涪陵頁巖氣田加密井壓裂技術(shù)的實踐與認識

張馳 ，周彤 ，肖佳林 ，韋琦 ，馬文濤

（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；5.中國石化中原石油工程有限公司工程服務(wù)管理中心，河南 濮陽 457001）

0 引言

在北美頁巖氣區(qū)塊開發(fā)過程中，普遍采用早期部署大井距母井（即加密前的老井），后續(xù)在母井間合理部署加密井的開發(fā)模式，力求在較小的開發(fā)風險下實現(xiàn)整體區(qū)塊的高效開發(fā)。Marcellus，Haynesville，Eagle Ford，Duvernay等多個頁巖區(qū)塊開發(fā)實踐表明，當開發(fā)井距與壓裂工藝匹配較好時，加密井壓裂可以提高母井產(chǎn)量。反之，則有可能出現(xiàn)母井產(chǎn)量受加密井壓裂影響不明顯的問題，甚至加密井與相鄰的母井產(chǎn)生負面的井間干擾現(xiàn)象，嚴重影響區(qū)塊開發(fā)效果［1-2］。因此，設(shè)計合理開發(fā)井距，并優(yōu)化形成與之配套的壓裂工藝參數(shù)，一直是北美頁巖氣開發(fā)者重點關(guān)注的問題。

涪陵頁巖氣田是我國首個實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田。其中，焦石壩區(qū)塊自2018年起在國內(nèi)率先開展了井網(wǎng)加密現(xiàn)場試驗，在老井間以300 m井距部署加密井，并主體采用“單段9簇密切割+限流射孔+高強度加砂”的壓裂工藝理念完成壓裂改造。從開發(fā)實施效果來看，加密井產(chǎn)量普遍低于老井，且部分老井沒有受到相鄰加密井的正向井間干擾影響［3-5］。對于涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊，在加密井已完成部署、井距確定的前提下，弄清前期加密井效果不佳的主要原因，并通過壓裂工藝的優(yōu)化提升區(qū)塊開發(fā)效果，這已成為當前氣田開發(fā)亟需解決的難題。

1 研究區(qū)概況

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊位于川東高陡褶皺帶萬縣復向斜焦石壩背斜帶焦石壩斷背斜，儲層埋深約為2 100～2 600 m，構(gòu)造整體平緩，被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等多條斷層夾持。焦石壩區(qū)塊主力目的層段為下志留統(tǒng)龍馬溪組下段—上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖儲層（厚度為89 m），總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）介于1.04%～5.89%，孔隙度介于3.44%～5.27%，總含氣量介于1.20～6.19 m3/t，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)介于30.27%～44.70%，地層壓力系數(shù)達到1.55。儲層整體品質(zhì)較好，具有較大的開發(fā)潛力。焦石壩區(qū)塊于2013年啟動產(chǎn)能建設(shè)，一次井網(wǎng)采用600 m井距、山地叢式交叉布井模式。2017年起，在2口老井間以300 m井距部署加密井，進行加密開發(fā)。

2 加密井壓裂改造難點分析及思路

2.1 難點分析

前期加密井壓裂改造以提升近井帶泄氣面積為核心，設(shè)計單段9～10簇限流射孔，射孔簇間距為8～10 m。壓裂液為黏度2～3 mPa·s的滑溜水，壓裂液用量為1 600～1 800 m3，施工排量為13～14 m3/min，單段加砂量為160～170 t?？紤]到多簇裂縫非均勻擴展問題，將單段射孔孔眼數(shù)由60孔減少至40孔，以便通過增大射孔摩阻大幅度降低應力干擾。加密井壓裂施工整體較為順利，但壓裂后測試產(chǎn)量、壓力分別為周邊老井的69.55%，53.43%，且相鄰老井并未出現(xiàn)明顯的壓裂受效，井組開發(fā)效果無明顯提升。

本文充分利用加密井壓裂施工前的測井解釋、壓裂過程中的微地震監(jiān)測以及壓裂施工后的產(chǎn)氣剖面測試等資料，對加密井壓裂改造效果進行了分析評價，認為造成其壓裂改造效果不佳的主要原因有4個方面。

1）壓裂段內(nèi)多簇非均勻擴展嚴重。產(chǎn)氣剖面結(jié)果顯示，射孔簇數(shù)較多時，目前采用的限流射孔工藝效果有限，單段內(nèi)僅有30%～40%的射孔簇有較高的產(chǎn)氣貢獻，段間仍存在各簇裂縫的不均勻擴展現(xiàn)象［6］。

2）井間儲量未動用儲層的壓裂改造不充分。老井的生產(chǎn)會導致其周邊地層壓力系數(shù)降低。微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，加密井壓裂過程中水力裂縫由于充滿高壓液體，更容易受到老井低壓區(qū)的誘導，向地層壓力更低的區(qū)域延伸［7-9］，導致井筒周邊儲量未動用儲層的壓裂改造不充分（見圖1。圖中：藍線為焦頁C-3HF井井軌跡，該井累計產(chǎn)氣4 930×104m3；綠線為焦頁C-4HF井井軌跡，該井累計產(chǎn)氣5 897×104m3；黃線為加密井焦頁D-5HF井井軌跡，井軌跡上的彩色短線段均為不同段的射孔段簇；彩色散點為微地震監(jiān)測信號）。

圖1 焦頁D-5HF井壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果示意

3）裂縫復雜程度有限。老井生產(chǎn)會改變加密井周邊的地應力條件［10-11］。在焦石壩區(qū)塊加密井中，雖然最大（最小）水平主應力出現(xiàn)小幅度的降低，但是水平主應力差有所增大，增加了水力裂縫轉(zhuǎn)向的難度，不利于裂縫復雜化［12］（見表 1）。

表1 加密井焦頁D-5HF井與相鄰老井儲層參數(shù)對比

4）裂縫縫長較短，未能與開發(fā)井距匹配。與加密井相鄰的老井并未出現(xiàn)明顯增產(chǎn)效果，一定程度上說明現(xiàn)階段水力裂縫的縫長可能較短，未能波及到老井改造的范圍，起不到提高井組開發(fā)效果的作用。

2.2 壓裂改造思路

針對難點分析結(jié)果，將加密井壓裂改造思路優(yōu)化為：促進水力裂縫向儲量未動用區(qū)域延伸，在此基礎(chǔ)上，控制水力裂縫縫長與開發(fā)井距相匹配，并盡可能地提高近井帶水力裂縫復雜程度。具體從4個方面優(yōu)化。

1）射孔簇間距?？紤]到水平主應力差的增大，可以通過優(yōu)化簇間距，進一步強化各簇裂縫間的誘導應力、近井帶水力裂縫的復雜程度［13］，以及提升改造強度。

2）單段簇數(shù)。雖然繼續(xù)減少射孔孔眼數(shù)量可以進一步提升多簇裂縫擴展的均勻性，但射孔摩阻的大幅增加將導致壓裂施工壓力的升高，不利于排量及砂比的提高。因此，需考慮適當降低單段射孔簇數(shù)，盡可能使得各簇裂縫都有更好的延伸擴展。

3）中途暫堵。現(xiàn)階段暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)主要有2種：一是投加暫堵球，以便封堵炮眼，促使未開啟射孔簇的開啟［13-14］；二是投加縫內(nèi)暫堵劑，促使水力裂縫轉(zhuǎn)向［15-16］。由于射孔孔眼不規(guī)則，可能會影響到暫堵劑對縫口的封堵，在優(yōu)化設(shè)計中暫不考慮投球暫堵轉(zhuǎn)向，而是采用中途投加暫堵劑的方式改變裂縫延伸趨勢。

4）施工規(guī)模。單段壓裂施工規(guī)模直接決定了水力裂縫的縫長，必須綜合考慮井距、射孔簇數(shù)等因素，對單段施工規(guī)模進行合理設(shè)計［17-18］。

3 加密井壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

3.1 射孔簇間距

結(jié)合加密井地質(zhì)概況，建立裂縫誘導應力計算模型。設(shè)定凈壓力為9 MPa，裂縫高度為30 m，模擬2個相鄰射孔簇在不同間距條件下的應力變化（見圖2）。

圖2 射孔簇間距對最大（最?。┧街鲬Φ挠绊?/p>

水力裂縫產(chǎn)生的誘導應力會使得最大（最?。┧街鲬υ谝欢ǔ潭壬系脑龃?；在最小水平主應力方向上的影響大于最大水平主應力，兩者變化的差異性也直接影響到水平主應力差的變化。由圖2可知：當射孔簇間距大于15 m時，水平主應力差隨簇間距的增大而減?。划敶亻g距小于10 m時，水平主應力差隨簇間距的減小而大幅增加。這不利于提高裂縫系統(tǒng)的復雜程度，因此實際施工簇間距應控制在10～15 m。

3.2 單段射孔簇數(shù)

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)參數(shù)，建立平面及三維“井筒-多裂縫擴展”全耦合計算模型［19］，設(shè)定單段壓裂液用量為1 800 m3，簇間距為 12 m，壓裂液黏度為 3 mPa·s，施工排量為16 m3/min，并模擬單段射孔簇數(shù)對裂縫擴展的影響（見圖3）。

圖3 單段射孔簇數(shù)對裂縫擴展的影響

由圖3可以看出：在相同用液強度條件下，壓裂段內(nèi)射孔簇數(shù)越多，水力裂縫密集程度越大，段內(nèi)裂縫總面積明顯增加，但各簇進液量差異系數(shù)也逐漸增大，表明裂縫的非均勻擴展現(xiàn)象更加嚴重。當單段射孔簇數(shù)大于7簇時，各簇裂縫進液量差異系數(shù)明顯增大。綜合考慮段內(nèi)裂縫總面積和裂縫非均勻性，選擇單段5～7簇射孔，既能保證一定的裂縫總面積，也能避免更為嚴重的非均勻擴展現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 壓裂施工規(guī)模

利用“井筒-多裂縫擴展”全耦合計算模型，分別進行老井及加密井水力裂縫縫長的模擬。其中：老井按照實際壓裂施工參數(shù)，設(shè)定單段段長80 m，簇間距22 m，單段3簇，壓裂液黏度6 mPa·s，施工排量14 m3/min，單段壓裂液用量1 900 m3進行模擬；加密井則基于以上設(shè)計優(yōu)化結(jié)果，設(shè)定單段段長70 m，簇間距12 m，壓裂液黏度3 mPa·s，施工排量16 m3/min，分別開展單段5，6，7 簇、壓裂液用量規(guī)模 1 200，1 300，1 400，1 500，1 600，1 700 m3條件下的水力裂縫擴展模擬。模擬結(jié)果顯示：1）早期老井單段壓裂液用量高，射孔簇數(shù)少，液體黏度大，且簇間距較大，簇間干擾降低；水力裂縫縫長延伸順利，平均半縫長達到173 m。2）對于加密井，強調(diào)提升壓裂改造裂縫面積，水力裂縫縫長明顯更短。在施工規(guī)模相同的條件下，射孔簇數(shù)越多，水力裂縫縫長越短；在射孔簇數(shù)一定的條件下，隨著施工規(guī)模的增大，水力裂縫的縫長呈逐漸增加的趨勢。

考慮300 m井距以及老井的水力裂縫縫長，不同簇數(shù)條件下應采用不同的壓裂施工規(guī)模（即壓裂液用量）。由圖4可知，在單段5，6，7簇射孔條件下，壓裂液用量分別控制在1 300～1 400，1 400～1 500，1 500～1 600 m3，可以獲得較好的壓裂改造效果。

圖4 不同壓裂液用量對加密井裂縫擴展的影響

4 現(xiàn)場試驗情況及效果

焦頁A-6HF井為焦石壩主體區(qū)加密井，其西側(cè)300 m有老井焦頁A-4HF井，東側(cè)270 m部署了加密井焦頁A-7HF井。3口井垂深均在2000～2 600 m，且各項地質(zhì)參數(shù)大體相當。焦頁A-6HF井壓裂施工前，焦頁A-4HF井已累計生產(chǎn)1 200×104m3；而焦頁A-7HF井剛完成壓裂施工，未投產(chǎn)。因此，焦頁A-6HF井東西兩側(cè)地層壓力存在較大的差異（見表2）。

表2 焦頁A-6HF與鄰井儲層參數(shù)對比

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對焦頁A-6HF井進行了壓裂施工設(shè)計［20-22］并完成施工。該井水平段長1 319 m，共分19段，采用單段射孔簇7簇、簇間距10.8 m的射孔方式。該井設(shè)計單段施工壓裂液用量控制在1 536.12 m3，在單段施工壓裂液用量達到設(shè)計值50%左右時，以2 m3/min排量投加暫堵劑150～200 kg。該井共泵入壓裂液29 186.32 m3，支撐劑 1 412.4 m3，施工排量穩(wěn)定在 14～16 m3/min，最大砂比達18.00%，平均砂比8.35%。

在焦頁A-6HF井壓裂過程中，采用鄰井井中微地震監(jiān)測的方式，監(jiān)測該井水力裂縫的擴展延伸效果。監(jiān)測結(jié)果顯示，受西側(cè)焦頁A-4HF井采出程度的影響，在壓裂施工早期焦頁A-6HF井微地震事件點主要出現(xiàn)在其井筒西側(cè)，但在投加暫堵劑后，微地震事件點更多地出現(xiàn)在其井筒東側(cè)，暫堵轉(zhuǎn)向效果明顯（見圖5。圖中紅色、黃色散點分別為暫堵前、后微地震監(jiān)測信號，紅線為井軌跡，井軌跡上彩色短線段為不同段內(nèi)的射孔段簇）。該井水平段平均半縫長控制在123～135 m，整體改造體積達到1 822.4×104m3，相比于同區(qū)塊加密井提升了7.30%。分析認為，優(yōu)化后的工藝，對該井改造更加均勻、充分。

圖5 焦頁A-6HF井分段暫堵轉(zhuǎn)向工藝微地震監(jiān)測結(jié)果示意

焦頁A-6HF井壓裂后采用φ8 mm油嘴測試求產(chǎn)，在井口套壓25.18 MPa下測得穩(wěn)定產(chǎn)氣量19.83×104m3/d，相比于同區(qū)塊其他加密井測試產(chǎn)量提升了10.13%。相鄰的老井焦頁A-4HF井在焦頁A-6HF井壓裂前以6.00×104m3/d左右產(chǎn)量穩(wěn)定生產(chǎn)（井口油壓5.65 MPa）；在該井壓裂過程中，焦頁A-4HF井關(guān)井，復產(chǎn)后，焦頁A-4HF井繼續(xù)以6.00×104m3/d左右產(chǎn)量生產(chǎn)，井口油壓升高至19.00 MPa左右（見圖6），生產(chǎn)效果提升明顯。

圖6 焦頁A-4HF井生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論

1）老井的壓裂和生產(chǎn)會增加儲層水平主應力差，降低地層壓力。這不僅增大了加密井形成復雜縫網(wǎng)的難度，同時也容易誘導加密井的水力裂縫向采出程度更高的區(qū)域擴展，對加密井的壓裂改造帶來挑戰(zhàn)。

2）通過應用暫堵轉(zhuǎn)向工藝，以及針對性優(yōu)化射孔間距、施工規(guī)模等壓裂參數(shù)，可增強加密井對儲量未動用儲層的壓裂改造，同時也提升老井生產(chǎn)效果。

3）老井采出程度越高，其儲量動用區(qū)域內(nèi)地層壓力越低，對加密井水力裂縫擴展的誘導作用越大。在本文現(xiàn)場試驗實例中，加密井周邊老井采出程度相對較低，兩側(cè)地層壓力差異有限，應用暫堵轉(zhuǎn)向工藝可一定程度改變裂縫擴展趨勢，提升井筒兩側(cè)改造的均勻性。但是如果加密井兩側(cè)地層壓力差異較大，現(xiàn)有的暫堵轉(zhuǎn)向工藝可能難以取得理想的效果。因此，在今后的加密井部署過程中，應充分考慮加密井周邊老井采出程度，通過差異化設(shè)計井距提升區(qū)塊開發(fā)效果。