一種改良壓裂泵注工藝在焦石壩西部裂縫發(fā)育區(qū)的應(yīng)用

張馳

(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014)

涪陵頁巖氣田西部靠近斷層，天然裂縫發(fā)育，采用現(xiàn)有的壓裂泵注工藝[1]施工難度加大，主要表現(xiàn)為壓裂液濾失導(dǎo)致壓力突升，砂比、排量提升困難，最終改造程度受限。針對涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊裂縫發(fā)育區(qū)壓裂改造效果不佳的問題，在原有壓裂泵注工藝的基礎(chǔ)上，對泵注各階段均進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，形成了一套具有針對性的頁巖氣壓裂泵注工藝，該工藝通過提高液體黏度、延長主縫、擴(kuò)展縫寬，降低液體濾失，增大了最終改造SRV(stimulated reservoir volume，有效改造體積)，在焦石壩西部裂縫發(fā)育區(qū)A平臺(tái)開展應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 壓裂施工難點(diǎn)分析

涪陵頁巖氣田西部裂縫發(fā)育區(qū)較主體區(qū)裂縫發(fā)育程度差異較大，越靠近西部斷層，微裂縫發(fā)育程度越高(見表1)。采用原有壓裂泵注工藝進(jìn)行壓裂施工出現(xiàn)改造程度有限、試氣效果不好的問題，通過總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，以下幾點(diǎn)是造成這些問題的主要因素。

表1 不同區(qū)塊FMI測井解釋裂縫對比表

1.1 壓裂液濾失

天然裂縫發(fā)育造成液體大量濾失，相同壓裂規(guī)模條件下，濾失越多有效造縫液量就越少，最終形成的SRV也會(huì)越小。同時(shí)，濾失會(huì)導(dǎo)致攜砂、頂替液量減少，造成縫內(nèi)砂比增高，施工壓力突升，降低加砂強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致砂堵[2]，嚴(yán)重影響現(xiàn)場施工安全。

1.2 改造SRV有限

前置階段的改造效果決定了后期加砂改造的強(qiáng)度。前置滑溜水不利于擴(kuò)展裂縫縫寬，后期很難提高砂比[3]；同時(shí)，滑溜水黏度較低容易在早期就構(gòu)建出較為復(fù)雜的裂縫，后期大量的液體分流到復(fù)雜裂縫中，單條裂縫延伸受限[4]，后期施工改造往往出現(xiàn)加砂困難的問題。

1.3 后期裂縫復(fù)雜程度有限

不同于常規(guī)油井壓裂，頁巖氣壓裂施工改造在保證SRV的基礎(chǔ)上，還力求在頁巖地層中改造形成復(fù)雜的裂縫縫網(wǎng)[5～7]，以溝通更多的頁巖儲(chǔ)層。在裂縫發(fā)育區(qū)的壓裂泵注過程中，穩(wěn)定排量段塞式加入中砂，裂縫極有可能沿著最大主應(yīng)力方向繼續(xù)向遠(yuǎn)處延伸，裂縫復(fù)雜程度有限，未能溝通附近含氣區(qū)域，影響最終的試氣效果。

2 壓裂泵注工藝優(yōu)化思路

結(jié)合裂縫發(fā)育區(qū)壓裂施工改造所面臨的問題，泵注程序優(yōu)化的總體思路是在原有泵注工藝的基礎(chǔ)上，通過對液體性能調(diào)整、泵注程序改變等具體措施，使在壓裂過程早期形成具備一定縫寬的主縫，后期在主縫的基礎(chǔ)上形成較多分支裂縫或者轉(zhuǎn)向，最終形成復(fù)雜的裂縫縫網(wǎng)，改善壓裂效果[8，9]。主要的優(yōu)化思路有以下4個(gè)方面。

2.1 前期擴(kuò)展縫寬

縫寬過小不利于后期高砂比支撐劑的加入，因此，需要在壓裂改造中保證一定的縫寬。從PKN模型可以看出影響裂縫縫寬的各項(xiàng)壓裂參數(shù)[10]，模型表達(dá)式為：

(1)

式中：Q為注入排量，m3/min；L為人工裂縫縫長，m；E為彈性模量，MPa；w為裂縫縫寬，m；n為壓裂液流動(dòng)系數(shù)，1；μ為液體黏度，mPa·s。

從式(1)可以看出，排量、彈性模量一定的條件下，提高液體黏度、延長人工裂縫縫長可有效增大裂縫縫寬[11]。采用前置膠液不僅增大了前置液黏度，同時(shí)也易于裂縫的擴(kuò)展[12]。

2.2 前期形成較長主縫

前期形成較長主縫有利于得到較大的SRV，而排量是影響裂縫縫長的重要因素。有實(shí)驗(yàn)表明：在排量不高、縫內(nèi)凈壓力有限時(shí)，形成的裂縫短且復(fù)雜；而在排量較大、縫內(nèi)凈壓力較大時(shí)，會(huì)將頁巖劈成為大塊，形成幾條較長主縫[13]。前期裂縫復(fù)雜不利于縫長延伸，需要高凈壓力保證單條裂縫的延伸效果，再在單條主縫的基礎(chǔ)上將裂縫復(fù)雜化。

但在施工排量過高時(shí)，裂縫會(huì)更多地向裂縫縫高方向延伸，裂縫縫長延伸同樣得不到保證，因此，在快速提高排量的同時(shí)，需要對施工排量進(jìn)行控制，防止裂縫向縫高方向延伸。

2.3 降低裂縫濾失

頁巖儲(chǔ)層中微小天然裂縫導(dǎo)致的液體濾失極大地影響裂縫發(fā)育區(qū)壓裂改造效果[14，15]，壓裂液的濾失系數(shù)一定程度反映壓裂液的濾失程度。受壓裂液黏度控制的濾失系數(shù)表達(dá)式為：

(2)

式中：c為濾失系數(shù)，m/s1/2；K為地層有效滲透率，D；Δp為縫中凈壓差，MPa；φ為地層孔隙度，1；μa為壓裂液視黏度，mPa·s。

通過式(2)可以看出，壓裂液視黏度增高將有助于降低壓裂過程中的濾失[16]。通過提高減阻劑濃度，使基液黏度提高，一方面可有效降低裂縫濾失，另一方面保證了液體攜砂的強(qiáng)度。

2.4 提高裂縫復(fù)雜程度

壓裂改造后期，排量穩(wěn)定，裂縫極有可能沿最大主應(yīng)力方向延伸，隨著液體、支撐劑的泵入，整體SRV增大，但裂縫的復(fù)雜程度有限。粉砂的加入還可實(shí)現(xiàn)壓裂暫堵轉(zhuǎn)向[17]：封堵原有裂縫，迫使裂縫向未壓裂改造的區(qū)域延伸，促進(jìn)裂縫復(fù)雜化，改善壓裂改造效果。

3 壓裂泵注工藝調(diào)整

圖1 不同壓裂施工排量下對應(yīng)的有效改造面積對比圖

圖2 不同膠液黏度縫長模擬結(jié)果

圖3 不同膠液黏度縫寬模擬結(jié)果

涪陵氣田原有泵注工藝是采用前置酸降低破裂壓力，壓力下降后轉(zhuǎn)滑溜水并階梯提升排量，隨后全程使用滑溜水?dāng)y帶支撐劑，支撐劑先使用粉砂降低摩阻，中后期轉(zhuǎn)中砂支撐裂縫。根據(jù)優(yōu)化思路對裂縫發(fā)育區(qū)的壓裂泵注工藝進(jìn)行調(diào)整，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖4 不同滑溜水黏度降濾效果對比圖

3.1 快速提高目的排量，增強(qiáng)前期裂縫的破裂效果

利用軟件模擬該A平臺(tái)不同排量下的壓裂改造效果，結(jié)果見圖1。模擬結(jié)果顯示：當(dāng)排量小于14m3/min時(shí)，壓裂改造有效面積(SRA)隨排量的增大而增大，但當(dāng)排量超過16m3/min時(shí)，SRA增長明顯變緩，裂縫更多的向縫高方向延伸，縫高過大，不利于支撐劑的鋪置，壓裂改造效果受限。因此，根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)現(xiàn)場施工排量為14m3/min，并且快速提高施工排量。

3.2 前期酸降后轉(zhuǎn)線性膠液體體系降濾促縫

前期酸降后轉(zhuǎn)線性膠液體體系(體系包含低分子稠化劑、流變助劑、復(fù)合增效劑、黏度調(diào)節(jié)劑、消泡劑)降濾促縫，模擬了14m3/min排量、總液量2000m3條件下，30、40、50、60、70mPa·s膠液黏度下的裂縫延伸狀態(tài)，結(jié)果見圖2和圖3。模擬結(jié)果表明，膠液黏度越大，裂縫半長越長、縫寬越大，但當(dāng)黏度超過50 mPa·s時(shí)，摩阻增加速率明顯加快，設(shè)計(jì)現(xiàn)場使用50mPa·s的前置膠液。

3.3 提高滑溜水黏度，降低濾失

計(jì)算不同黏度條件下儲(chǔ)層的濾失系數(shù)，濾失系數(shù)越高表明濾失程度越大。計(jì)算結(jié)果表明：提高滑溜水黏度雖可提高降濾效果，但隨著黏度的提高，地層濾失系數(shù)降低速率呈現(xiàn)減緩的趨勢(見圖4)，考慮到黏度過高可能導(dǎo)致施工摩阻增加，因此，設(shè)計(jì)使用黏度為11mPa·s的滑溜水進(jìn)行施工。因此，設(shè)計(jì)使用黏度為11mPa·s的滑溜水進(jìn)行施工。

3.4 中途加入粉砂段塞，降低濾失、暫堵促縫

后期砂比提高，但隨著壓裂液的濾失，縫內(nèi)凈壓力不足，裂縫延伸受限；最終導(dǎo)致壓力突漲。加入粉砂段塞封堵微小裂縫，保證縫內(nèi)凈壓力，促進(jìn)裂縫延伸。由于地下濾失情況不明，難以確定具體實(shí)施粉砂暫堵的時(shí)間。因此，在現(xiàn)場施工過程中，一般在壓力出現(xiàn)異常上升時(shí)采用與前段中砂段塞砂比相同的粉砂段塞，在保證鋪砂均勻連續(xù)的基礎(chǔ)上，提高造縫效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊西部裂縫發(fā)育區(qū)應(yīng)用優(yōu)化后的壓裂泵注工藝進(jìn)行現(xiàn)場施工A平臺(tái)2井次，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)微地震監(jiān)測結(jié)果及壓后生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比分析優(yōu)化前后2種工藝的施工效果，對比發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的泵注工藝取得的改造效果更好。

以焦頁A平臺(tái)1井第20段與第22段為例，焦頁A平臺(tái)位于焦石壩區(qū)塊西部裂縫發(fā)育區(qū)，兩段同穿行于龍馬溪組4小層，第20段采用優(yōu)化前的泵注工藝，第22段采用優(yōu)化后的泵注工藝。焦頁A平臺(tái)1井第20段與第22段泵注工藝對比見表2。

表2 焦頁A平臺(tái)1井第20段與第22段泵注工藝對比表

優(yōu)化后的施工工藝明顯降低了現(xiàn)場施工難度：在第20段的壓裂過程中，前置低黏滑溜水且提升排量采用2～6～12m3/min的方式階梯提排量，加入中砂后由于縫寬不足對高砂比敏感，施工壓力突然從63MPa升高至77MPa，施工被迫降低排量至10m3/min，最高砂比僅為9%，加砂量僅有44.08m3。而在第22段壓裂過程中，加入了111m3的前置膠液并快速提排量至14m3/min，采用黏度更高的滑溜水?dāng)y砂，現(xiàn)場施工顯示裂縫延伸較好，壓力穩(wěn)定在60MPa左右，砂比提升至13%，加砂量也提高至60.86m3。

同時(shí)，井下微地震監(jiān)測結(jié)果也可以反映出泵注工藝的施工效果。通過微地震監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)：采用前置滑溜水階梯提排量的第20段在前置階段僅在井筒周邊監(jiān)測到9個(gè)事件點(diǎn)響應(yīng)，表現(xiàn)為破裂不充分，該段微地震解釋SRV為438625m3。而采用優(yōu)化工藝施工的第22段在前置液階段監(jiān)測到217個(gè)微地震事件點(diǎn)，且事件點(diǎn)響應(yīng)逐漸出現(xiàn)在遠(yuǎn)離炮眼的區(qū)域，表現(xiàn)破裂更充分，且改造形成的裂縫縫長更長、不斷向遠(yuǎn)端延伸(見圖5)，該段微地震解釋SRV達(dá)到542376m3，明顯好于未優(yōu)化工藝的第20段。

圖5 第20段與第22段前置階段微地震監(jiān)測圖

兩段施工中，微地震監(jiān)測結(jié)果顯示中途轉(zhuǎn)向效果顯著。以第15段壓裂為例，在第15段壓裂施工過程中，隨著中途加入的粉砂段塞進(jìn)入地層，出現(xiàn)了大量的微地震事件點(diǎn)響應(yīng)，且監(jiān)測到的微地震事件點(diǎn)的方位發(fā)生了明顯的改變，在原先未出現(xiàn)事件點(diǎn)響應(yīng)的區(qū)域出現(xiàn)了大量的微地震事件點(diǎn)(見圖6)，中途粉砂段塞的加入使人工裂縫的延伸發(fā)生轉(zhuǎn)向，向新的區(qū)域延伸，擴(kuò)大了改造范圍。

圖6 第15段中途轉(zhuǎn)向微地震監(jiān)測結(jié)果圖

通過壓裂曲線以及微地震監(jiān)測結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的壓裂泵送工藝達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，使形成的人工裂縫更加復(fù)雜；A平臺(tái)兩口井與B平臺(tái)1、2兩井地質(zhì)條件相似，氣測顯示相當(dāng)(見表3)，將使用優(yōu)化方案的A平臺(tái)與相鄰平臺(tái)對比可以發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后工藝的平臺(tái)氣井獲得的試氣產(chǎn)量更高(見表4)，新工藝取得了較好的應(yīng)用效果。

表3 A平臺(tái)與相鄰平臺(tái)地質(zhì)條件對比表

5 結(jié)論

表4 A平臺(tái)1井與鄰平臺(tái)氣井產(chǎn)量對比表

1)涪陵頁巖氣田焦石壩西部裂縫發(fā)育區(qū)壓裂施工過程中，原有泵注工藝壓裂液濾失、前置改造不充分以及后期裂縫復(fù)雜程度有限是影響壓裂改造的主要因素。

2)現(xiàn)場壓裂施工曲線以及微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果都表明，優(yōu)化后的壓裂泵注工藝相比于氣田原有壓裂泵注工藝，前置階段裂縫縫長、縫寬均明顯增加；在前期裂縫延伸較好的條件下通過中期強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向使裂縫復(fù)雜化，提高了頁巖儲(chǔ)層的有效改造體積。

3)對比未采用優(yōu)化后壓裂泵注工藝的相鄰平臺(tái)，焦頁A平臺(tái)采用優(yōu)化壓裂泵注工藝單井的試氣產(chǎn)量明顯更高，工藝提升壓裂改造效果明顯。

4)優(yōu)化后的壓裂泵注工藝在改善壓裂效果的同時(shí)，仍然具有原有壓裂泵送工藝的優(yōu)點(diǎn)，可適用于深層頁巖裂縫發(fā)育區(qū)塊的壓裂施工改造，在涪陵頁巖氣田后期的開發(fā)中具有較好的應(yīng)用前景。

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