趙景輝,李昂,鄭春峰,沈瓊,張艷英,黃鋮

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300452;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300450)

可控沖擊波增透技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種儲(chǔ)層改造新技術(shù),通過在近井地帶的井筒中控制沖擊波的能量釋放,達(dá)到致裂儲(chǔ)層的目的[1-3]。該技術(shù)可有效解決煤層或致密儲(chǔ)層開發(fā)過程中存在的儲(chǔ)層滲透率低、近井地帶堵塞等導(dǎo)致的產(chǎn)能釋放問題[4,5]。尤其是在煤層氣井儲(chǔ)層的增透解堵方面,通過在不同地區(qū)、不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得了較好的增透效果[6-8]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,大量低產(chǎn)低效煤層氣井“病急亂投醫(yī)”,在沒有有效的治理方法之前,采用可控沖擊波增透煤儲(chǔ)層更多地具有經(jīng)驗(yàn)性和隨機(jī)驗(yàn)證性,大大降低了可控沖擊波實(shí)施的成功率,不但導(dǎo)致大量無效投入,還有可能造成煤層的永久傷害[9-11]。因此,優(yōu)選出適合可控沖擊波增透作業(yè)的煤層氣井,提高煤層氣田的開發(fā)效益,是目前面臨的主要難題之一[12,13]。

本文基于可控沖擊波工藝的實(shí)施特點(diǎn),引入模糊數(shù)學(xué)理論,將影響可控沖擊波增透儲(chǔ)層的各因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,通過層次分析法確定各影響因素的權(quán)重,采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法[14,15]得到可控沖擊波的最佳應(yīng)用井況,為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 可控沖擊波煤儲(chǔ)層增透實(shí)施效果的影響因素

1.1 可控沖擊波煤儲(chǔ)層增透實(shí)施效果的影響因素

煤層氣井的沖擊波直接作用于儲(chǔ)層,對(duì)近井地帶的巖石滲透性產(chǎn)生直接的影響,但同時(shí),不同的儲(chǔ)層作用效果不盡相同,而在不同的開發(fā)開采時(shí)期,生產(chǎn)參數(shù)也制約著沖擊波的實(shí)施效果。

應(yīng)用可控沖擊波儲(chǔ)層增透效果影響因素主要包括煤儲(chǔ)層地質(zhì)因素和開發(fā)開采因素,其中儲(chǔ)層地質(zhì)因素包括滲透率、孔隙度、儲(chǔ)層累計(jì)厚度、破裂壓力、地解壓差、煤層夾矸厚度、煤體堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散指數(shù)和煤儲(chǔ)層含氣量。開發(fā)開采因素包括儲(chǔ)層歷史措施改造情況、作業(yè)前產(chǎn)氣產(chǎn)水情況和生產(chǎn)套壓參數(shù)等。

1.2 可控沖擊波實(shí)施效果影響因素權(quán)重

1.2.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)可控沖擊波煤層氣井增透效果影響因素指標(biāo),構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型,分為目標(biāo)層(A)、因素層(F)和子因素層(S)。

目標(biāo)層(A)即為可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造潛力指數(shù),包含兩個(gè)因素層(F),分別為地質(zhì)因素(F1)和工程開發(fā)因素(F2)。地質(zhì)因素(F1)包含9個(gè)子因素層,分別為滲透率(S1)、孔隙度(S2)、儲(chǔ)層累計(jì)厚度(S3)、破裂壓力(S4)、地解壓差(S5)、夾矸厚度(S6)、煤體堅(jiān)固系數(shù)(S7)、瓦斯放散指數(shù)(S8)、煤儲(chǔ)層含氣量(S9);工程開發(fā)因素(F2)包含4個(gè)子因素層,分別為歷史措施次數(shù)(S10)、作業(yè)前產(chǎn)氣量(S11)、作業(yè)前產(chǎn)水量(S12)、生產(chǎn)套壓(S13)。

模型中評(píng)價(jià)目標(biāo)為可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造潛力A=(F1,F2),其中F1=(S1,S2,…,S9),F2=(S10,S11,S12,S13)。

1.2.2 評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定

通過專家打分給出因素層中地質(zhì)因素與工程開發(fā)因素在可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造中的權(quán)重,其值為Wf=(0.7,0.3)T。

對(duì)于子因素在各因素中的權(quán)重,采用1～9標(biāo)度法。因素Si與因素Sj同樣重要,標(biāo)度為1;因素Si稍微重要于因素Sj,標(biāo)度為3;因素Si明顯重要于因素Sj,標(biāo)度為5;因素Si強(qiáng)烈重要于因素Sj,標(biāo)度為7;因素Si極端重要于因素Sj,標(biāo)度為9;兩相鄰因素判斷的中間值2、4、6、8。反之,因素Sj稍微重要于因素Si,標(biāo)度為1/3;因素Sj明顯重要于因素Si,標(biāo)度為1/5;因素Sj強(qiáng)烈重要于因素Si,標(biāo)度為1/7;因素Sj極端重要于因素Si,標(biāo)度為1/9;兩相鄰因素判斷的中間值標(biāo)度為1/2、1/4、1/6、1/8。

將F1中的9個(gè)影響因素進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建決策矩陣F1,將F2的4個(gè)重點(diǎn)影響因素進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建決策矩陣F2。

(1)

采用一致性檢驗(yàn)法,通過一致性指標(biāo) CI 和一致性比率指標(biāo)CR來計(jì)算各因素的權(quán)重:

(2)

式中:n為判斷矩陣的階數(shù);λmax為判斷矩陣的最大特征值;RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),查經(jīng)驗(yàn)參照表確定。

決策矩陣F1為9階矩陣,RI為1.45;決策矩陣F2為4階矩陣,RI為0.9。計(jì)算矩陣最大特征值和標(biāo)準(zhǔn)化特征向量,當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣符合一致性要求;若CR≥0.1,則須重新構(gòu)建判斷矩陣,直至滿足一致性檢驗(yàn)要求。根據(jù)計(jì)算,判斷矩陣F1的最大特征值λ1= 9.4631,CR1=0.0399,滿足一致性檢驗(yàn)要求;判斷矩陣F2的最大特征值λ2= 4.0593,CR2=0.0220,滿足一致性檢驗(yàn)要求。由此可得F1和F2的權(quán)重向量:W1=(0.2486,0.1402,0.0815,0.2494,0.0309,0.0723,0.0723,0.0290,0.0758)T,W2=(0.4768,0.2696,0.1740,0.0795)T。

采用專家打分法確定目標(biāo)層可控沖波煤儲(chǔ)層改造潛力的影響指標(biāo)的權(quán)重,Wf=(0.7,0.3),進(jìn)而可得各子因素的權(quán)重:

WS=(0.1740,0.0981,0.0571,0.1746,0.0217,0.0506,0.0506,0.0203,0.0531,0.1431,0.0809,

0.0522,0.0238)

(3)

2 可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造選井方法

2.1 建立影響因素等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造效果評(píng)價(jià)論域來說,按照評(píng)價(jià)決策分5個(gè)等級(jí),分別為優(yōu)、良、中、差、很差。

由7位專家團(tuán)成員分別對(duì)各影響因素用打分的方法表明各自的評(píng)價(jià),將各因素的定量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)評(píng)語,非定量化因素采用9分制進(jìn)行打分,進(jìn)而得出各影響因素的分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。建立不同得分等級(jí)的隸屬度關(guān)系,如表2所示。

表1 可控沖擊波儲(chǔ)層改造影響因素分級(jí)評(píng)判集

表2 不同得分隸屬度關(guān)系

2.2 評(píng)判方法

根據(jù)目標(biāo)井的井況,結(jié)合分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)(表1、表2),給出單井可控沖擊波儲(chǔ)層改造工藝優(yōu)選單因素評(píng)判矩陣Ri。采用加權(quán)平均模型算子M(·,+)進(jìn)行模糊變換,可得到對(duì)于目標(biāo)井(編號(hào)為i)可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造的綜合評(píng)價(jià)矩陣Yi,其式為

Yi=WSgRi

(4)

此時(shí),煤層氣井可控沖擊波單井增透潛力評(píng)價(jià)值Pi為

Pi=YiCT,C=[-2,-1,0,1,2]

(5)

式中:Pi為編號(hào)為i的井的綜合評(píng)價(jià)值;CT為等級(jí)矩陣,根據(jù)得分隸屬度范圍,定義綜合評(píng)價(jià)值分為“很差” (-2,-1.2],“差” (-1.2,-0.4),“中”[-0.4,0.4],“良”(0.4,1.2]和 “優(yōu)”(1.2,2]五個(gè)等級(jí),等級(jí)評(píng)價(jià)為優(yōu)和良的井采用可控沖擊波進(jìn)行儲(chǔ)層增透改造或解堵效果較好,等級(jí)評(píng)價(jià)為差和很差的井完全不適合采用可控沖擊波進(jìn)行儲(chǔ)層改造或解堵,評(píng)價(jià)為中的井采用可控沖擊波進(jìn)行增透解堵效果較為一般。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

沁水盆地S區(qū)塊構(gòu)造簡單,斷層稀少,煤層氣資源豐富,為煤層氣的大規(guī)模開發(fā)開采提供了有利條件,但煤層氣井在鉆井、完井和排液采氣過程中都存在不同程度的近井地帶儲(chǔ)層污染,嚴(yán)重影響了煤層氣的產(chǎn)能釋放。針對(duì)這種井況,采用本文方法優(yōu)化可控沖擊波進(jìn)行儲(chǔ)層改造井,以S區(qū)塊為例,在生產(chǎn)過程中被認(rèn)為受儲(chǔ)層近井地帶污染最嚴(yán)重的3口井為X1、X2和X3(如表3所示)。而三口井的優(yōu)選評(píng)價(jià)方法并不明確,常規(guī)做法為實(shí)施一口評(píng)價(jià)一口,或者對(duì)所有改造備選井進(jìn)行作業(yè)。

表3 三口煤層氣井可控沖擊波儲(chǔ)層改造選井評(píng)價(jià)

以X1井為例,參照上述優(yōu)選評(píng)價(jià)方法,建立X1井的綜合評(píng)價(jià)矩陣R1:

(6)

結(jié)合式(3)、式(4)、式(6)可得,X1井可控沖擊波煤儲(chǔ)層改造效果的綜合評(píng)價(jià)矩陣Y1為

Y1=WS·R1=(0,0.0423,0.3051,0.4737,0.1790)

(7)

此時(shí),由式(5)、式(7)可得,綜合評(píng)價(jià)值P1為

(8)

同理,計(jì)算X2、X3井可控沖擊波儲(chǔ)層改造的綜合評(píng)價(jià)值P2=0.6103,P3=0.7154。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,X1、X2和X3三口井的潛力評(píng)價(jià)結(jié)果為良,適宜采用可控沖擊波進(jìn)行儲(chǔ)層改造和解堵作業(yè)。

基于此評(píng)價(jià)結(jié)果,于2019年10月對(duì)三口井實(shí)施了可控沖擊波儲(chǔ)層改造措施作業(yè)。作業(yè)基本參數(shù)及作業(yè)前后產(chǎn)氣量情況如表4所示。

表4 三口井作業(yè)基本參數(shù)及作業(yè)前后產(chǎn)氣量情況

根據(jù)作業(yè)前后的排采效果表明:3口井的產(chǎn)氣量較作業(yè)前都有一定程度的增長,其中X1井產(chǎn)氣量增長幅度最大,作業(yè)后產(chǎn)氣量是作業(yè)前的2.86倍;X2井作業(yè)后是作業(yè)前產(chǎn)氣量的1.35倍;X3井作業(yè)后是作業(yè)前產(chǎn)氣量的1.69倍。其儲(chǔ)層改造效果與評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)相一致。

4 結(jié)論

(1)在分析可控沖擊波儲(chǔ)層改造影響因素的基礎(chǔ)上,確定了影響可控沖擊波實(shí)施效果的9個(gè)煤儲(chǔ)層地質(zhì)因素和4個(gè)開發(fā)開采因素,采用專家打分方法確定了13個(gè)影響因素的權(quán)重。

(2)通過引入模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法,建立了可控沖擊波煤儲(chǔ)層增透解堵單井的綜合評(píng)價(jià)方法,用以確定備選井的可控沖擊波儲(chǔ)層增透措施的可行性。

(3)采用單井綜合評(píng)價(jià)方法優(yōu)選的壽陽區(qū)塊3口井的評(píng)價(jià)得分:X1井的得分為0.7894,X2井的得分為0.6103,X3井的得分為0.7154,3口井的評(píng)價(jià)均為良,可作為可控沖擊波的優(yōu)先作業(yè)井。

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,優(yōu)選的3口井作業(yè)后產(chǎn)氣量較作業(yè)前分別增長了186%、35%和69%,儲(chǔ)層改造效果與評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)相一致。

(5)本文提出了一種對(duì)不同煤層氣井的儲(chǔ)層改造潛力進(jìn)行數(shù)據(jù)化定量分析的方法,為技術(shù)人員提供了一個(gè)行之有效的煤層氣井可控沖擊波儲(chǔ)層增透作業(yè)選井方式。該方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)選井方式,進(jìn)一步降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),提高作業(yè)成功率。