頁巖氣水平井大型體積壓裂套損預(yù)測和控制方法

李凡華 董 凱 付 盼 喬 磊 杜衛(wèi)強(qiáng) 孫清華

1. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2. 中國石油長城鉆探工程公司 3. 中國石油大學(xué)（北京）

0 引言

目前通常采用大規(guī)模水平井體積壓裂[1-2]作為頁巖氣開發(fā)的主體技術(shù)，但是由于設(shè)計(jì)的水平井壓裂方案需要使用的壓裂液高達(dá)40 000 m3、壓裂加砂2 000 m3，施工現(xiàn)場出現(xiàn)了套管變形[3-7]（以下簡稱套變）的問題，在威遠(yuǎn)示范區(qū)套管損壞（以下簡稱套損）率高達(dá)50%（套損率按照套損井?dāng)?shù)占總壓裂井?dāng)?shù)的百分?jǐn)?shù)計(jì)算），套變后需要各種技術(shù)手段、工程措施檢測套變程度，分析評估套變的損害，優(yōu)化后續(xù)的壓裂設(shè)計(jì)和施工工藝，極大地影響了現(xiàn)場施工效率和開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

2015年田中蘭等[8]建立了多因素耦合套損評價(jià)模型，對影響套損的各種因素進(jìn)行了分析。于浩等[9]認(rèn)為套變是壓裂過程中地層巖石性能降低、改造區(qū)域不對稱、施工壓力大以及地應(yīng)力場重新分布等共同作用的綜合結(jié)果。雖然頁巖氣水平井壓裂的套變問題從2014年起就引起各方專家的重視和研究，從工程角度分析了原因并提出了一些對策，但現(xiàn)場施工時套變依然時有發(fā)生。因此需要從與以往不同的角度分析套變發(fā)生的原因并找到解決問題的辦法。

1 套變特征和套變原因分析

威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)的A公司有57口壓裂水平井，套變28口，占49%。其中威遠(yuǎn)202區(qū)塊19口壓裂水平井，套變16口，套變率84.2%；威遠(yuǎn)204區(qū)塊38口壓裂水平井，套變12口，套變率31.6%。B公司在威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)也有50余口壓裂水平井，套變率與A公司分別在兩個區(qū)塊的數(shù)據(jù)接近。

通過分析100余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料，包括套變井套變的井筒位置、地層情況、套變形狀、套變處固井質(zhì)量、套變處套管參數(shù)、壓裂參數(shù)、套變與時間的關(guān)系、套變與井間干擾的關(guān)系等，發(fā)現(xiàn)套變主要與壓裂液用量和加砂量有明顯的相關(guān)關(guān)系。套變多數(shù)是在壓裂過程中發(fā)生的，肯定與壓裂密切相關(guān)。一個有意思的結(jié)果是套變點(diǎn)的固井質(zhì)量絕大多數(shù)是優(yōu)良，這是壓裂施工前的檢測結(jié)果，顯然在壓裂過程中套變處的固井水泥環(huán)是漸漸損壞的。另外分析壓裂過程中的微地震監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)利用螞蟻體裂縫預(yù)測技術(shù)預(yù)測的“天然裂縫帶”在壓裂過程中多有開啟，但發(fā)生套變的位置位于天然裂縫發(fā)育帶的不多，說明天然裂縫帶滑移不是造成套變的主要原因。

A公司和B公司在威遠(yuǎn)202區(qū)塊和204區(qū)塊的水平井壓裂采用的工藝技術(shù)指標(biāo)比較接近，但在這兩個區(qū)塊的套變率差別卻都很大。因此認(rèn)為兩個區(qū)塊的頁巖氣儲層的不同應(yīng)該是影響套變的主要因素。

威遠(yuǎn)區(qū)塊的頁巖氣儲層主要為志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組。前者為一套深水陸棚相碎屑巖，上部主要為綠灰色泥巖、頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、深灰色、灰黑色、黑色的頁巖。由于受樂山—龍女寺古隆起的影響，厚度分布不均，一般介于0～600 m，往威遠(yuǎn)的東南方向變厚；該組主力頁巖氣儲層位于底部的50～100 m，最好的甜點(diǎn)位于最底部的龍一11層。后者厚度介于0.5～15.0 m，頂部為全區(qū)廣泛分布的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r，中、下部主要為泥巖、云質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r。圖1是威遠(yuǎn)202區(qū)塊和204區(qū)塊的頁巖儲層巖心照片，兩個區(qū)塊儲層的差別十分明顯。202區(qū)塊頁巖氣儲層龍一11下部層理縫極為發(fā)育，是一段巖性特殊的層理縫較為發(fā)育的粉砂質(zhì)頁巖儲層，龍一11層上部層理縫相對不發(fā)育；204區(qū)塊頁巖儲層龍一11層下部、上部層理縫都較為發(fā)育，相對而言，下部比上部層理縫更為發(fā)育。

圖1 威遠(yuǎn)區(qū)塊巖心照片

威遠(yuǎn)202區(qū)塊某水平井測算的縱向上的儲層的破裂壓力在五峰組頂部最高為85.4 MPa，龍一11層下部的甜點(diǎn)區(qū)頁巖最低為55.5 MPa，相差30 MPa。在水平井大規(guī)模體積壓裂過程中，網(wǎng)絡(luò)裂縫最先開啟的是龍一1

1層下部的甜點(diǎn)區(qū)，大規(guī)模體積壓裂后將會形成以甜點(diǎn)區(qū)為主體的立體縫網(wǎng)。威遠(yuǎn)202區(qū)塊的水平井壓裂的微地震資料顯示，在壓裂段的水平井軌跡位于甜點(diǎn)區(qū)之上時，壓裂的起裂“事件點(diǎn)”主要位于軌跡之下的甜點(diǎn)區(qū)中，如圖2所示。

通過分析頁巖氣地質(zhì)、儲層的特征，結(jié)合工程技術(shù)的施工特點(diǎn)，認(rèn)為威遠(yuǎn)202區(qū)塊套損率特高的主要原因在于該區(qū)塊頁巖儲層的特殊性。雖然威遠(yuǎn)202區(qū)塊的水平井的水平段設(shè)計(jì)軌道位于龍一11層，目前來看真實(shí)完鉆的水平井軌跡落在龍一11層下部的甜點(diǎn)區(qū)中的長度比例并不高。

圖2 威遠(yuǎn)202區(qū)塊某水平井微地震監(jiān)測圖

圖3 威遠(yuǎn)202區(qū)塊某水平井鉆井軌跡圖

在鉆井過程中還有部分井段鉆入龍一11層下邊的五峰組頂部的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r，如圖3、4所示。圖3中白色圓圈為兩個套損點(diǎn)位置，位于甜點(diǎn)區(qū)中，白色圓圈之間的水平井軌跡位于五峰組頂部的生物灰?guī)r中。一旦水平段鉆遇五峰組，在壓裂過程中，位于五峰組中的水平井段相對不動，位于容易破碎的甜點(diǎn)頁巖儲層中的水平井段由于壓裂導(dǎo)致的井筒周圍頁巖破碎、固井水泥環(huán)破壞等，反復(fù)錯動，特別是靠近五峰組井段的兩側(cè)就是層理縫最發(fā)育的粉砂質(zhì)頁巖層段甜點(diǎn)，固井保護(hù)最先失效，最終導(dǎo)致套損。A公司威遠(yuǎn)202區(qū)塊16口套損的頁巖氣水平井，套損點(diǎn)位于甜點(diǎn)區(qū)的有14口，另兩口井的套損點(diǎn)可能落在裂縫帶。A公司202區(qū)塊有7口井鉆進(jìn)五峰組，全部套損，還有7口井的套損點(diǎn)位于A靶點(diǎn)附近。

圖4是B公司的測井曲線和套損點(diǎn)位置圖，彩色圓點(diǎn)處為套損位置，綠色圈內(nèi)GR值較低的曲線段為五峰組井段，套損點(diǎn)位置在測井曲線上的特征十分明顯。

A公司在威遠(yuǎn)204區(qū)塊的壓裂水平井發(fā)生套損12口，其中9口井的套損點(diǎn)落在甜點(diǎn)區(qū)中，4口套損井的9個套損井點(diǎn)在A靶點(diǎn)附近，威遠(yuǎn)204區(qū)塊的套損主要發(fā)生在A靶點(diǎn)附近。B公司的威遠(yuǎn)204區(qū)塊的套損規(guī)律和A公司類似。為什么威遠(yuǎn)202區(qū)塊和204區(qū)塊的套損率差別如此之大？①主要因?yàn)閮蓚€區(qū)塊的頁巖氣儲層甜點(diǎn)不同。由于202區(qū)塊的水平井壓裂形成的立體縫網(wǎng)主要分布在龍一11層下部的甜點(diǎn)區(qū)中，這樣壓裂時大量的壓裂液和壓裂砂分布于龍一1

圖4 威遠(yuǎn)202區(qū)塊套損點(diǎn)測井曲線圖

1層下部的甜點(diǎn)區(qū)中，因此套損點(diǎn)也位于甜點(diǎn)區(qū)中。②A公司威遠(yuǎn)202區(qū)塊和204區(qū)塊套損點(diǎn)的位置分布規(guī)律也不同，204區(qū)塊20個套損井點(diǎn)14個位于A靶點(diǎn)附近，占70%；202區(qū)塊33個套損井點(diǎn)11個位于A靶點(diǎn)附近，占33%。202區(qū)塊和204區(qū)塊的主要區(qū)別是202區(qū)塊的水平井很多鉆入甜點(diǎn)之下堅(jiān)硬的較厚的五峰組生物灰?guī)r，增大了202區(qū)塊頁巖氣水平井的套損率，204區(qū)塊甜點(diǎn)之下的五峰組生物灰?guī)r相比202區(qū)塊變得很薄，對套損的影響很?。煌h(yuǎn)204區(qū)塊龍一11層下部的主力甜點(diǎn)之上的頁巖儲層，層理縫相比威遠(yuǎn)202區(qū)塊更為發(fā)育，204區(qū)塊壓裂時形成的立體縫的分布范圍廣的多，因此威遠(yuǎn)204區(qū)塊的套損率整體上比威遠(yuǎn)202區(qū)塊的低了約50個百分點(diǎn)，這些說明了儲層特點(diǎn)是影響威遠(yuǎn)區(qū)塊套損發(fā)生的主要因素。③由于威遠(yuǎn)區(qū)塊的大范圍的地應(yīng)力機(jī)制也不同于其他已開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊，該區(qū)塊的垂向主應(yīng)力介于橫向最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之間，容易形成橫向縫，考慮到威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊的橫向?qū)永砜p發(fā)育也非常豐富，頁巖氣水平井壓裂時會形成以甜點(diǎn)為主體的橫向縫為主的立體縫網(wǎng)。這是其套損率高的主要原因。

2 主要套損預(yù)測方法

綜上可以看出頁巖氣壓裂水平井的套損有3個顯著的特點(diǎn)：①井軌跡鉆遇較硬的五峰組易套損；②絕大多數(shù)套損點(diǎn)位于甜點(diǎn)區(qū)中；③很大一部分套損點(diǎn)位于A靶點(diǎn)附近的甜點(diǎn)區(qū)中。其實(shí)在水平井完鉆之后，利用測井曲線就可以預(yù)測容易發(fā)生套損的位置，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施進(jìn)一步規(guī)避套損發(fā)生。

2.1 水平段鉆遇五峰組

從完鉆后的測井曲線上看，如果水平井部分井段鉆遇五峰組，套損發(fā)生概率大增，套損是否發(fā)生還要看剩余水平井段軌跡的位置，如果大部分井段落在甜點(diǎn)區(qū)中，壓裂時進(jìn)入儲層的壓裂液能量可以被儲層吸收，就不會套損，如圖5中A公司位于威遠(yuǎn)204區(qū)塊的某水平井，在A靶點(diǎn)附近鉆入五峰組，但其后的水平井段基本上都落在龍一11層的甜點(diǎn)區(qū)中，壓裂后沒有套損；如果其余大部分井段落在較硬的非甜點(diǎn)區(qū)，也可能不會套損。

2.2 水平段小部分鉆遇甜點(diǎn)區(qū)

如果水平井段只有小部分落在甜點(diǎn)區(qū)，大部分儲層較差，則容易在甜點(diǎn)位置發(fā)生套損，如圖6所示，威遠(yuǎn)204區(qū)塊某水平水平井在A靶點(diǎn)附近測井?dāng)?shù)據(jù)資料顯示儲層硅質(zhì)含量最高，壓裂后在A靶點(diǎn)附近能譜鈾值高的200 m長的段內(nèi)有6處發(fā)生套損。

2.3 水平段A靶點(diǎn)

套損井中套損點(diǎn)位于A靶點(diǎn)附近的甜點(diǎn)中的井的比例較高，預(yù)測是否容易發(fā)生套損時，主要需要考慮壓裂時大量的入井液的能量是否有足夠的儲層吸收，大部分井軌跡如果落在甜點(diǎn)區(qū)，則不易發(fā)生套損，否則壓裂時在A靶點(diǎn)附近易套損。

2.4 水平段鉆遇天然裂縫帶

由于頁巖氣儲層中天然裂縫比較發(fā)育，很多水平井鉆遇天然裂縫帶。雖然壓裂時天然裂縫開啟，裂縫滑移引起的套損井的數(shù)量不多，因而在明確知道水平井鉆遇天然裂縫帶時，也要充分重視。

3 套損控制方法

3.1 精細(xì)地質(zhì)研究，準(zhǔn)確刻畫甜點(diǎn)，建立準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型

在頁巖氣開發(fā)區(qū)塊內(nèi)開展精細(xì)地質(zhì)研究，準(zhǔn)確判斷甜點(diǎn)的儲層地質(zhì)特征，準(zhǔn)確刻畫出甜點(diǎn)的位置和范圍，為鉆井時水平井軌跡完全落在甜點(diǎn)中奠定基礎(chǔ)，這樣會大大減少套損的發(fā)生。如果能夠在鉆井前建立準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型，對后續(xù)的水平井軌道設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)計(jì)、鉆井施工意義更大。

3.2 優(yōu)化水平井軌道設(shè)計(jì)，保護(hù)A靶點(diǎn)易套損區(qū)

在準(zhǔn)確了解甜點(diǎn)的位置和范圍后，把水平段軌跡設(shè)計(jì)在甜點(diǎn)中，同時從管柱力學(xué)的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)造斜段，施工時降低狗腿度，預(yù)防先期損壞，從而降低A靶點(diǎn)附近的這個風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處套損發(fā)生的概率。

3.3 提高水平段鉆井導(dǎo)向精度的水平

只要水平段全部位于甜點(diǎn)中，套損就很少發(fā)生，所以水平段鉆進(jìn)時的導(dǎo)向技術(shù)至關(guān)重要，如果地質(zhì)上甜點(diǎn)位置刻畫的精度足夠高，配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的實(shí)施，降低套損率的效果會更理想。

3.4 水平段鉆遇五峰組

水平段鉆遇五峰組，則視不同情況采取不同的控制套損的方法。如果大部分井段落在相對堅(jiān)硬的頁巖中，不會套損；如果大部分井段落在甜點(diǎn)中，也不會套損；如果大部分井段的儲層物性不太好，則在五峰組周邊分段壓裂時適當(dāng)降低壓裂規(guī)模。

圖5 威遠(yuǎn)204區(qū)塊某水平井綜合曲線圖

圖6 威遠(yuǎn)204區(qū)塊某水平井曲線圖

3.5 優(yōu)化水平井井距，減少井間干擾

從壓裂現(xiàn)場的微地震監(jiān)測資料來看，部分壓裂縫相互連通，井間干擾現(xiàn)象時常發(fā)生，如圖7所示，應(yīng)該增加水平井井距。如果甜點(diǎn)區(qū)薄，壓裂縫較長，應(yīng)該適當(dāng)增大水平井間距；如果甜點(diǎn)區(qū)厚，壓裂縫短，可以適當(dāng)減小水平井間距。

3.6 降低威遠(yuǎn)202區(qū)塊的壓裂規(guī)模

通過分析B公司威遠(yuǎn)區(qū)塊的44口頁巖氣水平井的生產(chǎn)資料，發(fā)現(xiàn)202區(qū)塊和204區(qū)塊的壓裂水平井的產(chǎn)量高低和水平井的軌跡在縱向上的位置密切相關(guān)，如果水平井的軌跡落在龍一11層下部的甜點(diǎn)區(qū)中，產(chǎn)量最高，軌跡越往上產(chǎn)量越低，圖8給出了3口位置不同的水平井軌跡與生產(chǎn)曲線圖。圖8-a中綠色部分代表龍一11層，圖8-b給出了相應(yīng)3口井的生產(chǎn)曲線，很明顯越靠近龍一11層下部的甜點(diǎn)產(chǎn)量越高。

圖7 微地震監(jiān)測圖

圖8 威遠(yuǎn)202區(qū)塊3口水平井鉆井軌跡與生產(chǎn)曲線圖

總之，B公司44口頁巖氣水平井的產(chǎn)量高低主要與水平井的軌跡位置關(guān)系比較密切，軌跡越好產(chǎn)量越高，產(chǎn)量高低和壓裂段數(shù)、壓裂規(guī)模關(guān)系不大，當(dāng)然所有水平井都實(shí)施了一定規(guī)模的分段壓裂。所有生產(chǎn)井均具有頁巖氣水平井“初期產(chǎn)量高、遞減快”的規(guī)律。因此在威遠(yuǎn)202區(qū)塊可以適當(dāng)降低壓裂規(guī)模、增大井距節(jié)約成本，減少套損發(fā)生，對產(chǎn)量影響也不大。

3.7 鉆遇天然裂縫，需要進(jìn)一步優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)

由于頁巖氣儲層中天然裂縫比較發(fā)育，很多水平井會鉆遇天然裂縫帶或者鉆井時發(fā)生井漏。在壓裂設(shè)計(jì)時，應(yīng)該規(guī)避天然裂縫帶或井漏的部位，在這些井段周圍應(yīng)該適當(dāng)降低壓裂規(guī)模。

3.8 采用“分段完井、分段固井”等工程技術(shù)措施

由于頁巖氣中長水平井段鉆遇儲層的非均質(zhì)性很強(qiáng)，應(yīng)該采用“分段完井、分段固井”等工程技術(shù)措施，減少套損發(fā)生。在易套損井段采用更高強(qiáng)度的套管，或者采用不固井的技術(shù)措施等。需要根據(jù)儲層情況繼續(xù)探索其他的工藝技術(shù)措施。

4 結(jié)論與建議

通過對威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊100余口壓裂水平井的資料分析，找到了水平井壓裂套變的規(guī)律和原因。

1）套變點(diǎn)絕大多數(shù)位于甜點(diǎn)區(qū)，A靶點(diǎn)附近也是套變多發(fā)區(qū)，在威遠(yuǎn)202區(qū)塊水平井鉆遇堅(jiān)硬的五峰組時，壓裂全部套變。發(fā)生套變的主要地質(zhì)工程因素為儲層地質(zhì)特點(diǎn)、地應(yīng)力特點(diǎn)和壓裂規(guī)模。

2）可以根據(jù)測井解釋資料來預(yù)測頁巖氣壓裂水平井套變。在水平井段鉆遇五峰組、在物性非均質(zhì)特別強(qiáng)的水平井段、壓裂時由于甜點(diǎn)區(qū)厚度小導(dǎo)致儲層難以吸收大規(guī)模體積壓裂的能量的水平井段、A靶點(diǎn)附近和水平井段鉆遇井漏的天然裂縫帶容易發(fā)生套變。

3）威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣水平井的產(chǎn)量受水平段軌跡所鉆的儲層縱向位置控制；應(yīng)該進(jìn)一步提高水平井段鉆進(jìn)時的導(dǎo)向水平，讓水平井段的軌跡都落在地質(zhì)氣藏工程精確刻畫的甜點(diǎn)區(qū)；對待水平井段非均質(zhì)性強(qiáng)的儲層，宜采用“分段完井、分段固井”、優(yōu)化井網(wǎng)井距、適當(dāng)降低壓裂規(guī)模等工程技術(shù)措施。