頁巖氣體積改造人工縫網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣 海，肖 陽，王 棟，劉子平，王家豪，趙 地，鄒龍慶

(1.中國石油川慶鉆探工程公司，四川 成都 610051；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.成都理工陽光能源科技有限公司，四川 成都 610059；4.揭陽中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?，廣東 揭陽 515300)

0 引 言

頁巖氣儲(chǔ)層一般具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層埋藏較深、壓裂改造難度較大、單井開發(fā)成本高的特點(diǎn)[1-3]，目前主要的改造思路是優(yōu)化簇?cái)?shù)、簇間距和射孔位置[4-10]。高新平等[11]利用石英砂代替陶粒以達(dá)到降本增效的目的。Fu等[12]在對水力裂縫幾何形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確表征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地應(yīng)力分布，通過數(shù)值模擬方法，構(gòu)建了一套多級水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法成功應(yīng)用于鄂爾多斯盆地頁巖氣井，取得了較好的增產(chǎn)效果。在吉木薩爾頁巖儲(chǔ)層開發(fā)中，結(jié)合弱面理論[13-14]，通過LRA、GRA分析[15]，明確了對改造效果影響較為明顯的工程參數(shù)。Wigwe等[16]研究了支撐劑密度、壓裂液黏度和注入速率等因素對水力裂縫擴(kuò)展的影響。

威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊前期一般采用常規(guī)壓裂技術(shù)進(jìn)行水平井壓裂，壓裂效果較差，產(chǎn)量增幅較小，達(dá)不到預(yù)期改造效果。為此，對威AH1平臺(tái)進(jìn)行壓裂改造時(shí)，借鑒前人研究思路，基于三維地質(zhì)模型屬性和三維地質(zhì)力學(xué)模型，建立了一體化壓裂模型，利用模型對施工排量、液量、砂比、壓裂簇?cái)?shù)和加砂方式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。將優(yōu)化的結(jié)果運(yùn)用于實(shí)際壓裂施工中，提升了壓裂設(shè)計(jì)的針對性和匹配性，實(shí)現(xiàn)了頁巖儲(chǔ)層開發(fā)效益最大化。

1 地質(zhì)概況

威遠(yuǎn)構(gòu)造位于川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)-龍女寺構(gòu)造群，為樂山-龍女寺加里東古隆起上形成的巨型近穹隆狀的背斜構(gòu)造，呈北東東向展布。威AH井區(qū)地層整體呈北陡南緩、西淺南深趨勢，西北部為威遠(yuǎn)構(gòu)造東南翼，呈單斜分布，井區(qū)中南部為向南下傾的鼻突，其西南方向?yàn)樾碌陥鱿蛐?，東南方向?yàn)閺R壩向斜。鼻突傾沒端構(gòu)造相對主體構(gòu)造變得更加寬緩，褶皺幅度較低，整體而言區(qū)內(nèi)斷層數(shù)量較少，且斷層規(guī)模較小。根據(jù)威遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)鉆資料顯示，威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層為志留系龍馬溪組龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖段。由于受樂山-龍女寺古隆起的影響，厚度分布不均，一般為0～600 m，向威遠(yuǎn)的東南方向變厚，在威AH1平臺(tái)達(dá)448 m。龍一1亞段巖性以灰黑色頁巖為主，自上而下顏色逐漸加深，底部為黑色頁巖。龍一1亞段脆性礦物含量為18.1%～97.8%，平均為68.18%；孔隙度為1.19%～11.84%，平均為6.13%，滲透率為0.08～1.04 mD。

2 威AH1平臺(tái)一體化壓裂模型

2.1 三維地質(zhì)屬性模型

綜合井區(qū)地震解釋、測井解釋等資料和氣藏精細(xì)描述認(rèn)識，建立了威AH1平臺(tái)的三維地質(zhì)屬性模型(圖1)，包括螞蟻體追蹤的天然裂縫分布模型(圖2，圖中紅色線為水平井軌跡)。建立地質(zhì)模型時(shí)將龍馬溪組自上而下分為龍二段、龍一段；龍一段自上而下分為龍一2亞段、龍一1亞段；龍馬溪組底部龍一1亞段自上而下細(xì)分為龍一14、龍一13、龍一12、龍一11共4個(gè)小層。所建地質(zhì)模型網(wǎng)格總數(shù)為392×460×11=1983520，網(wǎng)格步長為10 m×10 m。其中，龍一2亞段垂向高度為13.98 m，龍一14小層垂向高度為10.69 m，龍一13小層垂向高度為0.78 m，龍一12小層垂向高度為0.83 m，龍一11小層垂向高度為4.63 m。

圖1 三維地質(zhì)屬性模型Fig.1 The 3D geological attribute model

2.2 三維地質(zhì)力學(xué)模型

在單井三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，基于測井解釋的楊氏模量、泊松比和各向應(yīng)力等數(shù)據(jù)，通過動(dòng)、靜態(tài)校正建立威AH1井區(qū)一維巖石力學(xué)剖面。綜合威AH1平臺(tái)地質(zhì)屬性模型和一維巖石力學(xué)剖面，基于深部成巖理論，考慮上覆巖石、基底和圍巖的影響，加載周向水平應(yīng)力模擬成巖過程，建立威AH1井區(qū)三維地質(zhì)力學(xué)模型(圖3)，為壓裂模型的建立提供地質(zhì)力學(xué)依據(jù)。所建立的威AH1地質(zhì)力學(xué)模型楊氏模量為40～55 GPa，泊松比為0.24左右，最小水平主應(yīng)力為69 MPa左右，最大水平主應(yīng)力為82 MPa左右。

圖2 螞蟻體天然裂縫分布模型Fig.2 The distribution model of natural fractures in ant body

2.3 威AH1平臺(tái)一體化壓裂模型

常規(guī)的水力壓裂模擬中，儲(chǔ)層大多是均值模型，其無法表征真實(shí)儲(chǔ)層的孔滲飽屬性的連續(xù)分布及地應(yīng)力場的非均質(zhì)性，且其將復(fù)雜的縫網(wǎng)體系簡化為正交線網(wǎng)模型，不能滿足致密儲(chǔ)層體積改造的要求。因此，為了對儲(chǔ)層改造效果、水力裂縫的展布、水力裂縫和天然裂縫的相互作用進(jìn)行更加精細(xì)的評價(jià)，需結(jié)合三維地質(zhì)屬性模型、天然裂縫分布模型、地質(zhì)力學(xué)模型，建立一體化壓裂模型(圖4，黑色線為水平井軌跡)。一體化壓裂模型采用UFM模型[17]，能夠模擬復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中裂縫的擴(kuò)展、變形和流體流動(dòng)，水力裂縫與天然裂縫的相互作用，以及相鄰水力裂縫分支之間的相互作用。

圖3 三維地質(zhì)力學(xué)模型Fig.3 The 3D geomechanical model

圖4 威AH1平臺(tái)一體化壓裂模型Fig.4 The integrated fracturing model of Wei AH1 platform

將威AH1平臺(tái)微地震測試結(jié)果和一體化壓裂模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比(共計(jì)8口井200段)，微地震測試縫網(wǎng)平均長度為346.63 m，縫網(wǎng)高度為40.53 m，一體化壓裂模型模擬計(jì)算縫網(wǎng)長度為319.37 m，縫網(wǎng)高度為39.45 m，縫網(wǎng)長度誤差為7.86%，高度誤差為2.66%，認(rèn)為建立的一體化壓裂模型可滿足現(xiàn)場模擬需要。

3 體積壓裂施工參數(shù)優(yōu)化研究

按照實(shí)際施工數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)初始模擬參數(shù)：單簇壓裂液量為328 m3，平均砂比為7.9%，單段壓裂簇?cái)?shù)為7簇，簇間距為11.3 m。采用單因素法先對壓裂施工排量進(jìn)行優(yōu)化(設(shè)計(jì)模擬施工排量為10～28 m3/min)，然后改變單一參數(shù)值，對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算和優(yōu)化。

3.1 壓裂施工排量優(yōu)化

施工排量為10～28 m3/min時(shí)壓裂縫網(wǎng)分布見圖5，支撐面積和壓裂縫長度見圖6。由圖5、6可知：隨著排量從10 m3/min增至24 m3/min，壓裂縫長度、寬度和支撐面積均呈現(xiàn)增加趨勢；當(dāng)排量大于24 m3/min時(shí)，壓裂縫長度先增加，隨后受到縫高和縫寬的影響，裂縫延伸困難，壓裂縫長度和支撐面積開始呈現(xiàn)下降趨勢，雖然施工排量增加，但總體壓裂效果并沒有提高，同時(shí)考慮成本因素，推薦最優(yōu)排量為20～24 m3/min。

圖5 不同排量下的壓裂縫網(wǎng)分布Fig.5 The distribution of fracturing network under different displacements

圖6 排量對壓裂縫網(wǎng)的影響Fig.6 The influence of displacement on fracturing network

3.2 壓裂液量優(yōu)化

單簇壓裂液量為200～650 m3時(shí)的支撐面積和壓裂縫長度曲線如圖7所示。由圖7可知：隨著單簇壓裂液量從200 m3增至400 m3，壓裂縫長度和支撐面積整體呈現(xiàn)增加趨勢，在單簇壓裂液量超過400 m3后，受到縫高、縫寬和壓裂液濾失等因素的共同影響，壓裂縫長度和支撐面積增加幅度明顯減緩。因此，推薦最優(yōu)化單簇壓裂液量為350～400 m3。

圖7 單簇壓裂液量對壓裂縫網(wǎng)的影響曲線Fig.7 The influence curve of single cluster fracturing fluid volume on fracturing network

3.3 砂比優(yōu)化

平均砂比為5%～23%時(shí)，壓裂縫長度和支撐面積曲線如圖8所示。由圖8可知：平均砂比為5%～9%時(shí)，隨著砂比的增加，壓裂縫長度和支撐面積顯著提升；平均砂比為9%～11%時(shí)，壓裂效果達(dá)到最佳；當(dāng)平均砂比超過11%后，裂縫局部出現(xiàn)砂堵，改造效果變差，壓裂縫長度和支撐面積總體呈現(xiàn)下降趨勢。因此，最終確定最優(yōu)化平均砂比為9%～11%。

圖8 砂比對壓裂縫網(wǎng)的影響曲線Fig.8 The influence curve of sand ratio on fracturing network

3.4 壓裂簇?cái)?shù)優(yōu)化

壓裂簇?cái)?shù)為3～12簇時(shí)壓裂縫長度和支撐面積曲線見圖9。由圖9可知：隨著壓裂簇?cái)?shù)從3簇增至4簇，壓裂縫長度和支撐面積呈現(xiàn)增加趨勢，在簇?cái)?shù)超過4簇后，受總體壓裂排量的限制，排量對于每簇裂縫的改造效果減弱，部分裂縫無法有效打開和成功改造，壓裂縫長度和支撐面積總體呈現(xiàn)下降趨勢。因此，最終確定最優(yōu)化壓裂簇?cái)?shù)為4簇，對應(yīng)的簇間距為18 m。

圖9 簇?cái)?shù)對壓裂縫網(wǎng)的影響曲線Fig.9 The influence curve of the number of clusters on the fracturing network

3.5 混合支撐劑優(yōu)化研究

威AH1平臺(tái)水平段長度在1 800 m左右，分段分簇多，支撐劑使用量較大，需要考慮部分采用石英砂替代支撐劑。因此，需要研究粉砂和陶粒比例以及注入方式對壓裂縫網(wǎng)的影響。

3.5.1 混合支撐劑配比優(yōu)化

設(shè)計(jì)了6組混合支撐劑：全粉砂(相同粒徑)、全粉砂(不同粒徑)、全陶粒(相同粒徑)、全陶粒(不同粒徑)、粉砂與陶粒比為6∶4、粉砂與陶粒比為8∶2。為表述方便，分別以混合支撐劑A—F命名。混合支撐劑對壓裂縫網(wǎng)的影響見圖10。

圖10 混合支撐劑對人工縫網(wǎng)的影響曲線Fig.10 The influence curve of mixed proppant on artificial fracture network

由圖10可知：全陶粒(不同粒徑)支撐劑獲得的壓裂縫長度、支撐面積和改造體積最大，但粉砂與陶粒比為8∶2的混合支撐劑也可獲得較高的人工縫網(wǎng)參數(shù)，同時(shí)大幅降低陶粒的使用量，節(jié)約施工成本。因此，推薦使用粉砂與陶粒比為8∶2的混合支撐劑。

3.5.2 混合支撐劑注入方式優(yōu)化

選擇粉砂與陶粒比為8∶2的混合支撐劑，在相同支撐劑用量的前提下，設(shè)置籠統(tǒng)注入和分級注入2種注入方式，分析注入方式對壓裂縫網(wǎng)的影響(表1、圖11)。由表1可知：分級注入方式可以獲得更好的壓裂縫網(wǎng)參數(shù)。

表1 支撐劑注入方式對人工縫網(wǎng)的影響Table 1 The influence of proppant injection method on artificial fracture network

由圖11可知：粉砂與陶粒比為8∶2的混合支撐劑分級注入方式下，陶?？蓪髁芽p形成有效支撐(黃色區(qū)域)，粉砂對遠(yuǎn)端和分支縫網(wǎng)形成有效支撐(深藍(lán)色區(qū)域)，無支撐劑的裂縫數(shù)量明顯減少(粉色區(qū)域)，壓裂效果得到明顯提高。

圖11 支撐劑分布Fig.11 The proppant distribution

4 現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖氣體積改造人工縫網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在威AH1平臺(tái)應(yīng)用8口井，現(xiàn)已全部完成壓裂施工。與壓裂之前相比，日產(chǎn)氣量提高30%。以威AH1-1井為例，該井水平段埋深為2 888～3 121 m，龍一11小層儲(chǔ)層鉆遇率高，鉆遇率達(dá)到100%。龍一11小層厚度較大(6.4 m)，原始地層壓力系數(shù)較高(1.75)。對威AH1-1井進(jìn)行壓裂時(shí)，運(yùn)用地質(zhì)工程一體化體積壓裂人工縫網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合前文優(yōu)化的壓裂施工參數(shù)，獲得了較好的壓裂效果。威AH1-1井壓裂縫長度為48～55 m，平均長度為51 m，單段壓裂4簇；平均單段壓裂液量為1 500 m3左右，平均用液強(qiáng)度為29.41 m3/m；平均單段砂量為84 t，平均加砂強(qiáng)度為1.64 t/m；壓裂排量21 m3/min左右。壓裂后，威AH1-1井的初始日產(chǎn)氣量最高達(dá)到了54×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣1.50×108m3。而相鄰的威AH2-1井，地質(zhì)條件基本相似，采用常規(guī)壓裂方法，初始日產(chǎn)氣量最高僅為26×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量為0.64×108m3。

5 結(jié) 論

(1) 威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)、工程條件復(fù)雜，基于地質(zhì)工程一體化理念，綜合地質(zhì)屬性模型和基于深部成巖理論的地質(zhì)力學(xué)模型，建立了威AH1平臺(tái)一體化壓裂模型。該模型能夠更真實(shí)地體現(xiàn)儲(chǔ)層人工縫網(wǎng)發(fā)育情況，與微地震測試結(jié)果匹配程度較高。

(2) 利用威AH1平臺(tái)一體化壓裂模型，對壓裂施工排量、壓裂液量、砂比、分簇?cái)?shù)量混合支撐劑配比與注入方式進(jìn)行了優(yōu)化研究，研究結(jié)果在威AH1平臺(tái)取得了較好應(yīng)用效果。