涪陵頁巖氣田壓裂后悶井工藝適應(yīng)性初探

馬 莉，張 馳，劉敦卿，廖如剛

(1.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 涪陵 408014；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

近年來中國頁巖氣開發(fā)在四川威遠、重慶涪陵地區(qū)取得重大突破，但頁巖氣儲層壓裂后悶井對產(chǎn)能的影響依然沒有得到明確的認識?，F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，頁巖氣儲層返排率通常不超過50%，許多地區(qū)甚至低于10%[1]，且產(chǎn)能與返排率之間并沒有較好的關(guān)聯(lián)性。在中國，涪陵地區(qū)的返排率普遍極低，部分區(qū)域出現(xiàn)了返排率越低產(chǎn)能越好的情況，國外也有相似的開發(fā)實例[2-3]。壓裂后悶井可顯著降低返排率，促進儲層對壓裂液的滲吸，可見對于一定的儲層條件，壓裂后悶井可能起到一定的增產(chǎn)作用。韓慧芬、張寅、張濤、康毅力、Dutta、薛永超[4-9]等人對頁巖氣壓裂后悶井進行了初步研究，但對其機理還沒有明確認識，對于壓裂后悶井所適用的儲層條件也仍然沒有結(jié)論。為探索涪陵地區(qū)儲層是否具有壓裂后悶井的潛力，利用井底巖心，開展了一系列的室內(nèi)實驗，分析了涪陵地區(qū)主力產(chǎn)層與壓裂液之間的相互作用特征，分析了涪陵地區(qū)頁巖氣儲層的悶井潛力，并進行了壓裂后悶井的礦場試驗。該研究可對其他頁巖氣儲層開展壓裂后悶井提供參考。

1 儲層特征

儲層物性是影響儲層與壓裂液相互作用的重要因素，直接關(guān)系到壓裂后悶井效果。涪陵頁巖氣主力產(chǎn)層微納米孔隙高度發(fā)育，有機質(zhì)邊界微裂隙尤其發(fā)育，黏土礦物含量高。儲層有機質(zhì)分布廣泛，有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育豐富的蜂窩狀孔隙網(wǎng)絡(luò)，連通性好，且有機質(zhì)孔隙親水性弱，受壓裂液影響小，是天然氣滲流的另一個重要通道。此外，層理普遍高度發(fā)育，部分層段極度發(fā)育，可增強儲層的連通性[10]，有利于形成更加復(fù)雜的縫網(wǎng)，擴大有效改造體積，在增加壓裂液存儲空間的同時提高了壓裂液分布的均勻性，防止局部區(qū)域壓裂液聚集，降低了局部水鎖的概率。

壓裂液的滲吸可能引起黏土膨脹，造成滲透率下降。根據(jù)X射線衍射結(jié)果，涪陵頁巖主力產(chǎn)層礦物組分層間差異較大，總體隨埋深逐步降低，平均黏土含量為37.85%，較為適中，石英含量隨埋深逐步增大，平均含量約為39.00%。下部儲層黏土含量僅為25.20%，石英含量達到50.08%。黏土礦物以伊蒙混層為主，占45.00%，綠泥石含量相對較高，約為23.18%。綠泥石以玫瑰花瓣狀、針狀賦存，具有很高的比表面積[11]，對儲層與壓裂液之間相互作用更為有利。伊蒙混層中伊利石比例更高，水化膨脹風險較低；根據(jù)脆性評估可壓裂性理論，適中的石英含量，儲層形成復(fù)雜縫網(wǎng)的概率更高[12-13]。研究區(qū)儲層底部石英含量高，具有更高的可壓裂性，而上層黏土含量較高，儲層具有更多的微裂隙，總體可壓性較高，易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。根據(jù)測井資料及相關(guān)文獻[14]，主力產(chǎn)層初始含水飽和度約為30%～45%，遠低于束縛水飽和度(80%)，處于欠飽和狀態(tài)，可充分發(fā)揮毛管力作用，為儲層提供充足的滲吸動力。

根據(jù)以上分析，涪陵頁巖氣主力產(chǎn)層儲層礦物組分、含量，孔隙、裂隙發(fā)育程度對壓裂液滲吸及形成復(fù)雜縫網(wǎng)較為有利，形成水鎖的風險低。

2 室內(nèi)滲吸實驗

2.1 儲層自發(fā)滲吸實驗

儲層自發(fā)滲吸實驗可反映儲層對壓裂液的滲吸能力和滲吸特征[15-18]。在恒溫恒濕環(huán)境下采用對應(yīng)產(chǎn)層巖心開展儲層自發(fā)滲吸實驗(圖1)。巖心氦氣孔隙度約為2.70%～7.12%，滲透率約為0.002 7～0.410 4 mD。

圖1 產(chǎn)層巖心自發(fā)滲吸曲線

圖1為將滲吸質(zhì)量對滲吸面積做歸一化處理后，根據(jù)Handy公式[19]，得到歸一化滲吸質(zhì)量與滲吸時間均方根的變化。根據(jù)曲線形態(tài)，整體上可分為2組，底部層位巖心(1-8、2-1)歸一化滲吸能力更強，在滲吸曲線上體現(xiàn)為滲吸前段上升速度更快，具有更大的歸一化滲吸質(zhì)量。根據(jù)曲線的上升段持續(xù)時間，上部儲層巖心(3-4、4-1、5-1)更早達到滲吸終點，如圖中紅色虛線所示，上部儲層巖心在900 min左右達到滲吸平衡狀態(tài)；底部層段在1 200 min左右達到滲吸平衡階段，如圖中綠色虛線所示，這與下部儲層層理、微裂隙發(fā)育程度更高具有一定關(guān)系。自發(fā)滲吸實驗處于常壓環(huán)境，主要反映儲層巖心毛管力作用下的滲吸能力，在壓裂過程中，縫內(nèi)流體具有很高的壓力，儲層條件下壓裂液的滲吸速度更快，滲吸總量更高。

通過室內(nèi)自發(fā)滲吸實驗，驗證了涪陵地區(qū)儲層對壓裂液具有很強的滲吸能力，尤其是在微裂隙、層理高度發(fā)育的層位，具備更強的滲吸能力，但需要更長的滲吸平衡時間。

2.2 自發(fā)滲吸過程的核磁共振監(jiān)測

自發(fā)滲吸實驗難以體現(xiàn)孔隙內(nèi)部的滲吸特征，利用核磁共振技術(shù)監(jiān)測了井底巖心在滲吸過程中T2譜的變化，根據(jù)T2時間與孔徑正相關(guān)，振幅與孔隙內(nèi)部的流體量正相關(guān)的原理，分析了滲吸過程中不同孔隙內(nèi)部的流體量變化。為模擬儲層壓力條件，在自發(fā)滲吸達到平衡后，對滲吸流體施加10 MPa壓力繼續(xù)滲吸5 d，得到T2弛豫譜(圖2)。

圖2 滲吸過程中的T2弛豫譜變化

根據(jù)振幅變化及弛豫時間的分布特征將弛豫譜分為4個區(qū)域。A區(qū)域?qū)?yīng)最小孔徑的微孔隙內(nèi)部的流體變化，A區(qū)域滲吸初期弛豫譜振幅相差很小，且與加壓滲吸后的弛豫譜基本重合，說明這部分孔隙含水飽和度變化最快，且自發(fā)滲吸階段這部分孔隙內(nèi)流體已經(jīng)接近飽和。B區(qū)域弛豫譜之間振幅差值最明顯，如藍色虛線所示，振幅隨滲吸的進行不斷增加，且這一部分信號在全譜范圍最大，體現(xiàn)了儲層內(nèi)部數(shù)量最多、孔徑中等的孔隙，結(jié)合掃描電鏡分析，這部分信號反映的是微裂隙部分，這部分孔隙含水飽和度上升速度稍慢，與加壓滲吸后的弛豫譜對比，最大振幅沒有差異，說明在自發(fā)滲吸階段已經(jīng)達到高度飽和的狀態(tài)下，即使加壓，含水飽和度也不會繼續(xù)增加。C區(qū)域?qū)?yīng)的弛豫時間部分沒有信號，說明巖心內(nèi)部缺乏這部分孔徑的孔隙。D區(qū)域?qū)?yīng)的孔隙為層理裂隙，孔徑相對更大，根據(jù)弛豫譜振幅變化，在自發(fā)滲吸階段這部分區(qū)域幾乎沒有信號，說明自發(fā)滲吸過程中這部分孔隙含水飽和度較低，加壓10 MPa條件下才能進入流體，說明這部分層理可成為天然氣滲流的主要通道。根據(jù)Liu[20]的研究，微裂隙和微孔隙內(nèi)部具有更高的毛管力，孔徑更大的裂隙內(nèi)部滯留的壓裂液會進一步向微孔隙、微裂隙內(nèi)遷移，使較大孔徑的裂隙、孔隙內(nèi)部的含水飽和度進一步降低，為天然氣產(chǎn)出創(chuàng)造高速通道。根據(jù)Meng[21]的研究，龍馬溪組的頁巖在自發(fā)滲吸后，層理微裂隙得到了進一步拓展，巖心滲透率發(fā)生扭轉(zhuǎn)，超越了初始滲透率，水鎖得到解除，Bostrom[22]的研究也得到了相似的結(jié)果，說明滲吸誘導(dǎo)的微裂隙能進一步改善儲層的滲流能力，可見層理是天然氣產(chǎn)出的重要通道，對壓裂后悶井效果起到了重要的作用。

綜合以上實驗與儲層物性分析，涪陵地區(qū)儲層具有很高的壓裂液滲吸能力，層理高度發(fā)育，易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，同時，水敏性低，且壓力系數(shù)高，具有充足的能量，有助于將主縫、分支縫等孔徑較大的縫隙內(nèi)部的壓裂液返排，保證主通道，水鎖風險低，儲層具有較高的悶井增產(chǎn)潛力。

3 現(xiàn)場悶井試驗

根據(jù)實驗結(jié)果，選取涪陵地區(qū)江東區(qū)塊A平臺4口井開展現(xiàn)場悶井試驗，4口井基礎(chǔ)地質(zhì)情況見表1。表1中，A-2井為壓裂后直接試氣放噴。各井基礎(chǔ)地質(zhì)條件相當，采用的改造工藝基本一致，因此，可根據(jù)試氣及返排階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比來驗證壓裂后悶井的效果。

表1 實驗井基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)

3.1 試氣階段返排特征對比

由于各井試產(chǎn)時間有所不同，采用平均返排速率分析返排效果更加準確。壓裂后返排情況見表2。采用悶井工藝的3口井返排率均低于10.00%，平均排液速率低于140.00 m3/d，而未采用悶井工藝的A-2井，返排率為29.85%，平均排液速率高達652.49 m3/d。在各井相同油嘴(12 mm)條件下，對比產(chǎn)氣量穩(wěn)定時的產(chǎn)水量：采用悶井工藝的氣井產(chǎn)水量明顯低于未采用悶井工藝的氣井，悶井時間最長的A-3、A-4井產(chǎn)水量最低。從現(xiàn)場試驗結(jié)果看，壓裂后悶井促進了滲吸，使壓裂液充分進入微裂隙，有效降低了產(chǎn)水量。

表2 實驗井試氣階段返排情況

圖3為4口試驗井的返排速率及返排率隨悶井時間變化曲線。由圖3可知：悶井時間最短的A-1井產(chǎn)水最高，悶井時間最長的A-3井次之，悶井時間居中的A-4井產(chǎn)水最低，可見壓裂后悶井存在最佳的悶井時長。通過對比微地震數(shù)據(jù)可知，A-3井改造效果不如A-4井。A-3井的悶井時間雖然較長，但由于其溝通天然裂縫較少，不利于儲層充分吸水，缺乏壓裂液儲存的空間，因此，產(chǎn)水量也相對較高，可見改造效果對返排率也起到重要作用。

圖3 實驗井試氣平均返排速率及返排率

3.2 試氣效果對比

表3為4口井壓裂后悶井測試產(chǎn)能情況統(tǒng)計。由表3可知：4口井使用相同油嘴(12 mm)測試產(chǎn)能，在基礎(chǔ)地質(zhì)條件相當、壓裂改造效果相近的前提下，采用悶井工藝的3口井相較于未悶井的A-2井無阻流量明顯提高，且悶井時間相對較長的A-3、A-4井效果更為明顯。

涪陵地區(qū)下部產(chǎn)層對壓裂液具有很強的滲吸能力，壓裂后采用悶井工藝降低了壓裂液的返排，促使壓裂液進入儲層內(nèi)的微孔隙、微裂隙中，可獲得更高的試氣初期產(chǎn)能。由實驗結(jié)果可知：對于涪陵地區(qū)微裂隙、層理高度發(fā)育，具備較高能量，水敏程度低的儲層，采用壓裂后悶井的工藝，可降低返排，一定程度上可以獲得更高的產(chǎn)能?？紤]到試驗井還沒有正式投產(chǎn)，因此，壓裂后悶井對于氣井產(chǎn)能長期的影響還需要長期跟蹤觀察。

表3 壓裂后悶井測試產(chǎn)能情況

4 結(jié)論與認識

(1) 涪陵頁巖氣儲層具有豐富的微米、納米級孔隙網(wǎng)絡(luò)，超低含水飽和度，適中的黏土含量，高度發(fā)育的層理及微裂隙，具備較強的滲吸能力，且水鎖風險較低，具備較好的壓裂后悶井潛力。

(2) 采用壓裂后悶井工藝的氣井試氣階段返排率及平均返排速率比常規(guī)氣井低很多，氣井產(chǎn)量也更高，初步判定壓裂后悶井有利于提高涪陵頁巖氣井產(chǎn)量。

(3) 悶井后產(chǎn)能變化影響因素眾多，在儲層物性具有優(yōu)勢的條件下，壓裂改造效果起到了至關(guān)重要的作用，壓裂后悶井對產(chǎn)能的長期影響還需要深入進行探究。