川南地區(qū)頁巖氣射孔地質工程一體化技術研究

任國輝,趙昕迪,陸應輝,李妍僖,胡寒,聶靖雯

(中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021)

0 引 言

圖1 斯倫貝謝公司地質工程一體化思路

四川盆地南部地區(qū)頁巖氣資源量豐富,具有大面積、低豐度連續(xù)分布特點,開發(fā)潛力巨大[1]。但頁巖以納米級孔隙和納達西級滲透率為主[2-3],無自然產能,屬于典型人造氣藏,必須采用水平井和大規(guī)模體積壓裂技術[4-6]才能實現頁巖氣商業(yè)化開發(fā)。為實現川南地區(qū)頁巖氣高效開發(fā),提出了地質工程一體化的理念[7]。地質工程一體化就是圍繞提高平均單井產能,以三維模型為核心、以地質—儲層綜合研究為基礎,在油氣藏勘探開發(fā)的不同階段,針對遇到的關鍵性挑戰(zhàn),開展具有前瞻性、針對性、預測性、指導性、實效性和時效性的動態(tài)研究和及時應用。配合有效的組織管理和作業(yè)實施,對鉆井、固井、壓裂、試采、生產等多學科知識及工程作業(yè)經驗進行系統(tǒng)性積累,對鉆井、壓裂等工程技術方案進行不斷調整和完善,在區(qū)塊、平臺和單井這3種尺度,分層次、動態(tài)地優(yōu)化工程效率與開發(fā)效益,實現提產增效的中長期目標?；诘刭|工程一體化理念,吳奇等[7]首先提出了“品質三角形”,以及基于此的針對中國南方海相頁巖氣開發(fā)的地質工程一體化實施的技術路線。胡文瑞[8]針對低品質油氣資源,提出了地質工程一體化是實現低品位資源高效開發(fā)的必由之路。黃浩勇等[9]針對長寧頁巖區(qū)塊地質特點和面臨的難點,開展了長寧區(qū)塊頁巖氣水平井組地質工程一體化研究。

射孔是國內外廣泛使用的完井方法。針對頁巖氣等非常規(guī)油氣藏,通常采用橋塞射孔聯(lián)作技術。在縱向上,射孔孔眼不僅僅是油氣進入井筒的通道,還是壓裂液體系進出地層的唯一通道,直接影響和決定了壓裂改造效果;在橫向上,分簇射孔需要通過橋塞把水平井分成若干段和簇,實現集中改造、重點突破。為更好地發(fā)揮射孔的作用,為頁巖氣藏高效壓裂提供孔道條件和分段條件,提出了為改造而射孔、橋射聯(lián)作保壓裂的新理念。

最大化橋塞射孔聯(lián)作效果,融入頁巖氣地質工程一體化的開發(fā)模式,提出了射孔地質工程一體化概念。緊密結合地質特征(總有機碳含量、脆性、地應力、層理、裂縫等)和工程參數(施工排量、液量、固井質量、套管接箍等),以地質優(yōu)化為目的、工程實現為約束,通過“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,為油氣井“量身定制”優(yōu)化的射孔參數和射孔工藝,提升壓裂裂縫復雜程度、降低施工壓力、控制裂縫起裂及延伸,提高頁巖氣井單井產量和估算的最終可采儲量。

1 射孔地質工程一體化研究內容及思路

1.1 技術現狀

目前,射孔作業(yè)方重心在現場施工,僅僅完成了“工程意義上的射孔”,很少介入分段、分簇、射孔參數優(yōu)化、射孔工藝優(yōu)化、作業(yè)效果評價等“地質意義上的射孔”。射孔地質工程一體化要求在施工作業(yè)前開展具有前瞻性、針對性、指導性的射孔優(yōu)化研究并實施;施工作業(yè)后開展全面、科學的射孔效果評價,并對射孔參數和工藝進行持續(xù)優(yōu)化(見圖1)。射孔地質工程一體化理論和實踐在中國處于萌芽狀態(tài)。斯倫貝謝公司等國際大公司采用地質工程一體化思路,在多個非常規(guī)油氣區(qū)塊開展了地質模型、地質力學模型和壓裂模型的三維建模技術研究,形成一套Mangrove軟件,根據每口井的地質工程資料,完成分段分簇射孔優(yōu)化設計。

1.2 研究內容

頁巖氣射孔地質工程一體化主要研究內容是充分利用射孔、物探、測井、錄井、壓裂等專業(yè)知識,實現分段、分簇、射孔參數、射孔管柱、施工工藝等5個方面的優(yōu)化(見圖2)。中國頁巖氣射孔參數優(yōu)化大都借鑒北美的經驗,還沒有真正和油藏、壓裂相結合。射孔管柱優(yōu)化和施工工藝優(yōu)化由射孔作業(yè)方完成,射孔作業(yè)方都做了相應的工作,但是智能化及信息化方面比較薄弱。針對頁巖氣射孔作業(yè)監(jiān)測及作業(yè)效果評價的研究很少,極大地影響了整個射孔地質工程一體化技術的進步?；诖?射孔地質工程一體化必須考慮分段優(yōu)化和分簇優(yōu)化。

圖2 射孔地質工程一體化研究內容

1.3 研究思路

通過對頁巖氣水平井壓裂的裂縫形態(tài)及延伸規(guī)律進行研究,以最大化增產改造體積為目標,綜合考慮頁巖水平層段脆性、含氣量、應力大小的分布特點,對人造裂縫參數進行模擬優(yōu)化,確定最優(yōu)的分段和分簇。根據儲層物性、導流能力、壓裂加砂程序等優(yōu)化射孔孔徑、相位、方位等參數,實現降低破裂壓力、提升壓裂裂縫復雜程度、控制裂縫起裂及延伸的目的。依據分段、分簇、射孔參數優(yōu)化結果結合作業(yè)井況(井口壓力、井深、水平段長、狗腿度、井眼軌跡等)設計施工作業(yè)管串,并確保管串能夠順利輸送至目的層完成分段及分簇作業(yè)。頁巖氣射孔地質工程一體化的研究思路見圖3。

為推進射孔地質工程一體化技術的深化研究,引入了深度學習和大數據分析等新方法,開發(fā)一套基于神經網絡的射孔設計優(yōu)化算法,實現頁巖氣射孔分段、分簇、射孔參數優(yōu)化等的自動化及精確化。

1.4 射孔地質工程一體化優(yōu)化軟件

依托分段、分簇、射孔參數、射孔管柱、施工工藝等5個方面的優(yōu)化算法及規(guī)則,通過對油氣井射孔主控因素的研究,初步搭建了頁巖氣射孔模型。形成以地質需求為目標、錄井測井資料為參照、工程優(yōu)化為約束的射孔優(yōu)化設計與作業(yè)監(jiān)測1.0版。該軟件集自動分段分簇、射孔參數和工藝自動優(yōu)化、射孔作業(yè)監(jiān)測、射孔管柱自動優(yōu)化、射孔數據可視化等功能于一體。

2 射孔地質工程一體化實踐

2.1 分段優(yōu)化

分段優(yōu)化的一般原則是將儲層物性、完井參數相近的層段劃分為同一壓裂段,避免同一段內由于屬性差異過大而導致的壓裂改造不均勻、不充分。頁巖氣分段需要利用精細計算的礦物組分、孔隙度、總有機碳含量、含氣量、巖石力學參數、脆性指數等關鍵評價參數,為優(yōu)選有利壓裂層段提供依據。

圖3 射孔地質工程一體化研究思路

頁巖氣開發(fā)力求徹底破碎儲層,獲得高產,通常采用細分切割的分段方案。試油分段優(yōu)化步驟:①確定試油井段,依據測井解釋成果,同一小層劃為一段;②依據測井解釋成果(結合螞蟻體裂縫預測技術),將可能有天然裂縫發(fā)育段劃為一段;③儲層參數(總有機碳含量、孔隙度等)相近的劃為一段;④巖石力學參數(脆性指數、地應力等)相近的劃為一段;⑤氣測值相近的劃為一段;⑥根據工程需要避開高狗腿度及套管接箍,按照大體均勻分段及段長40～80 m的總思路,調整及細化分段。

2.2 分簇優(yōu)化

射孔簇位置應選擇儲層物性好、巖石脆性高、低地應力區(qū)域,提高裂縫復雜度和降低施工壓力。射孔簇間距應充分考慮多裂縫應力干涉的影響,合理布置簇間距,提高裂縫擴展能力和裂縫復雜性。射孔簇數、簇長和孔密的優(yōu)化應能降低摩擦阻力并提高射孔簇有效水馬力。

2.3 射孔參數優(yōu)化

頁巖氣射孔參數的優(yōu)化以保障壓裂高效實施為目標,即降低施工壓力、提升壓裂裂縫復雜程度、控制裂縫起裂及延伸。

2.3.1 射孔孔徑及孔眼數優(yōu)化

(1)降摩擦阻力優(yōu)化。在頁巖氣壓裂增產措施施工中,射孔孔眼摩擦阻力的大小對施工壓力存在影響,尤其在頁巖氣大排量壓裂情況下,這種影響更為明顯,因此需要降低孔眼摩擦阻力。單從射孔角度來說,孔徑和孔密對孔眼摩擦阻力均有直接影響。隨著孔徑的增加,孔眼摩擦阻力在最初也急劇減小,然后影響逐漸趨緩,因此,采用大孔徑射孔彈是有必要的。隨著孔密增加,射孔數相應增加,孔眼摩擦阻力在起初急劇減小后,逐漸變得緩慢。

(2)單孔流量優(yōu)化。根據預測的壓裂施工排量,綜合考慮孔眼摩擦阻力、單孔流量和孔眼效率,確定合理的孔眼數。如果按照12～14 m3/min排量施工,每級總孔數48孔,單孔流量為0.25～0.29 m3/min,有利于形成復雜縫。

(3)孔眼一致性優(yōu)化。在水平井進行射孔時,射孔槍由于受重力的作用,使得射孔槍下側靠近套管內壁,造成射孔彈發(fā)射后,在套管各個相位上的孔徑大小不同。造成后續(xù)壓裂的時候進液不均,有效射孔孔眼數減少,影響壓裂改造效果。等孔徑射孔后,套管上各相位上的孔徑大小基本一致,孔眼摩擦阻力變化小,壓裂液在孔眼處的壓力損失較小,有助于消除常規(guī)射孔非均勻效應的影響,消除近井地帶的扭曲摩擦阻力,降低施工壓力。同時,等孔徑射孔由于增加了有效孔眼數,提高了施工排量、液量、加砂量、加砂強度,對提高頁巖氣儲層的增產改造效果具有重要意義。

2.3.2 射孔相位、方位優(yōu)化

裂縫起裂受到井筒附近地應力場的影響。按照主應力的大小,地應力場可以分為3類:垂直應力為最大主應力、垂直應力為中間主應力、垂直應力為最小主應力。水平井筒指向最大和最小水平主應力方向時,沿井筒周向上的破裂壓力分布,其中橫軸的角度以井筒橫截面正北方向為起點。在井筒橫截面上,最小破裂壓力所在位置其實指向橫截面上最大主應力方向,即在該方向上最先破裂。在30°以下,破裂壓力隨夾角增大而增大,但變化相對平緩;30°～47°破裂壓力急劇增大。47°以上,破裂壓力變化很小,這時裂縫已經不在孔眼上開始。基于以上分析,認為理論上最佳的射孔應設計指向最低破裂壓力的位置,即采用定方位射孔,可以大大提高壓裂施工處理效率。

圖4 W202HXX-1井分段分簇優(yōu)化*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2

2.3.3 射孔定向優(yōu)化

由于川南頁巖氣優(yōu)質頁巖層相對較薄,水平井在鉆井過程中可能出現井眼軌跡偏離優(yōu)質儲層,穿越至產層的上方或下方。同時,國內外已充分證明頁巖氣藏體積壓裂改造過程中水力裂縫縫高延伸有限,這是由頁巖儲層其本身發(fā)育的層理地質特征所決定的。需采用定向分簇射孔對偏離層段進行定向射孔,最大可能誘導水裂裂縫向最優(yōu)質頁巖層延伸,實現對設計靶體的最大限度改造,獲得最優(yōu)效果。

2.4 射孔管柱、施工工藝(參數)優(yōu)化

根據分段分簇優(yōu)化結果、射孔參數優(yōu)化結果及作業(yè)井井況(井口壓力、井深、地層壓力、水平段長等),設計射孔作業(yè)管柱及施工工藝參數。通過泵送排量模擬分析及通過能力分析,優(yōu)化射孔作業(yè)管柱;通過全井筒泵送模擬,優(yōu)化施工工藝(參數)。

2.5 作業(yè)監(jiān)測及效果評價

頁巖氣射孔作業(yè)監(jiān)測和效果評價是地質工程一體化技術的重要環(huán)節(jié),也是最薄弱環(huán)節(jié)。只有系統(tǒng)地作業(yè)監(jiān)測和效果評價才能實現真正意義的射孔優(yōu)化。射孔及壓裂施工后對裂縫的評價方法主要有遠離裂縫直接成法、直接近精通裂縫診斷法等。遠離裂縫直接成法包括微地震監(jiān)測、測斜儀監(jiān)測等,直接近精通裂縫診斷法包括示蹤劑監(jiān)測、生產測井等。

(1)微地震監(jiān)測。微地震監(jiān)測是應用最廣泛的直接監(jiān)測方法,通過微地震事件監(jiān)測可以確定人工裂縫的整體趨勢。微地震監(jiān)測結合地面測斜儀監(jiān)測可以分析水平井壓后形成裂縫的復雜程度。通過計算水平井主要的裂縫形態(tài)及其所占的比例、多裂縫系數、裂縫復雜指數來判斷射孔參數是否合理、優(yōu)化射孔參數。

(2)生產效果評價。利用頁巖氣水平井產出剖面測試結果,分析水平段各小層、各射孔簇的產能貢獻,為射孔優(yōu)化提供支撐。

3 應用實例

以W202HXX-1井優(yōu)化過程為例,輸入基本井況數據、測井數據、套管數據、井斜數據后,進行優(yōu)化流程構建,并按步驟進行井況確認、測井參數篩選、智能分段分簇、射孔彈優(yōu)選、射孔器材優(yōu)選、入井工具優(yōu)選、射孔管串結構優(yōu)化、水平井射孔管柱通過能力分析、水平井射孔管柱泵送程序設計,最終輸出W202HXX-1井射孔優(yōu)化設計報告(見圖4)。在現場作業(yè)過程中,通過監(jiān)測模塊實時收集、分析作業(yè)數據提供在線技術支持,同時將數據實時分析的結果存入數據庫中對射孔參數的優(yōu)化算法,人工智能模型進行更新和調整,形成完整的射孔優(yōu)化閉環(huán)。

4 結論和建議

(1)初步形成一套頁巖氣射孔地質工程一體化技術,但是中國總體研究還處于萌芽狀態(tài)。射孔作業(yè)公司應形成射孔地質工程一體化共識,開展射孔地質工程一體化技術的深入研究及實踐,實現“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,為頁巖氣井量身定制射孔參數和射孔工藝。

(2)射孔地質工程一體化技術的核心是構建基于真實油氣藏的射孔作業(yè)模型。需要開展3個方面的研究:基于真實巖石、真實地應力、真實儲層環(huán)境條件下的射孔性能及儲層響應研究;室內射孔效能評價技術研究,結合大物模試驗等手段,深入研究射孔與壓裂響應的關系;射孔現場效果評價研究,結合微地震監(jiān)測、壓裂參數、產氣剖面測試、示蹤劑測井等方法,對分段分簇、射孔參數及射孔工藝進行系統(tǒng)地持續(xù)優(yōu)化。

(3)射孔地質工程一體化涉及地震、測井、錄井及壓裂、射孔、固井等多個學科,組建一體化的多專業(yè)研究團隊對于推動射孔地質工程一體化技術的發(fā)展勢在必行。

(4)建議引入“互聯(lián)網+”和大數據技術,建立射孔深度學習方法,避免射孔數據煙囪、信息孤島的出現。利用大數據關聯(lián)分析提升射孔地質工程一體化技術水平,形成地質、油藏、完井、壓裂于一體的射孔優(yōu)化技術及軟件,保障頁巖氣井上產增效。