涪陵地區(qū)深層頁巖氣開發(fā)壓裂技術(shù)研究

王炯

摘要：隨著埋深、構(gòu)造、地質(zhì)條件的巨大變化，適用于淺層的頁巖氣壓裂工藝技術(shù)，不能有效解決深層頁巖所面臨的問題。因此，需要弄清深層頁巖改造與中淺層壓裂機理、工藝參數(shù)設計之間的具體差異;同時，深層頁巖多處于構(gòu)造復雜區(qū)，應力環(huán)境多變、復雜縫形成規(guī)律變化大、施工壓力高，針對性工藝、材料、裝備及經(jīng)濟性評價迫切需要開展攻關研究。為實現(xiàn)這些目標，筆者進行三個方面問題研究：從壓裂難點到技術(shù)對策以及針對性的壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化，以此來實現(xiàn)形成大體積復雜裂縫針對性的壓裂工藝技術(shù)，為涪陵地區(qū)深層頁巖氣壓裂開發(fā)提供技術(shù)支撐。

關鍵字：壓裂技術(shù)，頁巖氣，涪陵地區(qū)，深層

隨著涪陵地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的深入，3500m-4500m以深頁巖氣儲層已經(jīng)成為資源的必要補充，成為新的工作對象。3500-4500m儲層在江東、平橋、白濤、白馬等區(qū)塊廣泛分布，資源量大、開發(fā)前景廣闊，是氣田未來重要的產(chǎn)能接替陣地[1-3]，也是本文的研究對象。

但不同于淺層頁巖的已有認識，深層頁巖地質(zhì)、構(gòu)造發(fā)生巨大變化，具體表現(xiàn)在：（1）平面分布相對分散，不同區(qū)域物性參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造均變化較大;（2）縱向變化大，隨深度增加，最小水平主應力、斷裂韌性、楊氏模量、泊松比等關鍵力學參數(shù)增大;（3）溫度增加，閉合應力增大，壓裂材料尚需配套完善。因此針對深層頁巖壓裂改造以“大體積+復雜度”為目標，需要實現(xiàn)以改造體積、有效支撐的綜合優(yōu)化理念。

1壓裂難點

1.1埋深增加，圍壓增大，塑性增強，導致施工壓力增加

目前二期儲層的垂深在2900-4000m，較一期的2500-3000m增加400-1000m，平均增加700m。按照上覆壓力梯度0.023MPa/m計算，上覆壓力增加16.1MPa，相應的最大、最小水平主應力也在增加，如焦頁A井最小水平主應力為49MPa（2408m，壓力梯度0.02MPa/m），而焦頁B井最小水平主應力則為70MPa（3431m，壓力梯度0.0204MPa/m），焦頁C井則為71MPa（3500m，壓力梯度0.0203MPa/m），焦頁D井為77MPa（3675m，壓力梯度0.0209MPa/m），焦頁E井為65MPa（3400m，壓力梯度0.019MPa/m）。因此擴展裂縫需要的延伸壓力需要增加，按縫內(nèi)凈壓力5-7MPa計算，焦頁F井延伸壓力為75-77MPa，反推地面施工壓力在80MPa，而焦頁H井地面施工壓力90MPa以上（按14m3/min排量計算）。埋深的增加導致的圍壓增加，使巖石呈現(xiàn)出塑性的變化特征，即脆性斷裂減少，破裂巖石的難度增加。因此二期施工壓力增加10-15MPa以上，甚至更多，對地面設備、壓裂參數(shù)優(yōu)化均提出了較高要求。

1.2物性變差，泥質(zhì)增加，主裂縫擴展難度大，存在“Z”型縫

對比一期的石英、碳酸鹽及粘土含量，二期物性有所變差。焦頁A井脆性礦物含量為54.2%，粘土含量為31.5%，二期井中如焦頁D井脆性礦物含量為47.19%，粘土含量增加為35.4%，焦頁C井脆性礦物含量為51.4%，粘土含量32%。由于泥質(zhì)的增加，壓裂時易形成多裂縫，壓裂液濾失增大，難以擴展，圍繞在近井筒附近，無法形成長的遠場主裂縫。由于壓裂液效率低，縫寬窄，所以存在臨界砂比，超過臨界砂比后支撐劑則難以通過，反映在壓力上就是上升，形成脫砂。由于頁巖存在層理，當壓裂裂縫沿層理擴展時，則存在水平縫與垂直縫相互共生的現(xiàn)象，由于水平縫的延伸需要克服上覆壓力的作用，因此當施工壓力梯度達到或超過0.023MPa/m時，則可判斷存在水平縫，導致復雜裂縫形態(tài)的產(chǎn)生，使得加砂困難和壓力升高。

1.3儲層條件改變，適用于早期的壓裂工藝需要優(yōu)化調(diào)整

一期的壓裂工藝針對區(qū)塊的特點進行優(yōu)化完善，取得了明顯的效果。形成的單段少簇（2-3簇）、滑溜水+線性膠、分段加砂的工藝技術(shù)在一期的實踐中增產(chǎn)明顯。但二期由于水平應力差增加（8MPa）、脆性含量降低、物性變差，形成擴展明顯的長復雜裂縫網(wǎng)絡的難度增加，同時2-3簇射孔的改造效果差異明顯，因此需要考慮進一步優(yōu)化二期壓裂工藝技術(shù)。首先如何降低和控制施工壓力，二是如何提高單段內(nèi)各簇的均衡改造程度，并擴展有效的裂縫網(wǎng)絡和擴大裂縫體積，三是如何在目前壓裂液體系上進一步改進，提高壓裂液前期造縫的能力，從而形成有效延伸的長裂縫，提高改造效果。

2技術(shù)對策

2.1酸液配方和酸量優(yōu)化，盡可能擴大酸作用半徑，從而將起始裂縫從近井筒有效延伸

酸進入儲層后，壓力降可達20-40MPa，但一般集中在近井地帶，當裂縫延伸后，遇到物性差的儲層時壓力仍會升高，因此適當擴大酸液作用半徑，盡可能使壓裂主裂縫延伸，這樣可擴大裂縫體積，并從一定程度上控制壓力。

另外，可考慮采用加重的壓裂液體系，作為前置液進行破裂和延伸裂縫，控制初始的高破裂壓力。

2.2分析儲層的垂向和水平向巖石力學特性，認識其非均質(zhì)性差異，開展針對性的射孔優(yōu)化

頁巖由于層理存在，使得其非均質(zhì)性差異大。垂向和水平向的巖石力學參數(shù)（楊氏模量和泊松比）有著明顯的差異，和砂巖儲層均質(zhì)性巖石力學性質(zhì)不同。由于垂向和水平向的差異，使得垂向應力的大小存在差異（與均質(zhì)方法計算的），因此設計時需要考慮這個差異性帶來的應力差異，考慮應力差異對裂縫擴展的影響，可有效指導射孔、裂縫延伸的分析。

2.3優(yōu)選射孔位置，采用限流工藝，嘗試單段多簇，有效延伸初始裂縫

針對各段的物性特征，進行射孔段的精細選擇。如100m的射孔段內(nèi)，優(yōu)選脆性含量高、泥質(zhì)低的段優(yōu)先射孔，并采用多簇的方式，每簇的距離在0.3-0.6m，射5-9簇，每簇射4-6孔，針對物性好進行點射。這樣可以控制起始裂縫的位置，并實現(xiàn)單段內(nèi)多條裂縫的延伸。這樣對控制起始的壓力非常有利，并可控制初始復雜裂縫的形成。目前國外主要采用這種限流工藝，特別是更長的井段200m也采用這種方式，施工中間加入暫堵劑進行轉(zhuǎn)向壓裂。同時考慮采用深穿透的射孔彈，并結(jié)合水平段的位置和層理的情況，優(yōu)化射孔方位，確保起始裂縫有效延伸。

3.壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化

3.1裂縫參數(shù)優(yōu)化

深層頁巖氣儲層進行分段措施改造的目的在于擴大改造體積、提高裂縫復雜程度。對水平井進行分段、分簇設計，利用壓裂過程中造成的地應力變化促使裂縫轉(zhuǎn)向，是能否形成復雜裂縫的關鍵。在這一過程中主要從應力場變化規(guī)律、優(yōu)選射孔簇數(shù)和優(yōu)化施工規(guī)模入手，實現(xiàn)體積改造。

優(yōu)化段簇間距，能夠?qū)崿F(xiàn)全水平井筒體積改造的覆蓋，達到最大化裂縫復雜程度的目的，當水平井簇間距過大，水平井筒存在未改造井段，適當縮短段簇間距能夠?qū)崿F(xiàn)全水平井筒體積改造的覆蓋。

另外由于深層頁巖各小層硅質(zhì)含量較一期產(chǎn)建區(qū)北部井整體降低，粘土含量整體增大，①小層粘土含量增加3-5%，③-⑤小層增加明顯（5-10%）儲層的脆性降低，形成復雜縫網(wǎng)的難度增加，壓裂裂縫的形態(tài)逐漸由縫網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈健翱p網(wǎng)與多縫過渡區(qū)”。因此，針對復雜縫網(wǎng)所需的凈壓力、誘導應力進行了深入細致的研究，通過對不同裂縫間距條件下的誘導應力進行計算。隨圍壓大，誘導應力作用距離減小，適當縮短段簇間距，提高全井段SRV。淺井簇間距在25m時，模擬誘導應力為10.8MPa，能夠滿足裂縫轉(zhuǎn)向、裂縫復雜化要求。而隨著圍壓增大簇間距由淺井的25-30m縮短至18-20m，簇間距20m時，模擬誘導應力9.6MPa。

綜上所述，針對深井壓裂主體壓裂參數(shù)液量1800-2000方、砂量55-65方，縫長230-250m、縫高46-54m;線性膠壓裂液（40-50mP·s）+減阻水壓裂液（6-9mPa·s），縫寬滿足支撐劑運移要求;二種壓裂液比例1：7和1：9時，前置線性膠用量250-300m3，能夠獲得較好的改造體積 。

3.2連續(xù)鋪砂

涪陵頁巖氣淺井加砂模式主要采用段塞式加砂，但是隨著圍壓增大，閉合壓力相應增大，段塞式加砂在深井壓裂存在一定缺陷。段塞式加砂在裂縫延伸方向存在無支撐劑支撐界面，在高閉合壓力條件下，這些無支撐界面容易閉合，連續(xù)導流通道中斷，導致氣體逸出受阻，不能完全釋放儲層產(chǎn)能。深井壓裂采取中長段塞加砂模式（100-120m3），形成連續(xù)支撐剖面、提高加砂強度，以連續(xù)穩(wěn)定的鋪砂剖面來保證裂縫的長期導流能力。

同時增加小粒徑支撐劑用量（25-28m3），控制微裂縫濾失，實現(xiàn)微裂縫的理想堵塞，提高深井壓裂整體施工穩(wěn)定性。當支撐劑顆粒過小時，支撐劑大量進入裂縫趾部，液體易在前端空間造成濾失。當支撐劑顆粒過大時，支撐劑在縫口發(fā)生堵塞，液體通過支撐劑間隙，依然容易造成濾失。理想的堵塞狀態(tài)為支撐劑封堵微裂縫中部，避免濾失的同時對微裂縫起到良好的支撐效果。有文獻表明，支撐劑粒徑降低一個級別，沉降速度降低1/3-1/2，有利于遠端裂縫支撐。這種連續(xù)鋪砂模式配合小粒徑支撐劑使用，對于深井，可以延緩壓力上漲，降低施工風險，保證裂縫的復雜程度，達到對儲層充分改造的目的。

4結(jié)論

（1）深層頁巖氣壓裂的難點在于埋深增加，圍壓增大，塑性增強，導致施工壓力增加;物性變差，泥質(zhì)增加，主裂縫擴展難度大，存在“Z”型縫;儲層條件改變，適用于早期的壓裂工藝需要優(yōu)化調(diào)整。

（2）針對深層壓裂難點提出了對應技術(shù)對策：酸液配方和酸量優(yōu)化，盡可能擴大酸作用半徑，從而將起始裂縫從近井筒有效延伸;分析儲層的垂向和水平向巖石力學特性，認識其非均質(zhì)性差異，開展針對性的射孔優(yōu)化;優(yōu)選射孔位置，采用限流工藝，嘗試單段多簇，有效延伸初始裂縫。

（3）壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化：深井壓裂主體壓裂參數(shù)液量1800-2000方、砂量55-65方，縫長230-250m、縫高46-54m;線性膠壓裂液（40-50mP·s）+減阻水壓裂液（6-9mPa·s），縫寬滿足支撐劑運移要求，能夠獲得較好的改造體積。

參考文獻

[1]魏佳.頁巖氣壓裂施工砂堵原因與策略研究[J/OL].中國石油石化，2017，（09）：95-96.

中石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院? 湖北? 武漢? 430035