页岩气探井测试压裂方案设计与评价

由于各探区页岩气成藏条件、岩性、物性、含气性和有机地化指标等存在差异,具体压裂方案也大不相同。为正确认识压裂目的层的地质特征、明确主压裂设计目标,探井在正式加砂压裂之前有必要先进行测试压裂。在对比某页岩气探井(A井)关键地层参数指标与美国页岩气开发成熟参数指标的基础上,分析了页岩层可压性条件,提出了测试压裂具体设计思路及方案,并对测试压裂监测结果进行了系统解释与评价。分析评价可知,页岩气井测试压裂所需排量和用液量高于常规测试压裂设计水平;通过分析测试压裂,除了可以得到大量关于主压裂设计施工所需的地层压力、渗透性、闭合应力、裂缝起裂及扩展行为等参数信息外,还可用来判断页岩可压性和网络裂缝形成条件。      

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对同一层位多射孔段井进行改造，多种测试表明夹层及其应力不能对加砂形成的裂缝形成有效遮挡，主压裂能压开一条缝高连通整个射孔段的裂缝，测试压裂是保证主压裂顺利完成的重要措施之一，应用Fracpro压裂软件包提供的测试压裂分析能很好地指导主压裂施工。同一层位多射孔段的测试压裂要能准确反应裂缝的形态，求取可靠的参数，修改、调整主压裂设计，保证主压裂施工顺利完成。文章根据同一区块的两口井在同层位多射孔段的测试压裂G函数分析、净压力的拟合及其中一口井随后的重复压裂前的测试压裂对比分析，判断测试压裂裂缝几何形态与主压裂不一致，测试压裂求取的参数不能完全符合主压裂的裂缝延伸形态，为给主压裂提供准确的参数，对这一类施工井测试压裂设计及分析提出了一些建议，力求为类似井主压裂施工顺利完成提供更多的解决方法。     

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法 :根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为:①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

同步压裂缝网形成机理研究进展

同步压裂技术是实现页岩气、煤层气等非常规天然气储集层改造的新兴技术,揭示裂缝延伸的力学机理是进行施工参数优化的基础.研究表明,多裂缝同步延伸诱导应力场及其天然裂缝作用机制共同确定了同步压裂裂缝展布情况;裂缝网络工程方法是目前研究同步压裂裂缝延伸模型最好的手段;优化施工参数主要在于优化裂缝条数、裂缝间距、净压力和水力裂缝几何尺寸,以实现最大程度诱导应力场形成复杂裂缝网络.     

川东南地区深层页岩气水平井压裂改造实践与认识

深层页岩气资源丰富,是我国天然气资源增产上储的重要潜力之一。但是,由于其埋藏深,闭合压力大,岩石强度高,水力压裂作业时存在施工压力高、加砂困难、裂缝复杂性提高难度大等技术难题。鉴于此,以川东南丁山深层页岩气藏为例,开展了深层页岩气井压裂工艺的研究。采用现场岩心测试、X射线衍射分析、岩石三轴力学及声发射地应力测试等手段,分析了丁山深层页岩品质,提出了多段少簇、分级压裂、多尺度充填及控净压工艺等技术对策。在此基础上,通过裂缝网络扩展模拟以及页岩气藏生产模拟,优化了簇间距、施工规模、排量、压裂液组合等施工参数,初步形成了一套适用于深层页岩开发的压裂方案。将研究成果应用于D5井中,共压裂20段,压裂总液量为50 906. 1 m~3,砂量为1 574. 9 m~3,形成了较为复杂的裂缝网络,稳定产量16. 33×10~4m~3/d。相关研究结果对丁山等深层页岩气资源的开发具有较好的技术指导意义。     

DY2HF深层页岩气水平井分段压裂技术

DY2HF井是位于川东南丁山构造、目的层为龙马溪组海相页岩气的重点探井,具有高温、超高应力的特点。为解决该井压裂作业存在的施工压力高和加砂困难等难题,开展了深层页岩气水平井分段压裂技术研究。根据丁山页岩特征和地应力状态,进行了井口施工压力预测和排量优化,建立了水平井段多裂缝覆盖率计算模型,并结合诱导应力场计算结果进行了段簇优化。根据页岩气网络压裂技术的特点及该井的具体情况,确定采用高减阻低伤害滑溜水和活性胶液进行混合压裂,采用低密度高强度覆膜支撑剂进行组合加砂,并对压裂参数进行了模拟优化。DY2HF井分段压裂井口限压95 MPa,施工总液量29 516 m3,总砂量319 m3,最高排量13.6 m3/min,滑溜水减阻率达78%,胶液完全水化,压裂后获得高产工业气流,实现了深层页岩气水平井压裂技术突破。该井分段压裂结果表明,丁山等深层页岩气已经具备了有效勘探开发的技术基础。      

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法：根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为：①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

基于停泵压力降落曲线分析的压后裂缝参数反演

在主压裂停泵压降分析中,目前没有任何模型可以定量地计算出包括天然裂缝在内的裂缝总面积。而在小型压裂和微注测试分析中,Liu-Economides模型已经可以对包括天然裂缝在内的裂缝系统进行模拟,并给出了所涉及到的相关参数的解析解,包括天然裂缝和水力裂缝的面积。借鉴Liu-Economides模型,提出了一套针对主压裂停泵后的压降分析方法,从而评价天然裂缝和水力裂缝参数。利用该方法在四川盆地某页岩气水平井F井的实际压裂施工中进行了压力分析与应用。结果表明:该F井的28段现场压裂数据中有15段由于压后停泵测压时间不足,没有出现特征线段,无法进行裂缝参数的计算。利用模型对13段有效数据进行裂缝参数分析,发现提高缝内净压力,页岩气储层压裂裂缝复杂性会显著增加。同时,由于天然裂缝开启比例的增加,主裂缝长度也会发生显著降低。研究可以为压裂施工现场压后效果的实时评价提供理论依据与技术支撑,从而提高后续压裂施工的针对性与有效性。     

页岩气水平井分段压裂优化设计新方法

针对页岩气水平井分段压裂形成的复杂性裂缝量化表征困难、压裂优化设计方法不成熟的问题,对已有裂缝复杂性指数表征方法做了进一步深化,考虑各分支裂缝沿主水力裂缝方向的分布密度及其相互间渗流干扰波及面积,提出了新的裂缝复杂性指数表达式,使其不仅仅是一个范围,而是一个具体数值。围绕最大限度提高裂缝复杂性指数的压裂优化设计目标,从配套施工参数的优化与控制、最终预期产量的预测等方面入手,给出了针对水平层理缝/纹理缝发育储层、高角度天然裂缝发育储层的压裂优化设计方法及流程,并提出了天然裂缝分布密度及延伸缝长的定量描述方法。该压裂优化设计新方法在涪陵焦石坝某井进行了试验,其无阻流量比邻井约高26%,证明该新方法能有效提高页岩气水平井分段压裂的效果,对页岩气的经济有效开发具有重要意义。     

页岩气藏压裂动用程度及气体流动模拟研究

页岩储层孔喉细小、渗透率低,水力压裂后形成主裂缝及诱导裂缝网络加剧了页岩气流动的复杂性。为了准确表征页岩气拟稳态渗流特征,提出了离散裂缝耦合多重连续介质系统数学表征方法,并针对储层裂缝分布形态,利用商业数值模拟器建立了考虑吸附/解吸的页岩气藏离散裂缝耦合多重连续介质数值模拟模型。模型中采用局部网格加密的方法描述离散裂缝网络,基于建立的多重连续介质系统数学方法表征压裂后形成的密集分布微小裂缝体系。利用建立的模型,系统分析了储层横向/纵向动用程度以及裂缝导流能力、裂缝半长、裂缝排布方式等裂缝参数对页岩气泄气面积和气井产能的影响。研究发现,增大储层改造体积能够大幅度提高页岩气单井产量,但同时应当考虑主裂缝与次裂缝网络的配置关系;当储层改造体积相同时,最大限度提高裂缝与井筒之间的连通程度是提高页岩气产量的必要条件。研究认为,上述研究结果对页岩气压裂改造设计具有一定的理论指导意义。      

页岩气藏储层压裂实验评价关键技术

页岩气藏勘探开发潜力巨大,因其基质具有超低渗透特点,使得开发过程中需要进行大规模水力压裂,裂缝网络是获得工业性气流的关键。页岩气井的缝网压裂设计有别于常规低渗透砂岩储层压裂设计,特殊的室内实验评价技术是缝网压裂设计的重中之重。为此,从常规的压裂实验评价入手,分析对比了致密砂岩气与页岩气储层力学性质特征,针对页岩岩石脆性特征以及储层岩心敏感性等实验评价关键技术,开展了大量的实验评价研究,并与现场压裂缝高示踪剂监测、地面微地震裂缝监测结果进行了对比分析。所取得的认识可为页岩储层实验评价分析及缝网压裂优化设计提供参考。     

复杂缝网页岩压裂水平井多区耦合产能分析

针对页岩储层水平井压裂开发中复杂缝网形态、纳微米孔隙—复杂缝网—井筒多尺度渗流规律认识不清等问题,开展了针对性的研究:(1)通过巴西劈裂实验,诱导压裂缝的产生;(2)通过X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;(3)结合压裂缝形态描述和气体在基质—复杂缝网—井筒中的渗流机理,在多尺度统一渗流模型的基础上,建立考虑扩散、滑移及解吸的水平井单段压裂改造产能方程;(4)考虑多级压裂区干扰及水平井筒压降,建立页岩储层多级压裂水平井产能预测模型。研究结果表明:(1)压裂缝形态为复杂网状缝;(2)测得压裂缝开度为4.25~453.00μm,平均为112.00μm;(3)不同缝网形态下页岩气表现出不同非线性渗流规律;(4)随着重改造区裂缝密度、重/弱改造裂缝分布范围的增大,产气量逐渐增加,压裂段间缝网渗流区域发生干扰,产气量增加幅度减小;(5)模拟水平井筒长1 500 m、重度改造区缝网半长100 m时,压裂10级产能效果最好。结论认为,需要合理地控制压裂程度、优化裂缝参数,才能为页岩气压裂优化设计等提供技术支撑。     

页岩储层水力裂缝网络多因素耦合分析

为优化压裂设计、提高页岩储层的改造效果,基于室内真三轴水力压裂模拟实验、现场压裂实践和理论分析的方法,从页岩绪层岩石的脆性指数、水平应力差、天然裂缝的力学特征和发育程度、液体黏度和施工参数等方面分析了页岩储层压裂形成缝网的受控因素。结果表明:页岩储层的水力裂缝网络发育程度受到地质因素和工程因素的双重作用;从储层地质因素上看,岩石的脆性指数越高、天然裂缝越发育、天然缝胶结程度越差,越有利于形成缝网;从压裂作业的因素看,压裂液黏度越低以及压裂规模越大,越有利于形成充分扩展的缝网。在分析单个因素的基础上,建立了多因素耦合的缝网发育指数来表征页岩储层水力裂缝网络发育程度,并用于评价页岩储层压裂后水力裂缝的复杂程度。     

富有机质页岩储层热激致裂增渗的有利条件

页岩气藏的经济开发成为了当前非常规天然气开发关注的焦点。页岩气藏开发方式以"水平井+水力压裂"为核心技术,水力压裂过程中存在"大量压裂液滞留储层,难以返排,形成水相圈闭损害,阻碍气体产出"的工程难题。此外,水力压裂能形成大规模复杂缝网,沟通了微米级裂缝,而基块纳米级孔隙中气体仍然难以进入裂缝。从室内实验和矿场试验两方面概述了储层高温热处理的研究进展,提出了与水力压裂技术协调的富有机质页岩储层热激致裂的方法,从页岩储层地质特征与工程实际分析了页岩储层适合热激增渗的有利条件。研究认为,热激条件下有机质生烃增压、丰富多样的矿物组分差异热膨胀、微米-纳米级孔隙压力仓作用是页岩热致裂的有利地质条件;基于页岩气井体积改造形成的裂缝网络,滞留压裂液不仅能提高页岩导热能力,且在热激条件下水热增压、热液溶蚀作用可为页岩致裂增渗提供重要的工程条件。充分利用页岩储层独特的地质优势和有利的工程条件,包括热液作用、矿物组分非均匀膨胀致裂和热促吸附气解吸的热激法对压裂后的页岩储层进行改造,能够有效缓解甚至解除水相圈闭等储层损害,促使水力裂缝或天然裂缝两侧基质岩石热致裂,改善裂缝网络,增强页岩储层基质-天然缝-人工缝多尺度传质能力,同时实现压裂液的回收再利用,这将是一种环境友好型的有效开发页岩气藏的新方法。     

深层页岩裂缝形态影响因素

我国深层页岩气资源量丰富,但深井压裂施工压力高、加砂难度大、压后效果不理想,如何利用水力压裂措施形成有效的裂缝系统仍是亟待解决的难题。鉴于此,基于室内实验及微地震监测数据,应用Meyer软件离散裂缝网络模型模拟川东南某深层页岩气区块裂缝扩展规律（模拟精度可达85%以上）。通过正交设计及方差分析明确了压裂液黏度是影响深层页岩压裂裂缝形态中缝宽和SRV的主控因素,并将裂缝扩展分为前1/5~1/4时间段内的快速生成期和之后的缓慢增长期2个阶段。提出了目标区块深层页岩气井"大排量适度规模现场精细调控、变黏度混合压裂液充分造缝、小粒径低砂比连续加砂有效支撑"的技术思路,确定了单井液量、砂量、排量等最优参数范围。指导了一口3 900 m深水平井的压裂施工,综合砂液比为3.51%,单段最高砂量为80.6 m₃,压后获得了11.4万m₃的测试产量。该研究为类似深层页岩气井压裂设计提供了依据。     

页岩气水平井组拉链压裂过程中地应力的分布规律

页岩储层具有低孔隙度、超低渗透率的特征,往往需要通过水力压裂才能使气井具备一定的生产能力。拉链压裂是近年来针对页岩气藏缝网压裂的一项新兴工艺,为了认清压裂过程中裂缝应力干扰后地应力场的分布规律并给页岩压裂设计提供参考,首先假设地层为均质、各向同性弹性体,然后通过位移不连续法,建立起地层应力场分布数学模型,并利用线性叠加原理,得到人工裂缝周围水平应力场的分布情况。研究发现：①裂缝周围的地应力随着与裂缝距离的远近有不同程度的增加;②裂缝尖端处存在应力集中现象,且在裂缝尖端附近产生的拉应力使得水平应力有所减小;③裂缝对水平最小主应力的影响程度大于对最大主应力的影响;④随着裂缝条数的增加,诱导应力的叠加干扰对水平主应力的影响不断增强,且水平应力差异性逐渐减小;⑤在裂缝交错排列的区域内,应力干扰较强,应力场分布较复杂。上述研究成果对页岩气水平井组拉链压裂的优化设计具有指导意义。     

基于疲劳累积损伤理论的页岩气压裂泵注程序设计

水平井分段压裂技术是以页岩气为代表的非常规能源经济有效开发的关键技术之一。文中采用理论研究和软件数值模拟相结合的方法,将岩石疲劳累积损伤理论应用到水力压裂设计研究中,提出了以最大限度提高页岩气储层改造缝网体积为目标的水力压裂设计思想。基于Corten.Dolan等人的周期载荷疲劳累积损伤研究,建立了岩石疲劳累积损伤方程,定量研究岩石剩余强度与各影响因素间的函数关系。通过页岩气压裂设计Meyer软件和室内岩石力学实验进行了验证,对于通过泵注程序的设计来优化水力裂缝参数有重要的指导作用。     

页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究

为了给彭水地区页岩气开发提供技术支持,进行了页岩储层水力压裂物理模拟试验研究,建立了一套页岩储层水力压裂大型物理模拟试验方法。利用声发射监测系统实时监测了页岩压裂裂缝的产生与扩展演化过程,观察了水力压裂裂缝形态,并探讨了压裂液黏度、地应力差异系数、压裂液泵注排量等因素对水力裂缝形态及其扩展的影响。试验结果表明,随着压裂液黏度降低、地应力差异系数减小,水力裂缝沿着天然裂缝方向延伸,将原有天然裂缝沟通并形成网络裂缝。根据泵压曲线变化结果,提出在实际压裂施工过程中采用变排量的方式提高压裂改造体积,这可为页岩气压裂优化设计提供依据。      

基于产气剖面的页岩气离散裂缝网络反演方法

页岩气井压后裂缝描述对页岩气井生产动态预测、生产后期重复压裂设计以及加密井井眼轨迹设计等具有重要意义。以涪陵页岩气田开发和地质参数为基础,基于高效离散裂缝网络（EDFN）数值模拟方法,研究裂缝长度、压裂段裂缝累计总长、裂缝间距、裂缝相对位置等对压裂段贡献率的影响,通过水平井生产动态解释得到的裂缝特征参数反演离散裂缝网络。以JY46-3HF开发井产气剖面、产气贡献率和裂缝特征参数的相关性为基础,建立压裂裂缝网络模型,各压裂段产气贡献率模拟结果和实测结果高度吻合。研究结果表明,压裂段产气贡献率和压裂段裂缝累计总长正相关,裂缝间距、裂缝相对位置则通过影响裂缝对基质区域控制的大小影响压裂段对页岩气井的贡献率。