煤层气分段压裂水平井产能主控因素研究

秦 鹏，朱建英，刘世界，段宝江，宣 涛

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

煤层气分段压裂水平井增产机理是利用其水平段长度和水利裂缝有效沟通储层中的裂缝，大大增加了煤层气泄流面积，进而可以大幅度提高煤层气井产能，目前，国内煤层气分段压裂水平井开发实践表明，不同地质条件和不同分段水平井设计方案的分段水平井开发效果差异较大[1-6]。鄂尔多斯盆地大宁—吉县区块，2013年开展了中国第一口煤层气水平井套管完井分段压裂试验，单井产气量达12 000 m3/d，2015年又陆续开展了3口煤层气水平井分段压裂试验，单井产气量为6 000～12 000 m3/d；淮北芦岭煤矿LG01多段压裂水平井组产气峰值10 000 m3/d，稳产期平均产气量4 887 m3/d； 沁水盆地赵庄井田2015-2018年实施一组分段压裂水平井，稳定产量4 000～5 000 m3/d；郑庄区块压裂水平井产量可达到7 000 m3/d以上；山西晋城寺河20 000 m3/d；鄂尔多斯盆地东缘延川南区块东部YP1井，产气量仅维持在450～500 m3/d。目前，对关于影响煤层气分段压裂水平井开发效果的主控因素研究较少，任飞等优化了沁水拗陷东翼中段煤层气分段水平井压裂参数[7]； 张勇年等优化了沁端区块煤层气分段水平井压裂参数[8]； 王晶等优化了赵庄井田煤层气水平井压裂参数[9]。总体来看，对关键地质参数和工程设计参数对煤层气分段压裂水平井产能影响缺乏系统性认识，因此，笔者利用数值模拟手段，采用正交试验方法研究得出影响煤层气分段压裂水平井产能的主控因素，对煤层气分段压裂水平井选区和优化压裂设计参数具有指导意义。

1 多段压裂水平井渗流规律分析

研究水平井产能主控因素之前，首先应该研究分析多段压裂水平井渗流特征。本文利用不稳定压力分析软件Saphir对多段压裂水平井生产过程中的压力变化规律进行模拟分析，从模拟结果(图1)可以看出，流动共分为4个阶段：①双线性流动阶段；②裂缝间干扰流动阶段；③储层改造区域外流动阶段；④边界控制的拟稳态流动阶段。

图1 多段压裂水平井压力双对数特征曲线图

1) 双线性流动阶段：多段压裂水平井投产初期，其渗流特征主要表现为双线性流特征，该阶段流体裂缝中的流体呈线性流入井筒，储层流体呈线性流入井筒， 而裂缝之间并未发生干扰，在压力双对数曲线上表现为斜率为1/4的两条平行曲线。

2) 裂缝间干扰流动阶段：当裂缝间发生干扰时，在压力双对数曲线上表现为两条压力曲线相互靠拢，当压力刚好传播到裂缝改造区之外时，流动进入一个类似于“拟稳态”流动阶段。在压力双对数曲线上表现为两条压力曲线接近于重合，且曲线呈斜率为1的直线特征。

3) 储层改造区域外流动阶段：裂缝间出现严重干扰以后，压力会进一步向外扩展，延伸到裂缝改造区以外，此时，若地层有足够的流动能力，将继续扩大渗流半径，在压力传播到“边界”之前，该阶段即为储层改造区域外流动阶段。

4) 边界控制的“拟稳态”流动阶段：当压力传播到储层边界时，此时流动达到边界控制的拟稳态流动阶段，在压力双对数曲线上表现为两条压力曲线相互靠拢并接近于重合，此时曲线呈斜率为1的直线特征。

第1阶段和第2阶段时间长短与储层物性和裂缝间距有关，阶段时间长度与储层物性呈反比，与裂缝间距呈正比；第3阶段与水平段长度、裂缝半长，导流能力、储层边界有关，其阶段时间长度与水平段长度、裂缝半长、裂缝导流能力呈反比，与储层边界大小成反比；第4阶段时间长短与储层物性有关。

因此，多段压裂水平井的地质条件和裂缝参数决定其渗流特征，不同渗流特征制约着多段压裂水平井的开发效果。为了提高多段压裂水平井开发效果，需要研究得出影响煤层气分段压裂水平井产能的主控因素。

2 分段压裂水平井模型建立

本文运用现代油藏数值模拟软件ECLIPSE模拟不同地质因素和工程因素对煤层气分段压裂水平井产能影响规律。建立模型网格大小为1 500 m×1 000 m，研究地质主控因素所用的多段压裂水平井参数分别为：水平段长600 m，6条裂缝，裂缝导流能力为300 mD·m；研究工程主控因素多用到的主要地质参数分别为：裂缝孔隙度为0.01，渗透率为0.1 mD，含气量为15 m3/t，储层厚度5 m，见表1。

表1 煤层气藏基础参数

3 多段压裂水平井产能主控因素

影响煤层气多段压裂水平井产能的因素包括地质因素和工程因素。其中地质因素包括：储层厚度、含气量、渗透率、孔隙度；工程因素包括：水平段长度、裂缝条数、裂缝长度以及裂缝导流能力。本文采用L9_3_4正交实验表分别对地质因素和工程因素进行模拟分析[10]。

3.1 地质主控因素

为了使正交试验具有一定的代表性，笔者对国内主要煤层气区块物性进行了调研[11-17]，平均渗透率为0.01～1 mD；平均孔隙度为2.84%～5.21%；平均含气量7.99～21.62 m3/t。正交试验中渗透率取0.01 mD、0.1 mD、1 mD；孔隙度分别取2%、3%、4%；含气量分别取10 m3/t、15 m3/t、20 m3/t；煤层厚度分别取3 m、5 m、7 m，详细正交实验设计见表2。

对影响煤层气分段压裂水平井产能的地质因素以累计产气量(表2、图3)为评价指标，正交试验结果通过综合评价，以其极差大小评定影响因素主次，也就是极差大者为影响产能的主要因素。从图4可以明显看出：渗透率和含气量两个影响因素的极差明显大于厚度和孔隙度两个影响因素。因此，影响煤层气压裂水平井产能的主控地质因素为渗透率和含气量。

表2 地质因素正交方案设计及模拟结果

图3 地质因素正交试验累计产气量曲线图

图4 主要地质因素极差直方图

3.2 工程主控因素

正交试验中水平段长度分别取400 m、800 m、1 200 m；裂缝条数分别取4条、6条、8条；裂缝半长分别取100 m、200 m、300 m；裂缝导流能力分别取100 mD·m、200 mD·m、300 mD·m,详细正交实验设计见表3。

同样，对影响煤层气分段压裂水平井产能的工程因素以累计产气量(表3、图5)为评价指标，正交试验结果通过综合评价，以其极差大小评定影响因素主次。从图6可以明显看出：水平段长度和裂缝半长两个影响因素的极差明显大于裂缝段数和裂缝导流能力两个影响因素。因此，影响煤层气压裂水平井产能的主控工程因素为水平段长度和裂缝半长。

表3 工程因素正交方案设计及模拟结果

图5 工程因素正交试验累计产气量曲线图

图6 主要工程因素极差直方图

4 结 语

1) 煤层气多段压裂水平井渗流一般经历双线性流动、裂缝间干扰、改造区外流动以及边界控制流动等4个阶段。地质条件和裂缝参数决定其渗流特征，不同渗流特征制约着多段压裂水平井的开发效果。

2) 煤层气多段压裂水平井产能主控地质因素为渗透率和含气量，主控工程因素为水平段长度和裂缝半长。因此，在煤层气多段压裂水平井选区时应优先考虑渗透率高和含气量高的区块，以及压裂设计时要适当增加水平段长度和裂缝半长。