常壓頁巖氣立體開發(fā)特征及縫網(wǎng)干擾規(guī)律研究

張莉娜，任建華，胡春鋒

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇南京 210011）

隨著對清潔能源需求的日益增長和水力壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，頁巖氣在許多國家蓬勃發(fā)展，但絕大多數(shù)頁巖氣井均表現(xiàn)出初期遞減率高、采收率較低的特征。B.Kurtoglu 等人[1-2]較先提出利用水力壓裂提高頁巖氣采收率的手段。端祥剛等人[3]總結(jié)了提高頁巖氣井采收率面臨的技術(shù)與科學問題。其中，立體開發(fā)調(diào)整是目前可行性最強的一種提高采收率手段[4-6]。但立體調(diào)整過程中，壓裂干擾現(xiàn)象不可避免[7-8]，當井距較小時可能對老井生產(chǎn)造成負面影響[9-10]。專家學者已在井間干擾現(xiàn)象方面做了很多研究，J.P.Detring 等人[11-12]認為當老井附近出現(xiàn)明顯壓降時裂縫易連通，老井復產(chǎn)后加密井井口壓力會下降；郭旭洋等人[13]介紹了國內(nèi)外頁巖油氣藏的井間、層間干擾現(xiàn)象及診斷方法的研究進展；A.Ataei 等人[14]利用解析模型，采用RTA、PTA 雙對數(shù)曲線分析法判斷干擾情況；Fang Sidong 等人[15]采用EDFM 技術(shù)，模擬了3 種縫網(wǎng)干擾下裂縫屬性對生產(chǎn)特征的影響；王軍磊等人[16]利用地質(zhì)工程一體化技術(shù)，模擬研究了頁巖氣立體開發(fā)縫網(wǎng)延伸特征及生產(chǎn)規(guī)律。

以上調(diào)研可以看出，前人在頁巖氣立體開發(fā)方面的研究以機理研究和數(shù)值模擬為主[17-18]?；谶@一局限，筆者以南川常壓頁巖氣藏為研究對象，開展了頁巖氣立體開發(fā)井施工壓力對比分析，明確了各開發(fā)層系施工特點，以指導立體開發(fā)方案部署順序和壓裂施工設(shè)計；對比分析了同開發(fā)層系加密、不同開發(fā)層系調(diào)整時壓裂施工對老井的干擾現(xiàn)象，剖析縫網(wǎng)溝通機理，并結(jié)合干擾前后老井產(chǎn)能變化，完善了頁巖氣立體開發(fā)井壓裂縫網(wǎng)干擾評價體系，以根據(jù)壓裂期間老井套壓變化或干擾后老井生產(chǎn)特征預測井間壓裂改造效果，從而指導立體開發(fā)井動態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

1 常壓頁巖氣立體開發(fā)特征研究

南川地區(qū)一次井網(wǎng)水平井鉆遇層位以五峰組—龍馬溪組①～③小層為主，生產(chǎn)5 年，2020 年開始出現(xiàn)遞減，現(xiàn)處于低壓低產(chǎn)階段，單井平均累計產(chǎn)氣量0.7×108m3，綜合遞減率24.6%。為保障老區(qū)的高效穩(wěn)產(chǎn)，縱向上細分開發(fā)層系，不斷探索立體開發(fā)的可行性。目前該區(qū)塊已經(jīng)按照“下部氣層加密+中、上部氣層調(diào)整”的模式實施了三層立體開發(fā)試驗，3 套層系評價井均取得較好的試采效果，預測可大幅提高老區(qū)剩余儲量的均衡動用。

1.1 壓裂施工參數(shù)分布特征

1.1.1 縱向上與靜態(tài)指標變化規(guī)律一致

根據(jù)測井解釋、試驗分析結(jié)果，南川地區(qū)五峰組—龍馬溪組從上到下9 個小層的孔滲、含氣性逐漸變好[19-21]。綜合地應力、靜態(tài)指標，可以將五峰組—龍馬溪組分為下部氣層、中部氣層和上部氣層3 套開發(fā)層系[22]。其中，下部氣層埋深3 100 m，壓力系數(shù)1.32，總有機碳含量2.8%～7.0%，孔隙度2.8%～4.8%，含氣量4.2～7.2 m3/t；中部氣層埋深2 920 m，壓力系數(shù)1.25，總有機碳含量1.5%～2.6%，孔隙度2.4%～4.5%，含氣量1.8～4.6 m3/t；上部氣層埋深2 6 5 0 m，壓力系數(shù)1.1 5，總有機碳含量0.9%～1.3%，孔隙度2.9%～4.4%，含氣量1.6～2.1 m3/t。

由五峰組—龍馬溪組應力剖面可知，下部氣層最大水平主應力67.3～76.4 MPa、中部氣層最大水平主應力73.1～82.7 MPa、上部氣層最大水平主應力76.8～82.9 MPa，局部存在⑤、⑦小層2 個應力高峰。據(jù)調(diào)研，壓裂液難以突破高應力層實現(xiàn)裂縫縱向延伸[23-25]。統(tǒng)計已實施的50 余口立體開發(fā)井壓裂施工情況可知，在埋深、地應力等因素作用下，從上至下各層系開發(fā)井的施工壓力逐漸升高[26-27]。下部氣層破裂壓力梯度2.5 MPa/100m，停泵壓力32.3～57.4 MPa；中部氣層破裂壓力梯度2.4 MPa/100m，停泵壓力30.1～56.0 MPa；上部氣層破裂壓力梯度2.3 MPa/100m，停泵壓力25.5～41.2 MPa。

1.1.2 平面上與井距、采出程度相關(guān)性明顯

平面上，井間加密施工難易程度受埋深、井間距離、老井采出程度、局部應力等多重因素綜合影響。對比不同井距、采出程度時加密井施工壓力可以看出，當井距大于450 m 或老井動態(tài)控制儲量的采出程度低于60%時，加密井施工壓力受老井的影響相對較小，此時破裂壓力比老井略低5～10 MPa；當老井井距小于450 m 時，加密井破裂壓力比老井低9～20 MPa（見表1）。

表1 不同加密類型下的施工壓力對比Table 1 Fracturing pressure comparison of different infill types

對比加密井與老井破裂壓力梯度差值散點圖也可以看出，隨著井距增加或老井采出程度降低，新老井破裂壓力梯度差值減小（見圖1 和圖2）。這一規(guī)律符合現(xiàn)場實踐，隨著新老井距離減小、井間儲量動用程度提高，加密時的地層壓力較原始地層壓力小很多，加密井施工相對更容易，表現(xiàn)為破裂壓力低、停泵壓力低。如果地層虧空嚴重時，加密井在鉆井、連續(xù)油管鉆塞過程中還會發(fā)生漏失。

圖1 加密井與老井破裂壓力梯度差值隨井距變化散點圖Fig.1 Scatter plot of fracture pressure gradient difference of infill and old wells with well spacing

圖2 加密井與老井破裂壓力梯度差值隨采出程度變化散點圖Fig.2 Scatter plot of fracture pressure gradient difference of infill and old wells featuring the recovery degree

1.2 產(chǎn)能對比分析

非穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能分析方法以氣藏不穩(wěn)定滲流與井筒流動耦合為理論基礎(chǔ)，利用氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對氣井產(chǎn)量、壓力、無阻流量及采出程度等隨時間變化的預測，并可擬合氣井的地層參數(shù)，求取頁巖氣動態(tài)儲量[28-29]。國內(nèi)外研究表明，對于低滲氣藏的大型加砂壓裂氣井，會出現(xiàn)較長時間的地層線性流動，在忽略表皮效應的理想狀態(tài)下，壓裂井不穩(wěn)定產(chǎn)能方程為：

式中：pR為原始地層壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；q為產(chǎn)氣量，104m3/d；t為時間，d；A為產(chǎn)能系數(shù)；C為與人工縫導流性相關(guān)的附加值；μ為黏度，mPa·s；Z為氣體偏差系數(shù)；T為地層熱力學溫度，K；K為滲透率，mD；h為氣層有效厚度，m；?為孔隙度；Ct為綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；rw為井筒半徑，m；xf為裂縫半長，m；G(Fcd)為裂縫導流能力G函數(shù)。

A值越大，表明儲層流動系數(shù)越大，產(chǎn)能越高；C值越大，表明人工裂縫越短，流體滲流阻力越大。

不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能擬合結(jié)果表明：1）下部氣層老井與下部氣層加密井的A值均為12.3，中部氣層井A值為11.6，上部氣層井A值為5.2；2）C值關(guān)系為：上部氣層井＞＞下部氣層老井＞中部氣層井＞下部氣層加密井（見圖3）。因此，下部氣層井產(chǎn)能優(yōu)于中部氣層井，上部氣層井產(chǎn)能最差；就改造效果而言，下部氣層加密井受井間動用影響，改造難度小，相同壓裂規(guī)模下改造效果最佳。

圖3 不同類型立體開發(fā)井不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能擬合曲線Fig.3 Unsteady productivity curves of different three-dimensional development wells

2 立體開發(fā)縫網(wǎng)干擾分析

立體開發(fā)縫網(wǎng)干擾主要包括平面和縱向縫網(wǎng)干擾。平面縫網(wǎng)干擾，即同一開發(fā)層系新井或加密井與相鄰老井的縫網(wǎng)溝通、干擾；縱向縫網(wǎng)干擾，即某一開發(fā)層系新井壓裂時，與上、下開發(fā)層系老井之間的干擾。

2.1 平面干擾特征

2.1.1 壓裂干擾現(xiàn)象

為防止加密井壓裂時與老井形成主縫竄通，影響加密井正常施工，現(xiàn)場在加密井壓裂施工期間一般采取老井關(guān)井處理。據(jù)統(tǒng)計，老井關(guān)井期間套壓變化可歸為3 種類型，可以通過對比壓力變化，粗略預測老井改造效果。

1）平穩(wěn)上升型。伴隨加密井壓裂施工，老井套壓逐步增大，增大幅度平穩(wěn)，且套壓增大到一定數(shù)值后基本穩(wěn)定。此現(xiàn)象通常發(fā)生在老井各段改造均衡情況下，當加密井與老井空間距離大于280 m 時，老井套壓增大2.0～6.5 MPa；當加密井與老井空間距離在240～280 m 時，老井套壓增大5.1～13.2 MPa。這種類型的老井，往往在加密井壓裂結(jié)束后開井復產(chǎn)時日產(chǎn)氣量、套壓高于關(guān)井前生產(chǎn)水平，隨著關(guān)井期間壓力增幅的不同，壓裂受效時間（即恢復原日產(chǎn)油量時間）有所不同。

2）迅速上升型。加密井壓裂施工一開始，老井套壓先迅速升高，然后呈小幅度增長趨勢，并伴有上、下波動。此情況多發(fā)生在中小井距加密方式下，或老井改造效果好、縫網(wǎng)復雜時。由于老井壓后形成的縫網(wǎng)滲透性好，加密井在進行壓裂時壓力傳播速度加快，所以老井的套壓會迅速達到一定高值（壓力增幅一般不低于4.0 MPa），后續(xù)套壓的波動主要是壓差作用下SRV 內(nèi)的水流入井底造成液面波動。這種類型的老井，開井復產(chǎn)后產(chǎn)液量有小幅增大。

3）升降型。加密井壓裂施工周期內(nèi)，老井套壓一直增長且增幅較大，后續(xù)下降至平穩(wěn)。此種類型的老井主縫相對較長，且套壓波動現(xiàn)象越早，表明老井主縫越長，施工壓力波及時間越短，積液越快。重新開井后，產(chǎn)液量由0～10 m3/d 明顯增加至50～65 m3/d。

2.1.2 縫網(wǎng)干擾機理及數(shù)值模擬研究

加密井與老井產(chǎn)生壓裂干擾形式多樣，如加密井壓裂縫與老井天然縫、改造縫溝通等，具體是哪種縫網(wǎng)溝通起主要干擾作用，取決于氣藏天然縫網(wǎng)發(fā)育程度及頁巖氣井壓裂改造水平，大致可以總結(jié)歸納為以下4 種干擾機理：

1）干擾機理1。老井與加密井壓裂縫直接溝通，即新老井的高導流縫溝通，干擾形式為加密井壓裂期間施工壓力異常低，老井套壓變化類型為升降型。

2）干擾機理2。老井壓裂縫與加密井微裂縫溝通，即老井高導流縫與加密井低導流縫溝通，加密井壓裂期間老井套壓類型為平穩(wěn)增大型，增幅較大。

3）干擾機理3。老井天然縫或改造微裂縫與加密井壓裂縫溝通，即老井低導流縫與加密井高導流縫溝通，加密井壓裂期間老井套壓類型為迅速上升型。

4）干擾機理4。老井微裂縫與加密井微裂縫溝通，即新老井低導流縫進行溝通，加密井壓裂期間老井套壓類型為平穩(wěn)增大型，增幅較小。

選取南川頁巖氣藏實際地質(zhì)參數(shù)，利用Compass 數(shù)值模擬軟件建立雙重介質(zhì)水平井分段壓裂模型，包括同層系開發(fā)的2 口老井和1 口加密井。模型尺寸2 500 m×1 000 m×110 m，網(wǎng)格數(shù)量250×100×27，平面I/J 方向網(wǎng)格步長10 m，縱向K 方向網(wǎng)格步長4 m。模型基礎(chǔ)參數(shù)為：埋深3 200 m，孔隙度2.9%～4.4%，滲透率0.18 μD，含氣飽和度0.6%～0.7%，形狀因子1.0×10-5，井距500 m，水平段長度2 000 m，裂縫半長120～180 m，定產(chǎn)量6.5×104m3/d，生產(chǎn)時長15 年。數(shù)值模型中，縫網(wǎng)溝通機理可簡化為FRAC-FRAC、F R A C-S R V、SRVFRAC、SRV-SRV 和無溝通等5 種形式，模擬結(jié)果見圖4—圖5。

圖4 加密前后老井累計產(chǎn)氣量曲線Fig.4 Cumulative gas production curve of old wells before and after infilling

圖5 加密井累計產(chǎn)氣量曲線Fig.5 Cumulative gas production curve of infill well

從圖4 可以看出，無論是老井與加密井低導流縫間（SRV-SRV）的溝通，還是老井高導流縫與加密井低導流縫溝通（FRAC-SRV），受壓降漏斗影響，老井都會搶奪加密井的井控儲量，累計產(chǎn)氣量從大到小依次為：SRV-SRV＞FRAC-SRV＞FRAC-FRAC＞SRV-FRAC＞井間無溝通。

根據(jù)加密井累計產(chǎn)氣量曲線（見圖5）可知，與老井不同的是，當加密井高導流縫與老井低導流縫溝通（SRV-FRAC）時，可以適當?shù)窒暇畨航涤绊戇M而搶氣。對于井組而言，低導流縫間的溝通（SRV-SRV）為最佳方案，此時儲量動用最充分，井組累計產(chǎn)氣量最高。

2.1.3 縫網(wǎng)干擾對老井生產(chǎn)的影響

綜合縫網(wǎng)干擾類型，利用現(xiàn)代試井解釋成果和遞減規(guī)律，可將不同干擾機理對老井生產(chǎn)水平的影響分為以下4 類情況。

1）老井最終可采儲量（estimated ultimate recovery，EUR）增加?？赡艽嬖诹芽p溝通或壓裂改造體積重疊（干擾機理1 或2），既補充驅(qū)動能量，又改善了老井滲流條件，典型曲線平行上移。若老井復產(chǎn)后日產(chǎn)氣量大幅上升，老井液量很快恢復至壓裂干擾前水平，則為機理2；若復產(chǎn)初期產(chǎn)液量大幅上升，則為機理1。

2）老井EUR、典型曲線均不變。井間連通性弱（干擾機理4），老井復產(chǎn)后日產(chǎn)氣量和套壓有一定增大，但典型曲線仍在原趨勢線上。

3）老井EUR 不變、典型曲線先增后降至原水平。僅增大驅(qū)動壓差（無溝通），典型曲線為先增大、后以較大斜率回落至原趨勢線。

4）老井EUR 有減小趨勢。老井低導流縫與加密井高導流縫溝通（干擾機理3），老井日產(chǎn)氣量增幅大、遞減快，典型曲線逐漸低于原趨勢。老井復產(chǎn)初期受加密井壓裂后地層能量的補充，日產(chǎn)氣量也會增大，但最終預測的EUR 降低。

以上分析可以得出，對于同開發(fā)層系，大井距加密時，可以適當提高老井EUR 或采氣速度；而小井距加密時需嚴格論證施工參數(shù)，控制壓裂規(guī)模，既要滿足井間剩余儲量的充分動用，又要防止主縫過長，影響氣井采收率。

2.2 縱向干擾特征

立體開發(fā)縱向干擾，主要指不同開發(fā)層系井壓裂時與鄰近層系井的縫網(wǎng)溝通現(xiàn)象。

2.2.1 壓裂干擾現(xiàn)象

微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，人工改造裂縫主要在平面上擴展，縱向上擴展有限，有效裂縫高約15～25 m。區(qū)塊上部氣層井壓裂時，下部氣層老井（空間距離180～340 m）套壓增幅低于3.0 MPa；中部氣層井壓裂時，下部氣層老井（空間距離160～190 m）套壓明顯波動，套壓增大2.5～6.0 MPa。據(jù)統(tǒng)計，不同開發(fā)層系井壓裂對老井生產(chǎn)無明顯影響，老井復產(chǎn)后短期內(nèi)出現(xiàn)日產(chǎn)氣量、套壓上升現(xiàn)象，但很快回落至壓裂關(guān)井前的生產(chǎn)水平。

2.2.2 2 套層系立體開發(fā)井拉鏈壓裂

研究表明，頁巖氣井壓裂對正鉆井施工有顯著影響[30]，但對壓裂施工相互影響的研究相對較少，且層間干擾無法忽略[31]。近期，南川地區(qū)實施了中部氣層井焦頁206-Z1HF 和下部氣層加密井焦頁195-M2HF 拉鏈式壓裂。2 口井空間距離150～190 m，壓裂段對應關(guān)系與最小水平主應力方向基本平齊，壓裂過程中2 口井的施工壓力均高于同開發(fā)層系鄰井水平。其中，焦頁195-M2HF 井平均破裂壓力82.0 MPa，破裂壓力梯度2.8 MPa/100m，比下部氣層老井高0.1～0.6 MPa/100m；同期施工的焦頁206-Z1HF 井平均破裂壓力80.9 MPa，比同開發(fā)層系井高10.0～12.0 MPa，破裂壓力梯度2.9 MPa/100m，比同開發(fā)層系井高0.8～1.0 MPa/100m。不同層系井拉鏈壓裂對縫網(wǎng)復雜程度的影響，還有待進一步驗證。

3 結(jié)論與建議

1）不同層系立體開發(fā)井施工壓力縱向上與儲層孔滲、壓力系數(shù)等參數(shù)規(guī)律具有良好的一致性，下部氣層井破裂壓力梯度高于中部氣層井，上部氣層井破裂壓力梯度最低。同開發(fā)層系加密井施工壓力一般低于相鄰老井，且隨井距增加或井間采出程度減小，加密井與老井破裂壓力梯度差值減小。

2）立體開發(fā)井產(chǎn)能主要受地層能量、儲量豐度影響，下部氣層井產(chǎn)能優(yōu)于中部氣層井，上部氣層井產(chǎn)能最差。綜合立體調(diào)整井壓裂改造難易程度，建議優(yōu)先動用下部氣層，其次實施下部氣層加密井和中部氣層井，最后實施上部氣層井。

3）同層系加密施工時，當老井套壓平穩(wěn)上升，若復產(chǎn)后EUR 增加，表明老井高導流縫和加密井低導流縫溝通；若EUR 不變，則新老井之間為低導流縫間的溝通。當老井套壓迅速上升并伴隨波動，復產(chǎn)后老井EUR 減小，干擾機理為老井低導流縫與加密井高導流縫溝通。當老井套壓表現(xiàn)為升降型，復產(chǎn)后EUR 增加，則新老井之間為高導流縫間的溝通。數(shù)值模擬研究表明，老井和加密井低導流縫溝通時的采出程度最高，儲量動用最充分。

4）建議在實施立體調(diào)整前利用建模數(shù)模一體化落實區(qū)塊三層立體開發(fā)潛力，根據(jù)一次井網(wǎng)井距和改造效果優(yōu)化調(diào)整加密井壓裂規(guī)模，深化立體開發(fā)技術(shù)適應性分析，為方案整體部署提供依據(jù)。