川東南地區(qū)深層頁(yè)巖氣水平井壓裂改造實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

張相權(quán)

（中石化江漢石油工程有限公司井下測(cè)試公司）

張相權(quán).川東南地區(qū)深層頁(yè)巖氣水平井壓裂改造實(shí)踐與認(rèn)識(shí).鉆采工藝，2019，42（5）：124-126

目前國(guó)內(nèi)深層頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)主要集中于四川盆地的南川、丁山、威遠(yuǎn)、永川等區(qū)域，頁(yè)巖氣資源豐富，為涪陵氣田之外的較有利勘探開發(fā)接替區(qū)［1-4］。由于深層頁(yè)巖氣埋藏深，受高溫、高圍壓、高巖石強(qiáng)度等因素的影響，使得巖石力學(xué)參數(shù)、脆塑性以及破壞形式等發(fā)生變化，前期按照以往涪陵頁(yè)巖氣田所采取的“復(fù)雜縫網(wǎng)+支撐主縫”為代表的壓裂工藝并未獲得預(yù)期的改造效果。水力壓裂作業(yè)時(shí)地層難以有效壓開，加砂難度較大、凈壓力提升困難，縫寬窄、裂縫剪切滑移難度大、縫網(wǎng)形成難度大，產(chǎn)能衰減較快、長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)難度極大［5-8］。本文從川東南丁山深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)研究出發(fā)，探索了適用于深層頁(yè)巖開發(fā)的壓裂施工工藝。

一、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

1.頁(yè)巖品質(zhì)

1.1 物性和含氣性分析

川東南丁山深層頁(yè)巖氣井的主要目的層位龍馬溪組-五峰組地層，巖性主要為深灰色含灰泥巖、灰黑色泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖。其中，目的層測(cè)井解釋有效孔隙度在1.02%～7.08%之間，平均3.15%；優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖層段有效孔隙度在1.66%～7.08%之間，平均4.05%。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，總含氣量在0.846～12.738 m3／t，平均為3.503 m3／t，其中，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段總含氣量2.514～12.738 m3／t，平均為6.155 m3／t，底部含氣量明顯高于中上部。

1.2 有機(jī)地化分析

川東南丁山深層頁(yè)巖氣井的主要目的層位龍馬溪組-五峰組地層，水平段地化錄井有機(jī)碳含量3.42% ～5.83%，平均4.60%。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析表明，有機(jī)碳最小值0.57%，最大值4.99%，平均值2.15%。其中，優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖厚31.7 m，有機(jī)碳最小值1.69%，最大值4.99%，平均值3.03%。

1.3 天然裂縫特征分析

導(dǎo)眼井巖心描述和FMI成像測(cè)井資料顯示，臨湘組向上到石牛欄組高阻縫發(fā)育，高導(dǎo)縫欠發(fā)育，高阻縫優(yōu)勢(shì)走向?yàn)楸睎|-南西向。裂縫主要分布于石牛欄組地層中，龍一段頁(yè)巖儲(chǔ)層（①～⑨號(hào)小層）內(nèi)高阻縫發(fā)育，其中，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)順層縫和層理縫發(fā)育，高角度縫相對(duì)不發(fā)育，龍二段～龍三段高阻縫總體欠發(fā)育。臨湘組-3號(hào)層裂縫優(yōu)勢(shì)走向與6號(hào)層-石牛欄組裂縫優(yōu)勢(shì)走向有明顯不同。

2.壓裂品質(zhì)

2.1 巖石礦物分析

對(duì)目的層段取心并進(jìn)行全巖礦物X射線衍射分析，結(jié)果表明，五峰組-龍馬溪組一段泥頁(yè)巖黏土礦物含量在13.3%～53.9%，平均為38.1%；硅質(zhì)礦物含量在17.8% ～68.1%，平均為35.9%；碳酸鹽礦物含量在6.4% ～41.7%，平均為14.7%。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段（五峰組-龍馬溪組一段一亞段）黏土礦物含量在13.3% ～47.4%，平均為31.3%；硅質(zhì)礦物含量在24.4% ～68.1%，平均為42.9%；碳酸鹽礦物含量在7.6%～41.7%，平均為15.0%，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段黏土礦物含量從上到下逐漸降低。

2.2 巖石力學(xué)特征分析

對(duì)目的層段取心并進(jìn)行了巖石力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖楊氏模量為33.1～35.3 GPa，泊松比為0.206～0.212，抗拉強(qiáng)度11.3～12.6 MPa。結(jié)合測(cè)井及巖心聲發(fā)射地應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，最小水平主應(yīng)力約為90～96 MPa，水平兩向應(yīng)力差21～24 MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)高達(dá)22.5%。由于最大水平主應(yīng)力方向與天然裂縫走向時(shí)存在差異，在高水平主應(yīng)力差條件下，天然裂縫開啟壓力較高，壓裂裂縫更容易沿著最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，裂縫網(wǎng)絡(luò)形成難度極高。因此，深層頁(yè)巖氣井壓裂時(shí)需要通過增大凈壓力以提高裂縫復(fù)雜性［9］。

二、壓裂改造難點(diǎn)與技術(shù)對(duì)策

1.壓裂改造難點(diǎn)

川東南丁山深層優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖整體頁(yè)巖品質(zhì)較好，但是由于其埋藏較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，排量和加砂量受限，體積壓裂難度極大，具體表現(xiàn)在：

（1）深層頁(yè)巖氣井施工壓力較大，這是由于深層頁(yè)巖埋藏較深，巖石強(qiáng)度較高，閉合壓力大，裂縫開啟及延伸壓力較高；另一方面，深井長(zhǎng)水平段條件下井筒沿程摩阻較高。因此，井口施工壓力較高，排量建立困難，注入排量極大地受限。

（2）隨著深度的增加，頁(yè)巖在高溫高圍壓條件下塑性不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致壓裂縫寬減小，施工砂液比低（綜合砂液比小于3.5%），加砂難度較高（單段砂量?jī)H為27～50 m3）。因此，建立高導(dǎo)流的水力裂縫的難度極大。值得注意的是，高閉合壓力作用下，支撐劑易嵌入地層或破碎，導(dǎo)致投產(chǎn)后裂縫導(dǎo)流能力較快衰減，這進(jìn)一步增大了深層頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的難度。

（3）頁(yè)巖低孔低滲，通過體積壓裂形成復(fù)雜的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高效開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵之一。形成復(fù)雜的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)的重要途徑為通過高凈壓力充分開啟層理縫、高阻縫等天然裂縫。但是，深層頁(yè)巖氣井水平主應(yīng)力差異較大，頁(yè)巖強(qiáng)度較大，導(dǎo)致裂縫張開的臨界凈壓力較高，開啟難度極大。因此，裂縫復(fù)雜程度較低，有待進(jìn)一步提高。

2.技術(shù)對(duì)策

針對(duì)川東南丁山深層頁(yè)巖氣井閉合壓力高、加砂困難、裂縫復(fù)雜性難以提高的難題，優(yōu)化多尺度網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)，優(yōu)選高黏滑溜水及膠液作為主體壓裂液，采取變排量變黏度泵注模式，提高縫內(nèi)凈壓力，以最大程度地提高裂縫復(fù)雜性及有效改造體積。適度增加小粒徑支撐劑比例，實(shí)現(xiàn)多尺度微裂縫和層理縫的飽充填，有效保持裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，為頁(yè)巖氣產(chǎn)出提供優(yōu)勢(shì)通道。具體為：

（1）優(yōu)選地質(zhì)及工程雙甜點(diǎn)，增加段數(shù)，縮小簇間距，對(duì)甜點(diǎn)區(qū)進(jìn)行密切割改造，從而提高裂縫的橫向覆蓋區(qū)域；同時(shí)，為提高凈壓力，增強(qiáng)壓裂液攜砂能力，單段簇?cái)?shù)減小至2～3簇，從而集中進(jìn)液，減小排量需求，實(shí)現(xiàn)控壓促縫。

（2）采用高黏滑溜水及膠液進(jìn)行壓裂，其中，主體采用高黏滑溜水，既可以提高壓裂液攜砂能力以保證順利加砂，又可以促進(jìn)層理縫、高角度縫等天然裂縫充分開啟；前置膠液以提高前置液造縫能力；中頂適當(dāng)膠液，從而進(jìn)一步掃砂和擴(kuò)縫，降低后期砂堵風(fēng)險(xiǎn)。

（3）適當(dāng)增加小粒徑支撐劑比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)分支縫的飽和充填［8］。

（4）考慮深層造縫初期降低施工壓力和壓開地層需要，采取大孔彈變孔徑射孔、前置酸處理、替酸前降溫處理、替酸排量?jī)?yōu)化、粉陶段塞打磨、“變黏度+變排量”等凈壓力控制工藝措施。

三、壓裂施工工藝優(yōu)化

1.壓裂簇?cái)?shù)優(yōu)化

采用Eclipse軟件，模擬了壓裂段長(zhǎng)為1 394m，壓裂簇?cái)?shù)為34、40、46、52、58、64簇時(shí)的產(chǎn)量，圖1模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量隨壓裂簇?cái)?shù)增加而增大，壓裂簇?cái)?shù)大于52簇時(shí)累產(chǎn)量遞增減緩，根據(jù)地質(zhì)分段和小層穿行情況，綜合考慮推薦平均簇間距15～16 m。

圖1 不同壓裂簇?cái)?shù)下累產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線

2.規(guī)模優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用Eclipse軟件，模擬了裂縫半長(zhǎng)為210 m、230 m、250 m、270 m、290 m、310 m時(shí)的產(chǎn)量，圖2模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量隨裂縫半長(zhǎng)增加而增大。裂縫半長(zhǎng)大于270 m時(shí)累產(chǎn)量遞增減緩，綜合考慮推薦最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)為270～290 m。

圖2 不同裂縫半長(zhǎng)下累產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線

在此基礎(chǔ)上，采用Meyer壓裂軟件，模擬了液量為1 700 m3、1 900m3、2 100 m3、2 300 m3、2 500、2 700m3時(shí)的裂縫半長(zhǎng)，結(jié)果表明，當(dāng)液量為2 500 m3左右時(shí)，裂縫半長(zhǎng)為286～309 m，可滿足壓裂改造需要。

采用Meyer壓裂軟件，模擬了支撐劑規(guī)模為44 m3（砂比為1.8%）、55 m3（砂比為2.2%）、66 m3（砂比為2.6%）、77 m3（砂比為3.1%）、88 m3（砂比為3.5%）、99 m3（砂比為4%）時(shí)的裂縫半長(zhǎng)，結(jié)果表明，當(dāng)支撐劑規(guī)模為66～77 m3左右時(shí)，有效支撐的主裂縫平均導(dǎo)流能力達(dá)到1.1～6.2 D·cm，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層獲得有效支撐。

3.排量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

采用Meyer壓裂軟件，模擬了排量為6 m3／min、8 m3／min、10 m3／min、12m3／min、14m3／min、16m3／min、18m3／min時(shí)的裂縫形態(tài)及改造體積，圖3模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排量對(duì)裂縫形態(tài)和改造體積影響較大，高排量條件下有利于擴(kuò)縫及增大改造體積。但考慮到井口限壓，優(yōu)化施工排量13～18 m3／min，預(yù)計(jì)井口施工壓力為106～110 MPa。

圖3 不同排量對(duì)縫寬和SRV影響

4.壓裂液組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用Meyer壓裂軟件，模擬了膠液比例為0%、10%、20%、30%、40%、50%條件下的裂縫形態(tài)及改造體積，圖4模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著膠液比例的增大，平均縫寬增大，但改造體積減小，綜合考慮，優(yōu)選膠液比例為20%左右，在保證改造效果的同時(shí)盡可能增大裂縫寬度。

圖4 不同膠液比例對(duì)縫寬和SRV影響

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

D5井位于川東南地區(qū)林灘場(chǎng)-丁山北東向構(gòu)造帶丁山構(gòu)造北西翼，水平段長(zhǎng)為1 520 m，A靶斜深為4 165 m，垂深為3 884.88 m，B靶斜深5 685 m，垂深為4 145.41 m。基于相關(guān)研究成果開展了壓裂設(shè)計(jì)工作，并于2017年12月3日～12月20日完成了20段壓裂施工。壓裂總液量為50 906.1 m3，其中酸液410 m3，中黏滑溜水1 677.5 m3，高黏滑溜水39 051.5 m3，膠液9 767.1 m3，單段膠液平均占比19.3%，滑溜水平均占比80.7%?？偵傲繛? 574.9 m3，其中70／140目256.2 m3，40／70目1 180.2 m3，30～50目138.5 m3。其中，第1～15段采用了“前置膠+高黏滑溜水+中置膠+高黏滑溜水”工藝模式，第16～20段“前置高黏滑溜水+兩級(jí)中置膠+高黏滑溜水”的新壓裂工藝模式。

由D5井的G函數(shù)曲線圖可以看出，壓裂后形成了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，證明了本井所采用的體積壓裂工藝及施工參數(shù)可達(dá)到縫網(wǎng)改造目的。壓后測(cè)試井口壓力15.13MPa、穩(wěn)定產(chǎn)量16.33×104m3／d。從施工過程和壓后效果看，基本實(shí)現(xiàn)了單井產(chǎn)量突破，達(dá)到了壓裂改造要求。

五、結(jié)論

（1）川東南丁山深層頁(yè)巖氣藏物性條件中等偏上，天然裂縫發(fā)育，可壓性中等。但是，由于其埋藏深，閉合壓力高，水平主應(yīng)力差較大，裂縫起裂及延伸壓力高，加砂困難，縫網(wǎng)形成難度大。

（2）針對(duì)川東南丁山深層頁(yè)巖氣藏壓裂的技術(shù)難題，提出了多段少簇、分級(jí)壓裂、多尺度充填及控凈壓工藝等技術(shù)對(duì)策，并根據(jù)實(shí)際地質(zhì)及工程情況優(yōu)化了簇間距、壓裂規(guī)模、壓裂液組合、施工排量等關(guān)鍵簇?cái)?shù)，初步形成了一套適用于深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造的壓裂施工工藝，可提高深層頁(yè)巖氣井的有效改造體積。

（3）將研究成果在丁山地區(qū)深層頁(yè)巖氣井D5中，加砂量及用液量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，G函數(shù)曲線表明，壓裂后形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從壓后效果看，本壓裂工藝成功達(dá)到了儲(chǔ)層改造目的。