煤層氣井可控沖擊波儲層增透選井方法

趙景輝,李昂,鄭春峰,沈瓊,張艷英,黃鋮

(1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司,天津 300452;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300450)

可控沖擊波增透技術是近年發展起來的一種儲層改造新技術,通過在近井地帶的井筒中控制沖擊波的能量釋放,達到致裂儲層的目的[1-3]。該技術可有效解決煤層或致密儲層開發過程中存在的儲層滲透率低、近井地帶堵塞等導致的產能釋放問題[4,5]。尤其是在煤層氣井儲層的增透解堵方面,通過在不同地區、不同地質結構儲層的現場試驗,取得了較好的增透效果[6-8]。在實際生產過程中,大量低產低效煤層氣井“病急亂投醫”,在沒有有效的治理方法之前,采用可控沖擊波增透煤儲層更多地具有經驗性和隨機驗證性,大大降低了可控沖擊波實施的成功率,不但導致大量無效投入,還有可能造成煤層的永久傷害[9-11]。因此,優選出適合可控沖擊波增透作業的煤層氣井,提高煤層氣田的開發效益,是目前面臨的主要難題之一[12,13]。

本文基于可控沖擊波工藝的實施特點,引入模糊數學理論,將影響可控沖擊波增透儲層的各因素進行標準化處理,通過層次分析法確定各影響因素的權重,采用模糊綜合評價方法[14,15]得到可控沖擊波的最佳應用井況,為生產提供指導。

1 可控沖擊波煤儲層增透實施效果的影響因素

1.1 可控沖擊波煤儲層增透實施效果的影響因素

煤層氣井的沖擊波直接作用于儲層,對近井地帶的巖石滲透性產生直接的影響,但同時,不同的儲層作用效果不盡相同,而在不同的開發開采時期,生產參數也制約著沖擊波的實施效果。

應用可控沖擊波儲層增透效果影響因素主要包括煤儲層地質因素和開發開采因素,其中儲層地質因素包括滲透率、孔隙度、儲層累計厚度、破裂壓力、地解壓差、煤層夾矸厚度、煤體堅固性系數、瓦斯放散指數和煤儲層含氣量。開發開采因素包括儲層歷史措施改造情況、作業前產氣產水情況和生產套壓參數等。

1.2 可控沖擊波實施效果影響因素權重

1.2.1 構建遞階層次結構模型

根據可控沖擊波煤層氣井增透效果影響因素指標,構建遞階層次結構模型,分為目標層(A)、因素層(F)和子因素層(S)。

目標層(A)即為可控沖擊波煤儲層改造潛力指數,包含兩個因素層(F),分別為地質因素(F1)和工程開發因素(F2)。地質因素(F1)包含9個子因素層,分別為滲透率(S1)、孔隙度(S2)、儲層累計厚度(S3)、破裂壓力(S4)、地解壓差(S5)、夾矸厚度(S6)、煤體堅固系數(S7)、瓦斯放散指數(S8)、煤儲層含氣量(S9);工程開發因素(F2)包含4個子因素層,分別為歷史措施次數(S10)、作業前產氣量(S11)、作業前產水量(S12)、生產套壓(S13)。

模型中評價目標為可控沖擊波煤儲層改造潛力A=(F1,F2),其中F1=(S1,S2,…,S9),F2=(S10,S11,S12,S13)。

1.2.2 評價因素權重的確定

通過專家打分給出因素層中地質因素與工程開發因素在可控沖擊波煤儲層改造中的權重,其值為Wf=(0.7,0.3)T。

對于子因素在各因素中的權重,采用1～9標度法。因素Si與因素Sj同樣重要,標度為1;因素Si稍微重要于因素Sj,標度為3;因素Si明顯重要于因素Sj,標度為5;因素Si強烈重要于因素Sj,標度為7;因素Si極端重要于因素Sj,標度為9;兩相鄰因素判斷的中間值2、4、6、8。反之,因素Sj稍微重要于因素Si,標度為1/3;因素Sj明顯重要于因素Si,標度為1/5;因素Sj強烈重要于因素Si,標度為1/7;因素Sj極端重要于因素Si,標度為1/9;兩相鄰因素判斷的中間值標度為1/2、1/4、1/6、1/8。

將F1中的9個影響因素進行兩兩比較,構建決策矩陣F1,將F2的4個重點影響因素進行兩兩比較,構建決策矩陣F2。

(1)

采用一致性檢驗法,通過一致性指標 CI 和一致性比率指標CR來計算各因素的權重:

(2)

式中:n為判斷矩陣的階數;λmax為判斷矩陣的最大特征值;RI為隨機一致性指標,查經驗參照表確定。

決策矩陣F1為9階矩陣,RI為1.45;決策矩陣F2為4階矩陣,RI為0.9。計算矩陣最大特征值和標準化特征向量,當CR<0.1時,認為判斷矩陣符合一致性要求;若CR≥0.1,則須重新構建判斷矩陣,直至滿足一致性檢驗要求。根據計算,判斷矩陣F1的最大特征值λ1= 9.4631,CR1=0.0399,滿足一致性檢驗要求;判斷矩陣F2的最大特征值λ2= 4.0593,CR2=0.0220,滿足一致性檢驗要求。由此可得F1和F2的權重向量:W1=(0.2486,0.1402,0.0815,0.2494,0.0309,0.0723,0.0723,0.0290,0.0758)T,W2=(0.4768,0.2696,0.1740,0.0795)T。

采用專家打分法確定目標層可控沖波煤儲層改造潛力的影響指標的權重,Wf=(0.7,0.3),進而可得各子因素的權重:

WS=(0.1740,0.0981,0.0571,0.1746,0.0217,0.0506,0.0506,0.0203,0.0531,0.1431,0.0809,

0.0522,0.0238)

(3)

2 可控沖擊波煤儲層改造選井方法

2.1 建立影響因素等級評分標準

對于可控沖擊波煤儲層改造效果評價論域來說,按照評價決策分5個等級,分別為優、良、中、差、很差。

由7位專家團成員分別對各影響因素用打分的方法表明各自的評價,將各因素的定量化數據轉換成相對評語,非定量化因素采用9分制進行打分,進而得出各影響因素的分級評判標準如表1所示。建立不同得分等級的隸屬度關系,如表2所示。

表1 可控沖擊波儲層改造影響因素分級評判集

表2 不同得分隸屬度關系

2.2 評判方法

根據目標井的井況,結合分級評判標準(表1、表2),給出單井可控沖擊波儲層改造工藝優選單因素評判矩陣Ri。采用加權平均模型算子M(·,+)進行模糊變換,可得到對于目標井(編號為i)可控沖擊波煤儲層改造的綜合評價矩陣Yi,其式為

Yi=WSgRi

(4)

此時,煤層氣井可控沖擊波單井增透潛力評價值Pi為

Pi=YiCT,C=[-2,-1,0,1,2]

(5)

式中:Pi為編號為i的井的綜合評價值;CT為等級矩陣,根據得分隸屬度范圍,定義綜合評價值分為“很差” (-2,-1.2],“差” (-1.2,-0.4),“中”[-0.4,0.4],“良”(0.4,1.2]和 “優”(1.2,2]五個等級,等級評價為優和良的井采用可控沖擊波進行儲層增透改造或解堵效果較好,等級評價為差和很差的井完全不適合采用可控沖擊波進行儲層改造或解堵,評價為中的井采用可控沖擊波進行增透解堵效果較為一般。

3 現場驗證

沁水盆地S區塊構造簡單,斷層稀少,煤層氣資源豐富,為煤層氣的大規模開發開采提供了有利條件,但煤層氣井在鉆井、完井和排液采氣過程中都存在不同程度的近井地帶儲層污染,嚴重影響了煤層氣的產能釋放。針對這種井況,采用本文方法優化可控沖擊波進行儲層改造井,以S區塊為例,在生產過程中被認為受儲層近井地帶污染最嚴重的3口井為X1、X2和X3(如表3所示)。而三口井的優選評價方法并不明確,常規做法為實施一口評價一口,或者對所有改造備選井進行作業。

表3 三口煤層氣井可控沖擊波儲層改造選井評價

以X1井為例,參照上述優選評價方法,建立X1井的綜合評價矩陣R1:

(6)

結合式(3)、式(4)、式(6)可得,X1井可控沖擊波煤儲層改造效果的綜合評價矩陣Y1為

Y1=WS·R1=(0,0.0423,0.3051,0.4737,0.1790)

(7)

此時,由式(5)、式(7)可得,綜合評價值P1為

(8)

同理,計算X2、X3井可控沖擊波儲層改造的綜合評價值P2=0.6103,P3=0.7154。

根據評價結果,X1、X2和X3三口井的潛力評價結果為良,適宜采用可控沖擊波進行儲層改造和解堵作業。

基于此評價結果,于2019年10月對三口井實施了可控沖擊波儲層改造措施作業。作業基本參數及作業前后產氣量情況如表4所示。

表4 三口井作業基本參數及作業前后產氣量情況

根據作業前后的排采效果表明:3口井的產氣量較作業前都有一定程度的增長,其中X1井產氣量增長幅度最大,作業后產氣量是作業前的2.86倍;X2井作業后是作業前產氣量的1.35倍;X3井作業后是作業前產氣量的1.69倍。其儲層改造效果與評價結果趨勢相一致。

4 結論

(1)在分析可控沖擊波儲層改造影響因素的基礎上,確定了影響可控沖擊波實施效果的9個煤儲層地質因素和4個開發開采因素,采用專家打分方法確定了13個影響因素的權重。

(2)通過引入模糊數學綜合評價方法,建立了可控沖擊波煤儲層增透解堵單井的綜合評價方法,用以確定備選井的可控沖擊波儲層增透措施的可行性。

(3)采用單井綜合評價方法優選的壽陽區塊3口井的評價得分:X1井的得分為0.7894,X2井的得分為0.6103,X3井的得分為0.7154,3口井的評價均為良,可作為可控沖擊波的優先作業井。

(4)現場實踐表明,優選的3口井作業后產氣量較作業前分別增長了186%、35%和69%,儲層改造效果與評價結果趨勢相一致。

(5)本文提出了一種對不同煤層氣井的儲層改造潛力進行數據化定量分析的方法,為技術人員提供了一個行之有效的煤層氣井可控沖擊波儲層增透作業選井方式。該方法可代替傳統的經驗選井方式,進一步降低作業風險,提高作業成功率。