頁巖氣高效壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化研究

殷世巍

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，北京 100101）

頁巖氣儲層需經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)，常規(guī)氣或致密氣的壓裂需要在產(chǎn)層形成短而粗或細而長的雙翼人工裂縫，而頁巖氣的壓裂需要在產(chǎn)層形成復(fù)雜的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，因此頁巖氣的壓裂工藝不是端部脫砂壓裂工藝和凍膠壓裂工藝，而是水壓裂，水+線性膠（凍膠）壓裂，線性膠壓裂和泡沫壓裂四種工藝，尤其以前兩種工藝為主[1]。選擇一套適用的頁巖氣壓裂工藝需要立足頁巖氣的本身特點和工藝目標，找出問題所在，優(yōu)選適用的工藝技術(shù)，從而獲得頁巖氣的經(jīng)濟開發(fā)[2-3]。

北美地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)普遍采用"直井評價，水平井開發(fā)"的模式，即有效地診斷了儲層特性，又合理地優(yōu)選了工藝措施。直井評價的步驟包括：頁巖氣儲層的可生產(chǎn)性和可壓性評價；建立儲層孔隙壓力、壓裂施工壓力和氣藏地層系數(shù)kh 的關(guān)系；確定裂縫高度；界定壓后產(chǎn)能；確定裂縫方位。直井評價后才開展水平井開發(fā)的好處包括：有利于水平井方位和長度的確定；有利于壓裂段數(shù)和壓裂參數(shù)的確定；有利于頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性評價[4-6]。

頁巖氣壓裂工藝參數(shù)的優(yōu)化就是圍繞在頁巖氣儲層造多少條橫截裂縫和造多大的橫截裂縫的多橫截裂縫模型來開展，也就是系統(tǒng)優(yōu)化分段工具、射孔工具、段間距、簇間距、砂量、液量、泵注排量、砂濃度、砂粒徑大小和降阻劑加量等工藝參數(shù)，在頁巖氣儲層中形成裂縫間距與裂縫尺寸合理匹配的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)[7]。通過一系列扎實而有效的具體工作，選擇出一套針對頁巖氣獨有特性的壓裂工藝，形成不同的頁巖氣儲層，使用不同的頁巖氣壓裂工藝，為頁巖氣是否具有經(jīng)濟開發(fā)價值做出最科學(xué)的界定和判斷[8]。

1 壓裂目的層概況

1.1 鉆完井情況

該井完鉆井深5 650 m，完鉆層位龍馬溪組，采用139.7 mm 套管完井，水平段長1 900 m，全井最大井斜井深5 636.33 m，井斜87.45°，方位190.94°，閉合距2 141.27 m，閉合方位209.56°。

根據(jù)《頁巖氣測井采集與評價技術(shù)管理規(guī)定（試行）》，將頁巖氣水平井儲層測井分類評價標準劃分如表1。本井水平段長1 900 m，錄井解釋均為氣測異常，測井解釋井段3 750～5 618 m（段長1 868 m），I 類儲層鉆遇1 740.8 m，鉆遇率93.2%，II 類儲層鉆遇107.6 m，鉆遇率5.8%，III 類儲層鉆遇19.6 m，鉆遇率1.0%。

表1 頁巖氣水平井儲層測井分類評價標準

1.2 儲層巖性及脆性特征

巖性主要為黑色頁巖，脆性計算表明水平段平均脆性指數(shù)（礦物成分）為50.8%～75%，有利于通過體積壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[9]。

測井解釋優(yōu)質(zhì)頁巖儲層1 868 m，通過對比斯通利波能量衰減，井段5 001.0～5 002.3 m，5 002.9～5 003.3 m，5 010.1～5 024.6 m，5 269.5～5 271.4 m，5 273.8～5 274.1 m，可能存在裂縫或?qū)咏缑妫瑴y井資料表明，龍馬溪組水平段優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大，裂縫發(fā)育，脆性礦物含量高，利于水力壓裂。螞蟻體追蹤裂縫預(yù)測表明，裂縫較復(fù)雜、發(fā)育多條規(guī)模不等的過井筒裂縫，裂縫走向不一。井段4 700.0～4 750.0 m、5 400.0～5 450.0 m 發(fā)育過井軌跡裂縫，壓裂施工時注意施工規(guī)模。

圖1 設(shè)計井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓裂目的及對策

2.1 壓裂技術(shù)對策

改造理念：以擴大波及體積，形成復(fù)雜裂縫為目標，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；

施工工藝：大通徑橋塞+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工藝；

射孔工藝：第1 段采用連續(xù)油管射孔，其余段射孔采用電纜傳輸射孔工藝，都采用螺旋布孔方式；

分段原則：為提高有效SRV，盡可能提高單井產(chǎn)量。結(jié)合測井、錄井解釋、三維地震預(yù)測、小層劃分成果，將物性相近、應(yīng)力差異不大的分在一段，對儲層物性較好的適當縮小段間距；

泵注方式：全程使用滑溜水攜砂，采用段塞加砂方式；

支撐劑優(yōu)選：為降低施工風險，支撐劑選用70/140 目石英砂+40/70 目低密度陶粒組合方式；

為降低破裂壓力和進一步清洗井筒，第一段注入20 m3酸液，其余段施工前注入10 m3酸液；

為確保井筒清潔及橋塞泵送順利，每段施工完成后注入40 m3線性膠或凍膠清洗井筒；

壓后按照連控制、續(xù)、平穩(wěn)的原則進行排液，宜適當延長小油嘴排液時間，防止支撐劑回流。

壓裂作業(yè)模式：為了快速建產(chǎn)，采用拉鏈式壓裂。

2.2 施工風險提示及應(yīng)急預(yù)案

根據(jù)三維地震解釋成果，該井第3 段（5 472～5 405 m）、第13 段（4 770～4 702 m）處可能發(fā)育微裂縫，可能由于液體濾失導(dǎo)致加砂困難，施工過程中控制改造規(guī)模。

方案一，采用小直徑大通徑橋塞：通井，判斷套管變形不嚴重，根據(jù)通井結(jié)果，選用相應(yīng)尺寸的小直徑橋塞進行分段壓裂；

方案二，采用可溶性堵塞球：通井，判斷套管變形較為嚴重，小直徑橋塞不滿足要求時，采用連續(xù)油管對擬壓裂段進行射孔，射孔完畢后采用可溶性堵塞球轉(zhuǎn)向壓裂。

3 壓裂方案及施工參數(shù)

3.1 施工規(guī)模的確定

單段滑溜水量：根據(jù)前期微地震監(jiān)測及改造情況，仍然按照單段1 800 m3液量。

支撐劑用量：采用段塞式加砂模式，根據(jù)設(shè)計液量及最高砂濃度等的限制，結(jié)合前期施工情況，總體按照單段砂量120 t 設(shè)計；按照單段24 t 粉砂，96 t 陶粒進行設(shè)計。如現(xiàn)場加砂困難，可根據(jù)施工情況實時調(diào)整粉砂用量和加砂量。

酸液用量：采用酸液進行預(yù)處理，第一段注酸20 m3，其余段酸液用量按照10 m3設(shè)計。

膠液用量：每段加砂完畢后注入40 m3線性膠液，用于清潔井筒，確保泵送橋塞及射孔作業(yè)順利；針對個別固井質(zhì)量差、裂縫發(fā)育的段以及處理現(xiàn)場復(fù)雜情況，可注入一定量的交聯(lián)液。

該井各段施工規(guī)模統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 施工規(guī)模

3.2 模擬輸出結(jié)果

為了滿足大排量施工需要，采用套管注入方式。同時為了滿足大排量注入及后期下管柱及橋塞分段壓裂工藝的需要，采用大通徑壓裂井口及多路進液裝置。

用Meyer 軟件，根據(jù)該井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了該井的壓裂模型，根據(jù)設(shè)計的施工參數(shù)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓裂裂縫模擬結(jié)果（3D 圖）

水平井施工平均瞬時停泵壓力梯度為0.027 MPa·m-1左右，考慮儲層非均質(zhì)性選擇0.025～0.029 MPa·m-1的應(yīng)力梯度進行泵壓預(yù)測，滑溜水降阻率按70%預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，若施工限壓按90 MPa 控制，則在靠近B 點位置對前幾段施工時建議排量控制在10 m3·min-1，后續(xù)段排量可以控制在12～14 m3·min-1進行施工。

4 結(jié)束語

本井設(shè)計壓裂26 段，采用大通徑橋塞作為分段工具、滑溜水壓裂液體系、70/140 目粉砂+40/70 目陶粒、設(shè)計施工排量12～14 m3·min-1（要求壓裂設(shè)備滿足14 m3·min-1長時間作業(yè)要求），采用段塞式加砂模式，設(shè)計最高砂濃度240 kg·m-3，設(shè)計注入液量1 800 m3，酸液10 m3，加砂量考慮80 和120 t，兩套泵序根據(jù)現(xiàn)場加砂難度決定，根據(jù)現(xiàn)場條件盡量滿足120 t 砂量。