川南深層頁(yè)巖氣體積壓裂工藝技術(shù)

王興文，林永茂，繆尉杰

（中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

我國(guó)頁(yè)巖氣可采資源為25.08萬(wàn)億立方米，資源豐富，開發(fā)潛力巨大。其中，深層頁(yè)巖氣為9.5萬(wàn)億立方米[1-3]。深層頁(yè)巖氣是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要陣地，四川盆地及周邊深層頁(yè)巖氣勘探區(qū)域主要集中在涪陵、丁山、永川和威遠(yuǎn)區(qū)塊。威榮深層頁(yè)巖氣開發(fā)層系主要是志留系龍馬溪組，水平井分段壓裂是該區(qū)塊主要的開發(fā)手段，但威榮頁(yè)巖氣具有埋藏深（3 600～3 900 m）、地應(yīng)力高（84～101 MPa）、水平主應(yīng)力差異大（7～17 MPa）、天然裂縫不發(fā)育的工程地質(zhì)特征，停泵壓力高（56～74 MPa），停泵壓力梯度高（2.6～2.7 MPa/hm），導(dǎo)致施工壓力高（接近井口限壓）、加砂難度大、形成的裂縫復(fù)雜程度低、壓后產(chǎn)量不理想、EUR 低。針對(duì)頁(yè)巖氣改造模式[4-5]、裂縫擴(kuò)展[6-7]、產(chǎn)能模型[8-9]，施工工藝優(yōu)化[10-11]等已有眾多研究，但對(duì)于深層頁(yè)巖氣而言，仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)，Niandou、李慶輝、孟陸波[12-14]等學(xué)者采用三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)對(duì)包括龍馬溪組在內(nèi)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層試驗(yàn)，認(rèn)為整體圍壓較高、應(yīng)力差較大時(shí)不易形成復(fù)雜裂縫；Taleghani[15]、Jeffrey[16]、趙金洲團(tuán)隊(duì)[17]等對(duì)天然裂縫與人工裂縫交匯擴(kuò)展延伸進(jìn)行模擬，提出工藝參數(shù)對(duì)天然裂縫的溝通與利用存在顯著影響；唐川[18]、Zhou[19]等則對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)能模型進(jìn)行深入研究，表明壓后產(chǎn)能遞減較快，要以更大的有效改造體積來(lái)維持長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，但實(shí)際施工又有諸多變數(shù)，與理論要求契合度較低；王星皓、袁俊亮等[20-21]針對(duì)頁(yè)巖可壓性等工程參數(shù)給予優(yōu)化模擬，在施工參數(shù)優(yōu)化中提出了部分創(chuàng)新性認(rèn)識(shí)。

在深入認(rèn)識(shí)威榮龍馬溪頁(yè)巖氣工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，開展人工裂縫起裂及延伸機(jī)理研究，結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，分析壓裂改造面臨的主要難點(diǎn)及挑戰(zhàn)，針對(duì)性地提出威榮深層頁(yè)巖氣體積壓裂關(guān)鍵工藝技術(shù)，以增加有效改造體積、提高改造效果，同時(shí)為鄰區(qū)深層頁(yè)巖氣壓裂改造提供技術(shù)參考。

1 深層頁(yè)巖氣壓裂面臨挑戰(zhàn)

1.1 深層頁(yè)巖氣地質(zhì)特征研究

龍馬溪深層頁(yè)巖縱向上發(fā)育9套頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層為①～⑤號(hào)小層，厚度27.5～49.5 m，儲(chǔ)層孔隙度3.1%～5.8%，TOC（總有機(jī)碳含量）為2.2%～5.5%，含氣量為3.3～6.4 t/m3，地層壓力系數(shù)為1.38～1.96，與涪陵中深層頁(yè)巖氣相比，深層頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度相對(duì)較小（表1）。

相對(duì)于淺層和國(guó)外頁(yè)巖氣，深層頁(yè)巖氣脆性指數(shù)更低，地層應(yīng)力更高，水平地應(yīng)力差和水平地應(yīng)力差異系數(shù)較大，將導(dǎo)致壓裂時(shí)施工壓力更高，壓裂縫的復(fù)雜程度低。同時(shí)，威遠(yuǎn)和永川區(qū)塊三軸地層應(yīng)力中，垂向應(yīng)力居中，壓裂過程中易形成低角度縫或水平縫，壓裂液濾失大、縫寬不足、加砂難度大（表2）。

表1 深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層基本特征Table1 Deep shale gas reservoir geology characteristic

表2 深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特征Table2 Deep shale gas reservoir geomechanics characteristic

1.2 威榮頁(yè)巖氣壓裂裂縫延伸機(jī)理

圖1 壓前壓后樣品裂縫分析Fig.1 Rock sample before and after fracturing

前期實(shí)驗(yàn)表明地應(yīng)力高、地應(yīng)力差值大，天然裂縫欠發(fā)育，壓裂形成縫網(wǎng)復(fù)雜程度低（圖1）。威榮深層頁(yè)巖氣水平地應(yīng)力差平均10.3 MPa，壓裂裂縫轉(zhuǎn)向難度較大，且天然裂縫不發(fā)育，以低角度層理縫為主，水力裂縫溝通天然裂縫機(jī)率低，導(dǎo)致打碎儲(chǔ)層難度大、形成的縫網(wǎng)復(fù)雜程度低。大型物模實(shí)驗(yàn)表明，威榮深層頁(yè)巖壓裂裂縫形態(tài)以主縫+分支縫為主。

水平應(yīng)力差Δσ=5.0 MPa時(shí)，主要形成了3條水力裂縫，1條沿井眼方向的縱向裂縫，2條層理縫，3個(gè)裂縫面均發(fā)現(xiàn)有大量紅色示蹤劑，確定為壓裂形成的新裂縫，形成的裂縫形態(tài)整體仍具有一定的復(fù)雜度。水平應(yīng)力差Δσ≥10.0 MPa時(shí)，壓后裂縫有2條，1條垂直于井筒軸線（水平最小主應(yīng)力方向）的主裂縫，1條傾斜天然裂縫或?qū)永砜p，表明在該水平應(yīng)力差異條件下，裂縫形態(tài)趨于簡(jiǎn)單（圖2）。

隨水平應(yīng)力差異的不斷增大（圖2），σH為22.8 MPa，σh依次為21.4 MPa、17.8 MPa、12.8 MPa、7.8 MPa。水力主裂縫溝通層理的難度逐漸增大，主要原因在于水平最小主應(yīng)力的減小使得水力裂縫更容易沿著優(yōu)勢(shì)方向擴(kuò)展，壓后裂縫形態(tài)也趨于簡(jiǎn)單。在水平應(yīng)力差值平均為10.8 MPa的高水平應(yīng)力差異條件下，一部分弱膠結(jié)天然裂縫、層理仍可被主裂縫溝通，對(duì)增大改造體積有重要貢獻(xiàn)。

1.3 威榮深層頁(yè)巖壓裂主要難點(diǎn)

1）工程風(fēng)險(xiǎn)大，如套管形變，施工不連續(xù)，甚至丟失產(chǎn)層，同時(shí)由于壓裂時(shí)井間竄擾，影響了壓裂井正常壓裂，也影響了鄰井的生產(chǎn)及鉆井。

2）施工壓力高（70～95 MPa）、壓力窗口窄（＜10 MPa）、敏感砂比低、加砂難度大（綜合砂比＜4%），壓裂工藝優(yōu)化的空間不足、措施手段有限，且裂縫有效性難以保證（表3）。

表3 深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層施工特征Table3 Deep shale gas reservoir operation characteristics

3）儲(chǔ)層巖石脆性不高（＜0.55）、地應(yīng)力差異大（7～17 MPa）、天然裂縫不發(fā)育，特別是高角度縫不發(fā)育，決定了壓裂形成的裂縫復(fù)雜程度低，以主縫+分支縫為主，壓裂改造體積受限。

4）由于壓裂形成ESRV（有效改造體積）體積小，控制的地質(zhì)儲(chǔ)量有限，單井產(chǎn)量低，穩(wěn)產(chǎn)難度大，對(duì)低成本壓裂改造提出了更高要求，如何經(jīng)濟(jì)有效壓裂，也是目前面臨的一大難題。

圖2 不同應(yīng)力差下壓后裂縫分布情況Fig.2 Distribution of fractures after fracturing under different deviated stress differences

2 威榮深層頁(yè)巖氣體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)

威榮深層頁(yè)巖壓裂主體思路是以增加有效改造體積為目標(biāo)，以提高縫內(nèi)凈壓力為核心，以“密切割、強(qiáng)加砂、暫堵轉(zhuǎn)向”為關(guān)鍵，提高加砂強(qiáng)度、控制用液強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效壓裂。

2.1 地質(zhì)工程一體化密切割分段分簇

綜合考慮水平段剖面的含氣性、地應(yīng)力、地應(yīng)力差、巖石脆性、可壓性特征等壓裂有利因素，采用有限元分析法，以最大改造體積為目標(biāo)。數(shù)值模擬表明，簇?cái)?shù)增加，單簇縫寬和縫長(zhǎng)會(huì)減小，總改造體積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，存在最佳簇?cái)?shù)范圍，威榮頁(yè)巖氣單段簇?cái)?shù)優(yōu)化為6～8簇（圖3），簇間距為8～12 m（圖4），每簇射孔長(zhǎng)度為0.4～0.6 m，1 500 m水平段分17～20段。

圖3 不同射孔簇?cái)?shù)下裂縫形態(tài)Fig.3 Fracture morphology under different perforation clusters

圖4 簇間距與橫向改造覆蓋率關(guān)系Fig.4 relationship between cluster spacing and horizontal stimulation coverage

具體到單井的分簇分段措施：裂縫發(fā)育井段盡量單獨(dú)分段，裂縫發(fā)育段的段間距25～30 m，裂縫不發(fā)育的段間距控制在20 m以內(nèi)；五峰組鉆遇長(zhǎng)度＞40 m時(shí)，單獨(dú)分段；＜30 m時(shí)，作為段間距處理；各段射孔簇?cái)?shù)以6～8簇為主，首段4～5簇，A靶點(diǎn)附近段內(nèi)簇?cái)?shù)5～6簇；各段長(zhǎng)度差距不宜過大，否則長(zhǎng)段的加砂量更大，加砂有難度；作為段間距的井段選擇在固井質(zhì)量好的位置；射孔位置選擇綜合考慮含氣性、地應(yīng)力、地應(yīng)力差、巖石脆性等有利因素。

2.2 基于支撐劑運(yùn)移規(guī)律的強(qiáng)加砂壓裂技術(shù)

結(jié)合支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬，研究復(fù)雜裂縫中支撐劑輸送規(guī)律。研究結(jié)果表明，支撐劑主要分布于主縫內(nèi)，難以進(jìn)入支縫和層理縫；增大流速、降低支撐劑粒徑和密度，有利于提高輸送距離，支撐劑越容易進(jìn)入支縫和層理縫。威榮頁(yè)巖氣由于地應(yīng)力高，裂縫寬度小、加砂難度大、支撐裂縫體積有限，通過三超加砂、三級(jí)支撐、低砂比連續(xù)加砂以及自懸浮支撐劑等強(qiáng)加砂技術(shù)，增大加砂強(qiáng)度、提高有效支撐裂縫體積（圖5）。

圖5 復(fù)雜裂縫中支撐劑輸送數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of proppant transport in complex fractures

1）三超加砂工藝。頁(yè)巖氣體積壓裂形成的微裂縫平均縫寬在50 μm 左右，常用的70/140 目支撐劑難以進(jìn)入，導(dǎo)致大量的裂縫網(wǎng)絡(luò)難以得到有效支撐。為增大有效改造體積，采用超低密度的100/200目超小粒徑支撐劑、前置階段超前加砂工藝。

2）三級(jí)支撐。結(jié)合支撐劑輸送規(guī)律研究結(jié)果及裂縫寬度預(yù)測(cè)，優(yōu)化威榮頁(yè)巖氣三級(jí)支撐技術(shù)，壓裂采用100/200 目石英砂+70/140 目+40/70 目低密度陶粒，通過100/200 目支撐劑支撐一、二級(jí)支縫，70/140目粉陶支撐一級(jí)支縫、40/70目陶粒支撐主縫，實(shí)現(xiàn)多級(jí)裂縫支撐，提高有效改造體積。

3）大排量降阻水連續(xù)加砂。針對(duì)深層頁(yè)巖氣井壓裂縫寬窄、高砂比入地困難、單段加砂量受限的難題，提出降阻水連續(xù)加砂工藝，通過控制砂比在低于敏感砂比的條件下，采用大排量、降阻水連續(xù)長(zhǎng)段攜砂、同時(shí)配合中頂沖洗疏通支撐劑，實(shí)現(xiàn)提高單段加砂規(guī)模。

4）自懸浮支撐劑。自懸浮支撐劑由硬質(zhì)骨料（傳統(tǒng)支撐劑）和表面可水化膨脹的高分子聚合物組成，遇水后體積膨脹，體積密度降低，在清水中為懸浮狀態(tài)，從而提高支撐劑輸送距離和縱向分布，改善支撐劑的鋪置剖面。導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)表明，在60 MPa有效閉合應(yīng)力、10 kg/m2鋪砂濃度條件下，3種粒徑自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力為7.11～24.32 μm2·cm，均滿足威榮開發(fā)方案對(duì)導(dǎo)流能力的要求（2.59 μm2·cm）。自懸浮支撐劑在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用4口井，單井最高砂比提高至13%，比常規(guī)支撐劑提高了4%；綜合砂液比平均5.1%，比常規(guī)支撐劑提高了2.4%，有效節(jié)省了改造用液量。

2.3 提高分簇改造有效性的復(fù)合暫堵壓裂技術(shù)

國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣區(qū)塊統(tǒng)計(jì)表明，多簇射孔起裂不完全，其中30%左右無(wú)效。同時(shí)套管變形井段無(wú)法機(jī)械分段，威榮前期丟段13.6%，導(dǎo)致威榮頁(yè)巖氣橫向壓裂改造不充分。針對(duì)多簇射孔起裂不完全、套變井段難以機(jī)械分段的難題，采用復(fù)合暫堵工藝，通過暫堵球和暫堵劑封堵已壓裂段射孔孔眼，促使壓裂液進(jìn)入未改造段，達(dá)到增加起裂效率和增加分段的效果。

威榮頁(yè)巖氣區(qū)塊主要射孔參數(shù)為7～8 mm，綜合考慮施工壓裂液和支撐劑對(duì)孔眼的沖蝕作用，擴(kuò)孔后孔眼直徑為±10 mm，優(yōu)選暫堵球尺寸為15 mm+13.5 mm、暫堵劑粒徑為60～80 目，暫堵球數(shù)量32～58個(gè)、暫堵劑用量100～275 kg?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，通過復(fù)合暫堵轉(zhuǎn)向工藝，施工壓力上漲了2～5 MPa（圖6），暫堵后微地震事件有效數(shù)量提高了35%，段內(nèi)各簇得到了充分改造（圖7）。

圖6 威頁(yè)23-1HF井暫堵壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.6 WY23-1HF temporary shielding fracturing field test

圖7 裂縫監(jiān)測(cè)（暫堵前：紅色；暫堵后：黃色）Fig.7 Fracture monitoring（before temporary shielding:red;after temporary shielding:yellow）

2.4 提高裂縫復(fù)雜程度壓裂措施

密切割壓裂技術(shù)可以提高水平井段橫向覆蓋率，為了進(jìn)一步提高單條裂縫的復(fù)雜性，以提高縫內(nèi)凈壓力為核心，采用縫內(nèi)暫堵、二次壓裂、提高壓裂液黏度及施工排量來(lái)增大裂縫內(nèi)的凈壓力。

1）采用更小粒徑支撐劑（100～200 m石英砂），封堵微裂縫及層理縫，一方面可以降低壓裂液濾失，提高綜合砂液比，另一方面也可以提高裂縫內(nèi)的凈壓力，迫使裂縫在縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，增加裂縫的復(fù)雜性。小粒徑支撐劑比例由前期的10%增加至25%～30%。通過支撐劑運(yùn)移規(guī)律可以得出，小粒徑支撐劑在向地層輸送的過程，實(shí)現(xiàn)了微裂縫的堵塞，也實(shí)現(xiàn)了更多微裂縫的產(chǎn)生，從而形成較復(fù)雜的裂縫形態(tài)。

2）加砂難度較大時(shí)，通過較長(zhǎng)停泵時(shí)間（6～12 h），重新起泵進(jìn)行壓裂。由于縫內(nèi)支撐劑和液體的重新開始流動(dòng)，阻力大，從而提高了縫內(nèi)的凈壓力，迫使裂縫轉(zhuǎn)向或開啟更多的微裂縫[22]。在YY1-3HF井得到了較好的效果（圖8），二次壓裂裂縫復(fù)雜程度明顯提高，但這種工藝施工時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)成本高。

圖8 二次壓裂G函數(shù)顯示裂縫復(fù)雜Fig.8 Second fracturing G function showed complex fractures

3）通過增加液體黏度和施工排量增加縫內(nèi)凈壓力。瞬時(shí)停泵壓力反應(yīng)了壓裂裂縫內(nèi)的凈壓力大小，在WY23-1HF井采用變施工排量、變液體黏度瞬時(shí)停泵，通過停泵壓力的變化來(lái)判斷不同排量、不同液體黏度對(duì)縫內(nèi)凈壓力的影響，以此來(lái)優(yōu)化施工參數(shù)。通過試驗(yàn)情況可知深層頁(yè)巖氣壓裂重要結(jié)論和認(rèn)識(shí)，液體黏度凈壓力增加1.5～2.0 MPa，提高施工排量，凈壓力增加最大4.0 MPa 左右，且高排量下增加排量?jī)魤毫υ黾拥姆雀螅▓D9）。

圖9 不同排量及液體黏度下停泵壓力變化Fig.9 Change of stop pump pressure under different rate and liquid viscosity

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

形成的“密切割、強(qiáng)加砂、暫堵轉(zhuǎn)向”深層頁(yè)巖氣體積壓裂技術(shù)在威榮8個(gè)平臺(tái)、50余口井中進(jìn)行了應(yīng)用。通過密切割和暫堵轉(zhuǎn)向，單段簇?cái)?shù)由2～3 簇增加至6～8 簇，單井簇?cái)?shù)由42～50 簇增加至110～140簇，縫寬擴(kuò)大有效率提高了9%，水平段橫向覆蓋率由83.0%提高至96.4%。通過強(qiáng)加砂技術(shù)，單井平均加砂強(qiáng)度由1.05 t/m 提高至1.95 t/m，加砂強(qiáng)度提高了85.7%，提高了有效改造體積。降阻水比例由60.5%增至85%，同時(shí)綜合砂液比由2.7%增至3.9%，降低了膠液用量和總用液量，節(jié)約了施工成本（表4）。

WY23和WY43平臺(tái)測(cè)試平均無(wú)阻流量38.5×104m3/d，平均EUR為0.90×108m3，平均無(wú)阻流量較前期提高60.4%；其中WY43-4HF井無(wú)阻流量54.7×104m3/d，預(yù)測(cè)EUR為1.13×108m3。

分析可知，壓裂效果與加砂強(qiáng)度、單井加砂規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系（圖10、圖11）。為了實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)有效壓裂，一方面要提高加砂規(guī)模，增大加砂強(qiáng)度，確保壓裂裂縫的導(dǎo)流能力滿足天然氣生產(chǎn)的需求；另一方面要提高綜合砂液比，控制壓裂用液強(qiáng)度，控制壓裂成本。

圖10 加砂強(qiáng)度與無(wú)阻流量關(guān)系Fig.10 Relationship between sanding strength and open-flow capacity

圖11 加砂總量與無(wú)阻流量關(guān)系Fig.11 Relationship between total sand and open-flow capacity

表4 壓裂參數(shù)及效果對(duì)比Table4 Fracturing parameters and effect comparison

4 結(jié)論

1）威榮深層頁(yè)巖地應(yīng)力高、地應(yīng)力差異大、儲(chǔ)層脆性低、天然裂縫不發(fā)育，壓裂改造面臨了施工壓力高、壓力窗口窄、敏感砂比低、加砂難度大等難題。研究表明，壓裂難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)，改造體積受限，必須采用更具針對(duì)性的工藝，才能改善壓裂效果。

2）實(shí)踐證明結(jié)合工程地質(zhì)甜點(diǎn)，優(yōu)化分段分簇細(xì)分切割地層，可提高裂縫覆蓋率；結(jié)合支撐劑運(yùn)移規(guī)律，優(yōu)化三級(jí)粒徑支撐劑鋪置方式和注入時(shí)機(jī)，可以降低施工難度，提高加砂強(qiáng)度；暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、優(yōu)化施工排量、液體黏度等參數(shù)可進(jìn)一步提高裂縫橫向覆蓋率和復(fù)雜程度。

3）研究形成的技術(shù)在威榮頁(yè)巖氣區(qū)塊得到了成功應(yīng)用，平均單井無(wú)阻流量為38.5×104m3/d，單井EUR為0.9×108m3，改造效果較前期顯著提高。

4）壓裂改造效果與加砂強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，提高深層頁(yè)巖氣壓裂加砂強(qiáng)度、控制壓裂用液強(qiáng)度，是深層頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)有效壓裂的關(guān)鍵，也是深層頁(yè)巖氣壓裂的攻關(guān)方向。