袁 征 ,楊洪銳 ,蘭麗娟 ,楊 震 ,李新發(fā) ,張 靜 ,楊紅斌
(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300459;2.中國石油玉門油田分公司 鉆采工程研究院,甘肅 酒泉 735000;3.中國石油玉門油田分公司 酒東采油廠,甘肅 酒泉 735000;4.中國石油大學(xué)(華東),山東 青島266580)
水力壓裂作為重要的儲(chǔ)層改造工藝,是煤層氣井增產(chǎn)的關(guān)鍵和必要措施。弄清水力裂縫形態(tài)是優(yōu)化壓裂參數(shù),提高增產(chǎn)效果的基礎(chǔ)。煤巖彈性模量低、泊松比高、節(jié)理豐富、構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)[1],造成水力裂縫起裂、擴(kuò)展機(jī)理復(fù)雜。因此國內(nèi)外大量學(xué)者對煤巖擴(kuò)展水力裂縫進(jìn)行了深入的研究[2-6]。對于煤巖壓裂裂縫形態(tài)的實(shí)驗(yàn)及理論研究較多,但研究成果大多無法直接應(yīng)用到現(xiàn)場施工中。作為現(xiàn)場施工裂縫形態(tài)的直接響應(yīng),壓裂施工曲線的研究、分析工作還相對缺乏。統(tǒng)計(jì)分析了140 余口煤層氣井現(xiàn)場施工曲線、數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與常規(guī)油氣井不同[7],煤巖壓裂施工曲線具有以下特點(diǎn):①煤層氣井壓裂施工常出現(xiàn)破裂壓力不明顯現(xiàn)象;②煤巖破裂壓力梯度變化范圍較大,統(tǒng)計(jì)140 余口煤巖破裂壓力梯度為0.016~0.062 MPa/m,平均值 0.035 MPa/m,遠(yuǎn)高于理論值[8-9];③部分井在恒定排量階段,施工壓力出現(xiàn)持續(xù)上升的現(xiàn)象;④周圍無斷層時(shí),部分井施工壓力出現(xiàn)大幅的波動(dòng)。理論研究表明造成煤巖多點(diǎn)起裂及多裂縫形態(tài)延伸現(xiàn)象的主要因素包括射孔方式、煤層應(yīng)力、儲(chǔ)層物性、煤巖節(jié)理等因素[10]。為研究裂縫形態(tài)與壓裂施工曲線的響應(yīng)關(guān)系,從物模實(shí)驗(yàn)、G 函數(shù)分析、凈壓力擬合3 個(gè)角度進(jìn)行深入研究工作。
應(yīng)力狀態(tài)是控制人工裂縫形態(tài)的主導(dǎo)因素,根據(jù)程遠(yuǎn)方等人研究,當(dāng)煤巖最小水平主應(yīng)力與上覆巖層應(yīng)力差為小于4 MPa 時(shí),水力裂縫以垂直縫為主;當(dāng)三向應(yīng)力狀態(tài)接近時(shí),水力裂縫趨于復(fù)雜[11-12]?;谏鲜隼碚?,人為控制物模實(shí)驗(yàn)巖樣應(yīng)力狀態(tài),以得到不同形態(tài)裂縫同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)壓力值。以此為基礎(chǔ),研究裂縫形態(tài)與施工壓力曲線的響應(yīng)關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)采用真三軸圍壓控制系統(tǒng),巖樣尺寸為105 mm×105 mm×95 mm,通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集注入壓力值,共進(jìn)行40 組實(shí)驗(yàn),煤巖起裂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 煤巖起裂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of simulation experiment of coal rock fracture initiation
1.1.1 單裂縫形態(tài)與注入壓力響應(yīng)規(guī)律
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:40 組物模實(shí)驗(yàn)中有22 組以單裂縫形態(tài)起裂。單裂縫-注入壓力曲線響應(yīng)圖如圖1。單裂縫形態(tài)下注入壓力曲線形態(tài)特征明顯:如煤樣A1、A2起裂圖形,當(dāng)煤樣以單裂縫形態(tài)起裂時(shí)破裂壓力明顯,注入壓力瞬大幅下降并趨于平穩(wěn),擴(kuò)展壓力接近圍壓最小主應(yīng)力值σmin。
圖1 單裂縫-注入壓力曲線響應(yīng)圖Fig.1 Diagram of injection pressure curves with single fracture
1.1.2 多裂縫形態(tài)與注入壓力響應(yīng)規(guī)律
結(jié)果中18 組煤樣出現(xiàn)多裂縫起裂現(xiàn)象,且多裂縫形態(tài)又可分為平行和相交2 種。多裂縫形態(tài)及注入壓力曲線如圖2。
圖2 多裂縫形態(tài)及注入壓力曲線圖Fig.2 Response diagram of injection pressure curves with multiple fractures
圖2 中裂縫形態(tài)特征與單裂縫明顯不同:如煤樣A3、A4 起裂圖形,多裂縫形態(tài)時(shí)注入破裂壓力不明顯;且在恒定排量下,注入壓力不斷上升且趨于穩(wěn)定值;此形態(tài)下的延伸壓力高于圍巖最小主應(yīng)力值σmin。
測試壓裂G 函數(shù)分析是識(shí)別地層多裂縫形態(tài)的有效手段,由Ken G.Nolte 首先提出并應(yīng)用于水力壓裂施工中[13]。G 函數(shù)是關(guān)于時(shí)間為變量的函數(shù),處理后的不同壓力曲線形態(tài)具有不同的物理含義:①過原點(diǎn)切線后自然降落的代表以產(chǎn)層內(nèi)單裂縫為主;②過原點(diǎn)切線在切點(diǎn)之前具有下凹曲線表示裂縫突破隔層現(xiàn)場;③過原點(diǎn)切線在切點(diǎn)之前具有上凸,表示出現(xiàn)多裂縫現(xiàn)象[14]。
TS-A1 井煤層垂深940.5 m,施工破裂壓力不明顯,攜砂液階段平均施工壓力25.86 MPa,且加砂階段出現(xiàn)砂堵跡象,TS-A1 井壓裂施工曲線如圖3。對該井壓裂測壓降并對數(shù)據(jù)進(jìn)行G 函數(shù)分析,TSA1 井壓降數(shù)據(jù)G 函數(shù)分析曲線如圖4,圖中井底測定的壓力是指通過井口壓力數(shù)據(jù)計(jì)算的井底壓力。攜砂液效率是指裂縫的體積與施工壓裂液體的體積百分比。
圖3 TS-A1 井壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing construction curves of TS-A1 well
由圖4 可以看出,TS-A1 井壓降數(shù)據(jù)分析曲線具有典型的多裂縫特征,過原點(diǎn)的曲線在切點(diǎn)之前曲線具有明顯的上凸特征,因此認(rèn)為本井在裂縫擴(kuò)展期間出現(xiàn)了多裂縫延伸現(xiàn)象。
壓裂施工作業(yè)發(fā)現(xiàn)前置液階段在恒定排量時(shí),常出現(xiàn)施工壓力不斷上升現(xiàn)象,且施工平均壓力高于預(yù)測值,TS-A2 井壓裂施工曲線如圖5。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)不變時(shí),裂縫條數(shù)對施工壓力影響較大[15]。為研究不同裂縫條數(shù)對施工壓力的影響,以TS-A3 井為例進(jìn)行擬合。選用壓裂施工專業(yè)分析軟件Fracpro,分別對3 種情況進(jìn)行凈壓力擬合:①1條裂縫;②4 條裂縫;③由1 條增加至4 條裂縫。TSA3 井不同裂縫條數(shù)下施工壓力擬合曲線如圖6。
圖4 TS-A1 井壓降數(shù)據(jù)G 函數(shù)分析曲線Fig.4 G function analysis curves of pressure drop data in TS-A1 well
圖5 TS-A2 井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing construction curves of TS-A2 well
圖6 TS-A3 井不同裂縫條數(shù)下施工壓力擬合曲線Fig.6 Fitting curve of construction pressure under different fracture numbers of TS-A3 well
TS-A3 井施工破裂壓力明顯,且施工過程相對平穩(wěn),凈壓力擬合結(jié)果如下:①當(dāng)以1 條裂縫形態(tài)進(jìn)行擬合時(shí),計(jì)算凈壓力值和測定的凈壓力值較吻合較好;②當(dāng)以4 條裂縫對凈壓力值進(jìn)行擬合時(shí),計(jì)算凈壓力值遠(yuǎn)高于測定的凈壓力值;③當(dāng)以1 條裂縫起裂,且隨著施工裂縫條數(shù)增加至4 條時(shí),凈壓力擬合值隨著裂縫條數(shù)也逐漸增加。
水力壓裂裂縫凈壓力與縫寬存在如下關(guān)系:
式中:△p 為井底縫口凈壓力,MPa;p 為壓裂施工井底壓力,MPa;σ 為儲(chǔ)層最小主應(yīng)力,MPa;G 為儲(chǔ)層剪切模量,MPa;W 為井筒處最大裂縫寬度,mm;H 為水力裂縫高度,m;v 為儲(chǔ)層彈性模量。
PKN 裂縫擴(kuò)展模型能夠很好地解釋多裂縫導(dǎo)致更高的地面壓力。研究多條裂縫同時(shí)擴(kuò)展時(shí),多條裂縫的平均縫寬之和高于單條裂縫擴(kuò)展的寬度。另外,多裂縫的擴(kuò)展使儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力急劇增加,主要表現(xiàn)為以下2 個(gè)方面:一方面壓裂裂縫爭奪縫寬使得巖石骨架應(yīng)力增加;另一方面儲(chǔ)層孔隙壓力隨濾失面積的增加而大量增加[16-17]。
煤層氣井水力壓裂多裂縫擴(kuò)展誘導(dǎo)因素較多,準(zhǔn)確識(shí)別多裂縫擴(kuò)展,并采取相應(yīng)的措施是煤巖水力壓裂成功的關(guān)鍵。通過對140 余口井的資料總結(jié)分析,煤層氣井水力壓裂多裂縫延伸時(shí),施工曲線多具有以下形態(tài):①前置液階段破裂壓力不明顯,部分井出現(xiàn)明顯破裂壓力后施工壓力又持續(xù)增加;②在恒定排量施工階段,施工壓力持續(xù)增加;③壓裂施工壓力遠(yuǎn)高于鄰井施工壓力或預(yù)測值。
與常規(guī)油氣井相比,煤層氣井水力壓裂施工成功率較低。多裂縫擴(kuò)展是壓裂施工失敗的重要因素之一。其影響主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面:①施工壓力超過或者接近限壓,無法進(jìn)行加砂壓裂:多條裂縫同時(shí)擴(kuò)展時(shí),縫寬之和高于單一裂縫的縫寬,另外多裂縫延伸導(dǎo)致儲(chǔ)層應(yīng)力增加,以上2 點(diǎn)均最終導(dǎo)致施工壓力升高;②多裂縫現(xiàn)象極大地增加了砂堵的可能性:因?yàn)槎嗔芽p的存在,施工液體由多條裂縫所共同擁有,與單裂縫延伸相比每條裂縫將更短和更窄,另外,濾失面積增加,導(dǎo)致液體濾失量增加,液體效率降低,造縫能力降低進(jìn)一步導(dǎo)致砂堵概率更高。
基于對煤巖壓裂多裂縫的認(rèn)識(shí)和識(shí)別方法,提出可調(diào)式多段塞壓裂工藝,以降低壓裂施工期間多裂縫現(xiàn)象帶來的影響。可調(diào)式多段塞是指在前置液階段,根據(jù)施工壓力、排量、液量逐步泵注一定體積和濃度的段塞,并實(shí)時(shí)調(diào)整段塞的排量、液量、支撐劑濃度、個(gè)數(shù)等參數(shù),起到有效堵塞微裂縫,降低儲(chǔ)層濾失,提高縫內(nèi)凈壓力,最終誘導(dǎo)形成主裂縫的壓裂工藝。多段塞作用原理示意圖如圖7。
圖7 多段塞作用原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of multi-slug operation principle
TS-A3 井埋深1 021 m,受碎裂煤控制為主,壓裂施工時(shí)造縫困難,施工壓力不斷升高,判斷形成多裂縫。對本井采用多段塞壓裂工藝,TS-A3 井多段塞應(yīng)用實(shí)例如圖8。
圖8 TS-A3 井多段塞應(yīng)用實(shí)例Fig.8 Application example of multi-slug in TS-A3 well
施工曲線顯示本井無明顯破裂壓力,且當(dāng)排量恒定時(shí)施工壓力持續(xù)上升,分析認(rèn)為本井裂縫延伸初期受多裂縫影響。排量5 m3/min 開始分別泵注3%、5%、7%、7%的 4 個(gè)段塞,砂量 2 m3。當(dāng)?shù)?2 個(gè)段塞進(jìn)入地層后壓力大幅下降,誘導(dǎo)煤層形成主裂縫。
對13 口煤層氣井采取可調(diào)式多段塞壓裂工藝,多數(shù)井加入段塞后出現(xiàn)了壓力響應(yīng),可調(diào)式多段塞壓裂工藝效果統(tǒng)計(jì)見表2,其中12 口井順利完成施工,大幅提高了煤層氣井壓裂的成功率。
表2 可調(diào)式多段塞壓裂工藝效果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Adjustable multiple slug statistics of the fracturing effect
1)煤層氣井水力壓裂施工出現(xiàn)多裂縫延伸時(shí),常具有以下特點(diǎn):破裂壓裂不明顯或破裂后壓力繼續(xù)升高;恒定排量下施工壓力不斷上升;施工壓力常高于預(yù)測值等特征。
2)物模實(shí)驗(yàn)顯示多裂縫起裂、延伸時(shí),破裂壓力不明顯,施工壓力較高,且恒排量下持續(xù)上升時(shí);分析具有多裂縫現(xiàn)象的井,G 函數(shù)分析顯示閉合前曲線呈現(xiàn)上凸形態(tài);恒排量下施工壓力不斷上升,且凈壓力曲線擬合結(jié)果多裂縫相符。
3)對于具有多裂縫特征的煤層氣井,提出了可調(diào)式多段塞壓裂工藝,并應(yīng)用到現(xiàn)場。多數(shù)井采用此工藝后具有壓力響應(yīng),大幅提高了施工成功率。