密切割分段壓裂技術(shù)在CN區(qū)塊的應(yīng)用

于洋(中石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽 457001)

0 引言

CN區(qū)塊頁巖氣采用水平井+體積壓裂模式開發(fā)取得了良好的效果，但還存在壓裂改造效果不理想、壓后產(chǎn)量偏低且遞減快，開發(fā)成本高等問題，前期水平井水平段長800～1 500 m，單井壓裂 15～25 段，主體采用速鉆橋塞分段壓裂工藝，單段簇數(shù)2～3簇，壓裂排量12～15 m3/min，加砂強(qiáng)度0.9～1.7 t/m，進(jìn)液強(qiáng)度15～30 m3/m。經(jīng)過長期生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊頁巖氣水平井大規(guī)模開發(fā)仍存在以下問題：(1)大部分井初期產(chǎn)量不夠高，同時產(chǎn)量遞減較快；(2)水平井長度不斷增加，主體段長由前期的800～1 500 m增加為目前的1 500～2 500 m，最長達(dá)到3 035 m。

在充分借鑒北美頁巖氣新一代體積壓裂理念和工藝技術(shù)，以提高裂縫復(fù)雜程度和裂縫導(dǎo)流能力為核心的理論基礎(chǔ)上[1]，研究出了適合CN地區(qū)非常規(guī)頁巖氣的以增加改造段數(shù)、增加改造簇數(shù)、提高加砂強(qiáng)度的密切割體積壓裂方式，使該區(qū)塊壓裂后裂縫網(wǎng)格更復(fù)雜，初期單井產(chǎn)量更高。

1 研究區(qū)塊地質(zhì)特征分析

1.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

研究的目標(biāo)區(qū)塊位于川南盆地的西南部，以背斜構(gòu)造為主，主體區(qū)斷層不是很發(fā)育。該區(qū)塊內(nèi)在鉆井過程中鉆遇地層層序正常，以三疊系、二疊系、志留系為主，而含油氣比較好的主要目的層為龍馬溪組，其富含黑色含硅碳質(zhì)頁巖、機(jī)質(zhì)黑色碳質(zhì)頁巖，且分布較穩(wěn)定，鉆井顯示研究目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)I類儲層鉆遇率平均達(dá)94%，其中龍一1、2小層為Ⅰ類儲層，龍一13、4及五峰組為Ⅰ-Ⅱ類儲層，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度在30～56 m。

通過地應(yīng)力分析其走滑應(yīng)力：σH＞σV＞σh，最大水平主應(yīng)力大于垂向主應(yīng)力，不利于裂縫高度擴(kuò)展；而目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)水平應(yīng)力差較大(1～13 MPa)，形成復(fù)雜裂縫難度也較大。

1.2 天然裂縫情況

通過對目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)頁巖氣的螞蟻?zhàn)粉櫧忉尳Y(jié)果表明，該區(qū)塊的天然裂縫分布不均勻，只是局部發(fā)育有天然裂縫，大部分不發(fā)育天然裂縫。

1.3 儲層物性

目標(biāo)區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖厚度在30～56 m，有機(jī)碳含量在2.8%～6.3%，孔隙度在2.9%～7.4%(平均值為4.07%)，滲透率在0.001 8×10-3～1.250 0×10-3μm2(平均值為0.091)，有機(jī)質(zhì)豐度在2.7%～4.5%；總含氣量在2.0～7.4 m3/t(平均值為 3.8)。同時礦物成分中的粘土含量較低、脆性礦物含量比較高，且不含蒙脫石等水敏礦物。

CN區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1 CN區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)

1.4 目標(biāo)區(qū)塊頁巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)研究區(qū)塊前期開發(fā)的多口井的儲層測井解釋成果及壓后生產(chǎn)情況，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，我們建立了該區(qū)塊的頁巖儲層評價的主要相關(guān)參數(shù)，包括頁巖氣儲層地質(zhì)參數(shù)如：儲層厚度、孔隙度、滲透率，以及含氣量等參數(shù)，包括總有機(jī)碳含量、總含氣量(Ro)，具體參數(shù)如表2所示。由表1可見，研究的目標(biāo)區(qū)塊的頁巖氣儲層地層特征有利于大規(guī)模體積壓裂的開展，可以實(shí)現(xiàn)低滲透非常規(guī)頁巖儲層的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

表2 CN區(qū)塊頁巖氣主要評價參數(shù)表

2 密切割分段壓裂工藝參數(shù)研究

密切割分段壓裂工藝是以多分段+小段長+多分簇，配合大規(guī)模的體積壓裂，在頁巖氣儲層中形成多條主要的人工主裂縫[2]，同時配合不同組合粒徑的支撐劑，配合不同黏度的壓裂液體系，以溝通儲層中天然微裂縫和支裂縫，以形成更加復(fù)雜的縫網(wǎng)，提高儲層的導(dǎo)流能力。

2.1 裂縫簇間距優(yōu)化

針對頁巖氣儲層2～4條裂縫同時壓裂進(jìn)行模擬計(jì)算分析，采用CN區(qū)塊的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，儲層的參數(shù)如表3所示。

表3 儲層參數(shù)表

(1)兩條裂縫同時壓裂裂縫簇間距優(yōu)化

根據(jù)以上模型參數(shù)，計(jì)算不同裂縫間距下，壓裂時間 90 min，兩條裂縫同時壓裂時，裂縫均能有效擴(kuò)展和起裂，根據(jù)文獻(xiàn)《基于最優(yōu)SRV的頁巖氣水平井壓裂簇間距優(yōu)化設(shè)計(jì)》中，在設(shè)定了相應(yīng)的裂縫延伸模型、裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場模型、天然裂縫準(zhǔn)則等，以及上述儲層參數(shù)表中相關(guān)數(shù)據(jù)后，得出兩簇射孔時最優(yōu)簇間距在10～30 m之間。

(2)四條裂縫同時壓裂裂縫簇間距優(yōu)化

同上述兩條裂縫同時起裂情況一樣進(jìn)行相應(yīng)情況的模擬，研究中發(fā)現(xiàn)4條裂縫同時延伸時，左右兩外側(cè)裂縫的半長基本上相等，但是中間兩條裂縫的擴(kuò)展，會受到左右兩側(cè)裂縫的干擾，特別是在縫間距為5 m時，兩外側(cè)裂縫受到嚴(yán)重擠壓干擾，導(dǎo)致兩外側(cè)裂縫縫寬非常窄，反而中間兩條裂縫的寬度卻非常大，最終根據(jù)文獻(xiàn)《基于最優(yōu)SRV的頁巖氣水平井壓裂簇間距優(yōu)化設(shè)計(jì)》中簇間距與SRV關(guān)系圖版，確定4條裂縫的最優(yōu)簇間距為10～25 m。

三條裂縫起裂壓裂介于上述兩條和四條之間，根據(jù)采取上述相同分析方法，模擬的結(jié)果為3條裂縫的最優(yōu)簇間距為15～25 m。

2.2 施工排量優(yōu)化

(1)前置液造縫期間排量優(yōu)化

相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，壓裂初期使用低黏度的滑溜水體系可以降低液體濾失和增加縫內(nèi)凈壓力，從而保證地層的破裂效果及初期裂縫的延伸狀態(tài)，同時前期的排量必須滿足天然裂縫大量開啟造成的液體濾失影響，通過相關(guān)室內(nèi)模擬得出滑溜水排量在12～14 m3/min時，在井口規(guī)定的一定的限壓條件下裂縫會充分延伸，因此，造縫前期滑溜水體系排量應(yīng)至少提升至12 m3/min。

(2)中后期排量優(yōu)化

后期排量的優(yōu)化需要考慮以下因素：多裂縫條數(shù)，多裂縫多發(fā)井存在一個最優(yōu)排量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；裂縫的寬度和高度；還要考慮管柱阻力影響，通過相關(guān)軟件的凈壓力計(jì)算模塊，模擬目標(biāo)區(qū)塊不同射孔簇數(shù)和不同施工排量下的縫內(nèi)凈壓力的變化過程，得出只有縫內(nèi)凈壓力超過水平應(yīng)力差，水力裂縫才具備自由轉(zhuǎn)向的能力。綜合各種因素考慮確定密切割體積壓裂的后期加砂排量在16～18 m3/min之間。

2.3 高強(qiáng)度加砂

通過對CN區(qū)塊頁巖氣生產(chǎn)井的統(tǒng)計(jì)分析，加砂強(qiáng)度與日產(chǎn)氣量成較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；

CN區(qū)塊日產(chǎn)氣量與加砂強(qiáng)度關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 CN區(qū)塊日產(chǎn)氣量與加砂強(qiáng)度關(guān)系圖

同時通過大量現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出CN區(qū)塊加砂強(qiáng)度為0.89～3.06 t/m，平均為1.76 t/m。

CN區(qū)塊加砂強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布，如圖2所示。

圖2 CN區(qū)塊加砂強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布

大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和室內(nèi)模擬可以看出，加砂強(qiáng)度越大頁巖氣日產(chǎn)量越大，當(dāng)加砂強(qiáng)度在2.5 t/m以上時，相應(yīng)日產(chǎn)量在25×104m3/d以上，因此進(jìn)行密切割分段壓裂，需要增加單段加砂量，加砂強(qiáng)度應(yīng)大于2.5 t/m。而目標(biāo)區(qū)塊通常采用70/140目石英砂+40/70目陶粒支撐劑組合的支撐劑體系，因此優(yōu)化該區(qū)塊的加砂強(qiáng)度為2.5～3.5 t/m。

3 現(xiàn)場施工

密切割分段壓裂技術(shù)在CN區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用10口井，施工成功率100%。10口井水平段長1 420～1 981 m，段數(shù)25～44，段長45～65.7 m，主體簇間距12.8～20.6 m，簇數(shù)2～5簇，施工排量12～16 m3/min，支撐劑采用70/140目石英砂+40/70目陶粒，最大單段液量 2 246 m3，最大單段砂量232 t，最大加砂強(qiáng)度3.06 t/m。

N209H2井采用密切割分段壓裂技術(shù)，共計(jì)壓裂32段，平均分段段長45.3 m，平均簇間距14 m，每段3簇，平均單段液量2 096.30 m3，平均單段支撐劑量136.65 t，施工排量12～16 m3/min，壓后產(chǎn)氣量42×104m3/d，產(chǎn)氣量也比周圍采用常規(guī)分段壓裂的鄰井高。

4 結(jié)語

通過增加分簇數(shù)、縮小簇間距、增大加砂強(qiáng)度和高排量大規(guī)模注入，初步探索出一套適合CN區(qū)塊頁巖氣細(xì)分段密切割壓裂施工工藝技術(shù)。