涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井壓裂改造實踐與認識

王志剛

(中國石油化工股份有限公司，北京100728)

涪陵焦石壩地區(qū)鉆探的焦頁1HF井壓裂試氣后獲得了20.3×104m3/d的高產(chǎn)，成為國內第一口具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣井。但在該井壓裂過程中，個別層段加砂異常，壓裂液濾失嚴重，裂縫發(fā)育特征明顯，調整設計參數(shù)后才得以順利施工，反應出水平井段頁巖地層的非均質性較強，所以有必要針對不同頁巖地層采取差異化設計研究。截止到2014年5月，焦石壩區(qū)塊已實施分段壓裂水平井26口，取得了較好的效果。在壓裂改造試驗過程中，開展了以水平井分段壓裂優(yōu)化設計為主體的技術研究，優(yōu)化了水平段長度、簇間距、段數(shù)、規(guī)模等參數(shù)，優(yōu)選了壓裂材料和施工工藝［1－4］，確定了主導壓裂工藝技術。

1 儲層構造及地質特征

涪陵焦石壩地區(qū)位于川東褶皺帶東南部，萬縣復向斜的南翼。焦石壩構造為是一個被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等斷層所夾持的斷背斜構造。

涪陵焦石壩地區(qū)泥頁巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組，主要為灰黑色碳質泥巖、灰黑色粉砂質泥巖、灰黑色泥巖，發(fā)育穩(wěn)定，孔隙度平均值為4.61%，滲透率平均值為23.63×10－3μm2。總有機碳含量(TOC)自上而下逐漸增加，為0.55% ～5.89%，平均為2.54%(圖1)。頁巖厚度80～114 m，是涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣開發(fā)的目的層段。

焦石壩龍馬溪組底部38.0 m為優(yōu)質頁巖氣層段(孔隙度較高、裂縫發(fā)育)。依據(jù)巖性、物性特征，將38.0 m頁巖段劃分為5段(圖2);其中第②段為斑脫巖，厚度0.8 m，其他①、③、④、⑤段均為碳質頁巖層;③段中上部和⑤段物性好，裂縫和層理均比較發(fā)育，利于改造;④段滲透率低，鉆時高，軌跡要避免穿行;①、③段底部滲透率低，壓裂時要注意泵注程序調整;②段為斑脫巖，層理不發(fā)育，固結成巖差，壓裂時要注意加砂強度。

2 儲層可壓性評價及改造模式

2.1 頁巖儲層可壓性分析

對龍馬溪組主要含氣頁巖的87塊(表1)全巖樣品進行了 X－射線分析，粘土礦物平均含量為40.89%，長石、石英質平均含量為46.62%，碳酸鹽巖平均含量為9.91%，其他為2.58%。其中下部38 m目的層(2 377.5～2 415.5 m)長石、石英質等脆性礦物含量明顯較高，通過對51塊巖樣分析，平均含量為61.3%，石英含量占總樣品的44.42%。頁巖儲層脆性礦物含量為40% ～60%，儲層中壓性好。

另從焦頁1井巖石力學參數(shù)測試獲得楊氏模量為23～37 GPa，泊松比為 0.11 ～0.29，脆性指數(shù)為41% ～73%，平均為54.1%。頁巖楊氏模量高，泊松比低，儲層脆性強，有利于壓裂改造過程中形成復雜裂縫系統(tǒng)［5］。

從焦頁1井巖心測試的地應力結果分析，最大主應力為52.2～55.5 MPa，最小主應力為48.6～49.9 MPa，水平地應力差異系數(shù)為0.11～0.34，也有利于形成復雜裂縫。

2.2 頁巖氣體積改造的壓裂模式

頁巖儲層壓裂是以地層產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，實現(xiàn)體積改造為目標的［6］。網(wǎng)絡裂縫形成與地應力分布和巖石的脆性密切相關，脆性特征同時也決定了頁巖壓裂設計中液體體系與支撐劑用量選擇。根據(jù)北美頁巖壓裂實踐經(jīng)驗，涪陵地區(qū)頁巖脆性指數(shù)大于50%，形成縫網(wǎng)的可能性較大。由此確定以“復雜網(wǎng)縫+支撐主縫”為主的壓裂模式，以形成有效支撐的縫網(wǎng)體系。參考國外頁巖氣壓裂選材模式(圖3)，縫網(wǎng)壓裂多采用低粘度減阻水，充分溝通和擴展天然裂縫，并促使頁巖層理剪切、滑移，形成復雜網(wǎng)縫系統(tǒng)。為提高裂縫的導流能力，后期采用中粘線性膠延伸擴展主裂縫，并攜帶大粒徑支撐劑形成高導流能力主支撐裂縫，提高主裂縫滲流能力。

3 水平井多級分段壓裂設計

3.1 體積改造的設計思路

在吸取焦頁1HF和國外類似地層成功經(jīng)驗的基礎上，本著形成“復雜網(wǎng)縫+支撐主縫”的目標，確定了壓裂設計思路。①綜合地質和工程因素，優(yōu)化射孔簇數(shù)、簇間距和段間距。采用高排量注入，提高凈壓力，促進層理縫剪切、滑移，實現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡化，提升改造體積。②采取前置鹽酸預處理技術，降低施工壓力。前置液階段添加100目粉陶，打磨孔眼、暫堵降濾，促進裂縫延伸。③采用減阻水+線性膠的混合壓裂液體系，促進裂縫系統(tǒng)復雜化。采用低密度支撐劑組合，段塞式加砂，提高裂縫導流能力。

圖1 焦頁1井五峰－龍馬溪組泥頁巖層段地質特征示意圖Fig.1 Sketch map of geological characteristics of shale in Wufeng-Longmaxi Formations in Well Jiaoye 1

表1 焦頁1井五峰組－龍馬溪組2 330.5～2 414.5 m段全巖X－衍射分析數(shù)據(jù)Table 1 W hole-rock X diffraction analysis data of cores from interval 2 330.5－2 414.5 m of W ufeng-Longmaxi Formations in W ell Jiaoye 1

圖2 焦石壩地區(qū)龍馬溪組(38.0m)頁巖綜合柱狀圖Fig.2 Composite histogram of shale in Longmaxi Formation of Jiaoshiba area

圖3 脆性指數(shù)與壓裂液體系及裂縫形態(tài)關系Fig.3 Relationship between brittleness index and fracturing fluid system and fracture geometry

3.2 壓裂設計優(yōu)化

考慮水平段地層巖性特征、巖石礦物組成、油氣顯示、電性特征等地質因素，兼顧巖石力學參數(shù)、固井質量等工程因素進行綜合壓裂分段。按照優(yōu)化結果，水平段軌跡穿行于龍馬溪組時，水平井按照75～85 m/段進行分段;水平段軌跡穿行于龍馬溪組底部及五峰組，考慮到誘導應力的作用［6］，適當加大段長，以85～95 m/段為宜。

3.2.1 簇間距和段間距優(yōu)化

簇間距和段間距的優(yōu)化以產(chǎn)能預測為基礎，通過數(shù)值模擬確定經(jīng)濟效益最大情況下簇間距和段間距。根據(jù)模擬結果，儲層下部處于頁理縫極發(fā)育區(qū)，易形成較復雜的網(wǎng)絡裂縫，簇間距為30～35 m、段間距為35～40 m。水平段軌跡穿行于龍馬溪組中部及以上層段時，簇間距為20～30 m較為適宜。

3.2.2 壓裂規(guī)模優(yōu)化

應用頁巖儲層縫網(wǎng)壓裂模式，針對龍馬溪組和五峰組進行優(yōu)化設計，分單段3簇模擬1 400，1 600，1 800，2 000 m3壓裂規(guī)模的支撐裂縫幾何參數(shù)(表2)。結果表明，龍馬溪組以形成復雜裂縫為主，層理開啟較少，縫和縫長為延伸較為順暢;五峰組以形成網(wǎng)絡裂縫為主，層理開啟較多，縫長延伸相對受限。

考慮到目前井間距為600 m，為有效避免兩井間產(chǎn)生干擾，裂縫半長控制在300 m以內。根據(jù)Meyer壓裂設計軟件模擬結果，液量在1 400～1 800 m3時，裂縫半縫長為260～290 m，支撐半縫長為195～210 m，確定單段砂量為50～70 m3，滿足壓裂改造需求。

表2 龍馬溪組、五峰組不同壓裂規(guī)模下三維裂縫參數(shù)Table 2 Three-dimensional fracture parameters under different fracturing scalein W ufeng-Longmaxi Formations

3.2.3 壓裂材料體系優(yōu)選

借鑒北美頁巖氣壓裂經(jīng)驗，選用減阻水體系和線性膠體系。減阻水能有效提高裂縫改造體積［9］，中粘線性膠有利于提高縫內凈壓力，攜帶高濃度支撐劑，形成高導流能力主支撐裂縫。減阻水配方為0.1%～0.2%減阻劑JC－J10或SRFR－1+0.3%防膨劑+0.1%復合增效劑+0.02%消泡劑，兩種減阻水體系表界面張力低，粘度3～12 mPa·s，減阻率50% ～70%，水化時間短，滿足連續(xù)混配需求。線性膠配方為0.3%SRFR－CH3+0.3%流變助劑+0.15%復合增效劑+0.05%粘度調節(jié)劑+0.02%消泡劑，配置好的液體表觀粘度為30～35 mPa·s，懸砂能力強，易于水化，無殘渣。

涪陵頁巖儲層閉合應力為52 MPa，要求支撐劑抗破碎能力高，并要滿足減阻水加砂壓裂工藝的需求，因此選擇密度為1.6 g/cm3的樹脂覆膜砂。經(jīng)性能評價，在閉合應力52 MPa條件下，破碎率低于5%，導流能力在20μm2·cm以上，支撐裂縫的滲流能力強。選擇粒徑100目支撐劑+40/70目支撐劑+30/50目支撐劑組合，能有效提高裂縫支撐效果。

3.2.5 分段工藝

根據(jù)國內外頁巖氣壓裂經(jīng)驗，套管固井完井多采用橋塞分段壓裂施工［10］，該工藝具有成本低、成功率高的特點。涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井分段壓裂選用橋塞分段方式，施工采用電纜射孔－橋塞聯(lián)作工藝保證各個壓裂層段的有效封隔和長時間大排量的注入，壓裂結束后采用連續(xù)油管進行一次性鉆塞，確保了壓后井筒的暢通。

4 水平井多級分段壓裂技術實踐

4.1 壓裂施工概況

截止2014年5月，涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井壓裂試氣26口井。試驗井組采用“K”字型井網(wǎng)部署，單井水平段長度1 000～1 500 m，采用縫網(wǎng)壓裂模式和組合加砂、混合壓裂方式，實現(xiàn)長水平段橋塞多級壓裂。對于水平段1 000 m長的井，單井平均液量24 288 m3，單井平均砂量為830 m3，單段平均砂量為58.5 m3，單段平均液量為1 712 m3;對于水平段1 500 m長的井，單井平均液量為31 347 m3，單井平均砂量為947.6 m3，單段平均砂量為52.3 m3，單段平均液量為1 760 m3，具體施工參數(shù)見表3。

表3 26口已壓裂井施工參數(shù)Table 3 Fracturing operation parameters of 26 wells

已完成試氣的26口井投入試采后均獲得較高產(chǎn)能，單井無阻流量10.1×104～155.8×104m3/d，單井產(chǎn)量5×104～35×104m3/d，區(qū)域井組日產(chǎn)氣量達308.66×104m3/d。

4.2 壓裂施工曲線分析

26口井壓裂共計422段，結合不同頁巖地層，按照施工曲線特征及施工參數(shù)分析，可分為3類。

1)裂縫正常延伸、擴展類型

此類曲線表現(xiàn)為在施工過程中，壓力緩慢下降或保持平穩(wěn)(圖4a)，共計 269層，占總施工段數(shù)的58.7%，主要分布于龍馬溪組中部以上層段，說明施工過程中裂縫能夠正常起裂延伸，并在行成主縫后不斷向遠處延伸。

2)壓力逐漸上升類型

此類曲線主要特征為前期加砂正常，當中高砂比段塞進入地層后，壓力出現(xiàn)上升(圖4b)，統(tǒng)計共153層，占總施工段數(shù)的33.4%。處理對策為降低砂比，加大隔離液用量。一般在進入龍馬溪組底部和五峰組時多出現(xiàn)該種情況，原因可能是頁理縫極發(fā)育，液體濾失量大，縫寬有限，裂縫延伸困難，對砂比提升較敏感。

3)壓力高，加砂困難類型

此類曲線主要特點為從替酸開始施工壓力就居高不降，酸蝕壓降后壓力又會迅速爬回高點，地層對砂比非常敏感，加砂極為困難(圖4c)。統(tǒng)計共36層，占總施工段數(shù)的7.9%。遇到該類情況時，主要對策為二次替酸，以降低施工壓力，并高擠膠液促進裂縫延伸、擴展。該種情況多出現(xiàn)在龍馬溪和五峰組界面的凝灰?guī)r，其塑性強，裂縫延伸極困難，不具備加砂條件。

5 認識

1)涪陵焦石壩地區(qū)五峰組－龍馬溪組地層脆性指數(shù)較高，地應力差異系數(shù)小，層理縫發(fā)育，儲層可壓性較好，具有形成復雜縫網(wǎng)的有利條件，是涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣獲得高產(chǎn)的物質基礎。

2)基于儲層綜合地質特征和可壓性分析，采取“復雜縫網(wǎng)+支撐主縫”的主體思路，采用高效減阻水和線性膠的混合壓裂液體系、低密度支撐劑組合，大排量泵注，提高凈壓力等措施，達到了形成復雜裂縫的目的，形成了適用于涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣的水平井分段壓裂改造技術，為其他區(qū)塊頁巖儲層壓裂改造提供了技術借鑒。

圖4 不同類型壓裂施工曲線Fig.4 Different types of fracturing operation curves

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