠的解釋結(jié)果。2010年，Chen等[3]在加拿大西部沉積盆地不列顛哥倫比亞省東部(NEBC)地區(qū)，成功應(yīng)用壓力-產(chǎn)量反褶積方法，估算落基山脈山麓地帶非常規(guī)氣藏天然裂縫連通泄流體積，計算了可采資源量。

筆者以涪陵頁巖氣開發(fā)試驗井為例，用壓力-產(chǎn)量反褶積方法研究多級壓裂水平井線性流、擬穩(wěn)態(tài)(或邊界控制流)的壓力響應(yīng)特征，評估壓裂改造體積。

1試井反褶積分析原理

根據(jù)杜哈美(Duhamel)原理[4]，得出壓力恢復(fù)和壓力降落的褶積方程為：

(1)

(2)

式中：p(t)為生產(chǎn)t時刻壓力，MPa；pi為初始地層壓力，MPa；t為生產(chǎn)時間，h；q為產(chǎn)量，m3/d；Δpu為單位產(chǎn)量下的重整壓力響應(yīng)，MPa·d/m3；K為地層滲透系數(shù)，m/s；h為地層厚度，m；μ為流體運動黏度，m2/s；B為體積系數(shù),1；pwf為流動壓力，MPa；τ為變量。

(3)

(4)

用上述褶積方程和最優(yōu)化過程(非線性回歸)得出z(σ)分段函數(shù)，即可得出z(σ)～σ曲線，擬合實測和理論壓力導(dǎo)數(shù)曲線，而擬合時間范圍從開始生產(chǎn)直至最后一個數(shù)據(jù)錄取點為止。

目前，KAAPA公司的Saphir軟件提供了4種試井反褶積實現(xiàn)方式：①地層壓力為變量，用多個壓力恢復(fù)周期產(chǎn)生1個反褶積；②用相同的初始壓力，對每個壓力恢復(fù)周期計算1個反褶積；③用某個壓力恢復(fù)周期的早期數(shù)據(jù)和多個壓力恢復(fù)的后期數(shù)據(jù)計算1個反褶積；④用相同的初始壓力做常量，用某個壓力恢復(fù)的早期數(shù)據(jù)和幾個壓力恢復(fù)的后期數(shù)據(jù)計算1個反褶積。

2應(yīng)用實例

某J井為涪陵頁巖氣田一口開發(fā)評價井，實鉆B靶點斜深4466m(垂深2481m)，壓裂試氣水平段長1590.5m，分19段(48射孔簇)進行壓裂，入井總液量34462m3，支撐劑總量850m3，壓裂后初期試氣獲無阻流量26.8×104m3/d。

該井自2014年1月23日至2015年5月20日期間，累計產(chǎn)氣3320×104m3、產(chǎn)水567m3。在該期間，共進行了3次關(guān)井，而在第3次關(guān)井時，用鋼絲下入存儲式電子壓力計進行壓力、溫度測量，測試歷時367h后起出井口。

根據(jù)關(guān)井壓力恢復(fù)測試雙對數(shù)曲線(見圖1)分析，井口關(guān)井后由于井筒氣液混相，壓力恢復(fù)雙對數(shù)曲線反映出井筒復(fù)雜的相態(tài)變化特征，之后壓力擴散作用由井筒逐漸向裂縫延伸，雙對數(shù)曲線具有十分清晰的多級壓裂水平井線性流變化特點，導(dǎo)數(shù)曲線后期似乎還顯示出短暫的“徑向流”特征水平線。

圖1　某J井關(guān)井壓力恢復(fù)測試雙對數(shù)圖

另外，由于該次測試經(jīng)歷了足夠長的時間且有比較充分的關(guān)井壓力恢復(fù)，壓力擴散作用應(yīng)該波及人工裂縫以外更大范圍的地層，但在雙對數(shù)曲線上并未反映出裂縫末端、或更進一步的頁巖氣原生地層信息。因此，將該井的實際生產(chǎn)資料與關(guān)井壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)同步處理后，根據(jù)靜壓梯度換算取初始地層壓力為37.69MPa，用Saphir軟件提供的“方法一”進行壓力-產(chǎn)量反褶積，反褶積后的雙對數(shù)曲線如圖2所示。與關(guān)井壓力恢復(fù)雙對數(shù)曲線對比，二者前半部分實現(xiàn)較好的重疊，但在后半部分發(fā)生了偏離。其中，反褶積結(jié)果不僅綜合了多級壓裂水平井井筒+裂縫的主要流動變化特征，還額外增加了裂縫末端的某種供流信息，消除了僅用關(guān)井壓力恢復(fù)進行疊加分析所帶來的影響，測試時間至少延長了一個半對數(shù)周期。

圖2　某J井壓力恢復(fù)與反褶積雙對數(shù)曲線對比圖

根據(jù)壓力-產(chǎn)量反褶積結(jié)果，采用Saphir軟件三線性流擴展模型進行雙對數(shù)擬合(見圖3)，最終擬合解釋結(jié)果如下：初始靜壓力(井口)32.5MPa，井筒存儲系數(shù)11.6m3/MPa，地層系數(shù)0.512mD·m，滲透率 0.00575mD，表皮系數(shù)0.00714，平均裂縫半長115.9m, 裂縫導(dǎo)流系數(shù)0.7896mD·m，裂縫擴散系數(shù)1.83076。

圖3　某J井壓力產(chǎn)量反褶積雙對數(shù)擬合分析圖

如圖3所示，可將流動劃分為4個主要階段，即流動初期(Ⅰ區(qū))主要受較強的井筒儲集效應(yīng)影響，井眼不存在明顯的污染堵塞特征；中期(Ⅱ區(qū))以線性流為主，在井筒+裂縫內(nèi)形成層流、1/4雙線性流、1/2線性流等復(fù)雜流動狀態(tài)，說明有限導(dǎo)流裂縫(或次生縫)較為發(fā)育；晚期(Ⅲ區(qū))為導(dǎo)流作用由裂縫向原生地層擴散的過渡階段，導(dǎo)數(shù)曲線斜率逐漸增大，由于外部原生地層相對較好的物性表現(xiàn)，雙對數(shù)導(dǎo)數(shù)未完全形成單位斜率為1的“封閉邊界”特征直線。據(jù)此分析計算平均人工裂縫半長為115.9m(假設(shè)裂縫全部貫穿優(yōu)質(zhì)儲層，即裂縫高度為38m)。后期過渡段延伸時間的長短主要取決于基質(zhì)滲透率大小或天然裂縫發(fā)育程度，或形成擬徑向流、擬穩(wěn)態(tài)流(或邊界控制流)等頁巖氣典型流動特征。根據(jù)壓力-產(chǎn)量歷史擬合(見圖4)檢驗分析，該井由于受壓裂液返排率較低的影響，生產(chǎn)期間產(chǎn)量和井口壓力“噪聲”干擾大，并且主關(guān)井期間未進行井底同步測壓，均不同程度地影響了歷史擬合效果。

圖4　某J井壓力-產(chǎn)量歷史擬合圖

圖5　某J井生產(chǎn)動態(tài)分析雙對數(shù)圖

圖6　某J井生產(chǎn)動態(tài)分析Blasingame圖

為進一步檢驗壓力-產(chǎn)量反褶積分析結(jié)果，再利用該井的壓力-產(chǎn)量資料，進行了不穩(wěn)定生產(chǎn)動態(tài)分析(RTA)，結(jié)果見圖5、圖6。表1為解釋分析結(jié)果對比，由表1可見，二者解釋分析結(jié)果顯示，地層系數(shù)和裂縫半長基本一致。

統(tǒng)計結(jié)果表明，該井壓裂試氣初始產(chǎn)能明顯低于同井區(qū)多數(shù)井的平均水平(56×104m3/d)。壓力-產(chǎn)量反褶積解釋平均裂縫半長為115.9m，明顯低于215～260m壓裂設(shè)計參數(shù)要求，即使是在壓裂改造裂縫全部貫穿38m優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的條件下，實際形成的壓裂改造體積也十分有限，而這可能就是該井未能獲得高產(chǎn)的主要原因。

3結(jié)論與認識

1)壓力-產(chǎn)量反褶積是評價頁巖氣多級壓裂水平井壓裂改造效果的一種經(jīng)濟、有效的手段。實例說明，在缺乏準確的微地震解釋結(jié)果情況下，壓力-產(chǎn)量反褶積結(jié)果的可靠性難以得到很好驗證，在開發(fā)初期選擇合適的目標井開展微地震監(jiān)測分析，明確人工裂縫貫通體積，可有效提高壓力-產(chǎn)量反褶積結(jié)果的可靠性。

2)壓力-產(chǎn)量反褶積要在取得較長時間的生產(chǎn)測試資料的基礎(chǔ)上才能發(fā)揮作用。因此，在頁巖氣井投產(chǎn)過程中，適時的井底壓力監(jiān)測措施和關(guān)井恢復(fù)測試，特別是投產(chǎn)初期的地層壓力測試，對壓力-產(chǎn)量反褶積結(jié)果將產(chǎn)生重要影響。

3)不穩(wěn)定生產(chǎn)動態(tài)分析實際是在試井分析基礎(chǔ)上，進行壓力-產(chǎn)量歸一化處理，引入物質(zhì)平衡時間，對方程解進行積分變換。它解決了不穩(wěn)定生產(chǎn)條件下的測試資料解釋技術(shù)難題，在不受關(guān)井影響生產(chǎn)的情況下，獲得與關(guān)井壓力恢復(fù)測試同樣的解釋結(jié)果，可以作為生產(chǎn)井動態(tài)分析的輔助手段，但不能完全替代關(guān)井壓力恢復(fù)測試。

4)涪陵頁巖氣多級壓裂水平井具有十分復(fù)雜的縫網(wǎng)成因和特殊的滲流條件。綜合利用生產(chǎn)井實際資料，應(yīng)用現(xiàn)代試井分析方法，研究頁巖氣流動規(guī)律，評價壓裂改造效果，對鉆完井工藝優(yōu)化和開發(fā)技術(shù)政策制定具有重要的指導(dǎo)意義。

表1　壓力-產(chǎn)量反褶積解釋與生產(chǎn)動態(tài)分析結(jié)果對比表

[參考文獻]

[1]郭彤樓.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式[J].石油勘探與開發(fā)，2014，12(3):35～38.

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[3]Chen A, Jones J R. Use of pressure-rate deconvolution to estimate connected reservoir drainage volume in naturally fractured unconventional gas reservoirs from Canadian Rockies Foothills[J].SPE143016,2012.

[4]Schroetervt, Hollaenderf, Gringartenca. Deconvolution of well test data as a nonlinear total least squares problem[J].SPE71574, 2001.

[編輯]黃鸝

Application of Deconvolution Method for Evaluating the Fracturing Effect of Shale-gas Wells

Yang Jiaxiang

(Author’sAddress:ShaleGasDevelopmentTechnicalServiceCompanyofJHOSC,SINOPEC,Wuhan430000,Hubei,China)

Abstract:The characteristics of fracture network of multi-stage fracturing in shale gas horizontal wells were studied by using the methods of macro-seism, production profile testing and tracer monitoring testing, the effect of fracturing and reconstruction was evaluated. Influenced by operation conditions, economy and environment, it was hard to achieve an obvious effect. By taking the testing well of shale gas development in Fuling Area for example, a deconvolution method is deployed to study the characteristics of linear flow, quasi-static flow(or boundary controlled flow), evaluate the stimulated reservoir volume(SRV)in combination with unstable production performance analysis. Good production effect is obtained. It provides a technical basis for drilling, completion and the optimization of fracturing and gas testing technology.

Key words:shale-gas well；deconvolution of pressure and production；SRV；micro-seism

[中圖分類號]TE375

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)8-0053-05

[作者簡介]楊加祥(1965-)，男，工程師，從事石油工程研究工作，597352260@qq.com。

[收稿日期]2015-10-21

[引著格式]楊加祥.應(yīng)用反褶積方法評價頁巖氣井壓裂改造效果[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(8):53～57.