頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化
——以四川盆地涪陵頁巖氣田X1井組為例

朱海燕 宋宇家 唐煊赫 李奎東 肖佳林

1.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學3. 加拿大滑鐵盧大學地球與環(huán)境科學院 4. 中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院

0 引言

我國頁巖氣資源豐富，但目前卻普遍存在著儲層孔滲條件相對較差、開發(fā)成本高等問題[1-3]。為了控制成本、提高開發(fā)效果，經過長期實踐和探索，目前已經形成了一套較為完善的方法體系。該體系主要采用“水平井+體積壓裂”的開發(fā)工藝，配合“井工廠”的開發(fā)模式，一次性部署多口水平井，集中施工，集中投產[4-6]。在該開發(fā)模式下，合理控制井距、提高氣井控制范圍和儲層動用程度便顯得尤為重要。早期美國頁巖氣水平井間距較大，主要集中在400 m左右，后期經過優(yōu)化和加密，目前基本在200 m以內[7-9]。由于我國對頁巖氣井壓裂改造認識不足，導致初期井距過大，井間儲量難以動用[7,10]。目前我國蜀南地區(qū)頁巖氣藏水平井井距介于400～500 m，涪陵地區(qū)初始井距約600 m[10-12]。因此，需要在初期開發(fā)井網基礎上，通過部署加密井等方式合理減小井距，緩解頁巖氣田產能衰減、提高資源動用率，其中四川盆地涪陵頁巖氣田已從2014年開始進行加密井開發(fā)實驗研究[11-13]。

氣藏開發(fā)過程中，氣井生產會導致儲層壓力、地層應力狀態(tài)及孔滲條件動態(tài)變化，從而影響加密井水力壓裂裂縫擴展。Yang等[14]和Guo等[15-16]采用有限元方法，研究了頁巖氣井生產過程中不同水力裂縫參數(shù)及巖石力學參數(shù)對儲層應力變化的影響。Ren等[17-18]結合離散元方法，考慮了天然裂縫的影響。Moradi等[19]采用基于離散裂縫模型和有限元模型的滲流—地質力學耦合方法，發(fā)現(xiàn)裂縫型儲層生產過程中，孔隙壓力降低會減小裂縫寬度及滲透率。Gupta等[20]采用有限元法、Safari等[21]結合邊界元與有限差分方法，發(fā)現(xiàn)均質氣藏多裂縫水平井生產過程中會對地層應力場產生影響，使加密井水力裂縫發(fā)生偏轉。Yang等[22]結合有限差分模型和離散元模型，分析了地應力動態(tài)演化條件下，加密井水力壓裂裂縫非對稱擴展情況。Gonzalez等[23-24]結合現(xiàn)場壓裂微地震數(shù)據(jù)，驗證了老井生產對加密井水力裂縫擴展的影響。同時，加密井的部署與壓裂改造不是單井問題，在一定井距和壓裂改造規(guī)模下，還存在著井間干擾的問題。Morales等[25-27]的研究結果表明，當井間距過小時，加密井壓裂裂縫會受“Frac-hit”效應影響，削弱加密井壓裂增產效果，同時降低老井產能。因此，在現(xiàn)有井網條件下，部署加密井時必須同時考慮老井生產過程中地層力學狀態(tài)和物性條件變化以及加密井與老井之間的干擾作用。

不同的生產時間、地層條件以及老井和加密井井間干擾作用是動態(tài)變化的，因而優(yōu)選合理的加密井壓裂時機就顯得尤為重要。Roussel等[28]采用邊界元與有限元相結合的方法，模擬了生產過程中地應力狀態(tài)變化及其對加密井裂縫擴展的影響，認為老井間地應力全部發(fā)生轉向時為最佳加密井壓裂時機。但上述模型只考慮了單一裂縫，未考慮天然裂縫、儲層非均質性及解吸擴散等特殊氣體流動情況。Pichon等[9]結合UFM水力裂縫擴展模型及有限元力學模型，系統(tǒng)研究了不同加密時機下，加密井和老井產量變化情況，認為加密井壓裂時機越早，對老井和加密井產能影響越小，但其采用的是擬三維裂縫擴展模型，無法模擬真三維條件下裂縫擴展。Kumar等[29]結合位移不連續(xù)法與有限體積法，探討了老井生產對加密井水力壓裂裂縫的影響，研究結果表明，加密時機越晚，加密井水力裂縫非對稱性越嚴重，開發(fā)效果越差，但該模型中水力裂縫為單一裂縫，未考慮復雜裂縫擴展。

加密井壓裂時機的優(yōu)選是一個復雜的過程，其目的是發(fā)揮加密井的最大產能，同時減小加密井開發(fā)對老井產能的負面影響，因而需要綜合考慮老井生產過程中地層條件變化、水力壓裂復雜裂縫非均勻擴展、加密井與老井的井間干擾等，而目前國內針對這一問題的系統(tǒng)性研究成果則鮮見。為此，筆者以四川盆地涪陵頁巖氣田X1井組為例，結合儲層非均質性和天然裂縫分布特征，建立頁巖氣藏滲流—地質力學耦合條件下地應力演化及復雜裂縫擴展的多物理場模型，在地應力動態(tài)演化模擬的基礎上，模擬加密井水力裂縫擴展形態(tài)、加密井及井組開發(fā)效果，進而優(yōu)選頁巖氣藏加密井最佳的壓裂時機。

1 頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化模擬

由于我國早期對頁巖氣儲層改造認識不足，在設計水平井井間距時過于保守，導致采收率和經濟開發(fā)效益較低。為了縮短頁巖氣井投資回收期、增加凈現(xiàn)值，加密井部署成為目前我國頁巖氣藏有效開發(fā)的重要措施。然而，頁巖氣開采過程中儲層孔隙壓力和地應力動態(tài)非均勻變化會影響加密井水力裂縫擴展及儲層產能發(fā)揮，因此，優(yōu)選最佳的加密井壓裂時機成為保證改造效果的關鍵。

1.1 頁巖加密井壓裂時機優(yōu)化模擬方法

綜合考慮頁巖氣井生產過程中地層條件變化及其對水力壓裂裂縫擴展和氣井產能的影響，筆者提出一套頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化模擬方法。該方法主要包含：儲層綜合三維地質模型建立、老井水力壓裂裂縫擴展模擬、儲層四維地應力動態(tài)演化模擬、加密井水力壓裂裂縫擴展模擬及加密井壓裂方案優(yōu)選共5個部分（圖1）。該方法通過成像測井、巖心描述和露頭裂縫描述等建立頁巖氣儲層天然裂縫的離散裂縫模型，結合井層數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、巖石力學、孔滲參數(shù)等，建立考慮儲層天然裂縫、巖石力學參數(shù)和物性參數(shù)等的三維地質模型；在此基礎上，根據(jù)老井水力壓裂施工數(shù)據(jù)和微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展老井水力壓裂數(shù)值模擬，得到老井水力壓裂的復雜裂縫形態(tài)及參數(shù)；基于地質模型、老井水力壓裂復雜裂縫模擬結果和實際生產數(shù)據(jù)，開展頁巖氣藏滲流—地質力學耦合模擬研究，得到頁巖氣藏孔隙壓力及地應力演化結果；結合耦合模擬結果，建立頁巖氣加密井水力壓裂復雜裂縫擴展模型，揭示加密井復雜裂縫擴展規(guī)律，優(yōu)化加密井改造方案和參數(shù)；對比加密井不同壓裂時間裂縫擴展形態(tài)，預測氣井產量變化，優(yōu)選最佳加密井壓裂時機。該方法可系統(tǒng)地優(yōu)化加密井壓裂施工參數(shù)，優(yōu)選壓裂時間窗口，為我國頁巖氣加密井開發(fā)提供有效的理論依據(jù)和方法指導。

圖1 頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化模擬方法圖

1.2 模型建立與驗證

1.2.1 三維地質模型建立

以我國四川盆地涪陵頁巖氣田產能建設區(qū)X1井組為例，其主要產層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，該層有機質豐度高、巖石脆性好、天然裂縫發(fā)育，有利于形成復雜裂縫網絡，達到高產效果[30]。該井組包括1口加密井（X2H）及相鄰4口老井（X1-1H、X1-2H、X1-3H、X1-4H），其井位分布及各井鉆遇層位情況如圖2所示。該井組主力層為1、3、4號層，井間距260～360 m。區(qū)域東西向（X方向）距離3 030 m，南北向（Y方向）4 650 m，儲層頂界深度（龍馬溪組9號層頂面）介于2 383.4～2 576.5 m，儲層總厚度96.5～163.0 m。

圖2 X1井組井位分布圖

該地區(qū)儲層致密，地層基質滲透率主要介于0.001 5～5.71 mD，平均值約0.25 mD，孔隙度主要介于3%～6%，平均值約4.61%。受地層天然裂縫發(fā)育影響，該地區(qū)地層巖石力學參數(shù)具有較強的各向異性。實驗結果表明：該地區(qū)頁巖水平方向和垂直方向楊氏模量分別介于32～37 GPa和18～30 GPa，水平和垂向泊松比分別介于0.23～0.29和0.13～0.17，水平楊氏模量和泊松比均大于垂向[31-33]。該地區(qū)垂向主應力（σv）、水平最大主應力（σHmax）和水平最小主應力（σHmin）梯度分別介于2.17～2.28 MPa/100 m、2.29～2.40 MPa/100 m和1.98～2.08 MPa/100 m，屬于走滑斷層機制?；谠摰貐^(qū)實際地質和巖石力學數(shù)據(jù)，建立井區(qū)三維地質屬性模型。

目標區(qū)域儲層構造裂縫和層理裂縫發(fā)育，天然裂縫分布參數(shù)如表1所示，可以看出，該儲層天然裂縫以層理縫為主。采用基于增強Baecher模型的離散裂縫建模方法，可得到X1井組儲層天然裂縫的三維離散裂縫模型[34-35]。

表1 目標區(qū)域天然裂縫分布統(tǒng)計結果表

由于離散裂縫模型通常采用非結構網格劃分，其過程復雜、計算量大，影響計算精度[36-37]。因此，筆者采用Oda方法將離散裂縫投影到地層網格上，構建裂縫屬性模型，參與滲流—地質力學耦合計算。計算結果表明：儲層裂縫孔隙度為0.05%～0.10%；裂縫等效水平滲透率介于0.01～0.05 mD，等效垂向滲透率介于0.000 5～0.005 0 mD，水平滲透率明顯大于垂向，儲層天然裂縫滲透率具有較強的各向異性。

1.2.2 老井水力壓裂裂縫擴展模擬及驗證

該地區(qū)頁巖地層天然裂縫發(fā)育，壓裂改造過程中水力裂縫能溝通儲層天然裂縫，形成復雜的非平面、非對稱的網狀裂縫[38-39]。本文中水力壓裂裂縫擴展模型在離散裂縫模型基礎上進行了簡化和修正。該模型根據(jù)地層網格模型力學屬性，計算離散裂縫應力狀態(tài)，結合水力壓裂施工壓力、液量等參數(shù)，同時考慮縫內摩阻和濾失，計算裂縫拉張擴展和剪切破壞。對于拉張裂縫，當天然裂縫縫內孔隙壓力大于裂縫法向應力時，裂縫開啟。通過Secor和Pollard方法，計算裂縫寬度；再根據(jù)質量守恒定律和縫內液體體積，得到裂縫擴展距離，通過迭代計算水力主裂縫和分支擴張裂縫擴展形態(tài)[40]。當天然裂縫滿足Mohr-Coulomb失效準則時，發(fā)生剪切破壞，形成剪切裂縫，但該模型不計算裂縫滑移量，各剪切裂縫尺寸和滲透率與原始天然裂縫相同。水力主裂縫沿最大主應力方向開啟，裂縫參數(shù)計算方法與擴張裂縫相同。

表2為平臺4口老井的壓裂參數(shù)，其中平均每個壓裂段3個射孔簇，射孔簇間距平均約28 m，各段施工排量平均約14 m3/min。水力壓裂裂縫模擬產生水力主裂縫、分支擴張裂縫和剪切自支撐裂縫，如圖3所示。其中水力主裂縫為水力壓裂所形成的主裂縫，張開的天然裂縫與水力主裂縫相連形成分支擴張裂縫，剪切自支撐裂縫是因天然裂縫剪切失效而產生，裂縫擴展范圍統(tǒng)計結果如表3所示?？梢钥闯觯核χ髁芽p范圍較小，分支擴張裂縫及剪切自支撐裂縫范圍較大且剪切自支撐裂縫數(shù)量明顯大于分支擴張裂縫。

表2 目標區(qū)域老井壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計表

圖3 目標區(qū)域老井水力壓裂復雜裂縫擴展形態(tài)圖

表3 目標區(qū)域老井水力壓裂裂縫擴展模擬結果統(tǒng)計表

由于該平臺4口老井壓裂過程中未進行微地震監(jiān)測，因此本文中參考其鄰井X3-3H井壓裂微地震監(jiān)測結果進行驗證。該井主要層位為1～3號小層，儲層特征參數(shù)與目標區(qū)域相似，壓裂施工28段，每段施工液量平均約2 037 m3，支撐劑用量平均約51 m3。該井壓裂微地震事件分布如圖4所示，各段改造長度介于230～480 m，改造寬度約70～180 m，改造高度30～80 m，與目標區(qū)域4口老井壓裂模擬結果較為吻合。

圖4 X3-3H井水力壓裂微地震事件點分布圖

采用Oda法將水力裂縫投影到地質網格上，生成水力裂縫等效滲透率張量，其中主方向滲透率kxx、kyy、kzz介于10～250 mD，明顯高于基質和天然裂縫。受地應力狀態(tài)影響，水力主裂縫為垂向裂縫，且沿東西向展布，水力分支裂縫由高角度構造裂縫和低角度層理裂縫擴張形成，因此，水力壓裂裂縫對儲層X方向和Z方向上滲流條件起到較好的改善作用。

1.2.3 滲流—地質力學耦合模型建立與驗證

針對頁巖孔隙流體滲流特征，本文中氣藏滲流模擬采用雙孔—雙滲模型，基質中頁巖氣流動方式以解吸和擴散為主，裂縫中則以滲流為主。因此，上文中計算所得天然裂縫及水力壓裂裂縫的孔滲屬性可作為滲流模型裂縫網格屬性參與運算。為了避免全耦合模擬中由于地層非均質性和各向異性等帶來的收斂性問題，提高運算效率，本文模型采用順序耦合方式完成滲流—地質力學耦合模擬。利用Eclipse氣藏模擬軟件建立目標區(qū)塊氣藏滲流模型，計算地層孔隙壓力變化；采用Abaqus有限元軟件平臺建立區(qū)塊地質力學模型，以孔隙壓力為邊界條件，計算地層位移及應力變化。受天然裂縫分布和地應力變化影響，頁巖氣藏生產過程中，地層滲透率應力敏感效應存在各向異性特征，因此模型中參考Li等[41]研究所得滲透率應力敏感方程和參數(shù)，通過Abaqus軟件接口嵌入該應力敏感模型程序，模擬生產過程中地層滲透率變化。

由于氣藏模擬器采用角點網格模型，有限元模擬器采用有限元網格模型，因此，筆者采用網格映射策略子程序，通過球形自適應搜索算法實現(xiàn)不同平臺間網格數(shù)據(jù)轉換[42-43]。

該區(qū)域X1-1H、X1-2H、X1-3H及X1-4H井從2013年12月開始相繼投產，而加密井于2018年6月進行壓裂投產。因此，筆者結合這4口老井2013年12月—2018年6月共54個月的實際生產數(shù)據(jù)，進行了滲流—地質力學耦合模擬，模型相關參數(shù)設置見表4?？紤]模型運算精度及計算效率，滲流模型中網格平面尺寸為5 m×5 m，垂向網格尺寸根據(jù)各層位厚度劃分，平均網格高度為2 m；應力模型中網格平面尺寸為10 m×10 m，網格高度平均為5 m。

采用定產量擬合井口壓力方式進行滲流—地質力學耦合，圖5為X1-4H井生產數(shù)據(jù)擬合結果?？梢钥闯?，該井初期產量較高，井口壓力下降較快，但后期有相對較長的穩(wěn)產期。該井擬合井口壓力與實際生產井口壓力平均誤差為8.06%，壓力擬合效果較好。

對比老井生產前后WF1儲層孔隙壓力分布（圖6-a），可以看出，隨著氣井生產，井筒附近呈現(xiàn)明顯的壓降漏斗。由于頁巖儲層致密，基質滲透率低，裂縫波及范圍之外的儲層壓降較小。目標區(qū)域試井資料顯示（表5）：X1-2和X1-3井生產43個月，井底壓力下降24～27 MPa，加密井X2H井底壓力與初始地層壓力相比下降約4.5 MPa，與模擬結果誤差均在3%以內。

表4 目標區(qū)域模型主要參數(shù)表

圖5 X1-4H井生產歷史擬合結果圖

受地層孔隙壓力變化影響，地層三向地應力狀態(tài)均發(fā)生變化。圖6-b為老井生產前后WF1儲層最小水平主應力分布，可以看出，最小水平主應力在開采過程中不斷降低，且在各生產井近井筒處下降幅度最大，介于8～10 MPa，在加密井X2H井處有小幅下降，介于3～5 MPa。垂向應力、最大水平主應力變化規(guī)律與最小水平主應力相似，但下降程度均小于最小水平主應力。

圖6 目標區(qū)域WF1儲層孔隙壓力、最小水平主應力分布圖

表5 目標區(qū)域部分井試井測試井底壓力與模擬井底壓力對比結果表

1.2.4 加密井水力壓裂裂縫模擬及驗證

加密井X2H于2018年6月進行水力壓裂施工，該井共施工27段，各段施工液量與老井相近，平均為1 898 m3，平均每段支撐劑用量61.8 m3，平均施工排量13.0～14.5 m3/min，平均砂比7.84%，平均施工壓力60～75 MPa。結合氣藏滲流—地質力學耦合模擬所得地應力場，開展加密井X2H水力壓裂復雜裂縫擴展模擬，裂縫擴展計算模型與老井相同。

圖7為加密井X2H水力壓裂復雜裂縫擴展形態(tài)模擬結果與實測微地震事件分布對比，表6為加密井X2H壓裂模擬裂縫擴展范圍及現(xiàn)場微地震監(jiān)測統(tǒng)計結果。與老井水力壓裂裂縫相比，加密井水力主裂縫、分支擴張裂縫、剪切自支撐裂縫尺寸均較小，其中水力主裂縫縫長與老井相比減小20～30 m，分支擴張裂縫范圍長度減小40～50 m，剪切自支撐裂縫范圍長度減小10～25 m。同時，加密井分支擴張縫主要集中在近井筒地帶，特別是層理擴張裂縫，而老井分支擴張縫分布較為均勻。加密井壓裂模擬裂縫擴展形態(tài)和擴展范圍與現(xiàn)場微地震監(jiān)測結果較為吻合，進一步驗證了加密井復雜裂縫擴展模擬的可靠性。

1.2.5 加密井產能模擬及驗證

根據(jù)加密井水力壓裂裂縫擴展模擬結果，采用Oda法計算加密井水力裂縫等效裂縫孔隙度和滲透率屬性，并將其導入氣藏模型中，擬合該井投產后9個月的生產數(shù)據(jù)，擬合結果如圖8所示。與老井相比，加密井產量較高，但井口壓力下降較為明顯。與實際井口壓力相比，該井模擬井口壓力平均誤差為5.88%，擬合效果較好。

圖7 X2H井復雜裂縫擴展形態(tài)與實測微地震事件對比圖

表6 X2H井壓裂模擬裂縫與實際微地震監(jiān)測結果對比表

圖8 加密井生產歷史擬合結果圖

2 加密井壓裂時機優(yōu)化

水平井壓裂過程中，改造效果影響因素很多，但通常射孔簇間距和施工液量對裂縫擴展形態(tài)及儲層產能發(fā)揮影響最為明顯[9,44]。為保證加密井壓裂時機優(yōu)選可靠性，減小因施工參數(shù)選取不當對加密時機優(yōu)選帶來的不利影響，筆者以目標區(qū)域已有加密井X2H為例，在該井實際壓裂施工時（井組生產54個月）地層應力及孔隙壓力基礎上，對加密井射孔簇間距和施工液量進行優(yōu)選，再結合最優(yōu)的加密井施工參數(shù)，進行加密井壓裂時機優(yōu)化。

2.1 加密井壓裂施工參數(shù)優(yōu)選

2.1.1 射孔簇間距優(yōu)選

根據(jù)實際施工效果，提出5種射孔簇間距方案：10 m、15 m、20 m、25 m、30 m，設計液量為每簇650 m3（表7），施工排量14.0 m3/min，平均砂比8%，施工壓力70 MPa。結合井組生產54個月時地層應力和孔隙壓力，假設每個射孔簇處水力主裂縫均勻開啟，加密井水力壓裂分支擴張裂縫形態(tài)模擬結果如圖9-a所示。表8為加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計結果，可以看出，各射孔簇間距下水力主裂縫尺寸相同，分支擴張裂縫和剪切自支撐裂縫擴展范圍相近；當射孔簇間距減小時，水力壓裂改造體積和裂縫密度增加，地層改造更加充分；但當射孔簇間距小于15 m后，裂縫密度增加速率明顯降低。

表7 加密井不同射孔簇間距模擬參數(shù)對比表

采用氣藏滲流模型預測加密井投產后3年產量變化，模型采用定井底壓力5 MPa生產，對比不同射孔簇間距條件下加密井水力壓裂改造效果。圖10-a、b和c分別為不同射孔簇間距條件下加密井日產氣量、加密井累計產氣量及井組累計產氣量對比結果?？梢钥闯觯用芫跗诋a量較高，但由于頁巖滲透率極低，產量遞減較快，后期低產下穩(wěn)定期較長[7,11]；生產500天以后，各射孔簇間距條件下加密井日產量基本相同；當簇間距減小時，加密井初期日產氣量和累計產氣量增大，壓裂改造效果提高；但射孔簇間距較小時，由于分支裂縫重疊及串通，使裂縫密度增加量減小，影響壓裂改造效果。由于目前井間距較大，現(xiàn)有加密井改造規(guī)模對鄰井影響相對較小，井組累計產氣量變化規(guī)律與加密井相同（圖10）。因此，較小簇間距有助于提高壓裂后產氣量，但同時增加了施工成本。為了優(yōu)選最為經濟有效的施工參數(shù)，本文對比了平均每個射孔簇3年累計產氣量（圖10-d），可以看出當射孔簇間距為15 m時，每個射孔簇累計產氣量最高，壓裂改造經濟性最優(yōu)。因此，筆者優(yōu)選15 m為最佳射孔簇間距方案。

2.1.2 每簇壓裂施工液量優(yōu)選

在優(yōu)選的15 m射孔簇間距基礎上，研究不同施工液量對壓裂效果的影響。提出5種每簇施工液量方案：200 m3、350 m3、500 m3、650 m3和800 m3（表9），模擬條件與上文中射孔簇間距優(yōu)選模型相同。加密井水力壓裂分支裂縫擴展模擬結果如圖9-b所示，表10為加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計結果。可以看出，隨著施工液量的增加，水力壓裂裂縫擴展范圍、壓裂改造體積和裂縫密度均增加；但當每簇施工液量過大時，裂縫范圍、壓裂改造體積及裂縫密度增加量逐漸減小。

對比不同每簇施工液量條件下水力壓裂改造效果，模擬條件與上文中射孔簇間距優(yōu)選氣藏滲流模型相同。圖11-a、b和c分別為加密井日產氣量、加密井累產氣量及井組累產氣量對比結果。隨著施工液量的增大，加密井和井組產量增加，但施工液量過大時，裂縫密度增加量減小，壓裂液效率降低?？紤]壓裂施工經濟有效性，本文對比了加密井每立方米壓裂液3年累計增氣量（圖11-d），當每簇施工液量350 m3時，每方壓裂液累計增氣量最高，增產效果最優(yōu)。因此，優(yōu)選350 m3為最佳每簇壓裂液量方案。

2.2 加密井壓裂時機確定

在最優(yōu)的加密井射孔簇間距和水力壓裂施工液量基礎上，優(yōu)選加密井壓裂時機。由于不同時間氣藏開發(fā)程度不同，導致地層孔隙壓力和應力條件發(fā)生變化，影響水力壓裂裂縫擴展形態(tài)以及加密井和鄰井產能發(fā)揮。因此，加密井加密壓裂時機的選擇應同時考慮水力裂縫擴展、加密井壓裂改造效果及井組產能影響。

2.2.1 不同時機加密井壓裂裂縫擴展對比

采用15 m射孔簇間距和每簇350 m3壓裂液量的施工方案，對比該井組生產12個月、24個月、36個月和54個月時加密井壓裂裂縫擴展形態(tài)（圖9-c）。結果表明，生產12個月時，加密井壓裂分支擴張裂縫分布較為均勻，且主要以高角度構造裂縫形成的分支擴張裂縫為主；隨著壓裂時機的推遲，裂縫網絡前端（靠近老井處）分支裂縫逐漸減少，加密井井筒周圍則逐漸增加，特別是低角度層理縫形成的分支擴張裂縫。

表11為各壓裂時間下加密井水力壓裂裂縫模擬統(tǒng)計結果?？梢钥闯?，壓裂時間越晚，水力壓裂裂縫擴展范圍和壓裂改造體積越小，裂縫密度越大。隨著壓裂時間的推遲，分支裂縫逐漸集中在加密井井筒附近，增加了井筒附近裂縫復雜度，但限制了裂縫長度方向延伸，使得改造體積減小，裂縫密度增加。

圖9 不同簇間距、每簇液量、壓裂時機下加密井分支擴張裂縫展布形態(tài)圖

頁巖地層水力壓裂過程中，天然裂縫產狀和地應力條件對裂縫擴展有至關重要的作用。該地區(qū)主要發(fā)育高角度構造裂縫和低角度層理縫，在壓裂施工過程中，水平兩向應力差越小，越有利于構造縫開啟，而垂向應力差（垂向應力與最小水平應力之差）越小，越有利于層理縫開啟[45-46]。在生產過程中，老井水力裂縫控制范圍內的地層孔隙壓力降低，導致該區(qū)域水平兩向應力差和垂向應力差增大，不利于天然裂縫的開啟。

圖12為加密井壓裂時各鄰井天然氣采出情況，過加密井X2H井第70簇做X1-2H和X1-3H井之間WF1儲層截面的應力差剖面，如圖13所示?？梢钥闯觯斷従烊粴獠沙龀潭忍岣邥r，兩向應力差非線性增加。生產12個月時，由于只有X1-4H井生產，其余井井筒處地層應力基本保持原地應力狀態(tài)；生產24～54個月時，老井X1-2H和X1-3H井筒處垂向應力差和水平應力差明顯大于加密井X2H井筒處。隨著生產時間的增加，老井水力裂縫擴展區(qū)域內垂向應力差和水平應力差逐漸增大，而加密井處變化不大，從而導致加密井壓裂時間越晚時，井筒處分支擴張裂縫逐漸增多，而水力裂縫網絡前端的分支裂縫逐漸減少。

表8 不同簇間距下加密井水力壓裂裂縫擴展范圍統(tǒng)計結果表

圖10 不同射孔簇間距條件下加密井水力壓裂改造效果圖

表9 加密井不同施工液量模擬參數(shù)對比表

2.2.2 不同壓裂時機加密井壓后產能對比

對比不同壓裂時機加密井改造效果，模擬2013年12月—2021年6月各井產量變化。為了減低老井生產制度變化對井組整體產量的影響，氣藏模擬中4口老井在有生產數(shù)據(jù)的時間內（2013年6月—2019年2月），采用定產量生產，之后采用定井底壓力生產，而加密井從投產時即采用定井底壓力生產，井底壓力為5 MPa。圖14-a、b和c分別為不同時間加密井壓裂改造后日產氣量、累計產氣量及井組累計產氣量變化情況?？梢钥闯?，加密井壓裂時間越早，其初始產量越高；井組生產12個月部署加密井時，其壓裂后初期累計產量較高，但后期累產小于生產24個月加密。而從井組累計產量變化（圖14-c）可以看出，井組生產36個月部署加密井時，井組后期累計產量最高。

表10 不同每簇施工液量下加密井水力壓裂裂縫擴展范圍統(tǒng)計結果表

圖11 不同每簇施工液量條件下水力壓裂改造效果圖

表11 不同壓裂時機下加密井水力壓裂裂縫擴展范圍統(tǒng)計結果表

圖12 不同生產時間老井天然氣采出量圖

頁巖儲層壓力、水力壓裂改造范圍和改造裂縫密度是頁巖氣加密井開發(fā)效果的重要影響因素。由于頁巖儲層滲透率極低，儲層壓力變化與井間距離、裂縫控制范圍及老井生產狀況有關。通常加密時機越早，地層采出程度越低，地層能量衰減越小，垂向應力差及水平應力差變化程度越小。對于本文目標區(qū)域，井組生產時間小于24個月時，加密井區(qū)域地層能量受老井生產影響較小，初期產量變化不大，水力壓裂分支擴張裂縫擴展范圍相對較大，但裂縫密度相對較低，穩(wěn)產效果不理想，導致加密井產量遞減較快，開發(fā)效果不佳。生產36個月時，水力壓裂改造范圍減小，但分支裂縫數(shù)量增加，裂縫密度增大，能夠充分發(fā)揮未動用區(qū)域產能，同時對鄰井產能影響較小，從而使井組整體開發(fā)效果較好。生產54個月加密時，老井井間未動用區(qū)域縮小，地層壓力衰減較大，加密井后期產量難以保障。因此，對于該井組，生產36個月進行加密井壓裂時產量效果最佳。

圖13 不同生產時間應力差剖面圖

對于不同頁巖儲層，由于儲層物性、老井井間距離、改造規(guī)模、壓裂裂縫密度及生產制度不同，加密時機難以統(tǒng)一劃定，但可以通過各井區(qū)地層參數(shù)、地層壓力變化等，結合本文頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化方法，優(yōu)選最佳加密井壓裂時機。

3 結論

1）針對涪陵頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)狀及井網加密需求，系統(tǒng)考慮儲層物性和力學參數(shù)的非均質性和各向異性、天然裂縫發(fā)育特征，提出了一套頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化方法，該方法通過模擬老井長期生產過程中地層孔隙壓力及地應力狀態(tài)變化，在此基礎上研究加密井壓裂復雜裂縫擴展，預測壓后產量變化，優(yōu)選加密井壓裂參數(shù)及壓裂時機，有效指導加密井部署與壓裂施工。

2）當加密井射孔簇間距減小、每簇施工液量增大時，水力壓裂改造體積、裂縫密度增大，壓后產量提高；但簇間距過小、每簇施工液量過大時，會導致分支裂縫串通和重疊，降低壓裂液效率，影響壓后產能；對于本文目標區(qū)域，當射孔簇間距為15 m，每簇施工液量為350 m3時，壓裂施工最為經濟有效。

3）在優(yōu)選的射孔簇間距和施工液量基礎上，加密時機越晚，受地層地應力變化影響，加密井分支裂縫逐漸集中在井筒附近，導致壓裂改造范圍減小，裂縫密度增加；結合地層孔隙壓力影響，加密時機越晚，加密井初期產量越低；但由于加密井裂縫擴展、地層壓力變化及井間干擾等因素的綜合影響，目標井組生產36個月部署加密井時，井組累計產氣量最高，加密井壓裂改造綜合效果最優(yōu)，該研究方法也同樣適用于其他頁巖氣藏加密井壓裂時機優(yōu)化。