川南威榮氣田深層頁巖氣工程技術進展

王興文,繆尉杰,何新星,許 劍

1.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;2.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室,北京 100083

中國頁巖氣資源豐富,川渝地區(qū)已建成國內最大的頁巖氣生產基地,已開發(fā)涪陵、威遠—長寧、昭通等中淺層頁巖氣田[1-3]。隨著中淺層平臺水平井鉆完井及體積壓裂主體工藝技術的逐步推廣,建立了“工廠化”作業(yè)模式,頁巖氣工程技術經過多年發(fā)展得到長足進步[4-6]。鉆完井技術針對地層可鉆性差、導向難度大、井下復雜、鉆井周期長等難題[7],通過巖石可鉆性、破巖工具研發(fā)優(yōu)選、井身結構簡化、鉆井裝備配套、鉆井液體系和定錄導一體化等6個方面持續(xù)攻關,固化鉆井提速技術模板[8-9];同時針對過路層漏失帶來的井下復雜情況,通常建立堵漏材料架橋封堵匹配關系圖版實現高效堵漏防漏[10-11]。壓裂技術則聚焦地質工程一體化,通過密切割+超大排量+暫堵轉向工藝促進復雜縫網形成[12-13],提高改造體積,匹配高強度加砂促進縫網多尺度有效支撐[14-15],集成應用低成本壓裂材料實現降本增效[16-17]。采氣工藝以產量最大化為目標,針對不同階段的生產特征,綜合考慮液量、井深、油壓、氣液比等因素[18-19],在不同階段選用差異化排采工藝[20-21]。埋深3 500～6 000 m的深層頁巖氣資源量有21.6萬億方,整體探明與開發(fā)率尚有不足,深層頁巖氣是未來非常規(guī)氣增儲上產的主要陣地[22-24]。

1 威榮氣田地質工程概況

威榮氣田是首個投入商業(yè)開發(fā)的深層頁巖氣田,具有埋藏深(3550～3880m,主體大于3700m)、優(yōu)質儲層薄(27～39 m)、高地應力(86～100 MPa)、高水平應力差(10～20 MPa)、高壓(地層壓力系數1.9～2.1)、高塑性(脆性指數0.43)的“一深、一薄、四高”的特點(表1)。與中淺層頁巖氣相比,地層縱向差異大、斷層裂縫發(fā)育、壓力系統復雜、深部巖石可鉆性差,鉆井存在溢漏風險高、破巖提速難度大、定向工具故障率高等問題,安全優(yōu)快鉆井面臨挑戰(zhàn)[25-26],同時應力高、應力差大、脆性指數低等特點,制約了復雜人工裂縫的形成,儲層改造體積偏低[27-28]。而高應力簡單縫又在生產上呈現“高返排、短穩(wěn)產期、快遞減”特征,氣井70%以上的EUR都要在低壓低產階段產出,對排水采氣技術提出了更高的要求[29-30]。

表1 威榮—永川氣藏與國內外典型頁巖氣藏地質工程參數對比

威榮氣田開發(fā)過程歷經多輪次優(yōu)化已累計新建產能25億方,工程技術也取得了一系列積極進展,鉆井工程通過破巖工具優(yōu)選與鉆井參數強化提高機械鉆速,井身結構優(yōu)化與主動安全鉆井技術相結合,減少井下復雜情況,提高復雜處置時效,縮短鉆井周期;壓裂轉換思想,縮短簇間距和強化暫堵,增大縫控范圍資源有效動用,面對縫高難點提排量增凈壓力、實現縱向擴展,用排量加砂代替黏度加砂,降低液體傷害,同時大幅度提高加砂強度;排采技術則充分利用地層能量,基于氣液兩相流狀態(tài),明確井筒流態(tài),建立全生命周期排采工藝決策方法。

通過威榮氣田工程技術歷程回顧總結,不斷深化工程技術認識,固化成熟的工程實踐做法,持續(xù)加強攻關應對復雜挑戰(zhàn),為頁巖氣開發(fā)工程技術積累經驗,以期為深層、超深層頁巖氣工程技術挑戰(zhàn)提供攻關探索方向。

2 工程技術歷程

川南深層頁巖氣工程技術歷經探索、提升、強化3個階段,通過不斷持續(xù)攻關和優(yōu)化,在鉆井提速、壓裂增產、采氣及地面工藝等方面均取得階段進展,形成了以“精細軌跡控制優(yōu)快鉆井”、“裂縫均衡擴展強支撐壓裂”、“全周期有效排采”為核心的工程工藝技術。

2.1 探索階段(2019年以前)

采用PDC+螺桿+LWD鉆井,壓裂工藝以段內3簇、膠液加砂、低中砂比、加砂強度小于1 m3/m為主要參數。鉆井周期大于105 d,實施后經后評估和試采,平均單井EUR 0.48億方,總體表現為裂縫覆蓋率低、有效改造體積小,氣藏開發(fā)效益低。

2.2 提升階段(2019—2020年)

主體采用PDC+旋導+油基泥漿鉆井;壓裂工藝以段內6簇為主,降阻水連續(xù)加砂,加砂強度1.2 m3/m左右,配套1～2次縫口暫堵,該階段鉆井周期下降至85 d左右,平均單井EUR為0.65億方,覆蓋率和有效體積有一定提高,但仍不足。

2.3 強化階段(2021年至今)

鉆井工藝持續(xù)優(yōu)化調整,采用PDC+旋導+馬達+油基泥漿鉆井;圍繞地質工程一體化,體積壓裂采用段內8簇為主,變黏液連續(xù)加砂,加砂強度大于2 m3/m左右,實施縫口縫內雙暫堵,提高排量到18 m3/min。該階段實施后,鉆井周期繼續(xù)下降至70 d,平均單井EUR為0.74億方。

3 工程技術進展

以深化地質認識,深度融合氣藏地質與工程技術,圍繞降本增效,突破深層頁巖氣效益關為目標,持續(xù)攻關鉆采工程技術,形成了針對深層頁巖氣具體工程地質特征的工程技術體系,持續(xù)推進效益開發(fā)進程。

3.1 鉆井技術進展

以實現安全優(yōu)快鉆完井為核心,開展井身結構優(yōu)化設計、破巖工具優(yōu)選、主動預防保障措施集成攻關研究,形成了以“精細軌跡控制優(yōu)快鉆井”為核心的鉆井技術體系。

3.1.1 井身結構優(yōu)化設計

針對頁巖氣井壓力體系和故障特點,采用由上而下和由下而上的井身結構設計方法,綜合考慮三壓力剖面、地層漏失、鉆井液密度,壓差卡鉆允許值等因素,按最小套管成本和利于提速優(yōu)化設計形成三開制井身結構,調整過程如圖1所示。

圖1 頁巖氣井井身結構優(yōu)化調整過程

采用縮短上部地層大尺寸井眼長度、“二維消偏,多增多調,提升復合比例”的軌跡控制,提高二開大尺寸井眼機械鉆速,機械鉆速由評價階段的7.3 m/h提升至9.4 m/h,提升比例28.8%。預斜段軌跡控制由評價階段的“井斜+橫向偏移”要求調整為橫向偏移滿足著陸即可。

3.1.2 破巖工具與參數優(yōu)化

開展分段鉆頭研選,選用大扭矩螺桿提高破巖能量,強化鉆井參數,配套52 MPa鉆井泵、70 MPa地面管匯及大于350 T頂驅(DQ50/70)并使用金屬密封沖管,充分利用水力機械聯合破巖,形成以“鉆頭優(yōu)選、工具優(yōu)配、參數強化”為核心的優(yōu)快鉆井技術(表2)。

表2 鉆井工藝參數優(yōu)化

該技術提速效果顯著,鉆趟數降低40.79%,全井機械鉆速提升40%(從6.5 m/h提升至9.1 m/h),威榮氣田2022年平均鉆井周期70.63 d,相比2021年提速16.51%。其中WY28-9HF井,完鉆井深5 465 m,鉆井周期46.54 d,創(chuàng)威榮鉆井周期最短紀錄;WY27-5HF井,三開實現一趟鉆,鉆進周期10.38 d,創(chuàng)造威榮三開鉆進周期最短紀錄。

3.1.3 主動預防安全鉆井

針對工區(qū)壓力系統復雜優(yōu)化二開必封點從石牛欄組到韓家店組。針對過路層斷溶體發(fā)育,設計復雜饒障軌道,避讓復雜地質體,并在進入茅口組前安裝采用旋轉防噴器提高鉆遇裂縫氣層處置能力,同時優(yōu)化防漏堵漏措施,針對大溶洞型惡性漏失地層,使用隔斷式凝膠加水泥漿堵漏,針對裂縫性漏失采取高效楔入式段塞堵漏技術,提高井漏處理時效,形成主動安全鉆井技術。

通過二開必封點優(yōu)化,采用旋轉防噴器,二開鉆井液密度降低0.2 g/cm3(控制1.85 g/cm3),未出現較高套壓(大于5 MPa)溢流復雜情況,未發(fā)生關井處理氣侵過程中卡鉆,減少循環(huán)排氣2.0 d左右。通過軌道優(yōu)化主動避讓及防漏堵漏,WY27-3HF井僅在棲霞組2次橋堵加一次水泥漿堵漏用時5.25 d,相比鄰井節(jié)約20 d。近三年鉆井井下復雜故障率逐年降低,2022年故障率降低到1.50%,相比2021年降低23.85%(圖2)。

圖2 川南深層頁巖氣年度鉆井井下故障率

3.2 壓裂提產技術進展

以增大有效改造體積為目標,以密切割、強支撐為關鍵,提高單井改造效果,開展裂縫優(yōu)化配置、提高裂縫縱向延伸、強化裂縫有效支撐研究,形成了以“裂縫均衡擴展增強縫控儲量”為核心的儲層改造技術體系。

3.2.1 裂縫優(yōu)化配置

建立綜合可壓性評價方法,針對不同構造、應力大小、脆性特征、天然裂縫等進行應力干擾分析和有限元模擬優(yōu)化分段分簇。結果表明簇間距7～10 m時的誘導應力為10～12 MPa,可部分克服水平應力差。結合段內應力差5～6 MPa,考慮縫口縫內復合暫堵,提升單孔孔眼流速為0.3 m3/min,選用22+25 mm大粒徑暫堵球及1～3 mm、40/70目復合粒徑暫堵劑保證裂縫有效起裂擴展,裂縫橫向覆蓋率從80%升至95.6%(圖3)。

3.2.2 提高縱向延伸

深層頁巖垂向應力居中、層理縫發(fā)育,前期微地震監(jiān)測發(fā)現壓裂縫高僅18.6 m。通過物模和數模實驗表明,提高裂縫凈壓力是增加裂縫高度和復雜程度的核心參數,通過提高排量、增加前置液黏度、采用縫內暫堵的方式可有效提高縫內凈壓力。

當排量大于16 m3/min,凈壓力顯著提升(大于10 MPa)(圖4),前置高黏壓裂液造縫(黏度大于30 mPa·s)及2次縫內暫堵,可實現縱向穿小層及提高裂縫復雜性,后期監(jiān)測縫高32.3 m,提高74%。

圖4 施工排量與裂縫內凈壓力的關系

3.2.3 強化有效支撐

依托多裂縫導流能力優(yōu)化模型,探索裂縫中支撐劑運移及分布規(guī)律,研究表明常規(guī)工藝下支撐劑主要分布于主縫中,難以進入次縫和支縫(圖5)。為充分支撐次縫和支縫,施工初期快提排量和高黏液體拓展動態(tài)裂縫,優(yōu)化加砂方式為段塞提前加砂和中高砂比長段塞或連續(xù)加砂模式,中前期低砂比(<10%)、低黏支撐次縫和支縫,后期中高砂比(10%～18%)、高黏液體支撐主縫。配套超低密度(<1.4 g/cm3)、超小粒徑(100～200目)支撐劑可有效增加運移距離,加砂強度、綜合砂比大幅提升,三級裂縫導流能力分別可達到5.35μm2·cm、0.24μm2·cm、0.14μm2·cm,壓后EUR穩(wěn)步提高至0.74億方。

圖5 三級裂縫導流能力關系

3.3 采氣及地面技術進展

以全生命周期統籌決策高效開發(fā)為目標,識別深層頁巖氣井井筒流態(tài),建立基于地層能量、井筒流型的差異化排采技術對策,形成了“三段式”氣井全生命周期排采技術。

3.3.1 全周期穩(wěn)產排采

利用井筒壓力溫度動態(tài)監(jiān)測數據,反演井筒持液率,結合不同持液率范圍所對應的流態(tài)特征,明確威榮頁巖氣不同階段井筒流型。優(yōu)選氣液動能參數作為相似準數,將動態(tài)監(jiān)測對應的氣井參數標入流態(tài)圖版中(圖6),繪制適用于威榮頁巖氣井的流態(tài)圖版,依托圖版明確排水采氣的介入時機,提高決策效率。

“三段式”氣井全生命周期排采技術,初期能量充足(井底壓力系數大于0.5),選擇套管自噴生產,實施控壓采氣。中期能量下降(井底壓力系數小于0.5)后用下油管、泡排、柱塞等工藝,充分利用地層自身能量。后期則采用以“氣舉+”為核心的增能排采工藝,綜合遞減率由初期的45%降至36.2%(表3)。

表3 深層頁巖氣差異化排采對策

3.3.2 綜合防治安全生產

受氣井出砂、SRB細菌腐蝕的影響,威榮氣田初期井筒、地面腐蝕刺漏頻繁。在井下措施上應用環(huán)氧酚醛樹脂油管涂層60余口氣井,未實施涂層油管氣井則加注緩蝕、殺菌劑。在地面流程配套除砂器除砂,井口加注殺菌劑,集輸管道加注緩蝕、殺菌劑。井筒及管道沖蝕、腐蝕綜合防治后SRB含量由7 000～100 000個/mL控制在0～110個/mL,刺漏頻率由初期的29次/月降至0～3次/月,確保氣井安全生產。

4 挑戰(zhàn)及攻關方向

4.1 鉆井工程

區(qū)域地質情況復雜、多壓力系統,井漏、溢流、卡鉆以及工具故障等問題增加了鉆進周期,二開中完作業(yè)與完井作業(yè)整體時間較鄰區(qū)多5～6 d。后期著重降低井下復雜率,優(yōu)化中完及完井工序。一、二開中完下套管前,通過長短起處理井筒替代專項通井,強化工序銜接,可減少6～7 d。完井管柱使用趾端滑套,減少油層套管通刮洗作業(yè),縮短鉆完井周期,可減少6 d。進一步推廣頁巖氣防漏堵漏推薦做法以及工具質量管理辦法,降低井下復雜率。

另一方面地層溫度高,150 ℃旋導儀器穩(wěn)定性降低,停鉆循環(huán)方式降溫單日增加用時1～2 h,高溫丟失信號后導致單井無效起下鉆增加1～2趟,雖然全旋導可降低鉆井周期,但使用率低、故障率高,增加單井施工費用,出現了提速難降本的新問題。下步三開水平段采用“PDC+彎螺桿+LWD+水力振蕩器”定向技術,優(yōu)選175 ℃抗溫儀器,降低儀器故障率。同時提高水平段地層走向預測精度,優(yōu)化靶窗范圍,由靶心線上下2 m,優(yōu)化為上下4 m,三開全井段去旋導,降低作業(yè)費用。

4.2 壓裂工程

龍馬溪組局部天然裂縫發(fā)育,壓裂時易開啟層理縫,導致縫高受限,①-④小層動用率在40%左右,儲量充分動用面臨挑戰(zhàn),同平臺壓后開井壓力不斷降低,層理縫導致井間同小層相互干擾,地層局部能量遞減。開展擴縫高專項攻關,在前置階段縫內暫堵,抑制層理縫開啟及擴展,促使裂縫向縱深延伸;部署“W”型平臺,將龍馬溪組2—31與33小層上下靶窗交錯布井,增加對縱向小層的控制,提高井組儲量動用程度。

改造強度由0.78 m3/m升至2.0 m3/m,增加156%,而EUR增加僅57%,300 d累產僅增加78%,改造效果與改造強度具有一定的相關性,但不成正比,改造強度大幅提高,但EUR提升有限,投入產出不平衡,效益開發(fā)面臨挑戰(zhàn)。持續(xù)迭代升級壓裂技術優(yōu)化分段分簇、排量、砂陶比參數,強化縫內暫堵,防止壓裂縫沿天然縫局部突進,同時推廣壓力平衡井工廠作業(yè)順序與作業(yè)進度,防止局部壓力抬升。

4.3 采氣及地面工程

現階段低壓低產井已占70%,低壓低產且產水量大(壓力小于3 MPa,日產氣小于0.5×104m3,日產水大于10 m3),已接近泡排、柱塞的技術邊界,對氣舉的依賴增強,但現有氣舉工藝易將積液壓回地層,氣舉效率低。下步推行“氣舉+”模式,持續(xù)推廣電驅壓縮機氣舉工藝,并從完井源頭設計閉式氣舉管柱,降低對地層的回壓,提高氣舉效率。

威榮集輸管道由于腐蝕導致管壁變薄,管道距離長(全長46.48 km)、埋地深(1.2 m),監(jiān)測及檢測手段缺乏,泄露后風險管控及有效防治難度大。

計劃每年度開展電磁渦流內檢,月度清管、連續(xù)加注藥劑防腐,增加去生物膜藥劑,以期降低腐蝕速率,開展空壓機風送擠涂工藝可實施性論證。

5 結論及建議

(1)深層頁巖氣是未來非常規(guī)頁巖氣增儲上產的主要陣地,隨著儲層埋深增加,穿越多層系的溫度壓力系統、復雜的地質力學特征對于鉆完井、壓裂、排采等工程技術提出了更大的挑戰(zhàn),制約了深層頁巖氣的效益化開發(fā)。以威榮氣田的商業(yè)開發(fā)為例,總結出了工程工藝鏈條的三項關鍵節(jié)點助力25億方產能建設。一是通過井身結構優(yōu)化設計、破巖工具優(yōu)選、主動預防保障措施集成可以實現安全優(yōu)快鉆完井;二是基于平面細密裂縫優(yōu)化、縱向高排量裂縫延伸、多級裂縫有效支撐工藝符合裂縫均衡擴展增強縫控儲量理念,利于壓裂增大有效改造體積;三是識別深層頁巖氣井井筒流態(tài)圖版耦合地層能量、井筒流型提出全生命周期排采技術,有效控制遞減增加采收率。

(2)現有的工程技術與面臨的復雜地質工程特征相比仍需進一步攻關優(yōu)化。一是夯實基礎理論。持續(xù)強化鉆井周期學習曲線,研究鉆井提速理論;構建物?！獕耗！獢的Ｒ惑w化平臺,迭代升級壓裂技術,進一步提高有效改造體積;完善地下—地面全過程流動機理,探索單井經濟可采儲量極限。二是堅持降本增效。從井身結構設計到定向工具使用,從壓裂規(guī)模設計到入井材料優(yōu)化,從氣舉管柱設計到防腐藥劑選擇,兼顧提速提效和降本雙重目標。三是勇于創(chuàng)新試驗。鼓勵探索自研新工具、新材料、新藥劑等新技術入井試驗,開發(fā)原創(chuàng)技術,突破效益開發(fā)技術關。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

王興文總體負責文章構思及內容設計,繆尉杰負責統稿并參與壓裂工藝方向論文寫作,何新星參與鉆井工程方向論文寫作,許劍負責采氣及地面工程方向論文寫作。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

WANG Xingwen proposed the overall idea of the paper. MIAO Weijie was responsible for manuscript drafting and wrote the part about fracturing. HE Xinxing wrote the part about drilling engineering. XU Jian wrote the part about gas production and surface gathering. All authors have read and approved the submission of the final manuscript.