秦 鵬，朱建英，劉世界，段寶江，宣 濤

(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)

煤層氣分段壓裂水平井增產(chǎn)機(jī)理是利用其水平段長度和水利裂縫有效溝通儲層中的裂縫，大大增加了煤層氣泄流面積，進(jìn)而可以大幅度提高煤層氣井產(chǎn)能，目前，國內(nèi)煤層氣分段壓裂水平井開發(fā)實(shí)踐表明，不同地質(zhì)條件和不同分段水平井設(shè)計方案的分段水平井開發(fā)效果差異較大[1-6]。鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區(qū)塊，2013年開展了中國第一口煤層氣水平井套管完井分段壓裂試驗(yàn)，單井產(chǎn)氣量達(dá)12 000 m3/d，2015年又陸續(xù)開展了3口煤層氣水平井分段壓裂試驗(yàn)，單井產(chǎn)氣量為6 000～12 000 m3/d；淮北蘆嶺煤礦LG01多段壓裂水平井組產(chǎn)氣峰值10 000 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)期平均產(chǎn)氣量4 887 m3/d； 沁水盆地趙莊井田2015-2018年實(shí)施一組分段壓裂水平井，穩(wěn)定產(chǎn)量4 000～5 000 m3/d；鄭莊區(qū)塊壓裂水平井產(chǎn)量可達(dá)到7 000 m3/d以上；山西晉城寺河20 000 m3/d；鄂爾多斯盆地東緣延川南區(qū)塊東部YP1井，產(chǎn)氣量僅維持在450～500 m3/d。目前，對關(guān)于影響煤層氣分段壓裂水平井開發(fā)效果的主控因素研究較少，任飛等優(yōu)化了沁水拗陷東翼中段煤層氣分段水平井壓裂參數(shù)[7]； 張勇年等優(yōu)化了沁端區(qū)塊煤層氣分段水平井壓裂參數(shù)[8]； 王晶等優(yōu)化了趙莊井田煤層氣水平井壓裂參數(shù)[9]。總體來看，對關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)和工程設(shè)計參數(shù)對煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能影響缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識，因此，筆者利用數(shù)值模擬手段，采用正交試驗(yàn)方法研究得出影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的主控因素，對煤層氣分段壓裂水平井選區(qū)和優(yōu)化壓裂設(shè)計參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

1 多段壓裂水平井滲流規(guī)律分析

研究水平井產(chǎn)能主控因素之前，首先應(yīng)該研究分析多段壓裂水平井滲流特征。本文利用不穩(wěn)定壓力分析軟件Saphir對多段壓裂水平井生產(chǎn)過程中的壓力變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，從模擬結(jié)果(圖1)可以看出，流動共分為4個階段：①雙線性流動階段；②裂縫間干擾流動階段；③儲層改造區(qū)域外流動階段；④邊界控制的擬穩(wěn)態(tài)流動階段。

圖1 多段壓裂水平井壓力雙對數(shù)特征曲線圖

1) 雙線性流動階段：多段壓裂水平井投產(chǎn)初期，其滲流特征主要表現(xiàn)為雙線性流特征，該階段流體裂縫中的流體呈線性流入井筒，儲層流體呈線性流入井筒， 而裂縫之間并未發(fā)生干擾，在壓力雙對數(shù)曲線上表現(xiàn)為斜率為1/4的兩條平行曲線。

2) 裂縫間干擾流動階段：當(dāng)裂縫間發(fā)生干擾時，在壓力雙對數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線相互靠攏，當(dāng)壓力剛好傳播到裂縫改造區(qū)之外時，流動進(jìn)入一個類似于“擬穩(wěn)態(tài)”流動階段。在壓力雙對數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線接近于重合，且曲線呈斜率為1的直線特征。

3) 儲層改造區(qū)域外流動階段：裂縫間出現(xiàn)嚴(yán)重干擾以后，壓力會進(jìn)一步向外擴(kuò)展，延伸到裂縫改造區(qū)以外，此時，若地層有足夠的流動能力，將繼續(xù)擴(kuò)大滲流半徑，在壓力傳播到“邊界”之前，該階段即為儲層改造區(qū)域外流動階段。

4) 邊界控制的“擬穩(wěn)態(tài)”流動階段：當(dāng)壓力傳播到儲層邊界時，此時流動達(dá)到邊界控制的擬穩(wěn)態(tài)流動階段，在壓力雙對數(shù)曲線上表現(xiàn)為兩條壓力曲線相互靠攏并接近于重合，此時曲線呈斜率為1的直線特征。

第1階段和第2階段時間長短與儲層物性和裂縫間距有關(guān)，階段時間長度與儲層物性呈反比，與裂縫間距呈正比；第3階段與水平段長度、裂縫半長，導(dǎo)流能力、儲層邊界有關(guān)，其階段時間長度與水平段長度、裂縫半長、裂縫導(dǎo)流能力呈反比，與儲層邊界大小成反比；第4階段時間長短與儲層物性有關(guān)。

因此，多段壓裂水平井的地質(zhì)條件和裂縫參數(shù)決定其滲流特征，不同滲流特征制約著多段壓裂水平井的開發(fā)效果。為了提高多段壓裂水平井開發(fā)效果，需要研究得出影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的主控因素。

2 分段壓裂水平井模型建立

本文運(yùn)用現(xiàn)代油藏數(shù)值模擬軟件ECLIPSE模擬不同地質(zhì)因素和工程因素對煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能影響規(guī)律。建立模型網(wǎng)格大小為1 500 m×1 000 m，研究地質(zhì)主控因素所用的多段壓裂水平井參數(shù)分別為：水平段長600 m，6條裂縫，裂縫導(dǎo)流能力為300 mD·m；研究工程主控因素多用到的主要地質(zhì)參數(shù)分別為：裂縫孔隙度為0.01，滲透率為0.1 mD，含氣量為15 m3/t，儲層厚度5 m，見表1。

表1 煤層氣藏基礎(chǔ)參數(shù)

3 多段壓裂水平井產(chǎn)能主控因素

影響煤層氣多段壓裂水平井產(chǎn)能的因素包括地質(zhì)因素和工程因素。其中地質(zhì)因素包括：儲層厚度、含氣量、滲透率、孔隙度；工程因素包括：水平段長度、裂縫條數(shù)、裂縫長度以及裂縫導(dǎo)流能力。本文采用L9_3_4正交實(shí)驗(yàn)表分別對地質(zhì)因素和工程因素進(jìn)行模擬分析[10]。

3.1 地質(zhì)主控因素

為了使正交試驗(yàn)具有一定的代表性，筆者對國內(nèi)主要煤層氣區(qū)塊物性進(jìn)行了調(diào)研[11-17]，平均滲透率為0.01～1 mD；平均孔隙度為2.84%～5.21%；平均含氣量7.99～21.62 m3/t。正交試驗(yàn)中滲透率取0.01 mD、0.1 mD、1 mD；孔隙度分別取2%、3%、4%；含氣量分別取10 m3/t、15 m3/t、20 m3/t；煤層厚度分別取3 m、5 m、7 m，詳細(xì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計見表2。

對影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的地質(zhì)因素以累計產(chǎn)氣量(表2、圖3)為評價指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果通過綜合評價，以其極差大小評定影響因素主次，也就是極差大者為影響產(chǎn)能的主要因素。從圖4可以明顯看出：滲透率和含氣量兩個影響因素的極差明顯大于厚度和孔隙度兩個影響因素。因此，影響煤層氣壓裂水平井產(chǎn)能的主控地質(zhì)因素為滲透率和含氣量。

表2 地質(zhì)因素正交方案設(shè)計及模擬結(jié)果

圖3 地質(zhì)因素正交試驗(yàn)累計產(chǎn)氣量曲線圖

圖4 主要地質(zhì)因素極差直方圖

3.2 工程主控因素

正交試驗(yàn)中水平段長度分別取400 m、800 m、1 200 m；裂縫條數(shù)分別取4條、6條、8條；裂縫半長分別取100 m、200 m、300 m；裂縫導(dǎo)流能力分別取100 mD·m、200 mD·m、300 mD·m,詳細(xì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計見表3。

同樣，對影響煤層氣分段壓裂水平井產(chǎn)能的工程因素以累計產(chǎn)氣量(表3、圖5)為評價指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果通過綜合評價，以其極差大小評定影響因素主次。從圖6可以明顯看出：水平段長度和裂縫半長兩個影響因素的極差明顯大于裂縫段數(shù)和裂縫導(dǎo)流能力兩個影響因素。因此，影響煤層氣壓裂水平井產(chǎn)能的主控工程因素為水平段長度和裂縫半長。

表3 工程因素正交方案設(shè)計及模擬結(jié)果

圖5 工程因素正交試驗(yàn)累計產(chǎn)氣量曲線圖

圖6 主要工程因素極差直方圖

4 結(jié) 語

1) 煤層氣多段壓裂水平井滲流一般經(jīng)歷雙線性流動、裂縫間干擾、改造區(qū)外流動以及邊界控制流動等4個階段。地質(zhì)條件和裂縫參數(shù)決定其滲流特征，不同滲流特征制約著多段壓裂水平井的開發(fā)效果。

2) 煤層氣多段壓裂水平井產(chǎn)能主控地質(zhì)因素為滲透率和含氣量，主控工程因素為水平段長度和裂縫半長。因此，在煤層氣多段壓裂水平井選區(qū)時應(yīng)優(yōu)先考慮滲透率高和含氣量高的區(qū)塊，以及壓裂設(shè)計時要適當(dāng)增加水平段長度和裂縫半長。