煤系儲層綜合開發(fā)中的壓裂射孔方案優(yōu)化研究

張紅杰，劉欣佳，張 瀟，張遂安，邵冰冰

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015;2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引言

煤層氣資源在中國能源結(jié)構(gòu)中的重要性日益突出。近50 a的開采實(shí)踐過程中［1－6］，發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)的砂巖儲層與脆性頁巖儲層，裂縫在彈塑性、割理與裂隙發(fā)育的煤層中的擴(kuò)展延伸更加困難［7－12］。美國 Uinta 盆地、San Juan 盆地與加拿大Horseshoe盆地先后采取在煤層上覆的砂巖儲層射孔的間接壓裂措施提高煤層的可改造性［13－18］，取得了顯著的增產(chǎn)效果，同時實(shí)現(xiàn)了砂巖儲層與煤層的同步開發(fā)。近年來，多儲層綜合開發(fā)利用的理念逐步得到重視［19－23］，針對縱向上巖性疊置、薄層(夾層)及薄互層發(fā)育的煤系氣藏，多儲層合層壓裂模式不僅可以減少壓裂次數(shù)，降低施工費(fèi)用，同時能有效地提高薄互層或薄差層的可改造性［13－17，24－25］;鄰近層的生產(chǎn)活動所引起的壓力干擾還可促進(jìn)煤層氣解吸，縮短煤層氣見產(chǎn)時間，提高氣井的長期排采能力。作為溝通井筒與儲層的通道，射孔參數(shù)對水力壓裂效果的影響較為明顯。張廣清、陳勉、張士誠等［26－30］針對單一巖性儲層中射孔方位、射孔密度、孔眼直徑、孔眼穿透深度等參數(shù)對裂縫的起裂應(yīng)力、近井筒裂縫迂曲度及延伸方向等的影響做了大量研究。Cherian、侯冰等［31－34］利用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬與物理模擬方法，研究了原始地應(yīng)力、巖石力學(xué)性質(zhì)、排量等參數(shù)對裂縫穿層擴(kuò)展能力的影響規(guī)律。但針對巖性、力學(xué)性質(zhì)、壓力系統(tǒng)各異的多儲層壓裂中射孔位置的優(yōu)化研究較少。因此，針對鄂爾多斯盆地東緣臨興－神府區(qū)塊開展了多儲層合層壓裂射孔方案優(yōu)化研究，為現(xiàn)場壓裂增產(chǎn)改造試驗(yàn)工作提供參考。

1 區(qū)塊地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地東緣臨興－神府區(qū)塊是典型的含煤盆地，具有縱向上砂巖、煤層、泥頁巖相互疊置，多層系交互賦存和薄層(夾層)發(fā)育的典型煤系儲層特點(diǎn)，主要產(chǎn)層包括山西組、本溪組和太原組。太原組與本溪組8、9號煤層連續(xù)成藏，埋深約為1 900 m，薄煤層厚度為0.8～2.0 m，平均厚度為4.0～10.0 m，煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定;8、9號煤層之間分布著不連續(xù)的含氣砂巖儲層與炭質(zhì)泥巖儲層，砂巖儲層厚度為1.5～14.2 m，孔隙度為5.3%～11.7%，滲透率為 8×10－5～350×10－5D，屬于低孔特低滲儲層。泥巖有2種賦存形式，層厚大于10 m的泥巖層作為較好的蓋層，可有效防止煤層和砂巖中氣體的逸散，另一類薄層泥巖與砂巖互層，其主要為炭質(zhì)泥巖，物性接近頁巖儲層，孔隙內(nèi)含有天然氣。因8號與9號煤層之間的砂巖、泥巖及薄煤層分布不連續(xù)，且2個煤層的間距波動較大，區(qū)塊內(nèi)單井垂向巖性剖面表現(xiàn)出明顯的差異性［35］，主要表現(xiàn)為臨近層的巖性、含氣性與儲層厚度差異等。

2 模型建立

臨興－神府區(qū)塊山西組、太原組和本溪組地層中致密砂巖、煤層和炭質(zhì)泥巖3種含氣儲層共同賦存，垂向上分布多個產(chǎn)氣層。對20多口氣井的井身巖性剖面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)有利于實(shí)現(xiàn)致密砂巖氣、煤層氣和炭質(zhì)泥巖氣3種氣體資源同步開發(fā)利用的典型巖性組合為:砂巖－煤層接觸模式、砂巖－煤層－泥巖互層模式和煤層－砂巖－煤層多煤層模式(圖1)，采用Stimplan軟件建立相應(yīng)的儲層模型。

圖1 臨興－神府區(qū)塊典型的巖性組合模式示例Fig.1 The example of typical lithological association patterns in the Linxing－Shenfu Block

根據(jù)測井曲線與前期小型壓裂測試結(jié)果分析認(rèn)為:臨興－神府區(qū)塊8、9號煤層破裂壓力梯度約為0.014 MPa/m，其破裂壓力比臨近砂巖層的破裂壓力低3.0～5.0 MPa;炭質(zhì)泥巖層破裂壓力與砂巖層相近，稍高于砂巖層1.0～2.0 MPa，具體參數(shù)見表1。

表1 儲層基本力學(xué)參數(shù)Table 1 The basic mechanical parameters of the reservoir

3 合層壓裂射孔方案優(yōu)化

采用單一變量原則，在壓裂液排量為5 m3/min、平均砂比為20%、壓裂液總液量為450 m3的 施工泵注程序下［35］，調(diào)整射孔位置和目標(biāo)層射孔打開程度，以裂縫穿層擴(kuò)展能力和裂縫延伸長度為評價指標(biāo)，研究3種儲層模式進(jìn)行多儲層合層壓裂的射孔方案。其中，裂縫穿層擴(kuò)展能力定義為裂縫擴(kuò)展總高度與壓裂目標(biāo)層總厚度的比值，稍高于100%為最佳狀態(tài)。

3.1 砂巖－煤層接觸模式

建立砂巖－煤層接觸模式儲層模型(煤層厚度為9.0 m，砂巖層厚度為15.0 m)，具體射孔方案見表2，部分模擬結(jié)果見圖2(圖中紅色線為射孔段)。

表2 不同射孔方案下的裂縫擴(kuò)展參數(shù)Table 2 The fracture propagation parameters under different perforation schemes

圖2 射孔位置對砂巖－煤層接觸模式儲層裂縫擴(kuò)展的影響Fig.2 The effect of perforation location on fracture propagation in the sandstone－coalseam contact type reservoirs

由圖2可知:①在上覆砂巖與下方泥巖隔層的應(yīng)力遮擋作用下，若僅在煤層射孔(方案1)，裂縫主要在低應(yīng)力的煤層中延伸，裂縫高度為15.24 m，裂縫穿層擴(kuò)展能力為63.5%，裂縫向上延伸至部分砂巖中，但未達(dá)到砂巖儲層同步改造的目的(圖2a);②當(dāng)僅在上覆砂巖層射孔時(方案2)，裂縫在射孔段起裂后迅速擴(kuò)展至低應(yīng)力的煤層，并優(yōu)先在煤層延伸，雖然裂縫高度可達(dá)到26.40 m，為擬改造層段總厚度的1.1倍，但此時砂巖層內(nèi)的裂縫寬度較窄，支撐劑不易進(jìn)入裂縫深部而是傾向于在裂縫底部沉積，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力對砂巖層的貢獻(xiàn)降低(圖2b);③當(dāng)目標(biāo)層砂巖與煤層全部射孔時(方案3)，裂縫在砂巖與煤層中近乎同步擴(kuò)展，由于研究區(qū)泥頁巖層的破裂壓力與砂巖層相近，致使裂縫垂向上擴(kuò)展失控，縫內(nèi)凈壓力急速降低，所形成的裂縫不僅有效長度短而且寬度窄(圖2c);④當(dāng)煤層與砂巖均射開50%時，裂縫的擴(kuò)展高度為擬改造層段厚度的88.8%，砂巖的射開程度提高至70%～75%后，裂縫高度增加至25.44～26.88 m，稍大于砂巖與煤層的總厚度(24.0 m)，既實(shí)現(xiàn)了2種儲層的綜合改造又將縫高控制在合理的范圍內(nèi)(圖2d)。因此，對于砂巖－煤層接觸式的巖性組合儲層，適宜采用間接壓裂工藝，煤層與砂巖同時射孔有利于裂縫在2種儲層中同步擴(kuò)展延伸，但為了增加裂縫的延伸長度和控制裂縫的擴(kuò)展高度，需要限制每種儲層的射孔打開程度。由表2可知，優(yōu)化射孔方案為砂巖70%～75%+煤層25%～50%。研究區(qū)內(nèi)任意井位處的儲層的巖石力學(xué)性質(zhì)、目標(biāo)層層(隔層)的厚度等參數(shù)不完全相同，因此，單井壓裂施工時需根據(jù)實(shí)際的儲層性質(zhì)及時調(diào)整射孔參數(shù)。

3.2 砂巖－煤層－泥巖互層模式

建立砂巖－煤層－泥巖互層模式組合的儲層模型，目標(biāo)層段包括砂巖、煤層、泥巖夾層5個小層，總厚度為33.0 m，其中，煤層較厚，厚度為15.0 m。選擇目標(biāo)段中心位置為射孔中心，分別模擬射孔打開程度為25%、35%、45%(此時煤層全部射開)、60%、80%、100%時裂縫在層間與層內(nèi)的擴(kuò)展延伸狀態(tài)(圖3)。

由圖3可知:與砂巖－煤層接觸模式儲層合層壓裂相比，裂縫在存在多個界面的儲層中的垂向擴(kuò)展能力明顯降低［36－38］，縫高為 31.00～48.00 m，射孔打開程度對裂縫高度的影響較小;當(dāng)射孔打開程度為25%時(煤層中射孔長度為8.3 m)，裂縫高度約為31.00 m，未能將目標(biāo)層段全部打開，此時裂縫長度為184.3 m;當(dāng)射孔僅分布在煤層時，裂縫高度雖然隨著射孔段長度的增加而增加，但增加幅度很小;當(dāng)多儲層同時射孔，射孔打開程度為45%～80%時，隨射孔打開程度的增加，裂縫高度與延伸長度變化較小，穿層擴(kuò)展能力約為130.0%，裂縫半長約為170.0 m，壓裂改造效果較好;隨著射開程度繼續(xù)增加，縫高失控的風(fēng)險(xiǎn)增大，壓裂改造效果變差。分析認(rèn)為，對于砂巖－煤層－泥巖互層模式儲層，合層壓裂作業(yè)時建議以目標(biāo)層段的中心為射孔中心，目標(biāo)層段整體打開程度以50%～80%為宜，射孔孔眼盡量分布到每一種巖性儲層中，至少需將處于中間位置的巖層全部打開;針對具體壓裂井，需根據(jù)實(shí)際層數(shù)、臨近巖層力學(xué)性質(zhì)等調(diào)整射開程度。

圖3 裂縫擴(kuò)展/延伸能力與射孔方案的關(guān)系Fig.3 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

3.3 煤層－砂巖－煤層多煤層模式

多煤層巖性組合模式與上述的砂巖－煤層－泥巖互層式巖性組合模式非常相近，均由多個小層組成，區(qū)別在于平均單層厚度普遍大于砂巖－泥巖薄互層模式儲層的單層厚度。采用相同的研究方法，選擇目標(biāo)層段中心位置為射孔中心，模擬裂縫在不同射孔方案下的擴(kuò)展和延伸情況(圖4)。由圖4可知，合層壓裂的射孔方案為目標(biāo)層段總厚度的50%～80%。

圖4 裂縫擴(kuò)展/延伸能力與射孔方案的關(guān)系Fig.4 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

當(dāng)多個可采條件較好的單煤層組合時，若層間距過大(例如大于20 m)，上述的射孔方案將不再適用。如圖5所示，2段主煤層厚度均大于6 m，具有單層開采經(jīng)濟(jì)價值，煤層間砂巖與煤層夾層共21 m，當(dāng)在目標(biāo)層段中心射孔打開60%儲層時(圖5a)，裂縫在砂巖起裂，垂向擴(kuò)展溝通煤層后，裂縫沿著低應(yīng)力的煤層繼續(xù)延伸而在砂巖中逐漸停滯;隨后泵入的支撐劑優(yōu)先支撐在近井筒地帶，難以進(jìn)入深部的煤層裂縫，導(dǎo)致裂縫雖然在煤層中延伸了220 m但有效長度卻不足100 m，整體壓裂效率低;為了提高支撐劑進(jìn)入煤層裂縫的能力，嘗試在煤層射孔(圖5b)，此時裂縫優(yōu)先在砂巖層起裂后迅速進(jìn)入煤層，導(dǎo)致大段的砂巖儲層幾乎無改造效果。綜上所述，針對具有單層開采條件且層間間隔過大的多煤層巖性組合，合層壓裂改造模式不僅增加穿層失敗的風(fēng)險(xiǎn)而且過高的裂縫高度將極大地?fù)p失裂縫縫長。因此，針對該種儲層建議優(yōu)先考慮采用分段壓裂工藝提高儲層的綜合利用率。

圖5 裂縫擴(kuò)展/延伸能力與射孔方案的關(guān)系Fig.5 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

臨興區(qū)塊的LX－1井完鉆井深為2 132.0 m，在1 988.0～2 010.0 m處鉆遇太原組煤層與砂巖，具有合層壓裂的儲層條件。壓裂目標(biāo)層段包括良好氣測顯示的砂巖段9.6 m、厚煤層5.4 m、薄煤夾層0.7 m與泥頁巖夾層5.1 m，總厚度為20.8 m，屬于砂巖－煤層－泥巖互層模式，目標(biāo)層上下為大段泥巖隔層。鑒于壓裂目標(biāo)段具有較好的隔層遮擋，設(shè)計(jì)射孔打開80%儲層(即射孔16.6 m)，以5 m3/min的壓裂液排量實(shí)施壓裂作業(yè)。壓裂施工非常順利，施工砂比為5%～20%，入井液量為678.3 m3，累計(jì)加砂量為57.4 m3。壓裂施工曲線顯示前置液階段施工壓力共出現(xiàn)了3次破裂顯示，壓裂后井溫測井分析顯示，裂縫擴(kuò)展段埋深為1 988.00～2 011.70 m，由此說明采用該射孔方案成功實(shí)現(xiàn)了砂巖－泥巖－煤層的合層壓裂改造。壓裂后返排48 d后見氣，104 d后套壓為5.3 MPa，井底流壓為10 MPa，日產(chǎn)氣為115 m3/d，日產(chǎn)水為4.6 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣為4 754 m3(相同返排時間時鄰井累計(jì)產(chǎn)氣為2 986 m3)，與鄰井相比，日產(chǎn)氣量增加且見氣時間縮短。

5 結(jié)論

(1)針對煤系儲層資源開發(fā)，合層壓裂技術(shù)可有效提高改造效果與促進(jìn)煤層氣解吸，降低開發(fā)成本，具有較好的應(yīng)用前景。

(2)間接壓裂是開發(fā)砂巖－煤層接觸式儲層的有效手段，臨興－神府區(qū)塊儲層同步改造的最佳射孔方案為砂巖70%～75%+煤層25%～50%。

(3)層間界面對能量的傳播產(chǎn)生明顯的負(fù)效應(yīng)，裂縫在存在多個界面的儲層中的垂向擴(kuò)展能力大幅減弱，對于該類儲層目標(biāo)段射孔打開程度以50%～80%為宜，射孔孔眼盡量分布到每一種巖性儲層。

(4)由多個界面、多個薄厚小層組成的多煤層儲層組合，單層可采條件較好或?qū)娱g距過大時，建議優(yōu)先考慮分段壓裂工藝來提高儲層的利用率。