川南長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂探索與實(shí)踐

鄭有成，趙志恒，曾 波，宋 毅，郭興午，黎俊峰

1 中國(guó)石油西南油氣田分公司 2 中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院

0 引言

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率極低，需通過(guò)大規(guī)模水力加砂壓裂改造，形成人工裂縫，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層的有效開(kāi)采［1-4］。隨著勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，為了進(jìn)一步增加體積改造裂縫復(fù)雜程度、提高單井產(chǎn)量，有學(xué)者指出可通過(guò)縮短簇間距和提高加砂強(qiáng)度使簇間儲(chǔ)層得到更充分動(dòng)用，并實(shí)現(xiàn)裂縫有效支撐［5-6］；簇間距縮短，利用誘導(dǎo)應(yīng)力增加裂縫復(fù)雜程度，有利于提高儲(chǔ)層最終采收率［7］。北美Haynesville、Permian Basin、Eagle Ford，Bakken等主要頁(yè)巖區(qū)塊水平井壓裂參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化，分段段長(zhǎng)約30 ～ 70 m，簇間距從15 ～ 30 m縮短到了4 ～ 12 m；用液強(qiáng)度和加砂強(qiáng)度分別達(dá)到了50 m3/m和5 t/m，水平井估計(jì)最終可采量大幅提升［8-12］。

四川盆地南部地區(qū)（川南地區(qū)）下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組頁(yè)巖氣資源量豐富，具有面積大、地層厚度分布穩(wěn)定、埋深適中等特點(diǎn)，是我國(guó)海相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要目的層段［13-15］。長(zhǎng)寧區(qū)塊位于川南地區(qū)低緩構(gòu)造帶，為長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)的一個(gè)重要建產(chǎn)區(qū)，該區(qū)塊經(jīng)過(guò)技術(shù)引進(jìn)、探索優(yōu)化、自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了規(guī)模開(kāi)發(fā)［6，13，16］。通過(guò)研究與實(shí)踐，長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣井簇間距逐漸縮短，施工規(guī)模逐漸增大，形成了3 500 m以淺的密切割分段壓裂技術(shù)。為了進(jìn)一步提高近井筒儲(chǔ)層改造效果、提升作業(yè)效率，對(duì)水平井分段不斷優(yōu)化，適當(dāng)增加分段段長(zhǎng)至約60 ～ 70 m，從而減少壓裂段數(shù)，同時(shí)采用高密度完井，增加射孔簇?cái)?shù)，大幅縮短簇間距，并持續(xù)提高加砂強(qiáng)度。為此筆者以高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂原理為基礎(chǔ)，根據(jù)長(zhǎng)寧區(qū)塊地質(zhì)工程特征對(duì)該壓裂工藝參數(shù)進(jìn)行了探索優(yōu)化，并分析了該壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，為長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)以及川南地區(qū)頁(yè)巖氣藏壓裂改造提供技術(shù)支撐和有益借鑒。

1 高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂技術(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造旨在形成多條主裂縫和轉(zhuǎn)向分支裂縫相互交織的復(fù)雜裂縫，獲得最大有效儲(chǔ)層改造體積［17］。 Sneddon 模型以最大水平主應(yīng)力（σH）和最小水平主應(yīng)力（σh）作為裂縫轉(zhuǎn)向判斷依據(jù)，當(dāng)裂縫原始水平主應(yīng)力差值小于該裂縫受到的最小水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力的差值時(shí)，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向［18-19］，即：

式中：σH-h—原始水平主應(yīng)力差，MPa；σx（im）和σy（im）—第i條裂縫對(duì)第m條裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力分量，MPa；v—泊松比。

壓裂裂縫分布示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 壓裂裂縫分布示意圖

長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，水平應(yīng)力差較大（10 ～ 16 MPa）；高水平應(yīng)力差下，裂縫擴(kuò)展時(shí)轉(zhuǎn)向困難，易形成單一裂縫?；诔Ｒ?guī)3簇壓裂工藝，增加段內(nèi)射孔簇?cái)?shù)，縮短簇間距，增加裂縫受到的誘導(dǎo)應(yīng)力差，促使裂縫轉(zhuǎn)向。高密度完井即在一定分段段長(zhǎng)下，通過(guò)高密度射孔減小簇間距，形成更多流動(dòng)通道，并利用誘導(dǎo)應(yīng)力提高裂縫復(fù)雜程度；同時(shí)根據(jù)公式（2）可得到流體穿透不同距離基質(zhì)所需要的滲流時(shí)間［5，20］，由于復(fù)雜裂縫的形成，可以縮短儲(chǔ)層基質(zhì)流體向裂縫滲流的距離，減少滲流時(shí)間。

式中：t—流體從基質(zhì)滲流到裂縫的時(shí)間，min；L—基質(zhì)中流體向裂縫滲流的距離，m；Φ—基質(zhì)孔隙度；Km—基質(zhì)滲透率，mD；Δp—驅(qū)動(dòng)壓差，MPa。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)采不僅與裂縫復(fù)雜程度有關(guān)，復(fù)雜裂縫能達(dá)到足夠的導(dǎo)流能力也至關(guān)重要［21］。壓裂改造后，壓裂液通過(guò)毛細(xì)作用、 黏土滲汲以及分子擴(kuò)散作用等進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層，使裂縫表面強(qiáng)度降低，對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力產(chǎn)生負(fù)面影響［22］。此外，長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井埋深約2 300 ～ 3 500 m，地應(yīng)力差異較大；對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)域儲(chǔ)層，裂縫閉合應(yīng)力較大，縫內(nèi)支撐劑嵌入程度增加，導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)支撐裂縫滲流機(jī)理、不同類(lèi)型支撐劑嵌入程度、鋪砂濃度以及閉合應(yīng)力等對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律進(jìn)行了大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析探討，研究表明支撐裂縫導(dǎo)流能力對(duì)氣井的產(chǎn)能起主要作用［23-26］。為滿(mǎn)足頁(yè)巖氣井生產(chǎn)所需的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，還應(yīng)提高支撐劑加量，增大裂縫中支撐劑鋪置濃度，降低支撐劑嵌入程度。因此，高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂不僅有利于頁(yè)巖儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫形成，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的長(zhǎng)期有效支撐。

2 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2. 1 簇間距

頁(yè)巖氣水平井壓裂改造采用高密度完井，縮短段內(nèi)簇間距，利用誘導(dǎo)應(yīng)力可增加裂縫復(fù)雜程度，使簇間改造更充分［6］。圖2所示為基于長(zhǎng)寧區(qū)塊的不同簇間距下段內(nèi)裂縫擴(kuò)展情況，簇間距過(guò)小 （5 m），裂縫間誘導(dǎo)應(yīng)力大，中間裂縫受到兩側(cè)應(yīng)力疊加作用，裂縫寬度較小，向前擴(kuò)展延伸困難，不利于中間簇的有效改造；簇間距過(guò)大（15 m），誘導(dǎo)應(yīng)力較小，簇間未得到充分改造。

圖2 不同簇間距下段內(nèi)裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

基于裂縫轉(zhuǎn)向判斷依據(jù)，隨著簇間距減小，水平兩向誘導(dǎo)應(yīng)力增加，但誘導(dǎo)應(yīng)力差先增加后減小；為了克服原始水平應(yīng)力差，存在較優(yōu)的簇間距，使得誘導(dǎo)應(yīng)力差較大，促進(jìn)裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，如圖3所示。長(zhǎng)寧區(qū)塊水平應(yīng)力差主體為10 ～ 16 MPa，在滿(mǎn)足足夠縫內(nèi)凈壓力條件下，基質(zhì)中心距裂縫面距離3.5 ～ 5 m時(shí)水平兩向誘導(dǎo)應(yīng)力差較大，因此簇間距約為7 ～ 10 m可作為設(shè)計(jì)優(yōu)選的區(qū)間范圍。

圖3 誘導(dǎo)應(yīng)力差與距裂縫中心距離的關(guān)系

2. 2 施工排量

水力壓裂過(guò)程中施工排量是影響支撐劑在縫內(nèi)運(yùn)移和鋪置的重要因素之一。支撐劑形成砂堤區(qū)高度越小，達(dá)峰值高度的時(shí)間越長(zhǎng)越有利于加砂。根據(jù)物模實(shí)驗(yàn)研究見(jiàn)式（3），泵注排量增加，裂縫中流速增大，支撐劑不斷卷起而懸浮在壓裂液中，砂堤高度較小，運(yùn)移的距離更遠(yuǎn)［27-28］。

式中：Hd—砂堤平衡高度，m；h0—裂縫高度，m；w—裂縫寬度，m；Q—排量，m3/s；Vd—平衡流速，m/s。

頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂過(guò)程中施工排量增加，有利于提高井底壓力，促進(jìn)裂縫起裂擴(kuò)展。基于長(zhǎng)寧區(qū)塊儲(chǔ)層和工程參數(shù)，模擬研究施工排量對(duì)裂縫長(zhǎng)度及裂縫體積影響（見(jiàn)圖4），施工排量增加，裂縫縫長(zhǎng)和裂縫體積呈增加趨勢(shì)；施工排量為16 m3/min時(shí)，裂縫長(zhǎng)度滿(mǎn)足長(zhǎng)寧區(qū)塊300 m的井間距，且裂縫體積較大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)寧區(qū)塊測(cè)試產(chǎn)量與施工排量關(guān)系得知（見(jiàn)圖5），施工排量增加，水平井測(cè)試產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，改造效果更好。

2. 3 壓裂液黏度

頁(yè)巖氣井主要采用滑溜水作為壓裂液，支撐劑隨壓裂液進(jìn)入裂縫中后由于受水平方向的攜帶力、垂向上的浮力和重力以及沉降阻力等共同作用，其運(yùn)移規(guī)律較為復(fù)雜；壓裂液黏度由于剪切稀釋作用會(huì)降低，導(dǎo)致支撐劑沉降速度變大。根據(jù)諾沃尼特的沉降速度公式（4）表明，在攜砂階段提高壓裂液黏度，其稠度系數(shù)增加，支撐劑的沉降速度變小，形成的砂堤較小，有利于支撐劑向裂縫遠(yuǎn)端運(yùn)移；并且攜砂液黏度增加，高砂濃度階段時(shí)支撐劑更易懸浮，有利于提高加砂量［29-31］。

圖4 不同施工排量下儲(chǔ)層改造體積和裂縫長(zhǎng)度模擬結(jié)果

圖5 長(zhǎng)寧區(qū)塊水平井測(cè)試產(chǎn)量與施工排量曲線

式中：Vp—沉降速度，m/s；dp—支撐劑粒徑，m；ρp和ρf—分別為支撐劑和壓裂液密度，kg/m3；K—稠度系數(shù)；g—重力加速度。

同時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬研究表明，隨著攜砂階段壓裂液黏度增加，相同時(shí)間下裂縫入口處與砂堤末端距離從0.2 m增加到0.39 m，即無(wú)砂區(qū)域增加，有利于后續(xù)更多支撐劑加入，如圖6所示為同一時(shí)刻不同壓裂液黏度下支撐劑運(yùn)移和堆積圖。目前長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井壓裂時(shí)主要采用變黏滑溜水連續(xù)加砂的方式，攜砂階段將滑溜水黏度從1 ～ 3 mPa·s增加到20 ～ 30 mPa·s，高砂濃度階段由180 ～ 200 kg/m3提升到260 ～ 280 kg/m3，平均加砂強(qiáng)度提高了約15%，利于裂縫有效支撐。

2.4 暫堵轉(zhuǎn)向

長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層水平應(yīng)力差大，主體為10 ～16 MPa，高水平應(yīng)力差下裂縫主要以較單一形式擴(kuò)展延伸，不易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，為了提高裂縫復(fù)雜程度、增大泄流面積，壓裂時(shí)采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)是有效途徑之一?？p內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向主要是在壓裂過(guò)程中投注一定量不同粒徑組合的暫堵劑，封堵主裂縫，產(chǎn)生次級(jí)新裂縫，增大裂縫體積［32］。

圖6 不同壓裂液黏度下支撐劑運(yùn)移和堆積圖

長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣井壓裂主體使用單段約300 ～500 kg、粒徑100 ～ 200目和1 ～ 3 mm的可溶暫堵劑組合?；诟鞫瘟芽p面積變化規(guī)律模擬研究（見(jiàn)圖7），隨著壓裂時(shí)間增加，各段裂縫面積呈增加趨勢(shì)；然后對(duì)圖7中的裂縫面積與時(shí)間的擬合范圍曲線①和②進(jìn)行求導(dǎo)，得到圖8中的曲線③和④，從圖8中可以看出，在57 ～ 63 min時(shí)裂縫面積增幅變緩，因此對(duì)應(yīng)為總注入液量的50% ～ 57%進(jìn)行暫堵 。暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)增大了段內(nèi)裂縫體積，同時(shí)采用高強(qiáng)度加砂使產(chǎn)生的分支裂縫得到有效支撐，提高其導(dǎo)流能力。

圖7 壓裂裂縫面積和壓裂時(shí)間關(guān)系

圖8 壓裂裂縫面積變化與壓裂時(shí)間關(guān)系

3 礦場(chǎng)應(yīng)用及效果

3. 1 典型井壓裂實(shí)施情況

NH1平臺(tái)和NH8平臺(tái)位于長(zhǎng)寧區(qū)塊209井區(qū)，2個(gè)平臺(tái)水平井鉆遇儲(chǔ)層有機(jī)碳含量4.2%～5.2%，孔隙度5.7% ～ 6%，含氣量5.2 ～ 6 m3/t，螞蟻體預(yù)測(cè)天然裂縫較發(fā)育，與井筒方向成高角度。NH1-6井、NH1-7井以及NH8-1井采用高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂技術(shù)，簇間距為8.5 ～ 10 m，壓裂施工時(shí)采用大排量、變黏滑溜水連續(xù)加砂或長(zhǎng)段塞方式加砂，加砂強(qiáng)度提高至2.8 ～ 3.1 t/m，并在總液量50% ～ 60%時(shí)投注300 ～ 400 kg暫堵劑。其余鄰井采用常規(guī)工藝，簇間距較大，加砂強(qiáng)度較低，具體壓裂施工參數(shù)見(jiàn)表1。

3. 2 典型井效果分析

NH8平臺(tái)兩口井壓裂時(shí)采用微地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于微地震解釋的百米壓裂段長(zhǎng)度儲(chǔ)層改造體積（SRVL）、百米壓裂段長(zhǎng)度微地震事件點(diǎn)數(shù)（D）以及裂縫復(fù)雜指數(shù)（F為微地震監(jiān)測(cè)縫寬與縫長(zhǎng)的比值，F(xiàn)值越大，表明裂縫越復(fù)雜），對(duì)比平臺(tái)內(nèi)兩種壓裂工藝裂縫延伸情況。NH8平臺(tái)兩口井微地震解釋結(jié)果（表2）可知，NH8-1井的SRVL、D以及F都高于同平臺(tái)的NH8-2井，其簇間距縮短、加砂強(qiáng)度增加且采用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，有利于增大裂縫復(fù)雜程度和提高儲(chǔ)層改造體積。

表1 平臺(tái)各井壓裂主要參數(shù)

表2 NH8平臺(tái)兩口井微地震解釋結(jié)果

壓裂實(shí)施后，跟蹤2個(gè)平臺(tái)井的排采測(cè)試情況。NH1-6井和NH1-7井測(cè)試產(chǎn)量分別為39.3×104m3/d和40.3×104m3/d，高于8井的24.1×104m3/d；NH8-1井測(cè)試產(chǎn)量為28×104m3/d，高于4井的18.3×104m3/d。相同平臺(tái)鄰井對(duì)比，采用高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓工藝壓后測(cè)試產(chǎn)量提升了10×104～ 16×104m3/d。

相同生產(chǎn)制度下，對(duì)比2個(gè)平臺(tái)累計(jì)產(chǎn)量。NH1-6和NH1-7井90 d累計(jì)產(chǎn)量為1 712×104m3和1 896×104m3，預(yù)測(cè)估計(jì)最終可采量（EUR）為1.64×108m3和1.68×108m3；NH1-8井90 d累計(jì)產(chǎn)量1 110×104m3，預(yù)測(cè)EUR為1.21×108m3；NH8-1井180 d累計(jì)產(chǎn)量為2 740×104m3，預(yù)測(cè)EUR為1.48×108m3；NH8-2井180 d累計(jì)產(chǎn)量為1 896×104m3，預(yù)測(cè)EUR為1.12×108m3；相同生產(chǎn)天數(shù)的累計(jì)產(chǎn)量都高于同平臺(tái)鄰井，EUR提高了約32% ～ 38%。目前長(zhǎng)寧區(qū)塊高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂已實(shí)施井的單井測(cè)試產(chǎn)量和EUR顯著提升。與常規(guī)3簇井相比，井均測(cè)試產(chǎn)量提高了約10%，EUR提高了約12%。

4 結(jié)論

（1）高水平應(yīng)力差頁(yè)巖儲(chǔ)層條件下，高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂技術(shù)可利用短簇距間的誘導(dǎo)應(yīng)力增加裂縫復(fù)雜程度，減小儲(chǔ)層基質(zhì)流體向裂縫滲流的距離和滲流時(shí)間；同時(shí)通過(guò)提高加砂強(qiáng)度，增大裂縫中支撐劑鋪置濃度，降低支撐劑嵌入程度，提高裂縫導(dǎo)流能力。

（2）簇間距、壓裂液黏度、施工規(guī)模對(duì)高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂效果影響顯著。考慮簇間誘導(dǎo)應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，施工排量、壓裂液黏度對(duì)井間儲(chǔ)層動(dòng)用程度和裂縫支撐的影響、暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)對(duì)壓裂裂縫體積的影響等，存在較優(yōu)的壓裂工藝參數(shù)與長(zhǎng)寧區(qū)塊地質(zhì)和工程條件相匹配。

（3）長(zhǎng)寧區(qū)塊段內(nèi)簇間距大幅縮短，施工排量逐漸增大，采用變黏滑溜提高加砂強(qiáng)度，并使用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，形成了高密度完井+高強(qiáng)度加砂壓裂工藝技術(shù)，并且得到了有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了單井測(cè)試產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量的雙提升。