杜 洋，雷 煒，李 莉，趙哲軍，倪 杰，劉 通

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽618000）

川南深層頁巖氣正推廣實施測—采—輸一體化交叉作業(yè)模式，打破了傳統(tǒng)試油、采氣接替實施的生產(chǎn)管理模式，采用地面流程迅速排液，見氣后及早倒入管網(wǎng)輸氣，提高氣井正式投產(chǎn)速度，有效回收測試期產(chǎn)氣，實現(xiàn)了降成本、減排放、快投產(chǎn)、早收益的開發(fā)目標(biāo)。氣井壓后大致可分為燜井（溶解橋塞，溝通縫網(wǎng)），返排（快速排出近井地帶壓裂液，評價氣井產(chǎn)能）和排采（合理配產(chǎn)，穩(wěn)定生產(chǎn)）3個連續(xù)階段[1]。但由于該模式屬于先導(dǎo)試驗階段，目前仍以現(xiàn)場經(jīng)驗為決策依據(jù)，在氣井壓后排采方面還存在3個主要問題：一是壓后是否燜井認識不足，燜井時間大多根據(jù)生產(chǎn)進度或施工建設(shè)決定，缺乏定性研究。Crafton等[2]認為關(guān)井時間對頁巖氣早期以及長期產(chǎn)氣量均有重要影響，但這種影響具有不確定性。Makhanov等[3]認為關(guān)井期間頁巖的滲吸作用有助于游離氣的運移。Eveline[4]、Yaich等[5]通過對Marcellus頁巖氣井的返排分析發(fā)現(xiàn)關(guān)井措施對75%的井有利，認為僅依靠地層能量的恢復(fù)難以達到明顯的提產(chǎn)效果，但未解釋關(guān)井后出現(xiàn)高產(chǎn)的原因。二是返排制度對氣井返排率及產(chǎn)能的影響不清楚，現(xiàn)場應(yīng)采用逐級控制慢排或是快速返排見氣模式存在爭議，Bertoncello等[6]認為由于水鎖現(xiàn)象的存在，關(guān)井對頁巖氣井產(chǎn)能有負面影響并建議壓后立即返排。楊海等[7]認為滯留壓裂液在頁巖儲層微細裂縫網(wǎng)絡(luò)中具有液相支撐作用。蒙冕模、杜洋、肖文聯(lián)等[8-10]通過實驗，認為燜井期間頁巖儲層的水鎖傷害會隨著液體滲吸進入微孔隙而自動解除。游利軍、韓慧芬等[11-14]通過巖心力學(xué)實驗分析，認為頁巖水化作用會誘導(dǎo)起裂，溝通微裂縫。三是頁巖氣井壓力產(chǎn)量遞減快，采氣工藝介入時機及排采對策尚不明確，潘登等[15-17]分析了頁巖氣測采輸一體化作業(yè)及壓后排采的難題，提出通過合理控制返排，及時介入排采工藝。范宇等[18]通過長寧頁巖氣排采工藝應(yīng)用總結(jié)，認為頁巖氣井適宜的排采工藝為泡排、柱塞及氣舉，下油管時機越早對氣井穩(wěn)定生產(chǎn)越有利。曹孟京、林生茂、楊智[19-21]等分析了頁巖氣速度管柱、泡排及柱塞氣舉工藝設(shè)計方法，現(xiàn)場應(yīng)用均取得了較好的增產(chǎn)效果。以威榮、永川深層頁巖氣井返排測試及試采資料為基礎(chǔ)，開展了頁巖與壓裂液作用機理、氣液兩相滲流及應(yīng)力敏感性等實驗研究及井筒流態(tài)、壓力剖面模擬計算等工作，系統(tǒng)分析了氣井壓后排采過程中的控制措施及設(shè)計方法，為深層頁巖儲層的壓后生產(chǎn)管理及排采技術(shù)提供了決策依據(jù)。

1 壓后燜井時間

壓后燜井對產(chǎn)能的影響目前仍無定論，一方面，燜井對產(chǎn)能產(chǎn)生不利影響，如壓裂液長期滯留會侵入儲層，產(chǎn)生水鎖，降低氣相滲透率，同時頁巖儲層中一些黏土礦物與壓裂液接觸后發(fā)生膨脹，堵塞原有孔縫，也會造成滲透率下降；另一方面，燜井有利于氣井產(chǎn)能釋放，如較大的毛細管力可將縫隙中的壓裂液滲吸進入基質(zhì)孔隙中，置換出游離氣，增加初始產(chǎn)能，另外黏土礦物膨脹至一定程度后會誘導(dǎo)形成新的裂縫或者開啟閉合裂縫，即水化作用，提高頁巖滲透率[22]。

1.1 巖心滲吸實驗

為模擬地層壓力下的頁巖與壓裂液作用機理，采用威榮、永川龍馬溪組巖心，配置滑溜水液體，開展覆壓條件下的巖心滲吸實驗，實驗裝置流程圖如圖1所示，該裝置主要由三部分組成：巖心夾持器與核磁共振儀，測定壓力作用下頁巖滲吸過程中T2譜曲線；圍壓泵提供了模擬儲層巖石所受的有效應(yīng)力；驅(qū)替壓力控制部分包括ISCO 泵、中間容器與六通閥，模擬井筒與地層間存在的流體壓差。實驗過程中，將巖心放入核磁共振儀中的巖心夾持器，圍壓加載到10 MPa；巖心入口端壓力為0.5 MPa，出口端為大氣壓；然后，實時測定巖心的T2譜曲線，直到T2譜曲線幾乎不發(fā)生變化，并使用高精度天平測定滲吸實驗前后巖心的質(zhì)量。結(jié)合脈沖覆壓物性、電鏡掃描、氮氣吸附及核磁共振等測試手段，評價孔滲特性、孔隙結(jié)構(gòu)等變化。

圖1 滲吸實驗流程Fig.1 Process of imbibition experiment

巖心經(jīng)液體滲吸后，外壁及內(nèi)部變化如圖2和圖3所示，產(chǎn)生了大量新縫，質(zhì)量由75.68 g 增加到75.88 g，計算孔隙體積由2.261 mL 增加到4.148 mL，吸水體積為0.2 mL，占原孔隙體積的8.85%，孔隙度由7.740%增大至14.20%，增長率約為85.15%，巖心對應(yīng)的滲透率由0.005 2×10-3μm2增加到0.278 4×10-3μm2，為初始滲透率的53倍，核磁共振T2譜隨滲吸進行由單峰變雙峰特征，如圖4所示，同時峰值增加并向兩翼擴展，且右翼擴展速度大于左翼，分析認為由于頁巖中黏土礦物與液體之間的水化作用產(chǎn)生上百兆帕的壓力，導(dǎo)致了孔隙空間大幅增加及孔隙結(jié)構(gòu)顯著變化。

圖2 巖心滲吸前后外觀對比Fig.2 Core appearance before and after imbibition

圖3 滲吸前后電鏡掃描結(jié)果Fig.3 SEM results before and after imbibition

圖4 滲吸過程核磁T2譜結(jié)果Fig.4 NMR T2 spectrum during imbibition

吸脫附曲線顯示實驗后孔隙中吸附氣量減少，比表面積降低，如圖5所示，表明隨滲吸時間增加，液體滲吸量不斷增大，由于孔隙儲集空間的親水性，進入的液體與巖心表面的吸附氣發(fā)生置換，加速吸附氣解吸為游離氣。

圖5 滲吸前后吸脫附曲線Fig.5 Adsorption-desorption curves before and after imbibition

巖心的滲吸速度隨時間的增加呈上升變平緩的兩段式分布，在進行到一定程度后達到平衡狀態(tài)，表明液體在毛管力作用下的滲吸與不同液體濃度的滲析作用達到了穩(wěn)定，即為滲吸平衡時間。將本次實驗得到不同地區(qū)儲層滲吸平衡時間作為指導(dǎo)氣井現(xiàn)場燜井時間的初步原則（威榮儲層5 d，永川儲層9 d），如圖6所示。

圖6 滲吸量、燜井壓力降與時間曲線Fig.6 Imbibition and pressure drop during soaking

1.2 礦場驗證

川南深層頁巖井氣返排前燜井時間為2～35 d，總結(jié)威榮及永川同井區(qū)相鄰平臺16口氣井壓后燜井壓力變化、燜井時間與氣井產(chǎn)能關(guān)系，如圖6、圖7所示，發(fā)現(xiàn)在威榮地區(qū)，壓力在4 d時降低至平穩(wěn)，燜井時間在5 d以內(nèi)的，測試產(chǎn)能最高，燜井時間＞5 d的氣井產(chǎn)能相當(dāng)，表明燜井時間的增加未能提高氣井產(chǎn)能，結(jié)合威榮頁巖氣井返排率較高的特點，長時間燜井甚至?xí)蛩i或黏土膨脹抑制氣井產(chǎn)能；而在永川地區(qū)，燜井9 d 后壓力降低至平穩(wěn)，燜井時間在5～10 d之間，氣井測試產(chǎn)能最高，小于5 d的氣井測試產(chǎn)能最低，表明永川地區(qū)儲層吸水能力更強，增加燜井時間有利于形成復(fù)雜縫。因此，初步確定了以滲吸平衡為最優(yōu)燜井時間，威榮地區(qū)參考值為5 d以內(nèi)，永川地區(qū)參考值為7～10 d。

圖7 威榮及永川氣井產(chǎn)能與燜井時間關(guān)系Fig.7 Relation between productivity and shut-in time of gas wells in Weirong and Yongchuan

2 返排制度優(yōu)化

目前頁巖氣井壓后返排制度依靠礦場經(jīng)驗分為快排和慢排兩種，缺乏理論指導(dǎo)?？炫拍Ｊ揭姎庠?、排液強度大、氣井返排率高，氣井投產(chǎn)周期短，但容易發(fā)生支撐劑回流，降低儲層滲透性及裂縫導(dǎo)流能力；慢排模式有利于地層能量保持、延緩裂縫閉合，但見氣時間較晚，氣井投產(chǎn)時間較長，且容易發(fā)生黏土膨脹堵塞，造成儲層傷害[23]。

2.1 儲層應(yīng)力敏感性分析

頁巖儲層具有較強的非均質(zhì)性，為探究合理的壓后返排制度，有必要對裂縫及基質(zhì)的應(yīng)力敏感性進行分析[9]。采用降內(nèi)壓實驗方法，模擬深層頁巖儲層條件（140℃，75 MPa），開展了頁巖基質(zhì)、天然裂縫、人造壓裂剪切縫巖心的滲透率隨有效應(yīng)力敏感實驗，根據(jù)Terzaghi定義有效應(yīng)力為圍壓與孔壓的差值。針對基質(zhì)巖心，取實驗圍壓為75 MPa，內(nèi)壓由5 MPa 至70 MPa，對于有裂縫的巖心，取實驗圍壓為90 MPa，內(nèi)壓由5 MPa至65 MPa。

實驗表明隨有效應(yīng)力的增加，巖心滲透率顯著降低。壓力加載過程中，滲透率在加載初期急劇下降，然后趨于平緩，其中基質(zhì)巖心的轉(zhuǎn)折點約為10 MPa，天然裂縫及人造裂縫巖心介于10～20 MPa，如圖8所示。

采用滲透率傷害程度評價指標(biāo)，由式（1）計算滲透率損害率為：

式中：Dk為滲透率損害率，%；K0為初始有效應(yīng)力對應(yīng)的滲透率，10-3μm2；Kmin為最大有效應(yīng)力下巖心最小滲透率，10-3μm2。

圖8 基質(zhì)及裂縫巖心滲透率應(yīng)力敏感曲線Fig.8 Stress sensitive curves of core permeability of matrix and fractures

計算巖心的滲透率損害率為99.5%，應(yīng)力敏感程度強，表明頁巖對內(nèi)壓有很強的敏感性，滲透率越低的巖心對內(nèi)壓敏感性越強。這是因為在圍壓恒定的情況下，隨內(nèi)壓的降低，巖心有效應(yīng)力增加，同時巖心內(nèi)部的氣體流動通道也因為孔隙空間受到壓實收縮而變少、變窄，進而導(dǎo)致滲透率下降。在有效應(yīng)力增加的初始階段，巖心的滲透率因變形程度較大而快速下降；當(dāng)有效應(yīng)力增大到一定程度后，此時的滲透率下降變慢，這是由于巖心內(nèi)部的孔隙收縮達到了一定極限。通過三類巖心應(yīng)力敏感性特征曲線，表明在頁巖氣井壓后返排及生產(chǎn)過程中，應(yīng)注意控制生產(chǎn)壓差，防止天然裂縫、次生裂縫及孔隙等儲集空間過早閉合，阻礙氣流通道，影響氣井產(chǎn)能釋放。

2.2 返排制度優(yōu)化

根據(jù)頁巖儲層應(yīng)力敏感性，對威榮及永川11口深層頁巖氣井壓后返排測試及生產(chǎn)規(guī)律總結(jié)，將氣井壓后排采分為初期純液、見氣初期、氣相突破、穩(wěn)定測試及管輸生產(chǎn)5個階段。

①初期純液：地層能量充足，大量液體儲集在井筒、裂縫中，為了防止液體攜帶支撐劑回流及井口出砂現(xiàn)象，應(yīng)主要考慮裂縫巖心應(yīng)力敏感性，控制生產(chǎn)壓差在20 MPa以內(nèi)，逐漸加大排液速度；

②見氣初期：井筒內(nèi)變?yōu)闅庖簝上嗔鲃樱A段返排率在0.2%～8%，基于縫內(nèi)和基質(zhì)的強應(yīng)力敏感性，仍需保持較小油嘴并逐級放大排液，生產(chǎn)壓差控制在20～40 MPa；

③氣相突破：氣相通道完全打開，井口壓力和產(chǎn)量快速攀升，直至到達地層供給與產(chǎn)出平衡，該階段地層能量充足，井筒滑脫小，為減緩地層能量損失，應(yīng)快速上調(diào)油嘴測試，適當(dāng)減少測試時間；

④穩(wěn)定測試：保持較大油嘴制度，井口壓力和產(chǎn)氣量快速上升至平穩(wěn)，表明當(dāng)前制度下的生產(chǎn)壓差反映目前的產(chǎn)能，開展產(chǎn)能測試，但最大油嘴下的生產(chǎn)壓差不宜超過45 MPa，否則會受縫內(nèi)應(yīng)力敏感影響氣井產(chǎn)能；

⑤管輸生產(chǎn)：測試結(jié)束后進入管輸生產(chǎn)，根據(jù)氣井測試產(chǎn)能合理配產(chǎn)，投產(chǎn)后需根據(jù)作業(yè)能力及生產(chǎn)動態(tài)及時采取助排方式，同時避免長時間關(guān)井，保障連續(xù)生產(chǎn)。

通過壓力和產(chǎn)量變化規(guī)律，結(jié)合氣液兩相滲流實驗及應(yīng)力敏感實驗結(jié)果，建立了壓后排采指導(dǎo)圖版，如圖9所示，并對氣井不同階段進行了分類控制，如表1所示，指導(dǎo)了20余口氣井壓后返排作業(yè)，氣井壓后至管輸周期控制在30 d，較常規(guī)測試轉(zhuǎn)采輸作業(yè)周期縮短了約50%的工期，達到了科學(xué)返排目的。

圖9 川南深層頁巖氣井壓后排采指導(dǎo)圖版Fig.9 Post-frac drainage guide chart of deep shale gas wells in Southern Sichuan

3 排采工藝對策

3.1 油管設(shè)計方法

國內(nèi)外頁巖氣井在初期多采用套管放噴的方式，由于套管空間較大，氣井產(chǎn)液多，井筒內(nèi)液體滑脫明顯，隨地層能力衰竭，氣井積液問題凸顯，不利于氣井長期穩(wěn)定生產(chǎn)，為此需要擇機下入油管生產(chǎn)。

1）下入時機

基于威榮、永川24口氣井90余井次動態(tài)監(jiān)測資料分析，采用斜井段井筒流態(tài)診斷圖版，通過對井筒壓力、溫度及持液率等參數(shù)計算，形成了氣井生命周期內(nèi)流態(tài)變化規(guī)律曲線，如圖10所示。其中對于套管生產(chǎn)階段，結(jié)合返排特征，井筒流態(tài)變化主要可分為3個階段。

圖10 氣井生命周期井筒流態(tài)圖版Fig.10 Chart of flow regime during well production

①套管生產(chǎn)初期，井筒流態(tài)以泡狀流或段塞流為主。該階段氣井產(chǎn)液量大，氣流速低，井筒內(nèi)以泡或段塞流為主，持液率高，壓力梯度大；但由于地層壓力高，套管能滿足大液量舉升需求。

②套管生產(chǎn)中期，井筒為穩(wěn)定段塞流。氣井排液量隨生產(chǎn)時間增加而降低，氣體流速增加，流態(tài)變化曲線出現(xiàn)拐點，井底壓力梯度下降，井筒內(nèi)出現(xiàn)氣柱與液體交替上升的段塞流。

③套管生產(chǎn)后期，井筒轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定段塞流動。隨著地層能量的衰竭，產(chǎn)氣量下降，井筒滑脫加劇，井底開始積液并影響氣井穩(wěn)定生產(chǎn)，斜井段流態(tài)再次出現(xiàn)拐點，氣體和液體流速出現(xiàn)雙下降，井底壓力梯度再次上升，由穩(wěn)定的段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定段塞流。

基于氣井生產(chǎn)期間斜井段流態(tài)變化規(guī)律及實測井底壓力梯度變化趨勢，在套管生產(chǎn)階段，當(dāng)井筒流態(tài)由穩(wěn)定段塞流變?yōu)椴环€(wěn)定段塞流時，即為油管下入時機，對應(yīng)的井口套壓為15～25 MPa。

2）下入深度

頁巖氣井油管下入深度一般需考慮井筒攜液、管柱受力等因素，一般現(xiàn)場經(jīng)驗大多下至50°～60°，但在頁巖氣生產(chǎn)過程中，由于氣井產(chǎn)液量大，井筒內(nèi)液體滑脫將造成水平段積液增加，影響氣井穩(wěn)定生產(chǎn)，因此油管下入位置還應(yīng)考慮壓降的影響。井筒內(nèi)氣液兩相從井底向井口流動過程中受重力、加速及摩阻影響（其中加速壓降數(shù)值太小，可忽略不計），采用最小壓降值作為油管最佳下入深度設(shè)計依據(jù)。

表1 排采階段劃分及對策Table1 Drainage periods and countermeasures

對川南深層頁巖氣建模，分析光套管及不同油管下深條件下的井筒壓降規(guī)律，如圖11所示。其中，井筒壓降以重力壓降為主，尤其是當(dāng)井筒為光套管至油管下深造斜點之間，重力壓降占總壓降比約80%，模擬得到井筒最小總壓降發(fā)生在井斜介于70°～85°，即為油管最佳下入深度。

圖11 油管最佳下深設(shè)計圖版Fig.11 Design chart of optimum end of tubing

3.2 人工舉升工藝

氣井下入油管后，井筒流態(tài)由段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)檫^度流，氣井?dāng)y液能力增強，但隨著生產(chǎn)進入中后期，油管無法連續(xù)攜液時，需要介入排水采氣措施。從技術(shù)可行性、經(jīng)濟適用性2方面開展了各類排水采氣工藝適應(yīng)性分析，如表2及表3所示，確定了適合于深層頁巖氣井的排水采氣工藝，包括井間氣舉、柱塞氣舉、泡沫排液。帶壓下油管前首先改建站場井間氣舉流程，隨油管預(yù)置柱塞工作筒；當(dāng)氣井出現(xiàn)攜液困難、井筒流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，開展泡排、柱塞及氣舉等措施，并配套智能化控制技術(shù)，實現(xiàn)綠色高效采氣作業(yè)。

表2 自身能量型排水采氣適應(yīng)性分析Table2 Adaptability analysis of artificial lift by self energy

4 結(jié)論

1）壓裂液滲吸進入頁巖儲層會引起天然裂縫或?qū)永砜p擴展，誘導(dǎo)產(chǎn)生次生裂縫，有利于提高頁巖裂縫復(fù)雜程度，通過礦場驗證，初步確定滲吸平衡時間為最佳燜井時間，即威榮地區(qū)參考值在5 d以內(nèi)，永川地區(qū)參考值為7～10 d。

2）以氣液應(yīng)力敏感及兩相滲流實驗研究結(jié)果為指導(dǎo)，總結(jié)氣井測試返排生產(chǎn)特征，將壓后排采過程劃分為6個階段，并以產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、井口壓力以及變化速率等指標(biāo)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表3 補充能量型排水采氣適應(yīng)性分析Table3 Adaptability analysis of artificial lift by replenishing energy

3）建立了適用于川南深層頁巖氣壓后排采指導(dǎo)圖版，指導(dǎo)20余口氣井現(xiàn)場測試采氣工作，氣井從開井至管輸時間縮短了約50%的工期，實現(xiàn)了氣井減排放、快投產(chǎn)、早收益。

4）建立氣井生命周期流態(tài)變化規(guī)律圖版，結(jié)合井筒最小總壓降方法，確定了川南深層頁巖氣油管下入的最佳時機和最佳井斜位置，并提出適用于深層頁巖氣的排水采氣對策。