頁巖氣井返排規(guī)律及控制參數(shù)優(yōu)化

韓慧芬 王良 賀秋云 楊建

1.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院；2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室；3.中國石油川慶鉆探有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

頁巖氣儲層脆性礦物含量（石英、長石、碳酸鹽巖）達(dá)到 70%，脆性指數(shù)一般大于40，具有脆性高、孔隙度和滲透率極低、天然微裂縫發(fā)育等特點。我國頁巖氣資源豐富，采取“千方砂、萬方液”進行大規(guī)模、大排量、低黏度、低砂比體積壓裂施工形成復(fù)雜縫網(wǎng)，取得了較好的開發(fā)效果［1-3］。

頁巖氣井壓裂后返排還一直處于探索階段，如何選擇合適的返排控制參數(shù)一直無據(jù)可循，壓后排液制度的優(yōu)化迫切需要解決。在壓裂領(lǐng)域，一般水平井水力壓裂完成后，緊接著就是通過返排清除井筒內(nèi)的液體和未起支撐作用的支撐劑［4］。然而，對于頁巖氣井，壓裂后關(guān)井多長時間再進行返排一直存在爭議。一方面，許多學(xué)者認(rèn)為壓裂后關(guān)井一段時間（也就是通常所說的悶井）有利于裂縫的繼續(xù)擴展，形成更為復(fù)雜的裂縫，從而提高單井產(chǎn)量。典型做法是在壓裂完成后，不立即進行返排，而是直接關(guān)井幾天甚至數(shù)月，致密儲層巨大的毛細(xì)管壓力使得壓裂液滲吸入儲層中，最終大部分的改造液體被頁巖巖石吸收，這種做法和這期間發(fā)生的變化仍然是目前需要開展大量研究工作來論證的［5-7］。另一方面，又有許多學(xué)者提出頁巖氣井悶井會因為滑溜水自吸進入儲層深部，產(chǎn)生水鎖，減小氣相滲透率，影響頁巖氣的產(chǎn)出［8-9］。其實這2方面的觀點都有些偏頗，很多學(xué)者通過研究，都意識到關(guān)井一定時間有利于頁巖氣井初期產(chǎn)能的提高，但都局限于一些定性的研究和結(jié)論［10］。對于返排控制參數(shù)，除了關(guān)井時間長短外，還有返排速度的控制及排液方式也是影響頁巖氣井返排率及氣井產(chǎn)量的一個重要因素。有學(xué)者就頁巖氣井壓后返排制度進行了相關(guān)研究，主要體現(xiàn)在數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗評價方面，劉乃震等人采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，研究了各種影響因素對返排的影響，并從機理上分析了頁巖氣井壓后返排困難的原因［11］。張濤等人以實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的數(shù)值模型，研究了不同時機關(guān)井持續(xù)時間對頁巖氣井返排率和產(chǎn)能的影響［12］。同時，關(guān)于頁巖氣井大規(guī)模體積壓裂后是否將壓裂液盡量返排出地層有爭論，一方面，頁巖氣儲層含有大量黏土礦物，且儲層孔隙為納米級，壓裂液滯留于地層會造成裂縫面的含水飽和度增加，導(dǎo)致水鎖損害［13］。另一方面，非常規(guī)井壓裂后通常經(jīng)過數(shù)周甚至數(shù)月的關(guān)井，這些關(guān)井可能會顯著提高井的產(chǎn)量，同時減少水的返出［14］。

因此，目前對于頁巖氣井壓后返排主要存在的問題是：壓裂后返排關(guān)井時間無據(jù)可循，常憑經(jīng)驗確定或者受井下分層工具可溶性暫堵球的溶解時間限制；是否需要提高頁巖氣井返排率不明確；返排速度的快慢對返排率和氣井產(chǎn)量的影響不清楚［15］。通過總結(jié)分析頁巖氣井的返排控制參數(shù)、返排率與氣井產(chǎn)量間的相關(guān)性，就是否應(yīng)該提高返排率和是否采取悶井及提高返排速度進行研究，為該區(qū)塊頁巖氣井壓后返排控制參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 研究工區(qū)儲層特征及加砂壓裂概況

研究區(qū)塊五峰組—龍馬溪組埋深相對適中，主要在3500 m以淺，水平井段，巖石礦物以石英、長石、碳酸鹽巖、黏土及黃鐵礦為主，脆性礦物含量（石英、長石、碳酸鹽巖）一般大于70%，膨脹性礦物含量少。五峰組—龍一1亞段儲層儲集空間主要包括孔隙和微裂縫，單井孔隙度為3.6%～7.3%，基質(zhì)滲透平均值為1.02×10-4mD，含氣飽和度一般在55%～65%之間，區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向變化比較小，應(yīng)力差為12 MPa左右，彈性模量平均3.52×104MPa、泊松比平均0.225。綜合地質(zhì)特征、地球物理特征等制定了某區(qū)塊頁巖儲層分類評價標(biāo)準(zhǔn)，將頁巖儲層分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲層。

研究工區(qū)已完成11個平臺的加砂壓裂施工，主要以“大排量、大砂量、大液量、低黏度、低砂比、小粒徑”為特征的“低黏滑溜水為主+段塞式注入”的體積壓裂模式及速鉆橋塞（可溶橋塞）+電纜分簇射孔的分段工藝，大部分平臺井平均壓裂段數(shù)21段，按照單段液量1800 m3左右、單段砂量60～80 m3左右的壓裂規(guī)模進行拉鏈?zhǔn)郊由皦毫咽┕ぁ?/p>

2 頁巖氣井返排特征

2.1 壓裂后返排關(guān)井時間

在頁巖氣勘探開發(fā)初期，壓后排液主要借鑒致密氣排采制度與國外頁巖氣排采經(jīng)驗，以某井區(qū)H1平臺和H2平臺為代表，壓裂后關(guān)井時間低于2 d，采用壓裂后即刻返排的方式。這種返排方式在常規(guī)致密砂巖中，由于其滲透性能較好，壓后關(guān)井2 h左右壓力能明顯下降，裂縫閉合，開始排液。而頁巖氣壓裂完畢后，壓降較常規(guī)氣井緩慢，裂縫閉合時間相對較長，若關(guān)井時間不夠就進行排液，支撐劑易發(fā)生嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，在該井區(qū)排液期間就出現(xiàn)了較為明顯的出砂現(xiàn)象，影響后期生產(chǎn)。

隨著該區(qū)塊開發(fā)的不斷深入，目前該區(qū)頁巖氣井壓裂結(jié)束關(guān)井的時間均達(dá)到4 d以上，最高達(dá)到25 d，絕大多數(shù)頁巖氣井（接近90%）加砂壓裂施工結(jié)束后關(guān)井時間集中在4～20 d范圍內(nèi)，見表1。

表1 某井區(qū)頁巖氣施工井悶井時間統(tǒng)計Table 1 Soak time statistics of shale gas fracturing wells in one well block

2.2 排液油嘴尺寸及更換頻率

某區(qū)塊頁巖氣井壓后返排主要遵循“對油嘴控制、逐級放大”的原則，大多數(shù)井都采用了一個固定的油嘴更換模式，具體表現(xiàn)在2個方面：油嘴直徑從3 mm更換到10～13 mm過程中，除了HA平臺、HB平臺和HC平臺更換油嘴的頻率慢一些外，其余平臺井幾乎都是每12～48 h更換大一級油嘴；大多數(shù)井返排中每一級油嘴使用的時間幾乎相同，然后逐級增大更換大一級的油嘴，即更換頻率為線性的特征，如圖1、圖2所示。

2.3 返排率

該井區(qū)平臺井返排率5.75%～80.07%，平均返排率在30%左右，約90%的施工井返排率在50%以內(nèi)，超過50%的施工井返排率低于30%，返排率總體較低，如圖3所示。

圖1 某井區(qū)部分頁巖氣井返排油嘴更換情況Fig. 1 Replacement of fiowback choke in some shale gas wells in one well block

圖2 HD-6井油嘴使用及更換情況統(tǒng)計Fig. 2 Utilization and replacement statistics of choke in Well HD-6

圖3 某井區(qū)施工井返排率分布Fig. 3 Flowback ratio distribution of shale gas fracturing wells in one well block

2.4 見氣時間

該井區(qū)平臺氣井見氣時間為0～10 d，該井區(qū)50%的頁巖氣井1 d內(nèi)能見氣，近70%的頁巖氣井2 d內(nèi)能見氣，見氣早的特征見表2。

表2 某井區(qū)頁巖氣施工井見氣時間統(tǒng)計Table 2 Gas breakthrough time statistics of shale gas fracturing wells in one well block

3 返排率對測試產(chǎn)量的影響

由于返排控制參數(shù)的選擇及優(yōu)化在很大程度上落腳到返排率，因此，在優(yōu)化返排控制參數(shù)之前，先分析返排率與測試產(chǎn)量的相關(guān)性。該區(qū)塊90%的頁巖氣井返排率低于30%，其中返排率低于15%的井占 58.1%［16］。

某井區(qū)的H2、H3平臺頁巖氣井相比其他平臺井，返排率非常高（H2平臺平均返排率41.85%，H3平臺平均返排率55.86%），氣井平均測試產(chǎn)量是最低的（見表 3）。

表3 某井區(qū)頁巖氣井返排率、平均測試產(chǎn)量統(tǒng)計Statistics of fiowback ratio and average test production of shale gas wells in one well block

通過分析，發(fā)現(xiàn)H2平臺Ⅰ類儲層鉆遇長度平均為751 m，H3平臺Ⅰ類儲層鉆遇長度平均為746 m，明顯低于該井區(qū)其他平臺井Ⅰ類儲層平均鉆遇長度1200～1500 m，如圖4所示。H2平臺巷道位置距離優(yōu)質(zhì)頁巖底部平均為19.9 m，H3平臺巷道位置距離優(yōu)質(zhì)頁巖底部平均為23.6 m，而該井區(qū)其他平臺井巷道位置距離優(yōu)質(zhì)頁巖底部平均為4.1～10.4 m，如圖5所示。謝軍等人提出，頁巖儲層品質(zhì)對氣井產(chǎn)量有重要影響，頁巖氣井高產(chǎn)的關(guān)鍵地質(zhì)因素為水平井最優(yōu)靶體位置及優(yōu)質(zhì)小層穿行長度和有效頁巖儲層鉆遇率［17］。H2平臺和H3平臺井區(qū)巷道位置距離優(yōu)質(zhì)頁巖底部均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該區(qū)其他平臺井，靶體離優(yōu)質(zhì)頁巖底部越遠(yuǎn)，壓裂溝通的有效Ⅰ類儲層越少。同時，由于水平井段較短，分段壓裂段數(shù)也比其他平臺井少。因此，在以下分析中，不將H2平臺和H3平臺井的返排率、測試產(chǎn)量、返排速度等與其他井進行對比分析。

該區(qū)塊頁巖氣井壓裂段數(shù)與壓裂水平段長呈正比關(guān)系，如圖6所示。這是因為該區(qū)塊壓裂設(shè)計時采用分簇射孔、分段壓裂間距大致80～100 m的方法。為了消除施工規(guī)模對氣井產(chǎn)量的影響，開展頁巖氣井返排率與單段測試產(chǎn)量的相關(guān)性分析，如圖7所示。分析結(jié)果表明，雖然返排率的大小與測試產(chǎn)量并沒有完全的對應(yīng)關(guān)系，但是從整體趨勢上看，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊返排率與測試產(chǎn)量存在以下關(guān)系。

圖4 各平臺井Ⅰ類儲層平均鉆遇長度Fig. 4 Average drilling length of tуpe I reservoirs in each platform well

圖5 各平臺井巷道位置距離優(yōu)質(zhì)頁巖底部Fig. 5 The distance of opening location in each platform well from the top of qualitу shale

圖6 某井區(qū)壓裂水平段長與壓裂段數(shù)關(guān)系Fig. 6 Relationship between the length of fracturing horizontal section and the stage number of fracturing in one well block

圖7 巖氣井返排率與測試產(chǎn)量關(guān)系Fig. 7 Relationship between the fiowback ratio and the test production of shale gas well

（1）提高返排率在一定程度上能提高頁巖氣井產(chǎn)量。從整體趨勢來看，返排率越高，測試產(chǎn)量呈遞增趨勢，其返排率范圍對應(yīng)產(chǎn)量見表4。返排率為10%～20%區(qū)間的平均測試產(chǎn)量為20.21×104m3/d，返排率為20%～30%區(qū)間的平均測試產(chǎn)量為23.86×104m3/d，返排率為30%～40%區(qū)間的平均測試產(chǎn)量為31.21×104m3/d。因此，對于頁巖氣井，提高返排率有利于提高頁巖氣井產(chǎn)量，要采取措施讓盡可能多的壓裂液返排出地層。

表4 某井區(qū)頁巖氣井不同返排率區(qū)間的平均測試產(chǎn)量Table 4 Average test production corresponding to different fiowback ratio intervals of shale gas wells in one well block

（2）返排率不是決定氣井產(chǎn)能高低的關(guān)鍵因素。從前面H2、H3平臺井返排率與測試產(chǎn)量分析，盡管返排率高，但產(chǎn)量卻較低，返排率不是決定氣井產(chǎn)能高低的關(guān)鍵因素。大于40%的這2口井均為HA平臺，與其他平臺相比，該平臺降低了油嘴更換頻率，返排率整體較高，平均返排率達(dá)到38.6%。

4 返排控制參數(shù)對返排率和氣井產(chǎn)量的影響

4.1 返排關(guān)井時間與返排率的相關(guān)性分析

提高頁巖氣井返排率對于產(chǎn)量和生產(chǎn)是有利的，要制定頁巖氣井返排制度，返排控制參數(shù)以及返排模式如何選擇就顯得非常重要，其中較為重要的一個返排控制參數(shù)是返排關(guān)井時間。與常規(guī)致密儲層不同，有很多學(xué)者通過研究及現(xiàn)場試驗提出頁巖氣井采用“悶井”方式有利于提高氣井初期產(chǎn)量，其理由主要為：由于致密儲層巨大的毛管力可能會使得壓裂液自發(fā)滲吸入儲層，逆向滲吸“置換”出更多的氣體到近井裂縫中，從而增加初期產(chǎn)能［18］；吸水過程中可能會誘導(dǎo)出新的裂縫或者開啟原始處于關(guān)閉的天然裂縫，增大滲透率，且侵入的滑溜水壓裂液可以清洗裂縫，增大導(dǎo)流能力［19］。但同時，大多數(shù)人都會擔(dān)心水長期浸泡在頁巖中，會導(dǎo)致其黏土膨脹對裂縫造成傷害。因此，頁巖氣井是否需要“悶井”或者“悶井”多長時間需要有一個定論。

（1）悶井時間與返排率沒有明顯的相關(guān)性。統(tǒng)計分析該井區(qū)頁巖氣井悶井時間與返排率關(guān)系，悶井時間與返排率沒有明顯的相關(guān)性，如圖8所示。

圖8 悶井時間與返排率關(guān)系Fig. 8 Relationship between soaking time and fiowback ratio

（2）壓裂液接觸頁巖總時間越長，返排率越低。其實開井返排之前，悶井時間只是壓裂液與頁巖作用的一個階段，由于頁巖氣井普遍為1500 m以上長水平，施工段數(shù)多達(dá)25段，施工時間長達(dá)85 d，從壓裂液進入地層開始，壓裂液就與頁巖儲層開始發(fā)生相互作用。因此，以壓裂時間+返排關(guān)井時間為開井返排前壓裂液接觸頁巖作用的總時間研究某區(qū)塊頁巖氣井壓裂時間+關(guān)井時間與返排率的關(guān)系，如圖9所示。圖中綠色區(qū)域為隨著壓裂時間+關(guān)井時間的增加，返排率進入下降通道，該段時間越長，自吸進入頁巖儲層的壓裂液量越多，壓裂時間+關(guān)井時間達(dá)到70 d以后，在該區(qū)塊所有頁巖氣井中返排率是最低的。為了弄清圖中出現(xiàn)的現(xiàn)象是否由于工程因素和地質(zhì)因素引起的，筆者以平臺井為單位，分析了壓裂時間+關(guān)井時間對返排率的影響。發(fā)現(xiàn)返排率和壓裂規(guī)模、壓裂段數(shù)等均沒有明顯對應(yīng)關(guān)系，但各平臺井大都出現(xiàn)了壓裂時間+關(guān)井時間超過50 d以后，該時間段越長返排率越低的特征。這可能是因為頁巖黏土礦物納米級孔隙能起到毛細(xì)管的作用，壓裂液與頁巖作用時間長，壓裂液會自吸進入地層深部。因此，壓裂液接觸頁巖的時間不能太長，減小壓裂液滯留于地層對儲層造成傷害。

圖9 壓裂時間+關(guān)井時間與返排率關(guān)系Fig. 9 Relationship between fracturing time + shut in time and fiowback ratio

（3）一定的悶井時間有利于提高氣井產(chǎn)能。統(tǒng)計分析該井區(qū)平臺井的悶井時間與測試產(chǎn)量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)測試產(chǎn)量與悶井時間有一定相關(guān)性，一定的悶井時間有利于提高單井產(chǎn)量。從表5中可以看出，悶井時間在5～20 d范圍內(nèi)平均測試產(chǎn)量均較高。

表5 某井區(qū)頁巖氣施工井不同悶井時間段的平均測試產(chǎn)量Table 5 Average test production corresponding to different soaking time intervals of shale gas fracturing wells in one well block

4.2 壓裂、關(guān)井時間與氣井產(chǎn)量的相關(guān)性分析

國外學(xué)者通過頁巖自吸進入地層的影響因素及對微裂縫產(chǎn)生的影響研究，提出頁巖自吸進入地層有助于微裂縫產(chǎn)生，并解釋將高返排率和低產(chǎn)氣速率聯(lián)系在一起是由于水力裂縫與基質(zhì)間的接觸面積較小，返排率低是由于水濾失圈閉在地層中，高產(chǎn)氣速率是由于水力裂縫與基質(zhì)間的接觸面積較大，但他們未得出有效的作用時間范圍［19］。

如圖10和圖11所示，為該區(qū)塊頁巖氣井壓裂時間+關(guān)井時間與頁巖氣井測試產(chǎn)量的典型關(guān)系曲線，分析結(jié)果表明，當(dāng)開井返排前壓裂液與頁巖的時間達(dá)到大約50 d以前，隨著壓裂時間+關(guān)井時間增加，單井測試產(chǎn)量增加或者由于地質(zhì)或工程因素上下有點波動。而超過這個時間以后，隨著壓裂時間+關(guān)井時間增加，單井測試產(chǎn)量呈下降趨勢。利用現(xiàn)場返排數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果與國外學(xué)者的研究結(jié)果具有較好的一致性［19］。頁巖氣井壓裂后關(guān)井有利于裂縫繼續(xù)擴展從而提高單井產(chǎn)量，具體關(guān)井時間以50 d為參考，根據(jù)施工時間的長短決定關(guān)井時間，建議最好不要超過70 d。

圖10 壓裂時間+關(guān)井時間與測試產(chǎn)量關(guān)系（H3）Fig. 10 Relationship between fracturing time + shut in time and test production (H3)

圖11 壓裂時間+關(guān)井時間與測試產(chǎn)量關(guān)系（HA）Fig. 11 Relationship between fracturing time + shut in time and test production (HA)

因此，對于該區(qū)塊頁巖氣井，建議返排悶井的做法為：以壓裂+關(guān)井總時間50～70 d為上限，關(guān)井時間5 d為下限，根據(jù)每口井施工情況確定具體的悶井時間。

4.3 返排速度與返排率的相關(guān)性分析

在壓裂后返排中如果油嘴尺寸太激進，返排階段壓降太快，自然舉升液體的壓力消耗太多，井底流壓太低，容易導(dǎo)致井筒崩塌，即使是再棒的完井措施，再好的井都能給毀掉。對于0.001 mD滲透率的頁巖儲層，5 min的注入量裂縫基本上需要24 h才能閉合；100 nD滲透率的儲層，5 min的注入量裂縫基本上需要10 d才能閉合［20-22］?，F(xiàn)在水平井每一段動輒上千方的液體注入量，閉合時間就可想而知了，無法等到。因此頁巖氣井一般都會采取傳統(tǒng)保守的方法，按計劃不斷增大油嘴尺寸減少液體對儲層的污染。該井區(qū)采用了油嘴快頻率更換和恒定時間的作法對提高返排率是否有利，下面作詳細(xì)分析。

（1）頁巖氣井返排速度。從各頁巖氣井返排油嘴更換統(tǒng)計來看，幾乎都在30 d內(nèi)完成了最大油嘴的更換，前30 d平均每天的返排速度見表6。HA返排速度最低，全部低于60 mm2/d，其次是HC和HE平臺部分頁巖氣井，平均每天的返排速度低于70 mm2/d。

（2）返排初期采用慢返排模式更有利于提高返排率和單井產(chǎn)能。采用前30 d平均每天的返排速度研究其對返排率和氣井產(chǎn)量的影響，如圖12和圖13所示。圖12展示了低返排速度相對較高的返排特征，圖13展示了低返排速度相對較高的產(chǎn)量特征，這些特征均體現(xiàn)在HA平臺。其原因為：該區(qū)塊各頁巖氣井在返排中返排速度為固定模式，大多數(shù)井都遵循了固定的時間間隔更換油嘴，更換油嘴的頻率很快，幾乎都是每24 h甚至12 h更換大一級油嘴。2017年，放緩了HA平臺和HC平臺油嘴的更換頻率，平均2～3 d更換一次油嘴，HA平臺的返排速度最小。這些分析結(jié)果給了一個啟示，頁巖氣井本身由于滲透性差，閉合速度慢，過快的返排造成能量衰竭太快，可能由于返排速度太快造成支撐劑回流到井筒，帶來不利影響，同時不利于壓裂液的返出和提高單井產(chǎn)量。因此，該區(qū)塊頁巖氣井應(yīng)該適當(dāng)降低初期的返排速度，降低油嘴更換頻率。據(jù)報道，Devon和Haуnesville提出的“slowback（慢返排）”在Eagle Ford等多個油田使用就取得了成功，最終采收率提高了5%左右。

表6 頁巖氣井前30 d平均返排速度統(tǒng)計2Table 6 Average fiowback speed statistics of shale gas wells in thefirst 30 daуs mm/d

圖12 前30 d平均每天返排速度與返排率系Fig. 12 Relationship between average dailу fiowback speed and fiowback ratio in thefirst 30 daуs

圖13 前30 d平均每天返排速度與平均單段測試產(chǎn)量關(guān)系Fig. 13 Relationship between average dailу fiowback speed and average single-interval test production in thefirst 30 daуs

5 結(jié)論

（1）提高返排率有利于提高頁巖氣井產(chǎn)能，減少壓裂液滯留于地層對儲層造成傷害，但返排率不是決定氣井產(chǎn)能高低的關(guān)鍵因素。

（2）頁巖氣井壓裂結(jié)束后關(guān)井有利于人工裂縫的繼續(xù)擴展，從而提高單井產(chǎn)量，該區(qū)塊頁巖氣井開井返排前壓裂液與儲層作用的最佳時間為45～50 d。

（3）頁巖氣井壓裂施工結(jié)束后關(guān)井時間不是越長越好，壓裂液與頁巖接觸時間過長會引起大量壓裂液滯留于地層造成傷害，反而降低氣井產(chǎn)能，該區(qū)塊壓裂+關(guān)井總時間最好不要超過70 d。

（4）目前該區(qū)塊頁巖氣井返排速度過快，相比而言，返排初期采用慢返排的HA井獲得了更高的返排率和更高的平均單段測試產(chǎn)量，提出該區(qū)塊頁巖氣井返排初期采用適當(dāng)慢返排模式進行排采。

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