川南地区页岩气射孔地质工程一体化技术研究

任国辉,赵昕迪,陆应辉,李妍僖,胡寒,聂靖雯

(中国石油集团测井有限公司西南分公司,重庆400021)

0 引 言

图1 斯伦贝谢公司地质工程一体化思路

四川盆地南部地区页岩气资源量丰富,具有大面积、低丰度连续分布特点,开发潜力巨大[1]。但页岩以纳米级孔隙和纳达西级渗透率为主[2-3],无自然产能,属于典型人造气藏,必须采用水平井和大规模体积压裂技术[4-6]才能实现页岩气商业化开发。为实现川南地区页岩气高效开发,提出了地质工程一体化的理念[7]。地质工程一体化就是围绕提高平均单井产能,以三维模型为核心、以地质—储层综合研究为基础,在油气藏勘探开发的不同阶段,针对遇到的关键性挑战,开展具有前瞻性、针对性、预测性、指导性、实效性和时效性的动态研究和及时应用。配合有效的组织管理和作业实施,对钻井、固井、压裂、试采、生产等多学科知识及工程作业经验进行系统性积累,对钻井、压裂等工程技术方案进行不断调整和完善,在区块、平台和单井这3种尺度,分层次、动态地优化工程效率与开发效益,实现提产增效的中长期目标。基于地质工程一体化理念,吴奇等[7]首先提出了“品质三角形”,以及基于此的针对中国南方海相页岩气开发的地质工程一体化实施的技术路线。胡文瑞[8]针对低品质油气资源,提出了地质工程一体化是实现低品位资源高效开发的必由之路。黄浩勇等[9]针对长宁页岩区块地质特点和面临的难点,开展了长宁区块页岩气水平井组地质工程一体化研究。

射孔是国内外广泛使用的完井方法。针对页岩气等非常规油气藏,通常采用桥塞射孔联作技术。在纵向上,射孔孔眼不仅仅是油气进入井筒的通道,还是压裂液体系进出地层的唯一通道,直接影响和决定了压裂改造效果;在横向上,分簇射孔需要通过桥塞把水平井分成若干段和簇,实现集中改造、重点突破。为更好地发挥射孔的作用,为页岩气藏高效压裂提供孔道条件和分段条件,提出了为改造而射孔、桥射联作保压裂的新理念。

最大化桥塞射孔联作效果,融入页岩气地质工程一体化的开发模式,提出了射孔地质工程一体化概念。紧密结合地质特征(总有机碳含量、脆性、地应力、层理、裂缝等)和工程参数(施工排量、液量、固井质量、套管接箍等),以地质优化为目的、工程实现为约束,通过“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,为油气井“量身定制”优化的射孔参数和射孔工艺,提升压裂裂缝复杂程度、降低施工压力、控制裂缝起裂及延伸,提高页岩气井单井产量和估算的最终可采储量。

1 射孔地质工程一体化研究内容及思路

1.1 技术现状

目前,射孔作业方重心在现场施工,仅仅完成了“工程意义上的射孔”,很少介入分段、分簇、射孔参数优化、射孔工艺优化、作业效果评价等“地质意义上的射孔”。射孔地质工程一体化要求在施工作业前开展具有前瞻性、针对性、指导性的射孔优化研究并实施;施工作业后开展全面、科学的射孔效果评价,并对射孔参数和工艺进行持续优化(见图1)。射孔地质工程一体化理论和实践在中国处于萌芽状态。斯伦贝谢公司等国际大公司采用地质工程一体化思路,在多个非常规油气区块开展了地质模型、地质力学模型和压裂模型的三维建模技术研究,形成一套Mangrove软件,根据每口井的地质工程资料,完成分段分簇射孔优化设计。

1.2 研究内容

页岩气射孔地质工程一体化主要研究内容是充分利用射孔、物探、测井、录井、压裂等专业知识,实现分段、分簇、射孔参数、射孔管柱、施工工艺等5个方面的优化(见图2)。中国页岩气射孔参数优化大都借鉴北美的经验,还没有真正和油藏、压裂相结合。射孔管柱优化和施工工艺优化由射孔作业方完成,射孔作业方都做了相应的工作,但是智能化及信息化方面比较薄弱。针对页岩气射孔作业监测及作业效果评价的研究很少,极大地影响了整个射孔地质工程一体化技术的进步。基于此,射孔地质工程一体化必须考虑分段优化和分簇优化。

图2 射孔地质工程一体化研究内容

1.3 研究思路

通过对页岩气水平井压裂的裂缝形态及延伸规律进行研究,以最大化增产改造体积为目标,综合考虑页岩水平层段脆性、含气量、应力大小的分布特点,对人造裂缝参数进行模拟优化,确定最优的分段和分簇。根据储层物性、导流能力、压裂加砂程序等优化射孔孔径、相位、方位等参数,实现降低破裂压力、提升压裂裂缝复杂程度、控制裂缝起裂及延伸的目的。依据分段、分簇、射孔参数优化结果结合作业井况(井口压力、井深、水平段长、狗腿度、井眼轨迹等)设计施工作业管串,并确保管串能够顺利输送至目的层完成分段及分簇作业。页岩气射孔地质工程一体化的研究思路见图3。

为推进射孔地质工程一体化技术的深化研究,引入了深度学习和大数据分析等新方法,开发一套基于神经网络的射孔设计优化算法,实现页岩气射孔分段、分簇、射孔参数优化等的自动化及精确化。

1.4 射孔地质工程一体化优化软件

依托分段、分簇、射孔参数、射孔管柱、施工工艺等5个方面的优化算法及规则,通过对油气井射孔主控因素的研究,初步搭建了页岩气射孔模型。形成以地质需求为目标、录井测井资料为参照、工程优化为约束的射孔优化设计与作业监测1.0版。该软件集自动分段分簇、射孔参数和工艺自动优化、射孔作业监测、射孔管柱自动优化、射孔数据可视化等功能于一体。

2 射孔地质工程一体化实践

2.1 分段优化

分段优化的一般原则是将储层物性、完井参数相近的层段划分为同一压裂段,避免同一段内由于属性差异过大而导致的压裂改造不均匀、不充分。页岩气分段需要利用精细计算的矿物组分、孔隙度、总有机碳含量、含气量、岩石力学参数、脆性指数等关键评价参数,为优选有利压裂层段提供依据。

图3 射孔地质工程一体化研究思路

页岩气开发力求彻底破碎储层,获得高产,通常采用细分切割的分段方案。试油分段优化步骤:①确定试油井段,依据测井解释成果,同一小层划为一段;②依据测井解释成果(结合蚂蚁体裂缝预测技术),将可能有天然裂缝发育段划为一段;③储层参数(总有机碳含量、孔隙度等)相近的划为一段;④岩石力学参数(脆性指数、地应力等)相近的划为一段;⑤气测值相近的划为一段;⑥根据工程需要避开高狗腿度及套管接箍,按照大体均匀分段及段长40～80 m的总思路,调整及细化分段。

2.2 分簇优化

射孔簇位置应选择储层物性好、岩石脆性高、低地应力区域,提高裂缝复杂度和降低施工压力。射孔簇间距应充分考虑多裂缝应力干涉的影响,合理布置簇间距,提高裂缝扩展能力和裂缝复杂性。射孔簇数、簇长和孔密的优化应能降低摩擦阻力并提高射孔簇有效水马力。

2.3 射孔参数优化

页岩气射孔参数的优化以保障压裂高效实施为目标,即降低施工压力、提升压裂裂缝复杂程度、控制裂缝起裂及延伸。

2.3.1 射孔孔径及孔眼数优化

(1)降摩擦阻力优化。在页岩气压裂增产措施施工中,射孔孔眼摩擦阻力的大小对施工压力存在影响,尤其在页岩气大排量压裂情况下,这种影响更为明显,因此需要降低孔眼摩擦阻力。单从射孔角度来说,孔径和孔密对孔眼摩擦阻力均有直接影响。随着孔径的增加,孔眼摩擦阻力在最初也急剧减小,然后影响逐渐趋缓,因此,采用大孔径射孔弹是有必要的。随着孔密增加,射孔数相应增加,孔眼摩擦阻力在起初急剧减小后,逐渐变得缓慢。

(2)单孔流量优化。根据预测的压裂施工排量,综合考虑孔眼摩擦阻力、单孔流量和孔眼效率,确定合理的孔眼数。如果按照12～14 m3/min排量施工,每级总孔数48孔,单孔流量为0.25～0.29 m3/min,有利于形成复杂缝。

(3)孔眼一致性优化。在水平井进行射孔时,射孔枪由于受重力的作用,使得射孔枪下侧靠近套管内壁,造成射孔弹发射后,在套管各个相位上的孔径大小不同。造成后续压裂的时候进液不均,有效射孔孔眼数减少,影响压裂改造效果。等孔径射孔后,套管上各相位上的孔径大小基本一致,孔眼摩擦阻力变化小,压裂液在孔眼处的压力损失较小,有助于消除常规射孔非均匀效应的影响,消除近井地带的扭曲摩擦阻力,降低施工压力。同时,等孔径射孔由于增加了有效孔眼数,提高了施工排量、液量、加砂量、加砂强度,对提高页岩气储层的增产改造效果具有重要意义。

2.3.2 射孔相位、方位优化

裂缝起裂受到井筒附近地应力场的影响。按照主应力的大小,地应力场可以分为3类:垂直应力为最大主应力、垂直应力为中间主应力、垂直应力为最小主应力。水平井筒指向最大和最小水平主应力方向时,沿井筒周向上的破裂压力分布,其中横轴的角度以井筒横截面正北方向为起点。在井筒横截面上,最小破裂压力所在位置其实指向横截面上最大主应力方向,即在该方向上最先破裂。在30°以下,破裂压力随夹角增大而增大,但变化相对平缓;30°～47°破裂压力急剧增大。47°以上,破裂压力变化很小,这时裂缝已经不在孔眼上开始。基于以上分析,认为理论上最佳的射孔应设计指向最低破裂压力的位置,即采用定方位射孔,可以大大提高压裂施工处理效率。

图4 W202HXX-1井分段分簇优化*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2

2.3.3 射孔定向优化

由于川南页岩气优质页岩层相对较薄,水平井在钻井过程中可能出现井眼轨迹偏离优质储层,穿越至产层的上方或下方。同时,国内外已充分证明页岩气藏体积压裂改造过程中水力裂缝缝高延伸有限,这是由页岩储层其本身发育的层理地质特征所决定的。需采用定向分簇射孔对偏离层段进行定向射孔,最大可能诱导水裂裂缝向最优质页岩层延伸,实现对设计靶体的最大限度改造,获得最优效果。

2.4 射孔管柱、施工工艺(参数)优化

根据分段分簇优化结果、射孔参数优化结果及作业井井况(井口压力、井深、地层压力、水平段长等),设计射孔作业管柱及施工工艺参数。通过泵送排量模拟分析及通过能力分析,优化射孔作业管柱;通过全井筒泵送模拟,优化施工工艺(参数)。

2.5 作业监测及效果评价

页岩气射孔作业监测和效果评价是地质工程一体化技术的重要环节,也是最薄弱环节。只有系统地作业监测和效果评价才能实现真正意义的射孔优化。射孔及压裂施工后对裂缝的评价方法主要有远离裂缝直接成法、直接近精通裂缝诊断法等。远离裂缝直接成法包括微地震监测、测斜仪监测等,直接近精通裂缝诊断法包括示踪剂监测、生产测井等。

(1)微地震监测。微地震监测是应用最广泛的直接监测方法,通过微地震事件监测可以确定人工裂缝的整体趋势。微地震监测结合地面测斜仪监测可以分析水平井压后形成裂缝的复杂程度。通过计算水平井主要的裂缝形态及其所占的比例、多裂缝系数、裂缝复杂指数来判断射孔参数是否合理、优化射孔参数。

(2)生产效果评价。利用页岩气水平井产出剖面测试结果,分析水平段各小层、各射孔簇的产能贡献,为射孔优化提供支撑。

3 应用实例

以W202HXX-1井优化过程为例,输入基本井况数据、测井数据、套管数据、井斜数据后,进行优化流程构建,并按步骤进行井况确认、测井参数筛选、智能分段分簇、射孔弹优选、射孔器材优选、入井工具优选、射孔管串结构优化、水平井射孔管柱通过能力分析、水平井射孔管柱泵送程序设计,最终输出W202HXX-1井射孔优化设计报告(见图4)。在现场作业过程中,通过监测模块实时收集、分析作业数据提供在线技术支持,同时将数据实时分析的结果存入数据库中对射孔参数的优化算法,人工智能模型进行更新和调整,形成完整的射孔优化闭环。

4 结论和建议

(1)初步形成一套页岩气射孔地质工程一体化技术,但是中国总体研究还处于萌芽状态。射孔作业公司应形成射孔地质工程一体化共识,开展射孔地质工程一体化技术的深入研究及实践,实现“一井一策”“一段一法”“一簇一射”,为页岩气井量身定制射孔参数和射孔工艺。

(2)射孔地质工程一体化技术的核心是构建基于真实油气藏的射孔作业模型。需要开展3个方面的研究:基于真实岩石、真实地应力、真实储层环境条件下的射孔性能及储层响应研究;室内射孔效能评价技术研究,结合大物模试验等手段,深入研究射孔与压裂响应的关系;射孔现场效果评价研究,结合微地震监测、压裂参数、产气剖面测试、示踪剂测井等方法,对分段分簇、射孔参数及射孔工艺进行系统地持续优化。

(3)射孔地质工程一体化涉及地震、测井、录井及压裂、射孔、固井等多个学科,组建一体化的多专业研究团队对于推动射孔地质工程一体化技术的发展势在必行。

(4)建议引入“互联网+”和大数据技术,建立射孔深度学习方法,避免射孔数据烟囱、信息孤岛的出现。利用大数据关联分析提升射孔地质工程一体化技术水平,形成地质、油藏、完井、压裂于一体的射孔优化技术及软件,保障页岩气井上产增效。