马塞勒斯页岩的开采动态:水力压裂法的多学科研究

马塞勒斯页岩区是美国主要的页岩富集区之一,其在宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的可采天然气超过140万亿立方英尺。在目标储层中,恰当的完井和增产设计对增加区块的产量至关重要。该研究进行了一项关于地质力学、压裂设计和生产分析的储层综合性研究,并将其与多变量统计分析结合。其研究目的是将多变量统计分析应用于生产分析中,以理解储层中的岩石性质和水力压裂效率之间存在的联系。该研究还采用压裂模型和产量不稳定分析来识别流态类型以及确定水力压裂裂缝和储层物性。最后,进一步弄清了气井性能、完井设计和储层动态之间的关系。

1 引言

马塞勒斯页岩区,估计可采天然气储量超过140万亿立方英尺,且已开发成为美国最大的天然气区带, 本研究中分析的气井储层增产数据,专注于压裂液的类型和用量、支撑剂类型以及质量、网孔大小和喷射率。

2 生产分析

为了给该研究区域提供研究背景,我们采用IHS(IHS能源美国油气井数据库)的完井生产数据进行了一项区域研究。(图1)

图1 西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州西部的凝析油气比(CGR)的趋势

3 多变量分析

我们在研究区内(图2)开发了回归模型,以确定对产量(MCFED)和完井效率(MCFED/ft)影响最大的因素。将气井分为两个小组,标记为东区和西区(图2)。

图2 目标井所在位置图(每口井井底位置标出凝析油气比值)

首先,我们进行了勘察数据分析,以评估各单独变量的特性。测试单独变量后,运行一个包含数据并集中所有可能的预测的完整多元回归模型。
当将描述2个产区(西区和东区)的二元变量“区域代码”纳入多变量分析中,结果表明这两个地区的井产能之间有显著差异。

图3 东区井

图4 西区井

4 产量不稳定分析

产量不稳定分析(RTA)是一项很有效的技术,用生产和压力数据以确定储层流动变化规律,获得关于储层系统和预测产量的信息。
我们预测12口井的产量和估算最终采收率(EUR),每一口井一个钻垫(图5)。

图5 从产量不稳定分析得出气藏模型

RTA分析可以通过独立估计断裂程度得到改善;微地震云可用于估计裂缝半长和排水面积。

5 水力压裂和完井分析

5.1 地质力学

从世界应力图研究区附近的测量表明SHmax方向一般为东北-西南方向(图9-a)。地表断层呈东北-西南和东南-西北方向延伸(图9-b)。研究表明,接缝也同样存在于这些方位当中。若地下存在这些断层,增产措施可能再次激活它们(图9-b)。

图6 气井生产力公制长度标准化月率峰值(MCFED/英尺)

图7 气井最终采收率(BCFE)和横向长度(英尺)的相关性

图8 气井最终采收率(BCFE)与储层增产参数

图9 a)世界应力图应力指标;b)地表断层;c)微地震数据分析

5.2 水力压裂建模、单井段和配套泵工作

研究人员采用岩石物理和地质力学分析方法确定储层特征和岩石性质。图10是压力值和岩石特性曲线图。据推断,杨氏模量、泊松比和应力(Shmin)在井的各水平段中保持恒定。

图10 马塞勒斯页岩的岩石力学属性

表1 压裂模型假设

研究人员从选定气井中选取具有代表性的压裂段,并使用表面处理压力,泵速率和支撑剂浓度对该压裂段进行详细分析。表1为压裂模型数据总结。

图11是基础案例中的每个射孔簇中裂缝长度。图12为基础案例与对照案例的裂缝导流能力图。比较研究表明,加入更多的100目砂可以提升支撑剂传输特性,从而提供小型天然裂缝支撑以及增大储层容积。

图11 应力、具5个射孔簇的建模裂缝的宽度和长度剖面

图12 气井A第6段的裂缝导流能力
其中:a)为基础案例中第6段裂缝导流能力;b)为对照组案例第6段裂缝导流能力。

6 结论

本次对西弗吉尼亚州马歇尔(Marshall)县的马塞勒斯页岩案例研究以跨学科研究数据资料为参考,提出气井与完井设计的优化方案,达到提高井生产率的目的。该研究采用了多种研究手段,包括生产分析、多元统计分析、产量不稳定分析、制图和裂缝建模。多因素分析确定了最大生产影响因素;然而该区域东部和西部的关键因素各不相同。产量不稳定分析校准微地震数据在预计最终采收率与气井长度关联性方面取得重大发现。“储层改造”参数可用于观察水力压裂范围和储层特征以及气井产能之间的关系。最后,水力压裂建模中借助地质力学和岩石性质表明,裂缝设计的微小变化可提升储层改造体积。

资料来源:Ghazal I, Jean-Philippe J. The U.S. Production Performance in Marcellus Shale: Multidisciplinary Study of Hydraulic Fracturing. Society of Petroleum Engineers,2014,SPE-171817-MS.

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