威遠頁巖氣水平井壓裂參數(shù)優(yōu)化

車明光，王 萌，王永輝，宋 毅，何 封，董 凱，阮 峰

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 壓裂酸化技術(shù)中心，北京 100083； 2.中國石油西南油氣田分公司 頁巖氣研究院，四川 成都 610014； 3.中國石油川慶鉆探工程有限公司 工程技術(shù)部，四川 成都 610014； 4.中國石油長城鉆探工程有限公司 頁巖氣項目部，北京 100101)

引 言

威遠頁巖氣生產(chǎn)上表現(xiàn)出產(chǎn)量遞減較快、井間產(chǎn)能變化大等特點[1-7]，水平井分段壓裂是提高頁巖氣產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)，采用合理的壓裂施工參數(shù)[8-12]對提高單井產(chǎn)量、優(yōu)化開發(fā)指標[13-16]和頁巖氣規(guī)模有效開發(fā)意義重大。

本文分析了威遠頁巖氣田水平井分段壓裂工藝，總結(jié)分析了壓裂參數(shù)特征，以壓裂段長和射孔簇數(shù)兩項參數(shù)為主，劃分了威遠頁巖氣水平井段分段壓裂工藝。建立了威遠20XHXX平臺的三維地質(zhì)模型，優(yōu)化了不同壓裂工藝的壓裂參數(shù)，對比了壓裂實施結(jié)果，形成了威遠頁巖氣水平井壓裂參數(shù)優(yōu)化建議。

1 威遠頁巖氣田壓裂參數(shù)特征

1.1 威遠頁巖氣水平井壓裂技術(shù)

自2015年以來，威遠頁巖氣已完成300余口水平井分段壓裂。以壓裂段長和射孔簇數(shù)劃分水平井段分段工藝，經(jīng)歷3次優(yōu)化過程，2015～2016年頁巖氣水平井的平均壓裂段長70～80 m，射孔簇數(shù)3～4簇；2017～2019年壓裂以多段密切割為主，部分井增加了射孔簇數(shù)，壓裂段長縮短至50～70 m，射孔簇數(shù)3～5簇；2020年壓裂以多簇射孔、小簇間距高密度縫為主，增加了壓裂段長，平均壓裂段長70～80 m，射孔簇數(shù)增加至7～9簇。

1.2 壓裂參數(shù)分布特征

威遠頁巖氣田水平井分段壓裂參數(shù)分布如圖1所示，壓裂參數(shù)包括壓裂水平段長、壓裂段長、簇間距、排量、加砂強度(單位壓裂水平段長度的加砂量)和用液強度(單位壓裂水平段長度的液體量)。壓裂水平段長度范圍502～2 577 m，如圖1(a)所示，下四分位數(shù)值1 389.8 m，上四分位數(shù)值1 654.8 m，平均值1 530.7 m。壓裂段長范圍41.1～127.3 m，如圖1(b)所示，下四分位數(shù)值62.7 m，上四分位數(shù)值72.9 m，平均值69.1 m。簇間距范圍8.54～48.57 m，如圖1(c)所示，下四分位數(shù)值16.42 m，上四分位數(shù)值23.10 m，平均值20.23 m。排量范圍10.2～16.6 m3/min，如圖1(d)所示，下四分位數(shù)值13.0 m3/min，上四分位數(shù)值14.2 m3/min，平均值13.7 m3/min。加砂強度范圍0.70～3.50 t/m，如圖1(e)所示，下四分位數(shù)值1.46 t/m，上四分位數(shù)值1.95 t/m，平均值1.73 t/m。用液強度范圍13.47～47.94 m3/m，如圖1(f)所示，下四分位數(shù)值25.03 m3/m，上四分位數(shù)值29.20 m3/m，平均值27.19 m3/m。

圖1 威遠頁巖氣水平井分段壓裂參數(shù)分布

2 壓裂地質(zhì)模型

以威遠20XHXX平臺資料為基礎(chǔ)，使用Petrel軟件建立了該平臺三維地質(zhì)模型，包括構(gòu)造、屬性、天然裂縫和地質(zhì)力學模型，開展了水力壓裂模擬和生產(chǎn)動態(tài)擬合，對不同壓裂段長的射孔簇數(shù)、施工排量、施工規(guī)模和水平井間距等進行了模擬。

2.1 威遠20XHXX平臺地質(zhì)模型參數(shù)

威遠20XHXX平臺平面網(wǎng)格精度15 m×15 m。在龍馬溪組底面的構(gòu)造控制下，各小層均采用分層數(shù)據(jù)校正的方法，建立各小層層面模型。依據(jù)龍馬溪組各小層地層厚度，為了達到縱向上精細劃分目的，縱向網(wǎng)格劃分精度為1 m，模型最終網(wǎng)格總數(shù)8 940 810個，網(wǎng)格節(jié)點9 091 192個。威遠20XHXX平臺模型如圖2所示，儲層參數(shù)包括孔隙度、TOC、總含氣量和脆性指數(shù)，工程屬性包括楊氏模量、泊松比、抗壓強度和內(nèi)摩擦角。

圖2 威遠20XHXX平臺模型參數(shù)

2.2 壓裂模型校正方法

基于平臺地質(zhì)模型和巖石力學模型，開展體積壓裂模擬，建立高精度非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)值模型，通過產(chǎn)量歷史擬合，標定靜態(tài)模型。

(1)水力壓裂模擬

以平臺地質(zhì)力學模型為基礎(chǔ)，按實際壓裂施工時間順序，采用拉鏈式壓裂模擬，并考慮縫間、井間應(yīng)力陰影效應(yīng)對裂縫形態(tài)的影響。采用實際泵注參數(shù)擬合施工壓力和停泵壓力降，使用微地震監(jiān)測的裂縫長度和高度進行改造體積約束，提高縫網(wǎng)展布預(yù)測可靠性。

(2)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)值模擬

根據(jù)水力裂縫擬合結(jié)果，建立高精度非結(jié)構(gòu)化數(shù)值模型，表征縫網(wǎng)形態(tài)和裂縫導流能力。相比于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢是用細小網(wǎng)格精細表征高度非均質(zhì)的裂縫體系，裂縫網(wǎng)格的滲透率由水力裂縫的導流能力分布計算得到，同時用較粗的網(wǎng)格表征基質(zhì)，并保持原始基質(zhì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不變，細致描述裂縫特征的同時，降低總網(wǎng)格數(shù)，提高數(shù)模運算效率。

3 壓裂參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)威遠頁巖氣水平井壓裂參數(shù)分布范圍，進行階梯式優(yōu)化，如圖3所示，設(shè)定壓裂段長50 m、60 m、70 m和80 m，依次對射孔簇數(shù)、排量、用液強度、加砂強度和水平井間距進行優(yōu)化，最終得到與不同壓裂段長相匹配的壓裂參數(shù)和水平井間距。

圖3 壓裂參數(shù)階梯式優(yōu)化路線

3.1 壓裂參數(shù)優(yōu)化

模擬得到了不同壓裂段長與簇數(shù)、加砂強度、用液強度等參數(shù)的匹配關(guān)系。圖4是壓裂段長60 m時，每千米地層3 a累計產(chǎn)量與射孔簇數(shù)、排量、用液強度和加砂強度關(guān)系。壓裂段長60 m時，射孔簇數(shù)增加，累計產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢，優(yōu)化簇數(shù)6～7簇、簇間距8～10 m。隨著簇數(shù)增加簇間距縮小，受多簇限流和應(yīng)力干擾等因素影響，提高了水平井近井地帶的改造程度，但簇數(shù)太多造成近井地帶過度改造，遠井地帶支撐縫溝通變差，影響累計產(chǎn)量。提高施工排量，累計產(chǎn)量增加趨勢明顯，優(yōu)化排量≥16 m3/min。脆性頁巖儲層，提高排量有利于提高凈壓力和造復(fù)雜裂縫，同時提高液體效率有利增加改造體積。用液強度增加，累計產(chǎn)量呈緩慢增加趨勢，優(yōu)化用液強度約30 m3/m，隨著注入液體體積的增加，頁巖改造體積呈增加趨勢，當改造體積達到一定程度時，注入液量和液體濾失量達到平衡，再依靠提高用液量達到增加改造體積的目的難度較大。提高加砂強度，累計產(chǎn)量呈先增加后平緩的變化趨勢，優(yōu)化加砂強度約2.5 t/m，提高加砂強度可以增加有效的支撐改造體積，進而提高產(chǎn)量，當加砂強度達到一定值，裂縫導流能力滿足頁巖氣導流能力需求后，繼續(xù)提高加砂強度難以大幅提高累計產(chǎn)量。

圖4 壓裂段長60 m時，每千米地層3 a累計產(chǎn)量與射孔簇數(shù)、排量、用液強度和加砂強度關(guān)系

水平井間距影響頁巖氣的最終采收率，水平井間距小因井間容易壓竄、干擾強，降低有效改造體積的范圍，最終采收率低；水平井間距過大，壓力波及范圍有限，井間儲量動用程度低，資源浪費嚴重。圖5是壓裂段長60 m時不同水平井間距預(yù)測20 a的壓力分布模擬結(jié)果，射孔簇數(shù)、施工排量、用液強度和加砂強度采用模擬得到的最優(yōu)值。當水平井間距320 m時兩口水平井生產(chǎn)末期的井間壓力未波及范圍較小，采出程度較高，優(yōu)選水平井間距320 m。

圖5 壓裂段長60 m，不同水平井間距生產(chǎn)末期壓力分布

應(yīng)用該方法，優(yōu)化出了壓裂段長50 m、60 m、70 m和80 m時射孔簇數(shù)、排量、用液強度和加砂強度參數(shù)值和水平井間距值，如表1所示。不同的壓裂段長和射孔簇數(shù)有合理的匹配關(guān)系，且存在最優(yōu)的用液強度和加砂強度，隨著壓裂段長、射孔簇數(shù)的增加，需要合理調(diào)減水平井間距。

表1 不同壓裂段長時壓裂參數(shù)和水平井間距優(yōu)化結(jié)果

①壓裂段長和射孔簇數(shù)有合理的匹配關(guān)系，壓裂段長增加優(yōu)化的射孔簇數(shù)也增加；②提高排量有利提高縫網(wǎng)復(fù)雜程度和累計產(chǎn)量；③不同壓裂段長存在最優(yōu)的用液強度和加砂強度，壓裂段長增加優(yōu)化的用液強度和加砂強度也增加；④隨著壓裂段長、簇數(shù)的增加，需要合理調(diào)減水平井間距。

3.2 優(yōu)化結(jié)果對比與現(xiàn)場應(yīng)用

以威20XHXX-b壓裂井為例，將實際壓裂方案與4種不同模擬方案進行對比，模擬方案中不同的壓裂段長采用優(yōu)化的射孔簇數(shù)、用液強度和加砂強度值。表2是實際施工方案與模擬方案以及預(yù)測20 a的累計產(chǎn)量數(shù)據(jù)，該井根據(jù)實際壓裂施工參數(shù)預(yù)測的累計產(chǎn)量與不同壓裂段長的優(yōu)化方案的20 a累計產(chǎn)量相比偏低。根據(jù)對比結(jié)果，本井最優(yōu)的壓裂方案參數(shù)值是壓裂段長70 m、單段射孔簇數(shù)10簇、施工排量16 m3/min、用液強度32 m3/m和加砂強度 2.6 t/m，采用最優(yōu)方案與實際施工方案相比，20 a累計產(chǎn)量可以提高51.8%。

表2 威20XHXX-b井施工與模擬方案對比數(shù)據(jù)

通過模擬方案與現(xiàn)場施工實例對比，在威遠井區(qū)采用大段長、多簇、高加砂強度等壓裂措施有利提高單井產(chǎn)量。在該區(qū)域推廣應(yīng)用了25口井，平均測試產(chǎn)量達到30.5×104m3/d。

4 結(jié) 論

(1)威遠頁巖氣在開發(fā)過程中，應(yīng)用多段密切割縫到大段多簇高密度縫壓裂工藝，壓裂段長和射孔簇數(shù)變化明顯。

(2)不同的壓裂段長和射孔簇數(shù)有合理的匹配關(guān)系，且存在最優(yōu)的用液強度和加砂強度，隨著壓裂段長、簇數(shù)的增加，需要合理調(diào)減水平井間距。

(3)針對威遠頁巖氣水平井壓裂，建議增加射孔簇數(shù)縮小簇間距，提高施工排量，不同壓裂段長時采用模擬優(yōu)化的用液強度和加砂強度值。