黃202井深層頁(yè)巖水平井分段壓裂技術(shù)

王峻源，李小剛，廖梓佳

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部，四川成都 610017；2.西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

位于璧山-合江區(qū)塊長(zhǎng)黃瓜山構(gòu)造西翼斜坡帶的黃202井，是中石油第二口4 000 m以深的頁(yè)巖氣水平井。黃202井的井深為5 844 m，最大垂深為4 086.12 m，目的層為龍馬溪組，具有高溫、超高應(yīng)力的特點(diǎn)。為了解決該井壓裂作業(yè)存在的施工壓力高和加砂困難等難題，結(jié)合北美頁(yè)巖氣壓裂最新理念及頁(yè)巖氣井前期壓裂實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用了密切割、高強(qiáng)度、大排量、可溶橋塞分段等先進(jìn)的壓裂設(shè)計(jì)技術(shù)[1-3]，有機(jī)結(jié)合連續(xù)加砂、微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等施工技術(shù)[4-6]，最大限度增加裂縫復(fù)雜程度，提高壓裂改造效果。該井30段加砂壓裂累計(jì)加入液量60 155.85 m3、砂量4 212.23 t，最高施工壓力115.1 MPa，最高施工排量16.1 m3/min，單段最高砂量163.67 t、平均砂量140.41 t，單段最高加砂強(qiáng)度3.50 t/m、平均加砂強(qiáng)度2.82 t/m。該井壓裂段數(shù)、加液量、加砂量、施工壓力、施工排量、加砂強(qiáng)度六項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)下當(dāng)時(shí)中石油深層頁(yè)巖氣井壓裂新紀(jì)錄。壓裂后獲得22.37×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流，標(biāo)志著油氣田璧山-合江區(qū)塊深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得了新突破，揭示了該區(qū)塊深層頁(yè)巖氣良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。

1 璧山-合江區(qū)塊深層頁(yè)巖氣壓裂改造難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

1.1 壓裂改造難點(diǎn)

1.1.1 測(cè)井解釋 直井測(cè)井解釋1、2小層為Ⅰ儲(chǔ)層，3、4及五峰組為Ⅰ-Ⅱ類儲(chǔ)層。直井1小層厚度較薄為3.0 m；2小層厚度為2.9 m，Ⅰ類儲(chǔ)層厚度為5.9 m，整體來(lái)說(shuō)1小層儲(chǔ)層比較薄。地應(yīng)力分析（見(jiàn)表1）：走滑應(yīng)力：σH＞σV＞σh。最大水平主應(yīng)力大于垂向主應(yīng)力，不利于裂縫高度擴(kuò)展，該井地應(yīng)力為走滑應(yīng)力狀態(tài)，水平應(yīng)力差異較大（19.89 MPa），形成復(fù)雜裂縫難度也較大。

1.1.2 天然裂縫情況 直改平井斯通利波能量基本無(wú)衰減，裂縫不發(fā)育，不太利于形成復(fù)雜裂縫。

1.1.3 儲(chǔ)層物性參數(shù)-與不同區(qū)塊頁(yè)巖氣井對(duì)比分析直改平井儲(chǔ)層參數(shù)略低于直井 ，與鄰區(qū)相比，脆性礦物明顯較高，有機(jī)碳居中，孔隙度和含氣量較低，與鄰井相比，有機(jī)碳和脆性礦物較高，孔隙度較低，含氣量較低。

如何在限壓下進(jìn)行超大排量的壓裂施工是深層頁(yè)巖氣井壓裂改造必須解決的首要問(wèn)題。璧山-合江區(qū)塊深層頁(yè)巖氣井埋藏較深，壓力系數(shù)較高（預(yù)測(cè)值為1.72），地層破裂壓力梯度高，沿程摩阻大，高排量泵入地面泵壓會(huì)超過(guò)100 MPa，施工時(shí)控制排量、加砂濃度、壓力難度大。針對(duì)這種深井需優(yōu)選適宜的壓裂井口、壓裂液體系、支撐劑類型、射孔參數(shù)，減少壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，提高壓裂改造效果，降低施工摩阻，盡可能提高排量至16 m3/min。

1.2 技術(shù)對(duì)策

改造目標(biāo)：采用“大液量、大排量、大砂量、低黏度、小粒徑、低砂比”的體積壓裂改造模式；形成復(fù)雜裂縫、提高儲(chǔ)層改造體積、提高用液用砂強(qiáng)度、力求充分改造有效評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)潛力。

1.2.1 優(yōu)選壓裂井口、壓裂管柱 為了能夠盡可能的提高排量，壓裂井口選用140 MPa的大閘門，特殊四通也是140 MPa等級(jí)，壓裂管柱套采用Φ139.7 mm TP140V，抗壓153.5 MPa，同時(shí)采用可溶橋塞+電纜分簇射孔（見(jiàn)表2）。

1.2.2 低摩阻和低傷害滑溜水 國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣的主要改造方式為滑溜水大型壓裂，目前這種施工方式占到了頁(yè)巖氣改造的60%，滑溜水的優(yōu)點(diǎn)是配方簡(jiǎn)單、成本低、殘?jiān)苌?，降阻率明顯大于常規(guī)交聯(lián)液體體系，以低黏滑溜水為主體，有利于溝通微裂縫，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。缺點(diǎn)由于滑溜水黏度較低，攜砂能力較差，主要依靠紊流、砂壩和（或）砂床來(lái)傳送支撐劑。這將導(dǎo)致支撐劑在地面設(shè)備或較長(zhǎng)水平側(cè)向井段的過(guò)早沉淀，支撐劑不能得到均勻鋪置。這使得裂縫難以得到有效支撐，導(dǎo)流能力下降。針對(duì)這種情況，需選擇更低密度的支撐劑，以利于輸送。

1.2.3 酸化預(yù)處理 酸進(jìn)行預(yù)處理：主壓裂之前進(jìn)行一次DFIT測(cè)試，求取地層參數(shù)。根據(jù)DFIT測(cè)試情況確定是否注入稀鹽酸。地層壓力偏高，若用酸處理后，可以實(shí)現(xiàn)較好的降破，能夠降低后續(xù)施工的井口壓力。

1.2.4 壓裂規(guī)模和施工參數(shù)優(yōu)化

1.2.4.1 縫網(wǎng)壓裂工藝 對(duì)于頁(yè)巖氣壓裂施工，不考慮壓穿水層的前提，應(yīng)該選擇大排量施工，實(shí)現(xiàn)更好的攜砂并提高縫內(nèi)凈壓力。因此施工排量盡量考慮在16 m3/min左右，同時(shí)為了形成更復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，把水平段1 500 m，密集切割為30段，選擇單段注入滑溜水 2 000 m3～2 200 m3、加砂量 160 t的規(guī)模。

表1 （直井）巖心地應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 B點(diǎn)施工泵壓預(yù)測(cè)（預(yù)測(cè)參數(shù)：垂深3 952.93 m，測(cè)深5 784 m）

1.2.4.2 低砂比、連續(xù)+段塞加砂方式 根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，低砂比、連續(xù)+段塞加砂方式適合滑溜水施工模式，能夠降低加砂難度，增加裂縫的動(dòng)態(tài)縫長(zhǎng)，對(duì)于支撐劑在裂縫網(wǎng)絡(luò)中的均勻鋪置有很好的作用。

1.2.4.3 其他參數(shù)優(yōu)化 支撐劑優(yōu)選：前8段采用70/140目粉砂+40/70目石英砂，從第9段起采用70/140目粉陶+40/70目陶粒，占比為3比7，確保微裂縫被有效支撐，同時(shí)確保具有一定的裂縫導(dǎo)流能力；某深層頁(yè)巖氣井主體以70/140目支撐劑為主，平均單段比例占90%，裂縫導(dǎo)流能力有限。

射孔參數(shù)優(yōu)化：縮短簇長(zhǎng)集中能量射孔；降低總孔數(shù)，提高單孔流量，確保各簇均勻改造。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 壓裂施工概況

根據(jù)DFIT測(cè)試，由Nolte-FR函數(shù)求得的地層壓力為80.86 MPa，黃202井DFIT測(cè)試結(jié)果計(jì)算出地層壓力系數(shù)為2.04，地層孔隙壓力為91.297 MPa，決定每段加入20 m3鹽酸，以此降低地層破裂壓力。

采用密切割、高強(qiáng)度、大排量、可溶橋塞分段等先進(jìn)的壓裂設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合連續(xù)加砂、微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等施工技術(shù)，最大限度增加裂縫復(fù)雜程度，提高壓裂改造效果，該井30段加砂壓裂累計(jì)加入液量60 155.85 m3、砂量4 212.23 t，最高施工壓力115.1 MPa、最高施工排量16.1 m3/min，單段最高砂量163.67 t、平均砂量140.41 t，單段最高加砂強(qiáng)度3.50 t/m、平均加砂強(qiáng)度2.82 t/m。

2.2 微地震裂縫監(jiān)測(cè)解釋

黃202井微地震監(jiān)測(cè)事件延伸方位，近井筒區(qū)域應(yīng)力較為簡(jiǎn)單，基本沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸，為120°～135°，天然裂縫主要以破碎帶形式存在，沒(méi)有明顯的方向性，A點(diǎn)附近的天然裂縫方向與井筒方向近平行，B點(diǎn)區(qū)域天然裂縫方位近南北向延伸。

參考國(guó)外頁(yè)巖氣壓裂研究成果，利用水力壓裂裂縫形成機(jī)理，分析壓裂期間所形成的裂縫類型及改造效果，其原理示意圖（見(jiàn)圖1）。從圖1中可以推測(cè)出，由拉伸形成的裂縫，事件點(diǎn)到射孔段的距離，隨時(shí)間會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)；由剪切形成的裂縫，事件點(diǎn)到射孔段的距離，隨時(shí)間變化較小。

圖1 水力壓裂裂縫形成機(jī)理

結(jié)合水力壓裂裂縫形成機(jī)理，選取部分壓裂段微地震事件與射孔的距離和壓裂時(shí)間做交匯分析（見(jiàn)圖2）。從圖2可以看出，微地震形成的事件點(diǎn)大多比較分散，少部分比較集中，說(shuō)明水力壓裂過(guò)程中所形成的裂縫大多為較復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫類型，部分段局部可能受裂縫帶影響，表現(xiàn)出一定的線性裂縫特征。

圖2 微地震事件點(diǎn)的交匯分析

2.3 儲(chǔ)層改造體積和裂縫復(fù)雜度分析

M.J.Mayerhofer等[7]最先提出了儲(chǔ)層改造體積SRV（Stimulated Reservoir Volume）的概念，并認(rèn)為壓裂過(guò)程中應(yīng)盡可能增大儲(chǔ)層改造體積。吳奇等[8]引進(jìn)該定義，在國(guó)內(nèi)首先提出了體積改造理念，并提出了廣義和狹義體積改造的概念，SRV的計(jì)算公式如下：

式中：VSR-儲(chǔ)層改造體積，m3；a-縫網(wǎng)長(zhǎng)度，m；b-縫網(wǎng)寬度，m；h-縫網(wǎng)高度，m。

圖3 儲(chǔ)層改造體積定義與等效加密模型示意圖

根據(jù)微地震事件所描述的裂縫網(wǎng)絡(luò)特征，利用專項(xiàng)的水力壓裂裂縫建模技術(shù)，構(gòu)建離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，分析裂縫類型及相關(guān)性，估算總改造體積為5 086.1×104m3，平均單段改造體積為 225.2×104m3，整體改造效果較好。

裂縫復(fù)雜性指數(shù)定義為微地震裂縫監(jiān)測(cè)的縫寬與縫長(zhǎng)之比[9]：

式中：FCI-裂縫復(fù)雜指數(shù)；W-垂直方向壓裂液波及范圍的一半；L-壓裂造縫半長(zhǎng)。

表3 黃202井不同裂縫類型的關(guān)系

根據(jù)裂縫復(fù)雜指數(shù)分析，黃202井有9段實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)裂縫，21段微復(fù)雜裂縫。本井復(fù)雜指數(shù)主體在0.2～0.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鄰井（見(jiàn)表 3）。

進(jìn)一步地，觀察瞬時(shí)停泵后水擊現(xiàn)象（見(jiàn)圖4）。停泵后水擊效應(yīng)明顯，可以認(rèn)為液體在裂縫中的流速在急劇變化，表明裂縫復(fù)雜程度高。

進(jìn)一步地觀察停泵后的壓降大?。ㄒ?jiàn)圖5）。與鄰井相比，停泵后15 min壓降較快，平均降幅較大，裂縫滲透性好，裂縫改造體積大。

2.4 壓后返排求產(chǎn)情況

壓裂后放噴排液，7月3日8：00～8日20：00測(cè)試，歷時(shí)132 h，井口套壓從26.32MPa下降到23.72 MPa，平均套壓為24.97 MPa，平均產(chǎn)氣量22.37×104m3/d。截止到7月8日累計(jì)返排液量為8 781 m3，返排率為14.6%。

壓后效果表明：黃202井在龍馬溪組獲得了工業(yè)氣流，標(biāo)志著璧山-合江區(qū)塊深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得了新突破，揭示了該區(qū)塊深層頁(yè)巖氣良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。同時(shí)，本井的順利實(shí)施，也為四川盆地深層頁(yè)巖氣井在鉆井技術(shù)、導(dǎo)向技術(shù)、壓裂工藝技術(shù)及其他配套工藝技術(shù)等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，有望獲得商業(yè)突破。

圖4 停泵后壓力震蕩圖

圖5 壓降大小對(duì)比圖

3 認(rèn)識(shí)和建議

（1）根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)成果，可以看出在近井筒區(qū)域事件延伸方位變化不大，基本沿著水平最大主應(yīng)力方向，局部受天然裂縫破碎帶影響與井軌跡方位存在一定的夾角。根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)成果分析，本次壓裂形成的裂縫，單段平均延伸長(zhǎng)為377 m左右，裂縫帶寬平均在91 m左右，平均高度在75 m左右，改造效果較好。

（2）全程低黏滑溜水適宜于本井高脆性儲(chǔ)層特征，有利于提高縫網(wǎng)體積，黃202井壓后SRV為5 742×104m3，較鄰區(qū)足201-H1井提高105%。

（3）要解決深層頁(yè)巖氣體積改造難題，需要堅(jiān)持使用滑溜水+陶粒主體工藝，支撐劑以大粒徑支撐劑為主，推廣密切割+高強(qiáng)度加砂工藝，進(jìn)一步提高加砂強(qiáng)度至3 t/m，同時(shí)保證較高的施工排量（15 m3/min以上）。