松遼盆地古龍頁(yè)巖油壓裂后控排求產(chǎn)技術(shù)

呂紅磊 于書(shū)新 姜 麗 程曉剛 劉 剛 范學(xué)君

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司，黑龍江 大慶 163412）

0 引 言

松遼盆地古龍頁(yè)巖油是典型的陸相頁(yè)巖油資源，其勘探突破對(duì)大慶油田以及中國(guó)頁(yè)巖油的開(kāi)發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義［1-2］。頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲流特征復(fù)雜特殊，通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)了解到巖心的礦物組分、壓敏和水敏對(duì)于頁(yè)巖油儲(chǔ)層的影響，結(jié)合滲流理論和放噴理論等方法，初步優(yōu)化了頁(yè)巖油壓裂后悶井控排制度［3］。隨著現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的不斷深入，壓后排液建產(chǎn)的制度優(yōu)化成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外尚未有陸相純頁(yè)巖型頁(yè)巖油的相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖壓裂后排采規(guī)律的研究，大部分基于統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行數(shù)值或物理模擬，但部分模型研究考慮因素單一［4］，難以全面衡量返排的主控因素［5］。頁(yè)巖氣壓裂的返排率極低，大部分地區(qū)壓裂液返排率小于50%，有些甚至小于5%，例如Barnett 盆地為50%［6］，Niobrara 盆地為31%［7］，Marcellus 盆地為27%［8］，中國(guó)威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣藏為28%～65%［9］，EagleFord 盆地低于20%［10］，中國(guó)涪陵部分井低至3%［11］。壓裂液的低效返排導(dǎo)致大量壓裂液滯留在儲(chǔ)層中，不僅對(duì)儲(chǔ)層會(huì)造成污染，同時(shí)也堵塞油氣的流動(dòng)通道，影響頁(yè)巖儲(chǔ)層增產(chǎn)開(kāi)發(fā)效果。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究表明，合理的控排對(duì)策對(duì)于建產(chǎn)的效果、長(zhǎng)期EUR（最終采收率預(yù)測(cè)）等具有重要的影響，是保證前期改造效果的關(guān)鍵之一［12-13］。本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，剖析古龍頁(yè)巖油大規(guī)模水力壓裂后的宏觀飽和度場(chǎng)演化規(guī)律，提出古龍頁(yè)巖油壓裂后控排制度優(yōu)化方法。

1 古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層特性

常規(guī)的注采方法不適應(yīng)于頁(yè)巖油儲(chǔ)層，大規(guī)模壓裂后壓裂液注入地層在形成人工裂縫的同時(shí)，帶來(lái)了巨大的流體彈性能，為壓裂后的生產(chǎn)提供重要的能量，同時(shí)注入地層的流體進(jìn)入到基質(zhì)孔隙中，能起到換油的作用［14-17］。為了解壓裂液進(jìn)入古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層后與儲(chǔ)層、原油的相互作用，本文利用古龍頁(yè)巖樣品開(kāi)展儲(chǔ)層特性評(píng)價(jià)，來(lái)聚焦壓裂液與儲(chǔ)層的相互作用。

1.1 壓裂液滲吸能力

由于頁(yè)巖儲(chǔ)層致密，液體依靠壓差進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙的難度大，頁(yè)巖是否具有滲吸能力是關(guān)注的重點(diǎn)。頁(yè)巖巖心孔徑為10～30 nm，微―納米孔隙、有機(jī)質(zhì)和黏土相關(guān)的孔縫極其發(fā)育等性質(zhì)往往使得此類儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的滲吸能力，開(kāi)展納米壓裂液、地層水、聚合物壓裂液等3 種不同類型壓裂液滲吸實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)古龍頁(yè)巖的滲吸特性。如圖1 所示，3 種壓裂液滲吸穩(wěn)定后的采收率不同，由高到低依次為：納米壓裂液、模擬地層水、聚合物壓裂液。3種壓裂液滲吸出油趨勢(shì)相似，滲吸速度先快后慢，滲吸3 d 基本達(dá)到穩(wěn)定。2020 年采用現(xiàn)場(chǎng)壓裂液開(kāi)展巖芯滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)（圖2），滲吸出油量前期快速上升，滲吸5～13 d 達(dá)到穩(wěn)定。比較以往滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，滲吸出油趨勢(shì)相似，穩(wěn)定時(shí)間有所減少，使用納米壓裂液3 d 滲吸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可縮短頁(yè)巖油壓后的悶井時(shí)間。

1.2 應(yīng)力敏感性

控排求產(chǎn)制度直接影響到地層流體壓力，流體壓力的改變對(duì)于基質(zhì)和裂縫的流體傳導(dǎo)能力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響改造體積的有效性，因此利用青山口組的巖石樣品開(kāi)展基質(zhì)應(yīng)力敏感性和裂縫應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)。從圖3 中可以看出，在悶井過(guò)程中，隨著圍壓的減小，巖心的氣測(cè)滲透率顯著增大，說(shuō)明樣品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能發(fā)生裂隙張開(kāi)。隨著圍壓增大，其滲透率降低顯著，前期下降速度高于后期。樣品基質(zhì)的應(yīng)力敏感系數(shù)為1.02～1.29，應(yīng)力敏感程度為中等。從圖4 結(jié)果中可以看出，樣品在高應(yīng)力條件下容易發(fā)生導(dǎo)流性的快速損失，支撐劑的嵌入顯著。

圖3 基質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Stress sensitivity experiment results

圖4 支撐裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of propped fracture conductivity

分析認(rèn)為，古龍頁(yè)巖樣品黏土礦物發(fā)育，基質(zhì)的應(yīng)力敏感性中等，支撐裂縫在受到高應(yīng)力的情況下容易發(fā)生導(dǎo)流能力的損失，后續(xù)的控排制度優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)充分考慮裂縫系統(tǒng)的有效性，尤其是早期支撐裂縫系統(tǒng)未穩(wěn)定時(shí)，要避免快速排液，減少由于快速的應(yīng)力卸載導(dǎo)致裂縫失效，影響長(zhǎng)期的EUR。

1.3 油相滲流能力

油相啟動(dòng)壓力直接影響頁(yè)巖油壓后控排求產(chǎn)制度的制定，同時(shí)對(duì)快速見(jiàn)油提產(chǎn)起到關(guān)鍵作用，因此對(duì)青一段基質(zhì)頁(yè)巖巖樣開(kāi)展油相擬啟動(dòng)壓力梯度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，利用“靜態(tài)自吸—低壓驅(qū)替—高溫高壓飽和”3 步飽和油法飽和頁(yè)巖巖樣。

油相滲流存在明顯擬啟動(dòng)壓力梯度（圖5），實(shí)驗(yàn)測(cè)得頁(yè)巖巖樣的油相擬啟動(dòng)壓力梯度較高，平均值為0.688 MPa/cm。通過(guò)頁(yè)巖油相擬啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的擬合（圖6），得出滲透率越小，巖心擬啟動(dòng)壓力梯度越大。因此頁(yè)巖油在壓裂后排液求產(chǎn)階段，要充分考慮地層生產(chǎn)壓差高于油相擬啟動(dòng)壓力。

圖5 油相擬啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test result of oil phase pseudo start-up pressure gradient

圖6 油相滲透率與擬啟動(dòng)壓力梯度關(guān)系Fig.6 Relation between oil permeability and pseudo start-up pressure gradient

2 壓裂后數(shù)值模擬地層變化規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模型及現(xiàn)場(chǎng)資料，分析影響悶井及產(chǎn)能效果的主控因素。不同悶井時(shí)間長(zhǎng)下的初期產(chǎn)能、返排情況以及長(zhǎng)期EUR，指導(dǎo)頁(yè)巖油壓后試油悶井控排制度。

2.1 一體化模型的建立

在此借助Petrel 一體化平臺(tái)，基于古龍頁(yè)巖油典型井的一體化模型（圖7），模型中考慮了研究區(qū)的三維屬性場(chǎng)，并建立了裂縫擴(kuò)展模型，形成非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值模型，將流體、巖石的高壓物性等資料輸入到模型中，開(kāi)展一體化的模型研究。

圖7 縫網(wǎng)擴(kuò)展模型Fig.7 Extended model for fractures network

2.2 壓裂后流體場(chǎng)及其變化規(guī)律

利用考慮縫網(wǎng)展布建立的一體化模型，研究壓裂之后壓力場(chǎng)的分布及變化過(guò)程，如圖8 所示，可以看出，早期流體的壓力主要分布在主裂縫和近裂縫地帶，形成明顯的高壓區(qū)域，地下流體壓力分布不均勻，在悶井的過(guò)程中，壓力逐漸向基質(zhì)深部擴(kuò)散，30～60 d 地層壓力才能達(dá)到平衡。

圖8 壓裂后的流體壓力分布模擬Fig.8 Simulation of fluid pressure distribution after fracturing

這種規(guī)律主要是由于壓裂之后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜：主裂縫和分支縫的壓力傳導(dǎo)能力快，能夠較快地實(shí)現(xiàn)壓力平衡；形成的微裂縫開(kāi)度小，壓力傳導(dǎo)能力較弱，基質(zhì)流體傳輸速度更慢，因此需要更多的時(shí)間才能達(dá)到平衡。

2.3 壓裂后飽和度場(chǎng)及其變化規(guī)律

隨著流體壓力不斷往裂縫深部及基質(zhì)傳導(dǎo)，飽和度場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)一體化模型來(lái)研究壓后的飽和度分布及隨著時(shí)間的變化規(guī)律（圖9），可以看出壓裂完成后裂縫系統(tǒng)的含水飽和度高，隨著流體傳壓傳質(zhì)作用地發(fā)揮，裂縫中含水飽和度逐漸降低，含油飽和度上升，可以看到滲吸換油所起到的作用。

圖9 基質(zhì)、裂縫飽和度變化規(guī)律Fig.9 Variations of saturation in matrix and fractures

2.4 壓裂后溫度場(chǎng)及其變化規(guī)律

以井A1 為例，預(yù)測(cè)該井目的層的地層溫度為117.1 ℃，隨著大量的壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層，由于壓裂液的溫度遠(yuǎn)低于儲(chǔ)層溫度，可能會(huì)帶來(lái)一些“冷傷害”，壓裂完成后形成了一個(gè)不均勻溫度場(chǎng)，隨著地層與流體之間的傳質(zhì)作用，溫度場(chǎng)逐漸恢復(fù)到地層溫度，流體的性質(zhì)隨著溫度有較大的變化，可以開(kāi)展壓后適當(dāng)?shù)膼灳畞?lái)使得近井地帶溫度場(chǎng)恢復(fù)（圖10）。

圖10 壓裂后的流體井底溫度變化趨勢(shì)Fig.10 Variation trend of bottom hole fluid temperature after fracturing

2.5 排液制度影響規(guī)律

不同的排液制度對(duì)于井底壓力和生產(chǎn)壓差產(chǎn)生直接的影響，前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的裂縫與基質(zhì)均存在一定的應(yīng)力敏感性，將其規(guī)律耦合到模型中，模擬不同的生產(chǎn)壓差下的產(chǎn)液、產(chǎn)油等變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)壓差越大，初期的產(chǎn)量越高，但是穩(wěn)產(chǎn)難度更大，遞減更快，最終累計(jì)產(chǎn)量并不是最高（圖11），分析主要是由于應(yīng)力敏感性影響，裂縫系統(tǒng)傳導(dǎo)率降低導(dǎo)致，如果生產(chǎn)壓差太小則無(wú)法有效釋放產(chǎn)能。建議合理的生產(chǎn)壓差控制在5 MPa 左右。

圖11 不同生產(chǎn)壓差下的產(chǎn)能預(yù)測(cè)Fig.11 Productivity prediction under different production pressure difference

3 古龍頁(yè)巖油控排技術(shù)及其應(yīng)用

在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，從壓裂后悶井到輔助舉升，形成了一套針對(duì)古龍頁(yè)巖油的控排求產(chǎn)技術(shù)。

3.1 古龍頁(yè)巖油壓裂后控排技術(shù)

3.1.1 壓裂后悶井

古龍頁(yè)巖油壓裂形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓后悶井能保證裂縫系統(tǒng)的壓力平衡，壓力向裂縫系統(tǒng)的傳輸和改造體積內(nèi)的壓力平衡時(shí)間為30～60 d，保證流體傳輸?shù)缴畈康貙?，整體上提高地層流體壓力，從而降低有效應(yīng)力，保證裂縫體積的有效性。同時(shí)，適當(dāng)?shù)膼灳軌虬l(fā)揮流體的滲吸驅(qū)油作用，2020 年巖心實(shí)驗(yàn)需要5～13 d，目前實(shí)驗(yàn)3 d 滲吸驅(qū)油基本達(dá)到平衡。因此，結(jié)合壓力平衡時(shí)間與滲吸平衡時(shí)間確定壓后悶井時(shí)間為35～50 d，實(shí)際操作過(guò)程中密切的關(guān)注井口壓力降落，擇機(jī)開(kāi)井投產(chǎn)。

3.1.2 壓裂后放噴

古龍頁(yè)巖的裂縫系統(tǒng)和頁(yè)理具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，由于原地層壓力充足，如果不控制生產(chǎn)壓差，易發(fā)生支撐劑的運(yùn)移和裂縫系統(tǒng)失效，因此，壓后排液早期需要采用穩(wěn)定的排采壓差，控制返排有利于保障裂縫的有效性，減少裂縫體積的損失，為長(zhǎng)期有效開(kāi)采提供保障。同時(shí)，受油相擬啟動(dòng)壓力梯度較高影響，當(dāng)近井地帶裂縫壓力接近或低于孔隙壓力時(shí)，原油才能產(chǎn)出；遠(yuǎn)端裂縫壓力低于孔隙壓力，原油才能連續(xù)產(chǎn)出。綜合分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化放噴制度，現(xiàn)場(chǎng)排液早期采用直徑4 mm以下的油嘴來(lái)排液，待裂縫支撐穩(wěn)定之后，再逐漸放大壓差生產(chǎn)，快速降低流壓，增強(qiáng)提產(chǎn)效果，達(dá)到早日見(jiàn)油和快速提產(chǎn)的目的。

3.1.3 壓裂后帶壓下泵

A1 試驗(yàn)區(qū)井組壓裂后返排不受返排率影響，井底流壓影響見(jiàn)油早晚、產(chǎn)量高低。A1 試驗(yàn)區(qū)井組見(jiàn)油返排率為19.58%～39.77%，說(shuō)明見(jiàn)油早晚受返排率影響較??；受頁(yè)巖油油相擬啟動(dòng)壓力梯度較高的影響，只有當(dāng)?shù)貙由a(chǎn)壓差高于油相似啟動(dòng)壓力時(shí)原油才能產(chǎn)出，A1 試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)壓差為0.6～5.6 MPa，全部見(jiàn)油，說(shuō)明見(jiàn)油早晚受壓力影響。試油求產(chǎn)采取早期帶壓下泵的方式，利用人工舉升保護(hù)地層能量，減少地層舉升流體產(chǎn)出能量的損失，實(shí)現(xiàn)降低流壓、降低產(chǎn)水量，增加油氣產(chǎn)量、增加含油比例的“兩降、兩增”，達(dá)到快速見(jiàn)油的目的。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

井A7 現(xiàn)場(chǎng)施工中，采用套管壓裂工藝，壓裂39 段285 簇，地面關(guān)井61 d，套壓由26.23 MPa 下降至18.47 MPa，采用直徑2、3、4 mm 的油嘴放噴20 d，為充分利用地層能量，開(kāi)展提前下泵試驗(yàn)。

下泵后井口壓力為16 MPa，帶壓下泵之后5 d見(jiàn)油，井底流壓32.7 MPa，生產(chǎn)壓差4.9 MPa，返排率9.2%。當(dāng)前泵入口壓力為5.97 MPa，泵出口壓力為16.03 MPa，油壓為2.7 MPa，套壓為3.7 MPa，日產(chǎn)氣12 500 m3，日產(chǎn)油19.62 m3，日產(chǎn)水96 m3，累計(jì)出氣717 608 m3，累計(jì)產(chǎn)油1 339.07 m3，累計(jì)出水19 908.1m3，返排率為38.5%，當(dāng)前的產(chǎn)量還有上升空間（圖12）。

圖12 泵排排液求產(chǎn)曲線Fig.12 Pumping discharge production

井A7 采用壓后直接悶井、小油嘴放噴、提前帶壓下泵求產(chǎn)的壓后控排求產(chǎn)制度，下泵求產(chǎn)后5 d 見(jiàn)油，達(dá)到了快速見(jiàn)油的目的。

4 結(jié) 論

（1）明確了悶井過(guò)程中壓裂液的滲吸及擴(kuò)散規(guī)律，古龍頁(yè)巖油具有滲吸驅(qū)油能力，滲吸驅(qū)油效果顯著。壓裂后適當(dāng)悶井有利于飽和度場(chǎng)的恢復(fù)，降低含水率，同時(shí)也有利于保證裂縫系統(tǒng)的有效性。建議現(xiàn)場(chǎng)壓后悶井35～50 d，實(shí)際操作過(guò)程中密切的關(guān)注井口壓力降落，掌握壓力平衡的時(shí)間，擇機(jī)開(kāi)井投產(chǎn)。

（2）古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層壓后的裂縫系統(tǒng)具有一定的應(yīng)力敏感性，采取早期穩(wěn)定排采、控制返排，能減少裂縫體積的損失，為裂縫的長(zhǎng)期有效性提供保障?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，早期排液采用直徑4 mm 以下的油嘴來(lái)排液，待裂縫支撐穩(wěn)定之后，再逐漸的放大壓差生產(chǎn)。

（3）古龍頁(yè)巖油油相擬啟動(dòng)壓力梯度較高，壓后求產(chǎn)階段考慮地層生產(chǎn)流壓高于油相擬啟動(dòng)壓力，當(dāng)進(jìn)一步放大油嘴降低壓力時(shí)提產(chǎn)效果明顯?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用壓裂后帶壓提前下泵的制度，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，建議合理的生產(chǎn)壓差控制在5 MPa 左右，實(shí)現(xiàn)有效保持地層能量和快速見(jiàn)油提產(chǎn)的目標(biāo)。