頁巖氣藏壓裂前水化預(yù)處理工藝先導(dǎo)試驗(yàn)

朱炬輝， 梁 興， 曾 晶， 耿周梅， 吳 凱， 張俊成， 鄒龍慶

1中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2中國石油浙江油田分公司

0 引言

川南地區(qū)頁巖氣在鉆井和壓裂過程中，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象、低返排率以及巖心水化試驗(yàn)結(jié)果表明，頁巖氣儲層具有典型脆性泥水化破壞特征[1]。近幾年國內(nèi)外正在開展頁巖氣水化作用對頁巖儲層壓裂影響的研究，目前四川盆地頁巖水化特性對頁巖氣儲層改造的有利作用已逐漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)可[2]。錢斌等[3]以滇黔北昭通頁巖氣巖心為研究對象，在圍壓10 MPa條件下研究了水化作用對頁巖儲層微裂紋擴(kuò)展的影響，認(rèn)為水化作用能夠促使原有較大孔徑孔隙膨脹和擴(kuò)展，孔隙分布密集的區(qū)域?qū)⑾嗷ミB通形成新裂縫，水化裂縫主要沿層理方向擴(kuò)展。國內(nèi)外學(xué)者也大量采用頁巖露頭結(jié)合CT掃描研究頁巖儲層微觀裂縫水化后的變化特征，包括加拿大霍恩河盆地、馬塞勒斯等區(qū)域的頁巖氣露頭[4- 7]。

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，礦物組分、圍壓、泥質(zhì)含量、水質(zhì)等因素都與頁巖水化效果有關(guān)。如何證明水化作用的有效性并在壓裂過程中有效利用有待進(jìn)一步探索。前期針對昭通頁巖氣示范區(qū)龍馬溪組巖心進(jìn)行室內(nèi)清水水化實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)初步驗(yàn)證了清水對頁巖巖心水化后存在的天然裂縫寬度增加、原始膠結(jié)弱面剝離垮塌、出現(xiàn)新的微細(xì)裂紋等現(xiàn)象[3- 8]，表明巖樣的裂縫復(fù)雜程度有所提高?；谠搮^(qū)域頁巖氣水平井在壓裂前的水化預(yù)處理工藝先導(dǎo)試驗(yàn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對比,驗(yàn)證了水化作用在壓裂過程中的影響。因此，如何認(rèn)識和利用水化作用對我國海相頁巖氣的儲層改造有意義重大。

1 水化預(yù)處理工藝特點(diǎn)

基于前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，為了進(jìn)一步驗(yàn)證水化作用在頁巖儲層壓裂時的影響，用于壓裂前提升裂縫復(fù)雜程度，選取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用取心井巖心的鄰井開展現(xiàn)場試驗(yàn)。對頁巖氣水平井壓裂前的層段先進(jìn)行射孔，橋塞坐封并封堵已經(jīng)壓裂的層段，通過低于儲層破裂壓力的排量對準(zhǔn)備壓裂的層段泵注一定量的清水，水化時間大于11 h后，再開展主壓裂，并對壓裂初期的破裂點(diǎn)和延伸壓力進(jìn)行分析。水化預(yù)處理現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 水化預(yù)處理現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)流程圖

為更好的與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，驗(yàn)證水化作用對后期主壓裂的影響，現(xiàn)場泵注清水過程中，嚴(yán)格控制泵注排量不超過5 m3/min，確保整個水化過程中，泵注液體的高壓作用不會導(dǎo)致儲層產(chǎn)生大規(guī)模破裂。水化預(yù)處理所用的液體為不含任何添加劑的清水，儲層水化預(yù)處理過程應(yīng)保證清水泵注的連續(xù)性，注入清水體積大于該段儲層改造方案中設(shè)計(jì)液量的20%。清水泵注完成后關(guān)井等待水化反應(yīng)，水化作用時間大于11 h。

2 水化預(yù)處理現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

2.1 A井水化預(yù)處理分析

水化預(yù)處理的地層主要在井筒周圍地帶，因此現(xiàn)場試驗(yàn)主要考慮水化后對壓裂初期裂縫起裂和延伸的影響。A井水化試驗(yàn)段在射孔完成后，投球坐封橋塞封堵已壓裂段，在施工限壓內(nèi)高壓泵注300 m3清水，該段水化用液強(qiáng)度2.33 m3/m，排量小于3 m3/min，然后關(guān)井進(jìn)行水化預(yù)處理，水化時間11 h。

A井主壓裂初期水化預(yù)處理段與鄰段對比如圖2所示，黑色箭頭標(biāo)記水化層段破裂點(diǎn)，藍(lán)色箭頭標(biāo)記鄰段破裂點(diǎn)，水化處理段裂縫破裂點(diǎn)個數(shù)相對較多(明顯破裂點(diǎn)4個)，且破裂后壓力波動幅度大，壓降幅度最大達(dá)到3.1 MPa，破裂特征明顯。破裂點(diǎn)明顯增加，反映了地層水化后破裂位置增加。

圖2 A井主壓裂初期水化預(yù)處理段與鄰段對比

2.2 B井水化預(yù)處理分析

B井水化段共2段，平均垂深405.8 m，天然縫呈中高角度發(fā)育，脆性(52%～70%)較高，水平兩向應(yīng)力差值小(2.6～3.6 MPa)，垂向應(yīng)力居中，呈走滑狀態(tài)，裂縫形態(tài)多為垂直裂縫。B井進(jìn)行壓裂前水化試驗(yàn)，在圖3中，施工限壓范圍內(nèi)水化層段B(a)段(段長95 m)，高壓泵注303.87 m3清水，平均液量3.20 m3/m；在圖4中，水化層段B(b)段(段長70 m)，高壓泵注清水301.38 m3，平均液量4.30 m3/m，關(guān)井進(jìn)行水化預(yù)處理，水化時間11 h。

如圖3、圖4所示，黑色箭頭標(biāo)明水化層段破裂點(diǎn)，在壓裂初期，支撐劑未進(jìn)入地層之前，水化層段有更多破裂跡象，根據(jù)測井解釋結(jié)果顯示本井裂縫較為發(fā)育，經(jīng)過水化預(yù)處理后，如圖3中放大的部分，水化層段B(a)破裂后壓降雖然不大，但是破裂次數(shù)較多。圖4中水化層段B(b)不僅在初期破裂點(diǎn)相較于鄰段更多，且壓力波動幅度大,兩個明顯的破裂點(diǎn)破裂后壓降為1.68 MPa和2.5 MPa。

圖3 B井主壓裂初期水化預(yù)處理段B(a)與鄰段對比

圖4 B井主壓裂初期水化預(yù)處理段B(b)與鄰段對比

結(jié)合巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來看，水化處理后天然裂縫膠結(jié)面存在剝離現(xiàn)象，且部分巖心產(chǎn)生了新的裂縫，導(dǎo)致巖心內(nèi)部薄弱點(diǎn)增加，對壓裂初期多個破裂點(diǎn)的產(chǎn)生具有一致性。

2.3 水化預(yù)處理對裂縫延伸壓力的影響

裂縫延伸壓力與儲集層巖石斷裂韌性、壓開的裂縫體積、地應(yīng)力以及壓裂液在裂縫中的阻力有關(guān)，在同一水平井中，裂縫延伸壓力與該層段的巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)?？捎蓧毫呀Y(jié)束時的瞬時停泵壓力來計(jì)算裂縫延伸壓力[9]。

pF=pS+pH

式中：pF—裂縫延伸壓力，MPa；pS—瞬時停泵壓力，MPa；pH—壓裂井筒中的靜液柱壓力，MPa。

延伸壓力差是水化預(yù)處理層段延伸壓力與鄰段的差值，根據(jù)測井應(yīng)力解釋結(jié)果，對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖5與表1所示。

圖5 水化預(yù)處理作用與鄰段參數(shù)對比

表1 水化預(yù)處理段與鄰段施工參數(shù)對比表

A井、B井的井段進(jìn)行水化預(yù)處理后，裂縫延伸壓力均低于鄰近層段，延伸壓力差A(yù)井為1.36 MPa；B井為5.50 MPa、0.98 MPa，B井水化層段B(b)裂縫延伸壓力最多低于鄰段5.5 MPa。測井解釋結(jié)果表明，水化段與鄰近層段最小水平主應(yīng)力差值A(chǔ)分別為-0.13 MPa，B(a)為-0.47 MPa、B(b)為0.62 MPa。在考慮地層本身應(yīng)力大小的情況下，延伸壓力仍然存在一定額外偏差。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果來看，部分巖心水化后存在縫寬增加的現(xiàn)象，因此延伸壓力的差異可能與水化后井筒附近裂縫寬度增加有一定關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場試驗(yàn)2口井3個層段在壓裂前泵注清水后，與相鄰層段對比發(fā)現(xiàn)：主壓裂破裂點(diǎn)相對較多，延伸壓力相對較低，在一定程度上提升了人工裂縫的復(fù)雜度。這一現(xiàn)象與室內(nèi)巖心水化后天然裂縫寬度增加、新的微細(xì)裂紋產(chǎn)生等現(xiàn)象具有一定的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了清水對頁巖儲層微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

(2)裂縫的起裂和延伸受到應(yīng)力、天然裂縫等多種因素影響，頁巖儲層水化現(xiàn)象在壓裂改造中對裂縫復(fù)雜度提升的效果和強(qiáng)度仍需在更多地層條件類似的試驗(yàn)井中開展進(jìn)一步研究。