威榮區(qū)塊深層頁巖氣井體積壓裂技術

王興文，何頌根，林立世，栗鐵峰，王峻峰

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

0 引言

我國頁巖氣可采儲量為25.08×1012m3，資源豐富，開發(fā)潛力巨大，其中，深層頁巖氣可采儲量為9.5×1012m3，深層頁巖氣因此成為我國頁巖氣勘探開發(fā)的重要部分[1-5]。四川盆地及周邊深層頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域主要集中在涪陵、丁山、永川和威榮區(qū)塊，其中，威榮區(qū)塊深層頁巖氣開發(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。

本文在深入認識威榮區(qū)塊深層頁巖氣儲層地質(zhì)、工程特征的基礎上，開展了壓裂裂縫延伸機理研究；結(jié)合前期現(xiàn)場實踐，分析壓裂改造的主要難點；針對性地提出威榮區(qū)塊深層頁巖氣井體積壓裂技術，以增加有效改造體積，提高改造效果，同時為鄰區(qū)深層頁巖氣井壓裂改造提供技術參考。

1 威榮區(qū)塊深層頁巖氣井壓裂挑戰(zhàn)

1.1 頁巖氣儲層地質(zhì)、工程特征

威榮區(qū)塊龍馬溪組縱向上發(fā)育9套頁巖氣儲層，優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層為1—5號小層，厚度27.5 m，儲層孔隙度為3.1%～5.8%，總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）為2.2%～5.5%，含氣量為3.3～6.4 m3/t，地層壓力系數(shù)為1.38～1.96。與淺層頁巖氣相比（如涪陵淺層優(yōu)質(zhì)頁巖厚度38.0 m），威榮區(qū)塊深層優(yōu)質(zhì)頁巖厚度相對較小[6]。

相對于淺層和國外頁巖氣[7]，威榮區(qū)塊深層頁巖氣儲層埋藏深（3 550～3 880 m），地應力高（垂直地應力86.0～97.7 MPa），水平地應力差大（7～17 MPa），巖石脆性指數(shù)低（0.38～0.46），天然裂縫不發(fā)育[8-9]。 壓裂時停泵壓力高（56～74 MPa），停泵壓力梯度高（2.6～2.7 MPa/100 m），由此造成施工壓力高（接近井口限壓），加砂難度大，形成的裂縫復雜程度低[10]，壓后產(chǎn)量不理想，預測最終可采儲量低。同時威榮區(qū)塊三向地應力中，垂直地應力居中，且接近最小水平地應力，受層理縫的影響，縱向縫高擴展難，加砂難度大。

1.2 壓裂裂縫延伸機理

大型物理模擬實驗表明，威榮區(qū)塊深層頁巖氣井的壓裂裂縫形態(tài)以主縫+分支縫為主。水平地應力差（Δσ）為5.0 MPa時，主要形成了3條壓裂裂縫：1條沿井眼方向的縱向裂縫和2條層理縫。3個裂縫面均發(fā)現(xiàn)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)整體上仍具有一定的復雜程度。Δσ≥10.0 MPa時，壓后裂縫有2條：1條垂直于井筒軸線（最小水平地應力方向）的主裂縫和1條傾斜天然裂縫或?qū)永砜p，表明在該水平地應力差條件下，裂縫形態(tài)趨于簡單（見圖1）。

圖1 不同水平地應力差下壓裂裂縫分布情況

1.3 壓裂改造的主要難點

1）施工壓力高（70～95 MPa）、壓力窗口窄（小于 10 MPa），敏感砂比低，加砂難度大（綜合砂比小于4.0%），使得壓裂工藝優(yōu)化的空間不足，措施手段有限，且裂縫有效性難以保證。

2）儲層巖石脆性指數(shù)低（小于0.50）、水平地應力差大（平均10.3 MPa），壓裂裂縫轉(zhuǎn)向難度較大；天然裂縫不發(fā)育，以低角度層理縫為主，高角度縫不發(fā)育，決定了壓裂形成的裂縫復雜程度低，以主縫+分支縫為主，壓裂改造體積受限。

3）工程風險大。一方面，部分井套管變形，造成施工不連續(xù)，甚至丟失產(chǎn)層；另一方面，部分井壓裂時竄通鄰井，影響了壓裂井的正常加砂，也干擾了鄰井的鉆井及生產(chǎn)工作。

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

2 深層頁巖氣井體積壓裂技術

威榮區(qū)塊深層頁巖氣井壓裂的主體思路是：以增加有效改造體積為目標，以提高縫內(nèi)凈壓力為核心，以“密切割、強加砂、暫堵轉(zhuǎn)向”為關鍵，提高加砂強度，控制用液強度，實現(xiàn)經(jīng)濟有效壓裂。

2.1 地質(zhì)、工程一體化的密切割壓裂技術

威榮區(qū)塊深層頁巖氣井壓裂通過分段分簇，實現(xiàn)對水平段儲層的密切割。在分段分簇位置的優(yōu)選原則方面，綜合考慮“含氣性+巖性+孔隙度+裂縫”的地質(zhì)因素，以及“脆性+水平地應力差”的工程因素選擇橋塞及射孔位置。優(yōu)化平均單段長65～80 m，1 500 m水平段分17～20段。裂縫發(fā)育、跨巖性、水平應力差大的層段盡量單獨分段，裂縫發(fā)育段的段間距為25～30 m，裂縫不發(fā)育段的段間距控制在20 m以內(nèi)。各段長度差距不宜過大，否則長段的加砂量更大，加砂有難度。作為段間橋塞的位置應選擇在固井質(zhì)量好的井段。

改造段內(nèi)，采用有限元分析法，以最大改造體積為目標，優(yōu)化最優(yōu)簇數(shù)。威榮區(qū)塊單段簇數(shù)優(yōu)化為6～8（見圖2），簇間距為8～12 m（見圖3），每簇射孔長度為0.4～0.6 m?？紤]施工難度，各段射孔簇數(shù)以6～8為主，首段簇數(shù)4～5，A靶點附近段內(nèi)簇數(shù)5～6。該模擬結(jié)果與其他文獻模擬結(jié)果趨勢一致[11]，隨著簇數(shù)增加，改造體積逐漸增加，同時單簇縫寬和縫長會減小，存在最佳簇數(shù)范圍。

圖2 不同射孔簇數(shù)下裂縫形態(tài)

圖3 橫向覆蓋率-簇間距的關系

2.2 基于支撐劑輸送規(guī)律的強加砂壓裂技術

結(jié)合支撐劑輸送實驗及數(shù)值模擬，研究了復雜裂縫中的支撐劑輸送規(guī)律。研究結(jié)果表明：支撐劑主要分布于主縫內(nèi)，難以進入分支縫和層理縫[12]；增大流速、降低支撐劑粒徑和密度，有利于提高輸送距離，使得支撐劑容易進入分支縫和層理縫。威榮區(qū)塊頁巖氣儲層由于地應力高，裂縫寬度小，加砂難度大，支撐裂縫體積有限，采用三超加砂、三級支撐、大排量滑溜水連續(xù)加砂及自懸浮支撐劑等強加砂壓裂技術，提高了加砂強度，增大了有效支撐裂縫體積（見圖4）。

圖4 復雜裂縫中支撐劑輸送數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 三超加砂

頁巖氣井體積壓裂形成的微裂縫平均縫寬在50 μm左右，常用的70/140目支撐劑難以進入，導致大量的裂縫網(wǎng)絡難以得到有效支撐。采用超低密度支撐劑、超小粒徑支撐劑（100/200目石英砂）、前置階段超前加砂的三超加砂技術，實現(xiàn)了支撐劑對裂縫的有效鋪置。

2.2.2 三級支撐

結(jié)合支撐劑輸送規(guī)律研究成果及裂縫寬度預測，優(yōu)化威榮區(qū)塊頁巖氣井壓裂三級支撐技術。壓裂采用（100/200目+70/140目）石英砂+40/70目低密度陶粒，其中，100/200目石英砂支撐一、二級分支縫，70/140目石英砂支撐一級分支縫，40/70目陶粒支撐主縫，以實現(xiàn)多級裂縫支撐[13-14]，提高有效改造體積。

2.2.3 大排量滑溜水連續(xù)加砂

針對深層頁巖氣井壓裂縫寬小、高砂比入地困難、單段加砂量受限的難題，提出了滑溜水連續(xù)加砂技術。在控制砂比低于敏感砂比的條件下，通過采用大排量滑溜水連續(xù)長段攜砂，同時配合中途頂替沖洗疏通支撐劑，提高了單段加砂規(guī)模。

2.2.4 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，密度降低，在清水中為懸浮狀態(tài)，可以提高支撐劑輸送距離和縱向分布，改善支撐劑的鋪置剖面[15]。導流能力實驗表明：在有效閉合應力60 MPa、鋪砂濃度10 kg/m2條件下，3種粒徑的自懸浮支撐劑導流能力為7.11～24.32 μm2·cm，能滿足威榮區(qū)塊頁巖氣生產(chǎn)對導流能力的要求（2.59 μm2·cm）。 自懸浮支撐劑在現(xiàn)場應用4口井，單井最高砂比提高到13.0%，比常規(guī)砂比提高了4.0百分點；綜合砂比平均為5.1%，比常規(guī)砂比提高了2.4百分點，有效節(jié)省了壓裂用液量。

2.3 提高分簇改造有效性的復合暫堵壓裂技術

國內(nèi)外頁巖氣區(qū)塊統(tǒng)計表明，多簇射孔起裂不完全，其中30%左右無效。另外，套管變形井段無法機械分段，威榮區(qū)塊前期丟段率為13.6%，導致橫向壓裂改造不充分。針對多簇射孔起裂不完全、套管變形井段難以機械分段的難題，采用了復合暫堵壓裂技術。通過暫堵球和暫堵劑封堵已壓裂段射孔孔眼，促使壓裂液進入未改造段，達到增加起裂效率和分段的效果[16]。

暫堵時，綜合考慮威榮區(qū)塊射孔參數(shù)及前期施工壓裂液和支撐劑對孔眼的沖蝕作用，射孔孔眼直徑分布在11.73～15.75 mm，故優(yōu)選15.0 mm+13.5 mm粒徑的暫堵球和60/80目暫堵劑，暫堵球數(shù)量為32～58個，暫堵劑質(zhì)量為100～275 kg?，F(xiàn)場實踐表明，通過復合暫堵壓裂技術，施工壓力整體上漲1～5 MPa，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（見圖5）。

圖5 微地震事件監(jiān)測

2.4 提高裂縫復雜程度的壓裂措施

為了進一步提高單條裂縫的復雜程度，以提高縫內(nèi)凈壓力為核心，采用縫內(nèi)暫堵、二次壓裂、增加壓裂液黏度及施工排量等措施來提高縫內(nèi)凈壓力。

2.4.1 縫內(nèi)暫堵

采用超小粒徑支撐劑，封堵微裂縫及層理縫。一方面可以降低壓裂液濾失，提高綜合砂比；另一方面可以提高縫內(nèi)凈壓力，迫使裂縫在縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，增加裂縫的復雜程度。支撐劑輸送規(guī)律分析表明，超小粒徑支撐劑在向地層輸送的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對微裂縫的實時堵塞，促使更多微裂縫的產(chǎn)生，從而形成較復雜的裂縫形態(tài)。實踐應用表明，超小粒徑支撐劑的體積分數(shù)由前期的10%逐漸增加到25%～30%。

2.4.2 二次壓裂

加砂難度較大時，采用較長停泵時間（6～12 h）后，重新起泵進行壓裂。由于縫內(nèi)支撐劑和壓裂液的重新開始流動，阻力大，從而提高了縫內(nèi)凈壓力，迫使裂縫轉(zhuǎn)向或開啟更多的微裂縫[8]。該技術在YY1-3HF井取得了較好的效果，二次壓裂裂縫復雜程度明顯提高，但這種技術施工時間長，作業(yè)成本高。

2.4.3 增加壓裂液黏度及施工排量

通過增加壓裂液黏度和施工排量提高縫內(nèi)凈壓力，瞬時停泵壓力反映了壓裂縫內(nèi)凈壓力的大小。在WY23-1HF井采用變壓裂液黏度、變施工排量瞬時停泵，利用停泵壓力的變化來判斷壓裂液黏度、施工排量對縫內(nèi)凈壓力的影響，以此來優(yōu)化施工參數(shù)。通過試驗結(jié)果可知：增加壓裂液黏度，凈壓力提高1.5～2.0 MPa；增加施工排量，凈壓力最大提高4.0 MPa，且高排量下增加排量，凈壓力提高的幅度更大（見圖6）。

圖6 不同壓裂液黏度、施工排量的凈壓力變化值

3 現(xiàn)場實施效果

形成的“密切割、強加砂、暫堵轉(zhuǎn)向”深層頁巖氣井體積壓裂技術在威榮區(qū)塊8個平臺、50余口井中進行了應用。從表1可以看出：采用密切割和復合暫堵壓裂技術，單段簇數(shù)由2～3增加到6～8，單井簇數(shù)由35～47增加到104～145，水平段裂縫的橫向覆蓋率由83.0%提高至96.6%；采用強加砂技術，單井平均加砂強度由0.70 m3/m提高到2.00 m3/m，提高了有效改造體積?；锼w積分數(shù)由60.5%增大到90.0%，同時綜合砂比由2.7%增大到7.0%，降低了膠液用量和總用液量，節(jié)約了施工成本。

表1 壓裂參數(shù)及效果對比

WY24，WY43，WY26平臺測試平均單井無阻流量為48.2×104m3/d，平均單井最終可采儲量為1.10×108m3，較前期分別提高100.8%和100.0%，增產(chǎn)效果顯著。

現(xiàn)場應用表明，最終可采儲量與加砂強度呈正相關關系（見圖7）。為了實現(xiàn)深層頁巖氣經(jīng)濟有效壓裂，一方面要提高加砂規(guī)模，增大加砂強度，確保壓裂裂縫的導流能力滿足天然氣生產(chǎn)的需求；另一方面，要提高綜合砂比，控制壓裂用液強度，控制壓裂成本。

圖7 最終可采儲量-加砂強度的關系

4 結(jié)論

1）威榮區(qū)塊深層頁巖氣儲層地應力高，水平地應力差大，巖石脆性指數(shù)低，天然裂縫不發(fā)育，壓裂改造面臨施工壓力高、壓力窗口窄、敏感砂比低、加砂難度大等難題。壓裂難以形成復雜裂縫網(wǎng)絡，改造體積受限，必須采用更具針對性的技術，才能改善壓裂效果。

2）采用密切割及復合暫堵壓裂技術，提高了水平段裂縫的橫向覆蓋率。結(jié)合支撐劑輸送規(guī)律，優(yōu)化3級粒徑支撐劑鋪置方式，可以降低施工難度，提高加砂強度。采取縫內(nèi)暫堵、二次壓裂、增加壓裂液黏度和施工排量等措施，可進一步提高縫內(nèi)凈壓力和裂縫的復雜程度。

3）深層頁巖氣井體積壓裂技術在威榮區(qū)塊取得了成功應用，平均單井加砂強度提高到2.00 m3/m，平均單井無阻流量為48.2×104m3/d，平均單井最終可采儲量為 1.10×108m3。

4）最終可采儲量與加砂強度呈正相關關系。提高深層頁巖氣井壓裂加砂強度、控制壓裂用液強度，是深層頁巖氣井經(jīng)濟有效壓裂的關鍵，也是深層頁巖氣井壓裂的攻關方向。