涪陵頁巖氣水平井工程甜點評價與應用

黃 進， 吳雷澤， 游 園， 黃曉凱， 聶 彬， 張 輝

(1.中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北武漢 430030；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北武漢 430100)

?

涪陵頁巖氣水平井工程甜點評價與應用

黃 進1， 吳雷澤1， 游 園1， 黃曉凱1， 聶 彬2， 張 輝1

(1.中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北武漢 430030；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北武漢 430100)

針對涪陵頁巖氣水平井多段分簇射孔壓裂時加砂量符合率低、產(chǎn)氣量低的問題，提出了尋找水平段工程甜點、并結(jié)合地質(zhì)甜點進行壓裂優(yōu)化設計的方法。首先利用聲波時差和密度測井資料，擬合得到涪陵頁巖氣藏橫波時差計算模型，再結(jié)合密度、自然伽馬等測井資料，利用地應力剖面計算軟件求取涪陵頁巖氣藏水平井水平段的巖石力學參數(shù)，然后通過分析已壓裂井段產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果與巖石力學參數(shù)的相關性，得到涪陵頁巖氣藏工程甜點參數(shù)為：水平應力差小于8 MPa、脆性指數(shù)0.45～0.50。焦頁30-1HF井采用了工程甜點與地質(zhì)甜點相結(jié)合的壓裂設計方法，其壓裂施工壓力平穩(wěn)，總液量和總砂量符合率較好，壓后無阻流量 88.54×104m3/d，取得了較好的增產(chǎn)效果?，F(xiàn)場試驗表明，工程甜點與地質(zhì)甜點相結(jié)合的壓裂設計方法，能夠提高涪陵頁巖氣水平井壓裂的加砂量符合率和產(chǎn)氣量，有助于實現(xiàn)頁巖氣的高效開發(fā)。

頁巖氣；水平井；分段壓裂；工程甜點；測井數(shù)據(jù)；脆性指數(shù)；焦頁30-1HF井

頁巖氣藏工程甜點是指有利于提高儲層改造體積和裂縫復雜程度的巖石力學參數(shù)，主要包括水平應力差、脆性指數(shù)、最小水平主應力等。國外很多文獻都報道過工程甜點參數(shù)對水力裂縫擴展和水平井產(chǎn)能的影響[1-2]。文獻[3]分析了Barnett頁巖氣藏一口3級壓裂水平井生產(chǎn)測井結(jié)果與地應力的關系，發(fā)現(xiàn)射孔簇的產(chǎn)量與地應力有直接聯(lián)系，70%的產(chǎn)氣量來自水平段低地應力區(qū)的射孔簇，50%的射孔簇不產(chǎn)氣，而這些射孔簇全部位于水平段的高地應力區(qū)。

目前，涪陵頁巖氣水平井在進行分段壓裂設計時，主要考慮了地質(zhì)甜點參數(shù)，如總有機碳含量(TOC)、滲透率、巖性和密度等，對工程甜點的認識不深入，導致部分井段加砂符合率低、同一層段內(nèi)加砂量差異較大[4-8]。統(tǒng)計涪陵頁巖氣田已壓裂井的資料發(fā)現(xiàn)，壓裂后產(chǎn)氣量低的井總加砂量符合率較低(平均為65.3%)，儲層的壓裂改造效果未達到預期要求。研究與現(xiàn)場實踐表明，工程甜點參數(shù)、井筒起裂點對頁巖氣水平井壓裂裂縫的延伸擴展起著關鍵作用[7]，在進行頁巖氣井壓裂設計時，必須要考慮儲層的工程甜點參數(shù)。

1 工程甜點參數(shù)研究

頁巖氣藏的工程甜點參數(shù)，如水平應力差、脆性指數(shù)(利用楊氏模量、泊松比計算[9])，其實質(zhì)就是巖石力學參數(shù)。目前，求取巖石力學參數(shù)的方法主要有2種[10-12]：一種是巖心試驗測定法，另一種是利用常規(guī)測井及偶極聲波測井、成像測井等資料進行計算。巖心試驗測定法數(shù)據(jù)準確，但取心困難、成本高。測井資料求取法具有連續(xù)性強、地質(zhì)信息豐富、數(shù)據(jù)準確等優(yōu)點。因此，目前普遍利用測井資料求取工程甜點參數(shù)。

聲波時差反映地層的抗壓、抗剪等特性，是求取楊氏模量和泊松比等巖石力學參數(shù)的基礎數(shù)據(jù)。求取巖石力學參數(shù)時，應用的是橫波時差，而在常規(guī)測井中大多只測量縱波時差。為此，筆者選取進行了橫波時差測井的重點探井的測井資料，通過回歸密度縱波時差比與橫波時差的關系，求取未進行橫波時差測井的開發(fā)井的橫波時差測井曲線。

焦頁1井密度縱波時差比與橫波時差的關系曲線如圖1所示。對圖1中的曲線進行擬合，得到密度縱波時差比與橫波時差的關系式為：

Δts=2×10-6Z2-115 131Z+2 101.6

(1)

R2=0.86

其中

(2)

式中：Δts為橫波時差，μs/m；ρ為巖石密度，g/cm3；Δtp為縱波時差，μs/m。

將焦頁11-4HF井和焦頁41-5HF井的縱波時差和密度測井數(shù)據(jù)代入式(1)計算橫波時差，并將計算出的橫波時差與實測橫波時差進行對比，結(jié)果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，利用式(1)計算的橫波時差準確度較高，與實測橫波時差相比，相對誤差在5%以內(nèi)。

圖1 焦頁1井密度縱波時差比與橫波時差的關系曲線Fig.1 Relationships between density/P-wave transit time and S-wave transit time in Well Jiaoye 1

圖2 焦頁11-4HF井橫波時差計算值與實測值對比Fig.2 Calculated and measured S-wave transit time for Well Jiaoye 11-4HF

圖3 焦頁41-5HF井橫波時差計算值與實測值對比Fig.3 Calculated and measured S-wave transit time for Well Jiaoye 41-5HF

利用式(1)，根據(jù)密度和縱波時差測井數(shù)據(jù)求取橫波時差數(shù)據(jù)后，再結(jié)合密度、自然伽馬等測井數(shù)據(jù)，利用地應力剖面計算軟件求取涪陵頁巖水平井的巖石力學參數(shù)。圖4為利用地應力剖面計算軟件求取的焦頁12-1HF井水平段巖石力學參數(shù)。由圖4可知，該井計算出的最小水平主應力為49～51 MPa，與巖石力學試驗測得的最小水平主應力(48～52 MPa)吻合較好。由于圖4中的楊氏模量和泊松比是動態(tài)的，而巖石力學試驗測得的楊氏模量和泊松比是靜態(tài)的，因此，通過相關轉(zhuǎn)換得到焦頁12-1HF井的靜態(tài)楊氏模量為32.0～35.2 GPa、靜態(tài)泊松比為0.20～0.22，與通過巖石力學試驗測得的楊氏模量(32.0～34.0 GPa)和泊松比(0.21～0.23)相吻合。由此可知，根據(jù)式(1)的計算結(jié)果求取的巖石力學參數(shù)與巖石力學試驗測得巖石力學參數(shù)的相對誤差小于5%，計算結(jié)果準確可靠。

圖4 焦頁12-1HF井水平段巖石力學參數(shù)計算結(jié)果Fig.4 Rock mechanics parameters calculated for the horizontal section in Well Jiaoye 12-1HF

對焦頁7-1HF井、焦頁12-1HF井、焦頁6-2HF井、焦頁8-2HF井、焦頁4HF井和焦頁10-4井等6口井壓裂后73段的產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果與巖石力學參數(shù)的相關性進行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果與水平應力差、脆性指數(shù)的相關性較好(見圖5和圖6)。從圖5可以看出：隨著水平應力差增大，單段產(chǎn)氣量逐漸降低；水平應力差低于8.0 MPa時，單段產(chǎn)氣量不小于6 000 m3的概率較大。從圖6可以看出：脆性指數(shù)在0.45～0.50時，單段產(chǎn)氣量不小于6 000 m3的段數(shù)較多；脆性指數(shù)大于0.50時，單段產(chǎn)氣量小于6 000 m3的段數(shù)反而增多。綜合以上分析結(jié)果，得到涪陵頁巖氣藏的工程甜點參數(shù)：水平應力差小于8.0 MPa，脆性指數(shù)為0.45～0.50。

2 現(xiàn)場試驗

利用焦頁30-1HF井的測井資料計算其水平段的巖石力學參數(shù)，并根據(jù)涪陵頁巖氣藏的工程甜點參數(shù)評價指標，找到焦頁30-1HF井的工程甜點區(qū)域(見圖7)。依據(jù)預測的工程甜點區(qū)，在分段時，盡量將工程甜點井段整合在一起，使工程甜點井段得到充分壓裂改造；射孔位置選擇在最小水平主應力低值區(qū)，并且考慮同一段內(nèi)的應力平衡，射孔簇之間的應力差應盡可能??；在優(yōu)化壓裂規(guī)模時，將大規(guī)模壓裂段設計在工程甜點區(qū)。該井的壓裂設計結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，該井8段大規(guī)模壓裂段中有6段設計在工程甜點區(qū)(紅色豎線、藍色豎線分別表示大、小規(guī)模壓裂段，大規(guī)模壓裂段設計液量1 900 m3、加砂量70 m3；小規(guī)模壓裂段設計液量1 700 m3、加砂量60 m3)。

圖5 產(chǎn)氣量與水平應力差的關系Fig.5 Relationship between gas production and the horizontal stress difference

圖6 產(chǎn)氣量與脆性指數(shù)的關系Fig.6 Relationship between gas production and the brittleness index

焦頁30-1HF井整個壓裂過程中壓力平穩(wěn)(52～75 MPa)，壓裂液用量34 938.74 m3，符合率較好(99.1%)；總加砂量1 099.90 m3，符合率較高(86.3%)，平均單段加砂量61.10 m3，高于已壓裂試氣井平均單段加砂量54.70 m3。該井壓裂后采用φ12.0 mm油嘴測試，平均無阻流量88.54×104m3/d，取得了較好的增產(chǎn)效果。

圖7 焦頁30-1HF井預測工程甜點區(qū)Fig.7 Forecasted engineering sweet spot area in Well Jiaoye 30-1HF

圖8 焦頁30-1HF井壓裂設計結(jié)果Fig.8 Schematic diagram of the fracturing scale designed for Well Jiaoye 30-1HF

3 結(jié) 論

1) 由頁巖氣井壓裂段產(chǎn)氣量與巖石力學參數(shù)的相關性分析可知，涪陵頁巖氣藏工程甜點參數(shù)為水平應力差小于8 MPa、脆性指數(shù)0.45～0.50。

2) 現(xiàn)場試驗表明，通過評價得到頁巖氣井的工程甜點，并與地質(zhì)甜點相結(jié)合，對壓裂設計進行優(yōu)化，可以提高頁巖氣井的壓裂效果。

[1] NUTTALL B C，DRAHOVZAL J A，EBLE C F，et al.Analysis of the Devonian black shale in Kentucky for potential carbon dioxide sequestration and enhanced natural gas production[R].Lexington:Kentucky Geological Survey,2005.

[2] FRANTZ J H Jr.White paper:shale gas[R].Houston:Schlumberger,2005.

[3] JARVIE D M,HILL R J,POLLASTRO R M,et al.Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett Shale,Ft Worth Basin,Texas:Barnett Shale and other Fort Worth Basin Plays Ellison Miles Memorial Symposium,Texas,June 22-23,2004[C].

[4] 牛新明.涪陵頁巖氣田鉆井技術(shù)難點及對策[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(4)：1-6.

NIU Xinming.Drilling technology challenges and resolutions in Fuling Shale Gas Field[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(4):1-6.

[5] 葛洪魁，王小瓊，張義.大幅度降低頁巖氣開發(fā)成本的技術(shù)途徑[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(6)：1-5.

GE Hongkui,WANG Xiaoqiong,ZHANG Yi.A technical approach to reduce shale gas development cost[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):1-5.

[6] 周德華，焦方正，賈長貴，等.JY1HF頁巖氣水平井大型分段壓裂技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：75-80.

ZHOU Dehua,JIAO Fangzheng,JIA Changgui,et al.Large-scale multi-stage hydraulic fracturing technology for shale gas horizontal Well JY1HF[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):75-80.

[7] 曾義金.頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)與工程一體化技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：1-6.

ZENG Yijin.Integration technology of geology & engineering for shale gas development[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):1-6.

[8] 邵尚奇，田守嶒，李根生，等.泥頁巖地層水力裂縫延伸方位研究[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(3)：27-31.

SHAO Shangqi,TIAN Shouceng,LI Gensheng,et al.Propagating orientation of hydraulic fractures in muddy shale formation[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(3):27-31.

[9] 蔣廷學，卞曉冰，蘇瑗，等.頁巖可壓性指數(shù)評價新方法及應用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(5)：16-20.

JIANG Tingxue,BIAN Xiaobing,SU Yuan,et al.A new method for evaluating shale fracability index and its application[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(5):16-20.

[10] 李玉梅，李軍，柳貢慧，等.頁巖氣藏水平井水力壓裂裂縫敏感參數(shù)數(shù)值分析[J].斷塊油氣田，2015，22(2)：258-262.

LI Yumei,LI Jun,LIU Gonghui,et al.Numerical analysis of fracture sensitive parameters in a hydraulically fractured horizontal well in layered shale reservoir[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2015,22(2):258-262.

[11] 陳勉，葛洪魁，趙金洲，等.頁巖油氣高效開發(fā)的關鍵基礎理論與挑戰(zhàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(5)：7-14.

CHEN Mian,GE Hongkui,ZHAO Jinzhou,et al.The key fundamentals for the efficient exploitation of shale oil and gas and its related challenges[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(5):7-14.

[12] 楊恒林，申瑞臣，付利.含氣頁巖組分構(gòu)成與巖石力學特性[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5)：31-35.

YANG Henglin,SHEN Ruichen,FU Li.Composition and mechanical properties of gas shale[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(5):31-35.

[編輯 劉文臣]

The Evaluation and Application of Engineering Sweet Spots in a Horizontal Well in the Fuling Shale Gas Reservoir

HUANG Jin1, WU Leize1, YOU Yuan1, HUANG Xiaokai1, NIE Bin2, ZHANG Hui1

(1. Research Institute of Petroleum Engineering and Technology, Sinopec Jianghan Oilfield Company, Wuhan, Hubei，430030, China; 2. Hubei Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Drilling and Production Engineering(Yangtze University), Wuhan, Hubei，430100, China)

Due to the fact that shale gas reservoirs possess heterogeneity, sectional perforation and multi-stage fracturing in horizontal wells in the reservoir may generate very different effects. The engineering sweet spot parameter can affect the crack initiation, extension and reconstruction of hydraulic fractures. Accordingly, the parameter can be used to guide the sectional perforation of shale gas horizontal wells, which can be helpful in improving the reservoir and productivity. With the P-wave transit time and density logging data, the calculation model of S-wave transit time was established for the Fuling shale gas reservoir, and the calculation method of determining the engineering sweet spot was defined for the Fuling shale gas reservoir based on the experimental results of rock mechanics. Combined with the test results for 73 gas production sections in six wells, including Well Jiaoye 7-1HF, the evaluation indicators for the engineering sweet spot in the Fuling shale gas reservoir were summarized, namely, that the horizontal stress difference was less than 8MPa, and the brittleness index ranged from 45% to 50%. Optimum design for fracturing the Well Jiaoye 30-1HF was conducted based on the engineering sweet spot data, and then total liquid volume and total sand content were matched well with stable operation pressure. Post-frac open flow was 88.54×104m3/d, and better stimulation results were achieved.

shale gas; horizontal well； section fracturing; engineering sweet spot; log data; brittleness index; Well Jiaoye 30-1HF

2015-12-08；改回日期：2016-03-02。

黃進(1985—)，男，湖北武漢人，2009年畢業(yè)于長江大學石油工程專業(yè)，2012年獲西南石油大學油氣井工程專業(yè)碩士學位，工程師，主要從事儲層改造方面的研究與應用工作。E-mail:niebin19880918@163.com。

國家科技重大專項“涪陵頁巖氣開發(fā)示范工程”(編號：2016ZX05060)和國家自然科學基金項目“高溫高壓CO2-原油-地層水三相相平衡溶解度規(guī)律”(編號：51404037)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201603003

TE375

A

1001-0890(2016)03-0016-05