一種頁巖氣水平井均勻壓裂改造工藝技術(shù)的應(yīng)用與分析

曾 凌 翔

中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司

開發(fā)北美頁巖油氣主要以水平井多級壓裂與工廠化作業(yè)模式為核心，工廠化生產(chǎn)使美國天然氣產(chǎn)量大幅度增加，2011年頁巖氣產(chǎn)量高達1 800h108m3，據(jù)預(yù)測我國頁巖氣資源量為31 mD，基本與美國頁巖氣資源量相當(dāng)[1-3]。

頁巖儲層孔隙度一般為4%～6%，未經(jīng)改造的頁巖基質(zhì)滲透率一般為10－4～10－9[4]。頁巖儲層必須經(jīng)過壓裂改造才能獲得工業(yè)油氣流。是否能夠形成具有導(dǎo)流能力的復(fù)雜裂縫是頁巖高效開發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵[5-7]。復(fù)雜的裂縫增加了接觸面積，同時提高了儲層滲透率，使頁巖氣從不同路徑流向井筒，最終提高儲層動用率，實現(xiàn)經(jīng)濟有效開采。為提高單井產(chǎn)量，水平井均勻壓裂改造對于高效開發(fā)頁巖氣資源至關(guān)重要。

1 頁巖儲層非均質(zhì)性分析

頁巖儲層的重要特點之一為非均質(zhì)性強，同層位壓裂改造過程中壓力顯示差異大，同層位產(chǎn)量貢獻率也存在較大差異。從頁巖儲層地質(zhì)與壓裂工程兩方面對非均質(zhì)性進行分析評價。

1）頁巖儲層物性非均質(zhì)性強。

頁巖氣綜合地質(zhì)評價通常包括：有機質(zhì)豐度、熱成熟度、礦物組分、物性和含氣量等［8-11］。頁巖儲層非均質(zhì)性強，即使礦物含量相同的頁巖儲層，其內(nèi)部礦物分布特征也存在差異[12-13]。

基于單井地質(zhì)特征認(rèn)識與分析，儲層非均質(zhì)性強，其中包含地應(yīng)力、TOC、孔隙度、裂縫等不同，井間、段間也存在較大差異，對后期改造效果具有重要的影響。如某井TOC含量3%～6%，孔隙度3%～6.5%，伽馬值160～300，脆性指數(shù)40%～70%。

（2）壓裂施工表征參數(shù)差異大。

不同井同層位施工參數(shù)存在差異性（表1）：最高施工壓力82 MPa，施工壓力61～81 MPa，停泵壓力43.0～55.4 MPa，砂量64.3～100.2 t；同井同層位施工參數(shù)也存在一定的差異（表2、圖1）：最高施工壓力83 MPa，施工壓力51～74 MPa，停泵壓力43～50 MPa，砂量96.4～120.1 t；壓降速率最大值2 MPa/min，最小值0.04 MPa/min。

表1 不同井同層位施工參數(shù)對照表

表2 同井同層位施工參數(shù)對照表

圖1 同平臺3口井壓降速率統(tǒng)計圖

3）基于生產(chǎn)測井發(fā)現(xiàn)：有效射孔較少；同一層位產(chǎn)量貢獻率不一樣；裂縫延伸不均勻。

Barnett某頁巖氣井的射孔簇?zé)o效比例占50%、貢獻了70%產(chǎn)量的射孔簇占21%、貢獻低產(chǎn)量的射孔簇占29%?；?00多口頁巖氣水平井生產(chǎn)測井得出有效射孔簇占比為20%～40%[14-15]。

國內(nèi)某區(qū)塊通過多井生產(chǎn)測井解釋成果分析，分簇射孔后壓裂改造，不同的改造段產(chǎn)量差異大，且在縱向上有效裂縫延伸受限。其中一口井的生產(chǎn)測井，Ⅰ小層不同段產(chǎn)量貢獻率為4.5%～9.8%；Ⅱ小層不同段產(chǎn)量貢獻率為3.8%～7.6%,Ⅲ小層不同段產(chǎn)量貢獻率為2.9%～11.3%。

地質(zhì)數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)證明頁巖儲層具有強的非均質(zhì)性，亟須可靠有效的輔助技術(shù)進行均勻改造，增加人造裂縫復(fù)雜程度，提高單井EUR，減小產(chǎn)量遞減速率。

2 頁巖水平井均勻改造工藝技術(shù)

1）工藝原理

由于儲層礦物組分、孔隙度、TOC、地應(yīng)力等方面的差異，導(dǎo)致體積壓裂改造過程中始終存在優(yōu)先擴展低應(yīng)力區(qū)域，以及水平層理縫延伸，裂縫復(fù)雜程度與擴展區(qū)域受到一定程度的限制。采用可降解暫堵材料對低應(yīng)力區(qū)域進行有效封堵，突破高應(yīng)力區(qū)域，并對其進行體積壓裂改造，提高儲層接觸面積，達到均勻改造目的，有效提高水平段儲層的動用程度?？山到鈺憾虏牧戏譃椋簳憾聞┡c暫堵球（表3）。暫堵顆粒與暫堵粉末對近井區(qū)域進行有效封堵；暫堵球?qū)ι淇卓籽圻M行封堵。此類工藝適用于水平段改造，也可結(jié)合橋塞進行部分水平段改造。

表3 暫堵材料明細(xì)表

通過頁巖壓裂模擬軟件進行相同規(guī)模模擬分析：3簇射孔，平均縫長180 m，平均逢高46 m，平均縫網(wǎng)寬度85 m；模擬施工期間投放暫堵材料，提高改造均勻程度，有效SRV體積提高20%以上。5簇射孔，雖然縫長延伸受限制，但縫高與縫寬得到了提高；平均縫長150 m，平均逢高52 m，平均縫網(wǎng)寬度91 m；模擬施工期間投放暫堵材料，提高改造均勻程度，有效SRV體積提高25%以上。

2）關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化

暫堵顆粒與暫堵粉末的用量計算模型：

暫堵顆粒：暫堵粉末=1∶5

可溶球與孔眼的直徑關(guān)系以及用量計算模型：

式中M表示暫堵顆粒用量，kg；k表示經(jīng)驗系數(shù)；D表示可溶球直徑，cm；r表示射孔孔眼半徑，m；R表示射孔孔眼直徑，cm；L表示射孔深度，m；N表示可溶球的個數(shù)；n表示孔眼數(shù)。

由于頁巖儲層的非均質(zhì)性，不同區(qū)塊具有不同的特性，施工具體參數(shù)需進一步結(jié)合現(xiàn)場進行優(yōu)化（表 4）。

表4 射孔孔徑與暫堵球直徑對應(yīng)關(guān)系表

3）三類均勻改造工藝模式

段內(nèi)均勻改造：在設(shè)計改造段內(nèi)（圖2），根據(jù)前期地應(yīng)力剖面，并結(jié)合微地震事件響應(yīng)，擇機投放暫堵材料，封堵本段內(nèi)低應(yīng)力區(qū)域或已改造區(qū)域，對高應(yīng)力區(qū)域或未改造區(qū)域進行改造，提高段內(nèi)縫網(wǎng)覆蓋面積和寬度，實現(xiàn)均勻儲層改造。

圖2 段內(nèi)均勻改造示意圖

多段均勻改造：多段（2段及以上）一起完成射孔作業(yè)，無須坐封橋塞（圖3）。根據(jù)微地震實時監(jiān)控響應(yīng)，擇機多次投放暫堵材料，有效封堵已壓裂層位，開啟新的裂縫，提高縱向與橫向改造程度。本工藝可同時完成多段壓裂施工，提高了作業(yè)時效，同時也適應(yīng)于井筒復(fù)雜情況作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)微地震監(jiān)測覆蓋率100%。

圖3 多段均勻改造示意圖

加密射孔均勻改造：對不同應(yīng)力區(qū)域處進行射孔，增加射孔孔數(shù)（圖4）。適時投放暫堵材料，迫使壓裂液進入高應(yīng)力區(qū)域。施工規(guī)模相同情況下，可使水力裂縫延伸受控，減小對鄰井的影響；充分改造近井地帶，形成復(fù)雜裂縫，增加接觸面積，提高單井產(chǎn)量。本工藝適用于段內(nèi)地應(yīng)力存在較大差異，井間距較小等情況。

圖4 加密射孔均勻改造示意圖

不同暫堵材料投放方式不同。暫堵球采用主注入管線加旋塞方式；暫堵顆粒采用井口投放方式（關(guān)閉1號總閘，打開7號總閘，從7號總閘之上投入暫堵劑，暫堵劑沉降于1-7號總閘之間）；暫堵粉末采用混砂車投放方式。

3種工藝具有操作簡單、時效高、改造段全通徑、不受井深影響等特點，最終實現(xiàn)頁巖水平井儲層均勻改造的目的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及分析

3.1 施工概況

A井第5、6段每段5簇射孔（加密射孔），共計80孔，采用13.5 mm＋5.5 mm組合暫堵球進行加密射孔均勻改造工藝。 B井第14段3簇射孔，共計48孔，采用13.5 mm＋5.5 mm組合暫堵球進行段內(nèi)均勻改造工藝。13.5 mm暫堵球∶孔眼數(shù)=1∶1，5.5 mm暫堵球∶孔眼數(shù)=0.5∶1。

A井第7～9段9簇射孔，共計144孔，分兩次施工；B井第23～24段6簇射孔，共計96孔，分兩次施工；采用11 mm暫堵球＋暫堵劑（300 kg）進行多段均勻改造工藝。暫堵球∶孔眼數(shù)=1.2∶1。

B井第13段3簇射孔，共計48孔，采用暫堵顆粒（51 kg）＋暫堵粉末（13 kg）進行段內(nèi)均勻改造工藝。

3.2 壓后分析

1）壓力響應(yīng)與排量優(yōu)化

壓裂施工中低應(yīng)力區(qū)域被封堵后，凈壓力上漲，延伸新裂縫。暫堵壓力響應(yīng)：暫堵球＞暫堵劑；投放前后施工壓差：暫堵劑＞暫堵球，最高壓差值9 MPa；投放前后停泵壓力值不同。不同泵送排量對比，暫堵粉末壓力響應(yīng)不明顯，暫堵顆粒+暫堵粉末壓力響應(yīng)明顯,優(yōu)化排量為3 m3；隨排量增加,暫堵球響應(yīng)程度逐漸提升,優(yōu)化排量為4 m3?？傮w來說，能實現(xiàn)有效封堵，并加大均勻改造力度（圖5）。

圖5 均勻改造壓力響應(yīng)圖

2）均勻改造效果

封堵作用顯著，確保均勻改造效果。采用暫堵材料封堵虛線處（已改造井段），微地震未監(jiān)測到任何事件響應(yīng)點（圖6）。

圖6 暫堵封堵效果圖

圖7 均勻改造工藝施工曲線

基于壓裂施工曲線顯示，高/低應(yīng)力區(qū)得到有效均勻改造（圖7-a），相同排量13 m3/min，前期施工壓力61～63 MPa，投入暫堵材料后施工壓力63～67.7 MPa（圖7-b），國外某井壓裂施工，分階段泵注暫堵材料，相同條件下壓力顯著上升，說明開啟了新的裂縫，均勻壓裂效果好[16-20]。兩者對比，效果相當(dāng)。

基于微地震監(jiān)測顯示，均勻改造效果明顯，增加了有效SRV。

A井7～9段每段3簇，微地震監(jiān)測事件點根據(jù)應(yīng)力大小，由上至下逐漸覆蓋改造井段，最終事件響應(yīng)點覆蓋率100%（圖8）。

圖8 A井7～9段微地震監(jiān)測圖

加密射孔均勻改造縮短人造裂縫半長，減小鄰井應(yīng)力干擾，提高裂縫復(fù)雜程度，增加裂縫接觸面積，為提高單井產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)（圖9）。

圖9 A井6段微地震監(jiān)測圖

3種均勻改造工藝提高單段SRV體積40.2%～44.8%，微地震事件數(shù)量增長30.4%～53.6%。

3）對比分析（表5）

多段均勻改造工藝模式，能夠有效控制縫長，微地震監(jiān)測事件個數(shù)微漲；段間無須下橋塞，提高作業(yè)時效。

表5 不同材料對比

段內(nèi)均勻改造工藝模式較常規(guī)改造，改造SRV體積提高40.2%；采用暫堵劑比暫堵球形成的縫長長12.9%。

加密射孔均勻改造工藝模式較段內(nèi)均勻改造工藝模式，微地震監(jiān)測事件數(shù)提升18%，改造SRV體積提高3.3%，并且縫長得到有效控制。

4）存在的問題分析

針對最小水平主應(yīng)力高的儲層，施工壓力高，壓力波動區(qū)間受限，加砂難度增加。某井投放暫堵材料后施工壓力上漲至84 MPa，未完成設(shè)計加砂量。

由于頁巖儲層的差異性大，不同區(qū)域、不同井需進行差異化設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)場施工情況進一步優(yōu)化。

4 結(jié)論及建議

1）針對頁巖儲層非均質(zhì)性，此壓裂改造工藝是一種簡單、可靠的技術(shù)手段。該技術(shù)實現(xiàn)了均勻改造，增加了裂縫復(fù)雜程度，微地震監(jiān)測事件響應(yīng)點覆蓋率100%。

2）形成了3種不同的頁巖儲層均勻改造工藝模式：段內(nèi)均勻改造工藝模式、多段均勻改造工藝模式、加密射孔均勻改造工藝模式。組合粒徑暫堵球、暫堵球+暫堵劑等多種技術(shù)手段保證施工效果的順利實施。

3）暫堵球到位響應(yīng)明顯，停泵后會出現(xiàn)部分封堵失效；某些暫堵劑到位響應(yīng)不明顯，停泵后不影響封堵效果；兩類材料都具有較好效果。壓力響應(yīng)值最高達9MPa。

4）采用均勻改造工藝技術(shù)后單段SRV體積提高40.2%～44.8%，微地震事件數(shù)量增長30.4%-53.6%。

5）基于頁巖儲層特征，結(jié)合現(xiàn)場施工情況與微地震監(jiān)測，優(yōu)化暫堵材料用量與施工排量，避免壓力波動空間受限，提高有效支撐體積，保證均勻改造效果。排量與封堵效果無直接關(guān)系。