提升川南地區(qū)深層頁巖氣儲層壓裂縫網(wǎng)改造效果的全生命周期對策

沈 騁 謝 軍 趙金洲 范 宇 任 嵐

1.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司規(guī)劃計劃部3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 4.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院

0 引言

據(jù)美國能源署（EIA）的統(tǒng)計結(jié)果，2019年美國頁巖氣產(chǎn)量已占其天然氣總產(chǎn)量的68.9%。截至2020年10月，Haynesville、Utica等深層頁巖氣區(qū)塊（埋深大于3 500 m）的累計產(chǎn)氣量分別為806×108m3和 633×108m3，僅次于 Marcellus和 Permian等中深層頁巖氣區(qū)塊（埋深介于2 500～3 500 m）；深層頁巖氣產(chǎn)出占比已由2014年的13.8%升至2020年的23.5%，其中，Haynesville區(qū)塊采取工廠化立體開發(fā)、平臺子母井等工藝技術(shù)，在日用鉆機(jī)數(shù)僅30～45臺的情況下，實(shí)現(xiàn)了新鉆井測試日產(chǎn)氣量介于27.62×104～31.81×104m3、區(qū)塊日產(chǎn)氣量介于2.55×108～ 2.75×108m3的水平。

較之于美國，我國深層頁巖氣（埋深大于3 500 m）開發(fā)尚處于評價階段并且集中在四川盆地南部地區(qū)，其資源量占川南地區(qū)頁巖氣總資源量的86.5%[1]。瀘州—渝西區(qū)塊是川南地區(qū)深層海相頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，區(qū)內(nèi)單井最高測試氣產(chǎn)量達(dá)137.9×104m3/d，彰顯了該地區(qū)深層頁巖氣開發(fā)的巨大潛力[2-5]。然而測試結(jié)果卻顯示，深層頁巖氣水平井的增產(chǎn)改造效果差異大，單井測試氣產(chǎn)量介于5×104～50×104m3/d。究其原因認(rèn)為：深層頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，目前的儲層改造仍主要考慮高地應(yīng)力及水平地應(yīng)力差產(chǎn)生的影響[6-11]，而對于復(fù)雜地質(zhì)條件對壓裂以及排采生產(chǎn)制度對縫網(wǎng)改造效果維持能力的影響則未充分認(rèn)識，壓裂參數(shù)的設(shè)置還固化在“大排量、大液量”的思路上，由此造成現(xiàn)有的鉆完井、排采工藝與深層頁巖氣的實(shí)際情況出現(xiàn)了不適應(yīng)。

為此，以川南地區(qū)瀘州—渝西區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組深層頁巖氣儲層為研究對象，系統(tǒng)分析了涵蓋井位部署、鉆完井、排采生產(chǎn)階段的頁巖氣井全生命周期中影響頁巖儲層壓裂縫網(wǎng)改造效果的地質(zhì)和工程因素，進(jìn)而提出有針對性的技術(shù)對策及下一步的技術(shù)發(fā)展方向，以期為我國深層頁巖氣高效開發(fā)提供理論與技術(shù)支撐。

1 影響深層頁巖氣儲層壓裂縫網(wǎng)改造效果的主控因素

為保證壓裂主體工藝的適應(yīng)性和參數(shù)配置的合理性，應(yīng)基于儲層地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)工藝與技術(shù)的優(yōu)化。下面，根據(jù)川南地區(qū)深層頁巖氣水平井壓裂施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)、歸納影響頁巖氣儲層壓裂縫網(wǎng)改造效果的地質(zhì)與工程因素。

1.1 地質(zhì)因素

1.1.1 應(yīng)力狀態(tài)和斷裂體系是影響復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展的首要因素

川南地區(qū)頁巖氣儲層的動用順序?yàn)槁裆钣蓽\到深、構(gòu)造樣式由簡單到復(fù)雜。隨著埋深增加，深層頁巖氣儲層地應(yīng)力與水平地應(yīng)力差增大[12]，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展難度大，不容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。同時，由于構(gòu)造特征復(fù)雜，川南地區(qū)深層頁巖氣水平井鉆進(jìn)軌跡控制難度增大，對現(xiàn)場差異化射孔與壓裂工藝設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。因此，針對射孔參數(shù)組合，形成了以地應(yīng)力條件為主要依據(jù)的“大排量”設(shè)計理念。目前，川南地區(qū)深層頁巖氣儲層壓裂施工主體排量已介于16～18 m3/min，并且在提高施工規(guī)模等方面也取得了初步成效（表1）。

表1 川南地區(qū)深層頁巖氣儲層縫網(wǎng)壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計表

相比于中深層，川南地區(qū)深層頁巖氣儲層所處構(gòu)造的多級斷裂體系十分發(fā)育，尤其是Ⅱ級及以上斷裂，不僅對頁巖氣富集與保存產(chǎn)生負(fù)面影響，還制約了儲層改造程度。通過將地震解釋獲取的螞蟻體與最大似然體進(jìn)行疊合，發(fā)現(xiàn)斷裂體系與曲率異常區(qū)域的疊合度較高，反映了區(qū)內(nèi)斷裂體系發(fā)育與復(fù)雜的褶皺特征有關(guān)。此外，斷層附近壓裂層段還具有高水平地應(yīng)力差的特征，這與斷層附近構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)較大有關(guān)。已壓井的微地震監(jiān)測結(jié)果也表明，若裂縫半長（約150～200 m）波及范圍附近存在斷裂體系，斷層對水力裂縫具有極強(qiáng)的捕獲能力，水力裂縫幾乎不能穿透斷層進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)井改造；若斷層被激活，砂液體系大量流入其中并且與地層水混合。在這兩個因素的影響下，靠近斷裂體系的壓裂井增產(chǎn)改造效果差，其后期排采過程也反映出高氯根和快速壓力降的特征。因此，盡早實(shí)現(xiàn)對斷裂系統(tǒng)發(fā)育位置與規(guī)模的評價，規(guī)避過斷層、近斷層鉆井，是保證縫網(wǎng)壓裂效果的重要環(huán)節(jié)。

1.1.2 不等時靶體及鉆遇率是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的先決條件

川南地區(qū)深層頁巖氣儲層物性條件整體上差于中深層，從而對水力裂縫的復(fù)雜程度提出了更高的要求。由于川南地區(qū)深層頁巖氣儲層受到不同沉積、成巖作用的控制，在縱向上將存在時間差異的靶體定義為不等時靶體[5]。在對不等時靶體進(jìn)行定量描述的過程中，盡管縱向上發(fā)育位置存在差異，但均表現(xiàn)出可壓性品質(zhì)高、受陸源影響小的“高比例SiO2、低比例Al2O3”等特征[13]，有利于水力裂縫的充分?jǐn)U展。靶體不等時具體體現(xiàn)在進(jìn)入滯留沉積環(huán)境的古時期及持續(xù)時間、成巖作用對儲層改造程度的影響差異上，其發(fā)育層位自北向南由龍一1小層向龍一211小層過渡，其中，龍一11小層、龍一12小層分別為渝西區(qū)塊、瀘州區(qū)塊的不等時靶體。此外，不等時靶體及其上覆、下伏巖層的物性特征在不同區(qū)塊還存在著差異[14]，因此，不同區(qū)塊的壓裂方案與模式也需要區(qū)別考慮：在瀘州區(qū)塊，不等時靶體并非具有最佳孔隙度、TOC和含氣性，物性最優(yōu)層分布在靶體的上覆和下伏巖層中，可以采用加密井距與段距、高鉆遇龍一12小層、增強(qiáng)龍一11、龍一13小層在縱向上的動用程度來提升改造效果；在渝西區(qū)塊，不等時靶體還同時具有最佳孔隙度、TOC，可采用高鉆遇龍一11小層，增強(qiáng)儲層在平面上的動用程度來提升改造效果（圖1、2），圖1、2根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了修改。

不等時靶體鉆遇率越高、鉆遇長度越長，單井氣產(chǎn)量則越高。以渝西區(qū)塊Z202H3-2井為例，該井水平段穿行龍一11小層僅650 m，占1 484 m壓裂段長的43.8%，產(chǎn)氣剖面顯示該小層貢獻(xiàn)了該井71%的氣產(chǎn)量，可見不等時靶體具備突出的供氣能力。今后，頁巖氣井水平段越來越長，壓裂后將形成規(guī)模更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)[15-17]，而不等時靶體的鉆遇率及鉆遇長度就是深層頁巖氣儲層壓裂改造的工程基礎(chǔ)。

圖1 瀘州區(qū)塊深層頁巖氣井鉆井、縫網(wǎng)壓裂示意圖

圖2 渝西區(qū)塊深層頁巖氣井鉆井、縫網(wǎng)壓裂示意圖

1.1.3 發(fā)育的天然弱面區(qū)帶是誘導(dǎo)裂縫延伸的重要介質(zhì)

天然弱面在水力壓裂過程中具有雙刃劍的作用。川南地區(qū)天然弱面區(qū)帶為通過地球物理手段識別的走滑斷層派生的大尺度天然裂縫帶（米級以上尺度），以及通過巖心觀察識別的層理、不同產(chǎn)狀的天然裂縫（米級及米級以下尺度）。不論是中深層還是深層，川南地區(qū)受走滑斷裂控制的天然裂縫帶可能不服從經(jīng)典裂縫相交準(zhǔn)則，隨著近井地帶大尺度天然裂縫帶與井筒的夾角增大，天然裂縫帶對水力裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的約束作用越明顯（圖3），進(jìn)而嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)量（圖4）。但大尺度天然裂縫帶對水力裂縫的捕獲能力弱于斷層，若壓裂后期的施工強(qiáng)度高，水力裂縫仍可能穿透天然裂縫帶。整體上，近井地帶大尺度天然裂縫帶把裂縫擴(kuò)展范圍局限在近井區(qū)域，將導(dǎo)致支撐劑泵注困難，若裂縫將多口井連通，還會導(dǎo)致壓裂液和支撐劑沿著裂縫帶流動，造成壓竄的發(fā)生。而天然裂縫滿足經(jīng)典裂縫相交準(zhǔn)則，全區(qū)發(fā)育程度較高、多呈方解石充填狀態(tài)，有利于裂縫的轉(zhuǎn)向與擴(kuò)展，進(jìn)而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。層理發(fā)育導(dǎo)致水力裂縫在縱橫向的擴(kuò)展呈現(xiàn)“此消彼長”的特征[18]，裂縫擴(kuò)展路徑更傾向平行層理方向，在縱向上的裂縫延伸、裂縫支撐效果都將受限，加上深層頁巖高地應(yīng)力的影響，層理對于裂縫在縱向上的擴(kuò)展影響更顯著。

圖3 多級裂縫刻畫裂縫帶與微地震事件點(diǎn)分布圖（Z206井）

目前，針對天然弱面發(fā)育區(qū)帶，通過現(xiàn)場實(shí)踐已印證了暫堵劑及暫堵時機(jī)差異化措施的適用性：對天然裂縫帶與井筒相交的情況，為了使裂縫擴(kuò)展得更遠(yuǎn)，在前置液階段末、攜砂液階段初即泵注暫堵劑，減緩受近井地帶天然裂縫控制而導(dǎo)致壓裂裂縫的過度轉(zhuǎn)向情況，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)井區(qū)域的改造；對水平井筒附近不存在天然裂縫帶的情況，基于數(shù)值模擬手段，根據(jù)井筒與天然裂縫帶的空間距離，預(yù)判在高強(qiáng)度壓裂施工條件下水力裂縫延伸至天然裂縫帶的時間，將該時間作為暫堵劑或暫堵球的投注時機(jī)[19]，從而實(shí)現(xiàn)可改造范圍的充分改造，盡量規(guī)避風(fēng)險區(qū)域，保障壓裂施工的順利實(shí)施。而對于層理較發(fā)育的儲層，則需要結(jié)合優(yōu)質(zhì)儲層厚度開展進(jìn)一步分析。

圖4 示蹤劑解釋Z206井單段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率統(tǒng)計圖

1.1.4 頁巖優(yōu)質(zhì)儲層厚度是衡量縱向上資源能動性的地質(zhì)依據(jù)

由于沉積期原生與外源供給的差異和同沉積構(gòu)造作用的影響，即便在同一個工區(qū)，經(jīng)成巖作用后形成的儲層品質(zhì)也會存在明顯差異，主要體現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)儲層的縱向分布上。川南地區(qū)長寧區(qū)塊頁巖氣開發(fā)實(shí)踐表明，單井測試氣產(chǎn)量較高（大于30×104m3/d）、估算的最終開采量（EUR）較高（大于1.5×108m3）的氣井均分布在工區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)儲層厚度大的位置[3]。在現(xiàn)有工藝條件下，深層頁巖氣也有類似特征。相比于Haynesville優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度介于50～60 m，我國川南地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度與其數(shù)量級相當(dāng)，但變化幅度較大：瀘州區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度、U/Th＞1.25儲層厚度最大，分別介于45～60 m、10～15 m；長寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊次之，介于30～50 m、5～10 m；渝西區(qū)塊整體偏薄，僅介于20～40 m和1～4 m。因此，在液量、砂量、排量等施工強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，瀘州區(qū)塊單井平均測試氣產(chǎn)量介于30×104～50×104m3/d，始終高于渝西區(qū)塊的5×104～25×104m3/d，進(jìn)而明確了增強(qiáng)儲層平面上動用程度在渝西區(qū)塊頁巖儲層改造中的重要性。

1.2 工程因素

1.2.1 液體攜砂效率與密簇是提升水力裂縫復(fù)雜程度的工藝保障

長寧區(qū)塊已壓裂井的測試結(jié)果還表明，提高加砂強(qiáng)度有利于增加累計產(chǎn)氣量[20]，渝西區(qū)塊單段加砂強(qiáng)度與單段產(chǎn)氣量也呈正相關(guān)關(guān)系。可見支撐劑的使用對頁巖氣井產(chǎn)量的提升具有積極作用[21]。但對于深層頁巖氣儲層，提高加砂強(qiáng)度面臨兩個方面的難題：①由于深層頁巖儲層閉合壓力高，導(dǎo)致水力裂縫寬度窄，并且由于水平地應(yīng)力差大，水力裂縫的復(fù)雜程度低，天然裂縫與孔隙空間小，造成加砂困難[22]；②由于受到水資源匱乏的影響，在相同用液強(qiáng)度下攜帶更多支撐劑、實(shí)現(xiàn)“控液多砂”成為頁巖氣開發(fā)的發(fā)展方向。目前，北美深層頁巖氣井單段最高加砂強(qiáng)度達(dá)6 t/m，而用液強(qiáng)度僅16 m3/m，預(yù)測EUR為5.8×108m3；瀘州區(qū)塊Y101H2-7井單段最高加砂強(qiáng)度已達(dá)5.56 t/m，而用液強(qiáng)度高達(dá)37.6 m3/m；渝西區(qū)塊Z203H3-1井單段最高加砂強(qiáng)度達(dá)7.03 t/m，用液強(qiáng)度達(dá)42.83 m3/m。可見，深層頁巖氣井水力壓裂在提高液體攜砂效率方面仍有提升空間。

簇數(shù)與簇間距的配置制約著深層頁巖氣儲層壓裂縫網(wǎng)的改造效果[23]。通過理論研究與現(xiàn)場實(shí)踐，在單段段長相同的情況下，增大射孔簇數(shù)，即縮短簇間距，形成“密簇”特征，具有以下3個方面的優(yōu)勢：①簇間應(yīng)力干擾增強(qiáng)[24]，促使水力裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑更復(fù)雜，從而獲得更大的儲層改造體積（SRV），使頁巖氣資源動用程度得到提升；②在液量、砂量和排量等參數(shù)相同的情況下，“密簇”特征會促使壓裂液及其攜帶能量的分流，水力裂縫在最大水平主應(yīng)力方向上擴(kuò)展的距離變短，從而更適合井間距較小的平臺井施工；③據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，“密簇”壓裂井平均加砂強(qiáng)度3～5 t/m，高于常規(guī)壓裂井的1.5～2 t/m，并且其壓后返排率低于常規(guī)壓裂井。

變黏滑溜水的應(yīng)用可同時確保壓裂液具備較強(qiáng)的攜砂能力和造縫能力，有利于施工過程中砂濃度的提高和攜砂效率的提高；從施工壓力和加砂強(qiáng)度來看，“密簇”特征工藝井在壓裂過程中，施工壓力更平穩(wěn)、加砂強(qiáng)度更高，這與簇數(shù)增多后使水力裂縫條數(shù)增加、應(yīng)力干擾被強(qiáng)化有關(guān)，盡管水力裂縫長度縮短，但能增大徑向裂縫的被支撐程度，有利于維持水力裂縫的長期高導(dǎo)流能力。早期，對瀘州區(qū)塊Y101H1-2井、渝西區(qū)塊Z203井采用3簇+全程滑溜水作業(yè)，支撐劑沉降速率大、砂堵頻繁，加砂強(qiáng)度僅1.57 t/m、1.76 t/m；近期，對瀘州區(qū)塊Y101H2-7井、渝西區(qū)塊Z203H1平臺井采用5～8簇+變黏滑溜水作業(yè)，近井地帶的裂縫復(fù)雜程度顯著提升，相同用液強(qiáng)度下，加砂強(qiáng)度提升至3.74 t/m和2.82 t/m，實(shí)現(xiàn)了液體攜砂效率的顯著提高。

1.2.2 精細(xì)分段射孔工藝是實(shí)現(xiàn)儲層橫向上充分動用的技術(shù)核心

射孔工藝執(zhí)行精度對儲量動用程度的影響較大。目前，在北美地區(qū)單井不僅實(shí)現(xiàn)了近90段平均段長為30 m、單段簇數(shù)為6簇的分段多簇壓裂，還將段間距縮短至與段內(nèi)簇間距相當(dāng)（介于5～6 m）。目前，在川南地區(qū)頁巖氣水平井射孔分段分簇施工過程中，將作業(yè)安全和橋塞定位放在首位，為了避免橋塞坐封至套管節(jié)箍位置或由于無法準(zhǔn)確判斷橋塞坐封后電纜是否處于繃直狀態(tài)而使電纜在射孔作業(yè)時發(fā)生斷裂，設(shè)置橋塞與前序、后續(xù)壓裂段射孔頂界的安全距離分別介于8～10 m、7～10 m。因此，這將帶來兩個方面的問題：①實(shí)際簇間距與理論設(shè)計的簇間距存在差異。以單段3簇的密切割井為例，單段段長為50 m，理論設(shè)計簇間距為16.7 m，但由于受到段間橋塞設(shè)置的安全距離影響，實(shí)際簇間距僅15 m，未能達(dá)到設(shè)計的“最優(yōu)簇間距”。當(dāng)簇數(shù)增大以后，段內(nèi)簇間距進(jìn)一步縮小，而相鄰段相鄰簇的“盲區(qū)”更大。②由于考慮橋塞定位的安全距離，截至2020年5月，深層頁巖氣井各段之間都有14.3～20.3 m的儲層盲區(qū)未動用，尤其在密切割或“密簇”壓裂時，將存在大量盲區(qū)，降低壓裂段的實(shí)際改造程度。因此，確保段間盲區(qū)得到充分動用是提高橫向上儲層動用程度的關(guān)鍵。

利用磁定位（縮寫為CCL）校深法進(jìn)行電纜標(biāo)定射孔位置，盡量將CCL記錄點(diǎn)設(shè)定在套管下接箍以上1～3 m，縮短橋塞坐封所需的安全距離，使得橋塞坐封位置與上一段射孔頂界的距離縮短4～6 m；受射孔槍底部與橋塞存在3 m固定距離和橋塞坐封反沖1～3 m距離的影響，通過二次泵送方法定位，保證坐封工具不會再次撞擊橋塞，可以與后續(xù)段底界射孔位置預(yù)留4～6 m的距離，從而可以使相鄰段相鄰簇之間的距離縮減至8～12 m（圖5），有效滿足分段分簇設(shè)計的需求，同時也使儲層的橫向盲區(qū)得以減少。

1.2.3 一體化壓裂方案設(shè)計是避免井下復(fù)雜情況產(chǎn)生、實(shí)現(xiàn)儲層得到最大程度改造的創(chuàng)新流程

受到構(gòu)造褶皺、斷層發(fā)育程度、天然裂縫帶分布等地質(zhì)因素，以及較密的井間巷道距離、高強(qiáng)度壓裂施工規(guī)模、鄰井壓力降等工程因素的影響，在川南中深層、深層頁巖氣井的壓裂施工中套管變形和壓竄等井下復(fù)雜情況頻發(fā)。受套管變形的影響，截至2020年初，長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)共計壓裂段長為47 443 m，丟段24 050 m，相當(dāng)于無效改造16口壓裂段長為1 500 m的氣井。而壓竄則主要影響單井的連續(xù)生產(chǎn)，基于目前中深層頁巖氣井的生產(chǎn)情況，被壓竄井需通過長達(dá)10～40天的生產(chǎn)制度調(diào)控，產(chǎn)能才能夠逐漸恢復(fù)至壓竄前，造成單井約200×104m3氣不能按時產(chǎn)出。

圖5 川南地區(qū)深層頁巖氣井射孔工藝優(yōu)化前后橋塞、射孔簇分布示意圖

一體化壓裂方案設(shè)計通過對地質(zhì)因素進(jìn)行定量化描述，并且對天然裂縫帶進(jìn)行多級刻畫，在壓裂前準(zhǔn)確識別套管變形風(fēng)險區(qū)域，通過控制施工規(guī)模來有效避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生。另外，一體化方案設(shè)計還能實(shí)現(xiàn)對深層地應(yīng)力場的空間+時間四維描述和縫網(wǎng)綜合可壓性評價。首先，基于頁巖儲層物性與應(yīng)力特征，將射孔參數(shù)、壓裂液量、砂量、排量進(jìn)行單因素變量矩陣式模擬，定量描述水力裂縫空間尺度，遴選最優(yōu)壓裂施工參數(shù)組合；然后，根據(jù)各段地質(zhì)差異，制訂具體的調(diào)整措施；在此基礎(chǔ)上，對不同縫網(wǎng)改造規(guī)模下的資源動用程度進(jìn)行預(yù)測，確保單井、單段得到最大程度的改造，同時降低相鄰井的壓竄風(fēng)險。

在瀘州區(qū)塊，實(shí)施一體化壓裂方案設(shè)計的深層頁巖氣井實(shí)現(xiàn)了壓前風(fēng)險識別，套管變形率降低，測試氣產(chǎn)量和同期累計產(chǎn)氣量高出早期未實(shí)施一體化設(shè)計的井約55%和27%。在渝西區(qū)塊，一體化壓裂方案設(shè)計減小了砂堵發(fā)生的頻率，并保證了零套變率。以Z203H1平臺為例，根據(jù)各井地質(zhì)條件，精細(xì)刻畫井周斷裂與天然裂縫產(chǎn)狀，差異化壓裂設(shè)計確保水力裂縫不觸及斷層，使近井地帶儲層得到了充分改造：平臺井平均測試產(chǎn)氣量為22.4×104m3/d，較同區(qū)早期未實(shí)施一體化設(shè)計的平臺井提升了86.2%；截至2020年11月，該平臺投產(chǎn)約150天，井均累產(chǎn)氣1 948.1×104m3，而區(qū)內(nèi)早期未實(shí)施一體化設(shè)計的平臺井已投產(chǎn)1～2年，井均累產(chǎn)氣僅1 291.4×104m3，充分顯示了一體化設(shè)計的效果。

1.2.4 合理的燜井與排采制度是保證氣井長期高位穩(wěn)產(chǎn)的必要措施

壓裂后維持復(fù)雜縫網(wǎng)的改造效果是保證單井持續(xù)供產(chǎn)的關(guān)鍵，主要受到壓后燜井期氣液兩相置換作用和排采壓力兩方面的影響。對壓裂過程中產(chǎn)生的水力裂縫，在壓裂后燜井時，當(dāng)井底縫內(nèi)流壓高于自吸壓裂液后的起裂閾值，壓裂液能夠促進(jìn)水力裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展；由于壓裂后部分壓裂液仍沿著微細(xì)裂縫發(fā)生滲濾，和黏土礦物發(fā)生持續(xù)反應(yīng)，與基質(zhì)形成連通，同時還具有緩解水鎖的作用。因此，適當(dāng)延長燜井時間，有利于深層頁巖氣儲層儲集空間連通性的進(jìn)一步改善[25-26]。

而在排采測試期間，油嘴的尺寸與更換速率也會影響壓裂縫網(wǎng)的最終改造效果。基于目前深層頁巖氣井的排采試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)油嘴尺寸較大、更換時間較短時，瞬時氣產(chǎn)量將得到顯著提升，但較之中深層，套管壓力下降得更快，不利于長期穩(wěn)產(chǎn)，以Y101H1-2井為例，排采期間當(dāng)油嘴直徑增至8 mm時，氣產(chǎn)量尚處于持續(xù)上升的趨勢，而生產(chǎn)套壓已開始明顯下降（圖6），氣井在高產(chǎn)下保持長期穩(wěn)產(chǎn)較困難。因此，采用小直徑油嘴并且延長排液時間，探尋適合工區(qū)、單井的合理排采制度，以確保氣井長期高位穩(wěn)產(chǎn)。

圖6 瀘州區(qū)塊Y101H1-2井排采與生產(chǎn)曲線圖

2 深層頁巖氣縫網(wǎng)壓裂技術(shù)趨勢與展望

川南地區(qū)深層頁巖氣儲層壓裂正朝著“水平段越來越長、靶體范圍越來越聚焦、對用液效率的要求越來越高、加砂強(qiáng)度越來越大、簇數(shù)與簇間距的優(yōu)化越來越具有針對性、方案設(shè)計越來越精細(xì)”等方向發(fā)展，同時面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2.1 長水平段氣井精細(xì)壓裂方案設(shè)計

長水平段有利于提高單井產(chǎn)量，同時節(jié)約鉆壓成本。但川南地區(qū)深層頁巖長水平段氣井面臨諸多難題：①受沉積與構(gòu)造條件影響，壓裂段沿程儲層物性與力學(xué)條件存在明顯差異，發(fā)生井下復(fù)雜情況的概率高，進(jìn)而對施工參數(shù)的適應(yīng)性和方案設(shè)計的要求更高；②遠(yuǎn)端壓裂段受到的沿程摩擦阻力更大，施工壓力更高，進(jìn)而對井口限壓設(shè)備的要求更高；③支撐劑在井筒內(nèi)的沉降程度更高，對壓裂液高降阻率、高攜砂能力的雙重需求更迫切；④地應(yīng)力高，且受到川南地區(qū)地層傾角較大的影響，水平段跟端、趾端垂深差異大等；⑤需要泵注更多的支撐劑，以維持裂縫的導(dǎo)流能力。因此，結(jié)合一體化壓裂方案設(shè)計技術(shù)，通過識別地質(zhì)和地質(zhì)力學(xué)條件的差異，在進(jìn)行矩陣式模擬的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)壓裂參數(shù)；預(yù)判套管變形等施工復(fù)雜情況，針對性設(shè)計壓裂工具和砂液體系；評價壓裂井與相鄰?fù)懂a(chǎn)井發(fā)生壓竄的風(fēng)險，進(jìn)行施工參數(shù)和工具體系的再次優(yōu)化。由此，初步形成針對深層頁巖長水平段氣井縫網(wǎng)壓裂的一段一策精細(xì)化設(shè)計，確保施工順利和獲得高產(chǎn)。

2.2 持續(xù)優(yōu)化砂液體系，實(shí)現(xiàn)控液多砂

目前，川南地區(qū)深層頁巖氣儲層在壓裂過程中，加砂強(qiáng)度已顯著提升，但較之北美和川南地區(qū)中深層，用液強(qiáng)度偏高，在瀘州、渝西區(qū)塊分別超過了35 m3/m和40 m3/m，這將導(dǎo)致深層頁巖氣平臺井在后期壓裂時面臨供水不足等問題。對深層頁巖氣儲層而言，由于閉合壓力較高，裂縫寬度窄，閉合速率快，與中深層相比，對高強(qiáng)度加砂的需求大，同時，如何增大支撐劑在橫向、縱向上的泵送距離也是難題之一。通過壓裂液與添加劑性能的提升、支撐劑類型與粒徑的選擇、泵注程序的優(yōu)化，以及開展纖維攜砂、射孔相位角優(yōu)化等新工藝試驗(yàn)，都將影響深層頁巖氣儲層提高液體攜砂效率的壓裂工藝的實(shí)施。在瀘州區(qū)塊，擬采用優(yōu)化后的射孔相位角，由先前的60°變?yōu)?0°，以實(shí)現(xiàn)對儲層縱向上的充分改造，形成更多裂縫空間（圖7）。截至目前，川南地區(qū)長寧區(qū)塊N209H36平臺已實(shí)現(xiàn)25 m3/m的用液強(qiáng)度下加砂強(qiáng)度達(dá)5 t/m，為后續(xù)深層頁巖壓裂取得突破打下了基礎(chǔ)。

圖7 不同射孔相位角下資源縱向動用情況示意圖

2.3 同時優(yōu)化簇間距與施工強(qiáng)度

深層頁巖氣井壓裂實(shí)踐表明，最優(yōu)簇間距除了受到地質(zhì)條件的影響，還與施工強(qiáng)度有關(guān)。通過技術(shù)的提升，施工排量從中深層頁巖氣開發(fā)初期的10～12 m3/min已提升到目前18～20 m3/min，單段簇數(shù)也由初期的3簇為主增至6簇為主，并逐步開展11簇的試驗(yàn)，簇間距從初期的25～30 m縮短至8～15 m。簇間距縮短和排量增大對提升裂縫復(fù)雜程度均有促進(jìn)作用，但過密的射孔簇與過大的排量反而會影響改造效果。因此，有必要進(jìn)行不同簇間距與施工排量配置下的試驗(yàn)來進(jìn)一步優(yōu)化深層頁巖氣井壓裂主體工藝參數(shù)。同時，由于地應(yīng)力對川南地區(qū)頁巖儲層壓裂縫網(wǎng)改造效果具有較強(qiáng)的控制作用，呈現(xiàn)出水平地應(yīng)力差越小，單簇氣產(chǎn)量越大的趨勢（圖8），該區(qū)域分段多簇壓裂工藝參數(shù)的確定，正由“儲層品質(zhì)+完井品質(zhì)”向“地質(zhì)力學(xué)”轉(zhuǎn)變，由“先分段后分簇”向“先確定不等距的‘簇數(shù)×簇間距’、再確定段長”轉(zhuǎn)變。

2.4 加快多層立體壓裂技術(shù)研究

在美國西德克薩斯Permian盆地開展了已壓裂井井間礦場取心試驗(yàn)，以82°斜穿井間成功取出183 m完整巖心，識別出水力裂縫在縱向上擴(kuò)展約15 m。由于瀘州區(qū)塊龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度大、物性條件好，具有多層立體壓裂的地質(zhì)基礎(chǔ)。通過立體開發(fā)，可以使資源在縱向上得到最大程度的動用。目前，在瀘州區(qū)塊龍馬溪組龍一14小層的壓裂施工，已實(shí)現(xiàn)大排量和高強(qiáng)度加砂，平均加砂強(qiáng)度達(dá)3.75 t/m，為下一步優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的規(guī)模立體開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖8 川南地區(qū)某頁巖氣井在不同配產(chǎn)制度下水平地應(yīng)力差與分布式光纖測井解釋的單簇氣產(chǎn)量散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

1）應(yīng)力狀態(tài)和斷裂體系是影響縫網(wǎng)擴(kuò)展程度的首要因素，不等時靶體及其鉆遇率是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的先決條件，發(fā)育的天然弱面區(qū)帶是誘導(dǎo)裂縫延伸的重要介質(zhì)，優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度是衡量資源縱向上能動性的地質(zhì)依據(jù)。

2）液體攜砂效率與密簇是提升水力裂縫復(fù)雜程度的工藝保障，精細(xì)分段射孔工藝是實(shí)現(xiàn)儲層橫向上充分動用的技術(shù)核心，一體化壓裂方案設(shè)計是避免井下復(fù)雜情況產(chǎn)生、實(shí)現(xiàn)儲層得到最大程度改造的創(chuàng)新流程，合理的燜井與排采制度是保證氣井長期高位穩(wěn)產(chǎn)的必要措施。

3）提升深層頁巖氣井壓裂縫網(wǎng)改造效果的全生命周期對策的內(nèi)涵為：確定適宜的儲層縱橫向動用模式以實(shí)現(xiàn)對優(yōu)質(zhì)儲層的充分改造，有效識別斷層與弱面以減少井下復(fù)雜情況的產(chǎn)生，優(yōu)化簇間距和砂液體系以保證水力裂縫網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到最大化，通過制訂合理的生產(chǎn)制度以保證氣井最大EUR的獲取。

4）開展長水平段氣井精細(xì)壓裂方案設(shè)計、持續(xù)優(yōu)化砂液體系、簇間距與施工強(qiáng)度、研究多層立體壓裂技術(shù)是深層頁巖氣儲層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)的未來發(fā)展方向。