頁巖氣儲層壓后返排特征及意義

楊 海, 李軍龍, 石孝志, 朱炬輝, 鄧 才, 王 丹

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司,四川成都 610051)

1 關(guān)井對產(chǎn)出量的影響

頁巖氣儲層經(jīng)水力壓裂改造后通常經(jīng)歷關(guān)井、返排、生產(chǎn)3個階段,但國內(nèi)外學(xué)者對頁巖氣儲層壓后是否關(guān)井存在諸多爭議[7,10,21-22],因此有必要分析頁巖氣儲層經(jīng)歷關(guān)井后的地層響應(yīng)及產(chǎn)出特征,為是否關(guān)井以及何時關(guān)井提供更多依據(jù)。頁巖氣儲層主壓裂施工周期較長,因此將主壓裂時長納入關(guān)井時間[23],即為第一段主壓裂開始至正式開井排液為止稱為返排前關(guān)井，將返排或生產(chǎn)過程中關(guān)井稱為中途關(guān)井。

由于泵槍遇阻、處理套變、中途鉆磨橋塞等井下復(fù)雜情況會影響主壓裂進(jìn)度導(dǎo)致部分井關(guān)井時間過長,因此根據(jù)返排前關(guān)井時間將威遠(yuǎn)A井區(qū)29口井有效數(shù)據(jù)分為區(qū)域1和區(qū)域2(圖1)。如圖1(a)所示,返排前關(guān)井時間與見氣時間沒有明顯相關(guān)性,一定程度上說明該關(guān)井期間壓裂液向地層深部微細(xì)裂縫的滲吸與裂縫中氣體之間的交換作用有限。若返排前關(guān)井期間壓裂液通過滲吸作用可以將微細(xì)裂縫中的氣交換到近井裂縫中,則近井地帶含氣飽和度增加,為開井后氣體的流動提供良好的滲流環(huán)境,氣體更易突破,見氣更早,而29口井的返排數(shù)據(jù)并未發(fā)現(xiàn)返排前關(guān)井時間越長見氣越早的跡象,這可能與儲層本身的滲吸能力以及氣液交換作用的時效性、階段性和初始裂縫含氣飽和度有關(guān)。

圖1 見氣時間及首年返排率與返排前關(guān)井時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between gas breaking time, water recovery of 1st year and shut-in time before flowback

值得注意的是,如圖1(b)及圖2所示,返排前關(guān)井時間與首年累積產(chǎn)氣量、首年單位優(yōu)質(zhì)儲層累積產(chǎn)氣量(首年累積產(chǎn)氣量與優(yōu)質(zhì)儲層改造長度的比值)以及首年返排率在區(qū)域1和區(qū)域2中分別呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。這可能是由于關(guān)井期間壓裂液在毛管力、滲透壓力以及剩余泵注壓力(停泵后一段時間內(nèi)裂縫中尚未及時耗散的壓力)作用下向地層微細(xì)裂縫中滲吸,頁巖水化作用促使原始孔隙的溶蝕以及微細(xì)裂縫的起裂、擴展并相互溝通進(jìn)而形成更加復(fù)雜的有效裂縫網(wǎng)絡(luò),提升了儲層絕對滲透率[17,24-25],為氣井長期生產(chǎn)提供了良好的滲流基礎(chǔ)。

圖2 首年累積產(chǎn)氣量及首年單位優(yōu)質(zhì)儲層累積氣量與返排前關(guān)井時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between cumulative gas production, cumulative gas production per high quality stimulated length of 1st year and shut-in time before flowback

雖然采用了首年單位優(yōu)質(zhì)儲層累積產(chǎn)氣量,在一定程度上降低了地質(zhì)條件對產(chǎn)量的影響程度,但關(guān)井時間與首年累積產(chǎn)氣量并非單調(diào)相關(guān),如圖2所示。關(guān)井時間并非越長越好,說明除關(guān)井時間之外,必然存在包括地質(zhì)條件、返排制度、儲層含水飽和度、改造程度等在內(nèi)的其他因素影響頁巖氣井長期產(chǎn)氣能力。

錢斌等[17]在圍壓10 MPa條件下進(jìn)行了頁巖巖心水化實驗,發(fā)現(xiàn)液體在毛管力、滲透壓力共同作用下自發(fā)進(jìn)入巖心并發(fā)生水化作用,促使新微細(xì)裂縫擴展。本文中利用地面微地震監(jiān)測成果分析了頁巖氣井壓裂期間和停泵2 h后裂縫網(wǎng)絡(luò)變化情況,如圖3所示。單段主壓裂停泵2 h后微地震監(jiān)測裂縫表體積仍在增加,增加區(qū)域包括停泵前裂縫未波及區(qū)域以及原裂縫內(nèi)部區(qū)域,說明液體在沒有地面泵壓的情況下仍然能夠在剩余泵注壓力、毛管力、滲透壓力共同作用下繼續(xù)向地層深部擴散,為頁巖水化作用提供條件促使新裂縫形成,增加改造區(qū)域范圍,提升裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度。室內(nèi)實驗及現(xiàn)場微地震監(jiān)測結(jié)果為頁巖氣儲層壓后是否關(guān)井提供了可靠依據(jù)。

圖3 Y井第5段主壓裂停止時與停止后2 h微地震能量對比Fig.3 Comparison of micro-seismic energy at moment of stop pumping and after 2 h of finishing pumping of the 5th stimulated stage of well Y

對該井區(qū)A4平臺6口井進(jìn)行了中途關(guān)井,如圖4、5所示,關(guān)井前后產(chǎn)出特征具有明顯差異。重新開井后階段產(chǎn)氣量及套壓均高于關(guān)井前,一段時間內(nèi)階段產(chǎn)氣量是關(guān)井前的1.7～8.5倍,平均為3.3倍。油嘴尺寸不大于關(guān)井前的條件下,階段產(chǎn)氣量的大幅增加現(xiàn)象與Marcellus頁巖返排過程中重新開井后現(xiàn)象一致[7]。一方面由于關(guān)井期間地層壓力的恢復(fù),壓裂液的滲吸以及水化作用增加了主裂縫區(qū)氣相滲透率和儲層絕對滲透率;另一方面由于產(chǎn)氣過程中關(guān)井使氣體不斷在近井地帶聚集,導(dǎo)致近井含氣飽和度較高,開井后出現(xiàn)一定時間的高產(chǎn)。值得注意的是,重新開井后基本采用小于或等于關(guān)井前的油嘴尺寸進(jìn)行排液或生產(chǎn),氣井長期產(chǎn)氣量均高于關(guān)井前且基本保持平穩(wěn)或正常遞減。

在環(huán)境保護督察方面，問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是2016年1月以來，通過第一輪的督察，中央環(huán)境保護督察組形成了強大的震懾力。盡管如此，捂蓋子的事情在各地仍然杜絕不了，如浙江湖州隱瞞填埋死豬事件，就是在中央環(huán)境保護督察組的干預(yù)之下于2017年被揭開蓋子。有些地方把群眾舉報的案件說成是不屬實的比例太高，很多真相的暴露和責(zé)任的追究仍然依靠領(lǐng)導(dǎo)的重視和媒體的曝光。如何建立讓環(huán)境保護黨內(nèi)法規(guī)、國家法律法規(guī)自動啟動和全天候運行的機制，是一個值得法學(xué)界、法律界深入研究的問題。二是環(huán)境保護督察的作用如何常態(tài)化，克服一陣風(fēng)的缺陷，也是一個值得思考的問題。

圖4 該井區(qū)A4-1井返排曲線Fig.4 Flowback curve of well A4-1

圖5 中后期關(guān)井前后階段氣/液量及壓力變化Fig.5 Comparison of water and gas production and pressure changes before and after shut-in operation at mid-term and later period of flowback process

目前未發(fā)現(xiàn)針對性的關(guān)井措施對氣井產(chǎn)氣能力的不利影響,針對性關(guān)井有助于增加儲層絕對滲透率、氣相滲透率,提升頁巖氣井產(chǎn)氣能力期望值。

2 開井后兩相流階段性特征

返排過程一般會出現(xiàn)以液相流動為主的近似單相液流、氣液兩相流和以氣相流動為主的近似單相氣流3個階段[26-27]。Barnett、Marcellus以及Horn River地區(qū)部分頁巖氣井壓后返排過程中并未發(fā)現(xiàn)單相液流階段,而是直接出現(xiàn)氣液兩相流階段[28-29]。這可能與延長關(guān)井時間以及開井油嘴尺寸(5～6 mm)較大有關(guān),較大的油嘴尺寸短時間內(nèi)會增加支撐劑回流量,若儲層有效應(yīng)力較高,則會增加支撐劑嵌入程度及破碎幾率,不利于保障儲層改造效果。壓后關(guān)井期間,壓裂液在毛管力、滲透壓力以及剩余泵注壓力三者共同作用下進(jìn)入頁巖微細(xì)裂縫導(dǎo)致主裂縫區(qū)域含水飽和度下降,開井后主裂縫區(qū)域初始?xì)庀酀B流環(huán)境較好;開井油嘴尺寸較大使初始返排壓差較大,氣體相對于液體流動性更好,在較高差壓下容易快速突破,直接進(jìn)入氣液兩相流。

通過分析返排過程氣液流動規(guī)律發(fā)現(xiàn),該井區(qū)36口頁巖氣井返排過程均表現(xiàn)出上述3個階段,但呈現(xiàn)出兩種典型曲線類型。

類型一,如圖6所示。該類型包含3個階段:①首先是產(chǎn)液產(chǎn)氣同步增加(氣液同增);②隨后出現(xiàn)產(chǎn)氣增加伴隨產(chǎn)液降低,具有明顯的氣增液降特征(即氣增液降);③最后表現(xiàn)出產(chǎn)液產(chǎn)氣同步降低或趨于平穩(wěn)(即氣液同降或產(chǎn)出平穩(wěn))。36口井中有27口井在氣液兩相流階段表現(xiàn)出上述返排特征,占比75%。類型二,氣液同升同降取代類型一中的氣增液降特征,其余階段相似,如圖7所示。

圖6 兩相流階段氣增液降典型曲線(類型一)Fig.6 Representative curve of gas production increasing while water production decreasing during two phase flow process (type I)

圖7 兩相流階段氣液同升同降典型曲線(類型二)Fig.7 Representative curve of simultaneous production of gas and water during two phase flow process (type II)

返排過程是整個改造區(qū)域內(nèi)液相飽和度降低、氣相飽和度增加的過程。由氣液兩相流理論方程可知,氣相滲透率的增加是兩相流階段出現(xiàn)氣增液降特征的根本原因,

(1)

式中,vg為氣相流速,m/s;k為儲層絕對滲透率,10-3μm2;kg為氣相滲透率,10-3μm2;Krg為氣相相對滲透率;μg為氣體黏度,mPa·s;pg為氣相壓力梯度,MPa/m。

氣增液降特征點的出現(xiàn)一方面說明儲層改造效果隨著返排過程的進(jìn)行而逐漸體現(xiàn),另一方面說明地層供給能力充足。若兩相流階段只表現(xiàn)出氣液同升同降特征,說明產(chǎn)氣量的增加不是主要由于含液飽和度的降低而導(dǎo)致氣相滲透率的增加,而是更大程度上依賴于返排壓差的增加,一定程度上說明地層供給能力有限。這與產(chǎn)量數(shù)據(jù)相吻合,兩相流階段出現(xiàn)氣液同升同降特征的9口井中的7口(另外2口井生產(chǎn)時間未到1 a),首年累積產(chǎn)氣量為(1 022～1 880)×104m3,平均為1 444×104m3,均屬于三類氣井。

氣增液降特征點出現(xiàn)后的氣量變化趨勢一定程度上反映了裂縫網(wǎng)絡(luò)中含氣飽和度。出現(xiàn)氣增液降特征之后,在不改變油嘴尺寸的情況下,若產(chǎn)氣量先持續(xù)上升后趨于平穩(wěn),說明裂縫區(qū)供給較好,此類井累積產(chǎn)氣量期望值較高;若產(chǎn)氣量呈現(xiàn)下降趨勢,說明裂縫區(qū)供給較差,累積產(chǎn)氣量期望值相對較低。A區(qū)塊出現(xiàn)類型一的27口井中有9口井在特征點后出現(xiàn)氣量下降趨勢,其首年累積產(chǎn)氣量為(1 243～3 370)×104m3,平均為2 263×104m3,其余15口井出現(xiàn)氣量持續(xù)上升或趨于平穩(wěn),其首年累積產(chǎn)氣量為(2 028～5 165)×104m3,平均為2 918×104m3,另外3口井生產(chǎn)時間未到1 a。

若出現(xiàn)如圖6所示的特征曲線,可按照控壓、控速最大程度保持地層壓力的原則進(jìn)行正常排液測試或生產(chǎn)。若出現(xiàn)如圖7所示的特征曲線,建議采取關(guān)井措施,一方面恢復(fù)地層壓力,開井后能夠提供足夠的壓差;另一方面利用滲吸和頁巖水化作用提升部分區(qū)域氣相滲透率和儲層絕對滲透率,為氣體的流動提供良好的滲流環(huán)境。

3 返排率特征及液相支撐實驗

3.1 返排率特征

頁巖氣儲層壓后返排率低是區(qū)別于常規(guī)氣儲層、致密砂巖氣儲層的重要返排特征之一。這種低返排率現(xiàn)象普遍存在于國內(nèi)外頁巖氣井區(qū),數(shù)據(jù)顯示國外生產(chǎn)1 a后的壓裂液返排率為35%～62%[11],威遠(yuǎn)A井區(qū)31口井首年平均返排率為48.4%。目前對低返排率的機制認(rèn)識較為模糊,認(rèn)為頁巖氣儲層壓后返排率受到儲層天然裂縫發(fā)育程度、巖石組構(gòu)、儲層壓力系數(shù)、主壓裂施工參數(shù)、儲層改造程度以及排液制度等多種因素影響[5]。有研究認(rèn)為氣體在大孔道形成通道后,小孔道內(nèi)的液體被滯留在巖心內(nèi)部,導(dǎo)致大量液體無法排出[13],液體滯留可能來源于微細(xì)裂縫表面吸附作用[12]。

目前通常認(rèn)為頁巖儲層返排率相對較低的井產(chǎn)量更好,但是返排率低意味著儲層中含水飽和度高,從目前的滲流規(guī)律來看,過高的含水飽和度不利于氣相滲流。Song[30]認(rèn)為有固相支撐裂縫的導(dǎo)流能力過高和過低都會降低液體返排率。當(dāng)導(dǎo)流能力過高時,氣體會更快突破,氣體流動能力占優(yōu)勢,剩余液體更難排出;當(dāng)導(dǎo)流能力過低時,液體會滯留于遠(yuǎn)井地帶,若僅存在固相支撐裂縫,則返排率通常較高。

威遠(yuǎn)A井區(qū)31口井首年單位優(yōu)質(zhì)儲層改造長度累積產(chǎn)氣量與對應(yīng)返排率的關(guān)系如圖8所示,首年累積產(chǎn)氣量與測試產(chǎn)氣量關(guān)系如圖9所示。返排率既不是越低越好,也不是越高越好,大部分氣井累積產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出明顯的隨返排率的增加而先增加后降低的趨勢,說明存在最優(yōu)返排率使氣相滲透率最大化,最優(yōu)返排率對應(yīng)的是一種最優(yōu)返排策略。

圖8 首年單位優(yōu)質(zhì)儲層改造長度累積產(chǎn)氣量與返排率的關(guān)系Fig.8 Relationship between cumulative gas production per high quality stimulated length of 1st year and water recovery

圖9 首年累積氣量與測試產(chǎn)氣量的關(guān)系Fig.9 Relationship between cumulative gas production of 1st year and tested gas production

3.2 液相支撐實驗

相同供給能力條件下,經(jīng)典相滲理論可以解釋產(chǎn)氣量隨返排率的增加而增加的現(xiàn)象,而Ehlig-Economides等[31]提出的液相支撐假說則可以解釋返排率過高時產(chǎn)氣量隨返排率增加而降低的現(xiàn)象。液相支撐假說是指主壓裂后存在于頁巖儲層微細(xì)裂縫中的液體可能充當(dāng)了支撐劑的作用,使固體支撐劑無法進(jìn)入的微細(xì)裂縫,在一定條件下仍然保持滲透性。

為了驗證頁巖儲層液相支撐假說,采用龍馬溪組頁巖儲層巖心進(jìn)行室內(nèi)實驗。

由于難以準(zhǔn)確獲取頁巖巖心滲透率,實驗中從滲透率物理意義出發(fā),采用一定壓差下氣體流量表達(dá)巖心在不同含水飽和度下的滲透性,采用不同驅(qū)替壓力間接定性表達(dá)巖心含水飽和度,即驅(qū)替次數(shù)越多(一次驅(qū)替包含0.2、0.4、0.6、0.8 MPa 4種壓差),表示巖心含水飽和度越低。

首先獲取12 MPa圍壓下干巖心(直徑2.5 cm,長度5 cm巖柱)不同入口壓力條件下的氣體流量,然后將巖心懸掛在電子天平下部并放入盛裝蒸餾水的巖心杯內(nèi)進(jìn)行水化實驗。

水化155 h后取出巖心,在圍壓12 MPa條件下進(jìn)行連續(xù)驅(qū)替實驗,此時巖心含水飽和度為S1,氣相飽和度較低,流動性差,氣體流量明顯低于水化前干巖樣。如圖10所示,第一次驅(qū)替完成后,巖心含水飽和度降低為S2,此時巖心中氣相飽和度達(dá)到一定值,氣體流動阻力降低;第二次驅(qū)替過程氣體流量明顯高于干巖心,說明水化后巖心內(nèi)部孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)發(fā)生了有利變化[17,24],為流體提供了更多、更順暢的滲流通道,完成第二次驅(qū)替后,巖心含水飽和度降為S3;第三次驅(qū)替后,巖心含水飽和度降為S4,氣體流量低于第二次驅(qū)替,說明此時巖心內(nèi)部孔隙-裂縫發(fā)生了不利變化,孔隙-裂縫在圍壓作用下可能發(fā)生閉合[17]。完成第三次驅(qū)替后烘干巖心,烘干后巖心的氣體流量再次減少,且低于相同壓差下巖心水化前干巖樣氣體流量,表明巖心應(yīng)力敏感程度增加,說明常壓下的水化作用增加了巖心微細(xì)裂縫復(fù)雜程度,同時也增加了應(yīng)力敏感程度。

由圖10可知,相同驅(qū)替壓力下,氣體流量隨含水飽和度的降低而先增加后降低,含水飽和度為中值(S3)時氣體流量最大,說明該含水飽和度下液體對巖心中的微細(xì)裂縫起到了一定的支撐作用,這種支撐作用抵消了部分由應(yīng)力敏感引起的滲透性降低。實驗表明,頁巖巖心存在最優(yōu)含水飽和度使氣相滲透率最大,這與通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析得到的存在最優(yōu)返排率使產(chǎn)氣能力最大的認(rèn)識吻合,為解釋圖8中返排率過高時累積產(chǎn)氣量較低的現(xiàn)象提供了依據(jù)。

盡管頁巖氣儲層液相支撐實驗和認(rèn)識是初步的,但是為闡明頁巖水巖作用機制和返排率與產(chǎn)氣量的內(nèi)在關(guān)系提供了有益的思路。頁巖儲層壓后返排階段需要趨利避害,既要最大化利用頁巖水化作用提升裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度,又要適度降低微細(xì)裂縫中的含水飽和度,最大程度提升儲層氣相滲透率,提升氣井產(chǎn)氣能力期望值。

4 返排制度調(diào)整建議

頁巖儲層壓后返排應(yīng)以追求氣相滲透率最大化為最終目標(biāo),以“控壓、控速”為總原則?？貕阂环矫姹M可能保存地層壓力,為后期產(chǎn)出提供足夠的壓差,另一方面減小支撐劑回流幾率,同時讓裂縫緩慢閉合,降低支撐劑嵌入及破碎程度;返排前期的控速是控制返排速率,避免氣體過早突破導(dǎo)致主裂縫區(qū)(固體支撐裂縫區(qū))含水飽和度過高而含氣飽和度不足,氣相滲透率較低,影響氣井產(chǎn)能;后期適度增加返排速率,使微裂縫區(qū)(液相支撐裂縫區(qū))含水飽和度達(dá)到最優(yōu)值,使整個改造區(qū)域氣相滲透率最大化。

返排前期應(yīng)以低于支撐劑回流臨界流速、盡量保存地層壓力作為調(diào)整返排制度的階段目標(biāo)。前期返排速度過大會增加支撐回流和嵌入風(fēng)險,進(jìn)而影響主裂縫區(qū)絕對滲透率,且由于氣體的過早突破會降低主裂縫區(qū)的排水能力導(dǎo)致主裂縫區(qū)含水飽和度較高,降低該區(qū)域的氣相滲透率;地層壓力的降低會影響后期主裂縫及次裂縫區(qū)的排水效果,擴大水相圈閉范圍,最后導(dǎo)致有水排不出,有氣出不來。中后期應(yīng)以追求最佳含水飽和度作為調(diào)整油嘴尺寸的階段目標(biāo)。由于不同區(qū)域頁巖氣儲層微觀組構(gòu)及物性差異較大,目前頁巖水化程度及液相支撐能力未建立普適認(rèn)識,建議對目標(biāo)儲層取心進(jìn)行水化強度、液相支撐等頁巖特性室內(nèi)評價實驗,確定關(guān)井時間和最優(yōu)含水飽和度評價值。

5 結(jié) 論

(1)返排前一定時間的關(guān)井在頁巖水化作用下能夠提升頁巖儲層壓裂裂縫復(fù)雜程度及滲透性;返排過程中針對性關(guān)井,地層壓力恢復(fù)的同時能夠增加裂縫復(fù)雜程度及其含氣飽和度,提升氣相流動能力。根據(jù)實時返排特征,伺機中途關(guān)井有助于提高產(chǎn)氣量期望值。

(2)頁巖氣儲層壓后返排兩相流階段具有兩種典型特征。出現(xiàn)氣增液降特征點的氣井具有更高的產(chǎn)氣量期望值,且氣增液降特征點出現(xiàn)后的產(chǎn)氣量變化趨勢一定程度上反映了裂縫網(wǎng)絡(luò)中含氣飽和度以及累積產(chǎn)氣量期望值,可根據(jù)返排曲線特征在早期評估氣井產(chǎn)氣能力。

(3)由于頁巖氣儲層液相支撐現(xiàn)象的存在,其氣相滲透率不是含水飽和度的單調(diào)函數(shù)。頁巖氣儲層返排率既不是越低越好,也不是越高越好,而是存在最優(yōu)返排率使氣相滲透率最大化,但最優(yōu)返排率不是指某一特定的值,而是對應(yīng)了基于儲層特性的最優(yōu)返排策略。

(4)頁巖氣儲層壓后返排應(yīng)以追求氣相滲透率最大化為最終目標(biāo),以控壓、控速為總原則。返排前期應(yīng)盡量保存地層壓力,中后期應(yīng)以追求儲層最佳含水飽和度為目標(biāo)調(diào)整排液制度。