川東南頁(yè)巖氣井壓裂降壓技術(shù)

周成香， 周玉倉(cāng)， 李雙明， 胡圓圓

(1.中國(guó)石化華東分公司，江蘇南京 210019；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

頁(yè)巖氣在全球范圍內(nèi)分布廣泛，且開發(fā)潛力巨大。隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探的進(jìn)一步深入，頁(yè)巖氣勘探已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，川東南涪陵、彭水、梁平、永川和黔江等區(qū)塊皆獲得頁(yè)巖氣氣流，涪陵區(qū)塊已進(jìn)入規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)階段。川東南地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層平均埋深2 000.00～2 800.00 m，但該地區(qū)南川斷鼻構(gòu)造頁(yè)巖儲(chǔ)層的埋深高達(dá)4 400.00～4 600.00 m，是目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深最深的區(qū)塊。對(duì)于超深頁(yè)巖氣井壓裂技術(shù)國(guó)內(nèi)外都處于摸索階段，沒有形成成熟的配套技術(shù)，并且沒有可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)僅2口超深頁(yè)巖氣井完成了壓裂施工，從DY2井的壓裂情況看，超深頁(yè)巖氣井壓裂的主要問題集中在初期施工壓力高、破裂壓力不明顯、縫寬小、加砂困難、泵送橋塞射孔聯(lián)作無(wú)法入位、單段施工時(shí)間長(zhǎng)、硬件設(shè)備不能滿足設(shè)計(jì)要求等。為此，主要針對(duì)深層頁(yè)巖氣井如何降壓進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化射孔參數(shù)，以降低孔眼摩阻；進(jìn)行壓前酸預(yù)處理，降低井筒表皮系數(shù)；優(yōu)化滑溜水配方，降低井筒摩阻；采用前置粉陶段塞工藝，降低施工壓力來(lái)保證施工質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，這些方法可以有效降低施工壓力，提高壓裂成功率。

1 壓裂主要技術(shù)難點(diǎn)

水平井及水平井分段壓裂已成為頁(yè)巖氣有效開發(fā)的主體技術(shù)[1]。超深頁(yè)巖氣井壓裂與常規(guī)頁(yè)巖氣井壓裂相比，壓裂工藝相同，不同的是目的層埋藏深、地應(yīng)力高、井筒摩阻大，其主要表現(xiàn)為施工壓力高、加砂困難。目前國(guó)內(nèi)超深頁(yè)巖氣井已完成壓裂施工的井很少，壓裂技術(shù)及配套的設(shè)備均不成熟，給超深頁(yè)巖氣井壓裂帶來(lái)諸多困難。

1.1 儲(chǔ)層埋藏深，地層應(yīng)力和施工壓力高

頁(yè)巖氣井一般采用φ139.7 mm套管完井，摩阻高，造成施工壓力較高。根據(jù)DY1井和NY1井的地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果、地應(yīng)力剖面解釋結(jié)果和地層傾角，按照目的層垂深4 600.00 m計(jì)算地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)果為：縱向剖面最大水平主應(yīng)力122～140 MPa；縱向剖面最小水平主應(yīng)力100～115 MPa；閉合壓力約為107 MPa；縱向剖面上覆巖層應(yīng)力117～127 MPa；平均彈性模量32.16 GPa；平均泊松比0.195；破裂壓力120 MPa；地面施工壓力96～102 MPa(見表1)。加之地層巖性致密，破裂壓力和延伸壓力高[2]，大大增加了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

表1 井口施工壓力預(yù)測(cè)Table 1 Prediction of wellhead pressure

注：儲(chǔ)層中部垂深4 600.00 m；采用φ139.7 mm套管壓裂，φ139.7 mm套管下深5 820.00 m;滑溜水和活性膠液的降阻率均按75%計(jì)算;第1段井深5 820.00 m；兩簇孔眼摩阻+近井筒摩阻按10 MPa計(jì)算。

1.2 儲(chǔ)層黏土礦物含量高

表2為川東南地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物分析結(jié)果。由表2可以看出：脆性礦物石英的含量高，硅質(zhì)多，易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，且形成的網(wǎng)絡(luò)裂縫復(fù)雜，可能造成濾失量大，加砂量、砂比受限；目的層以泥頁(yè)巖為主，黏土礦物含量高，平均在30%以上，易發(fā)生膨脹及支撐劑易于嵌入。

1.3 儲(chǔ)層溫度高

假設(shè)年平均地表溫度為16 ℃，對(duì)已完鉆井DY2井和NY1井以2.8 ℃/100m的地溫梯度計(jì)算其儲(chǔ)層溫度，目的層五峰組-龍馬溪組下部地層的溫度高達(dá)145 ℃。高溫會(huì)加快酸巖反應(yīng)速度，影響酸液預(yù)處理時(shí)的波及體積；同時(shí)對(duì)壓裂液的流變性和破膠時(shí)機(jī)選擇有一定影響，并對(duì)泵送橋塞射孔聯(lián)作工具及配套設(shè)備要求較高。

1.4 施工時(shí)間長(zhǎng)

由于頁(yè)巖氣井的壓裂規(guī)模與產(chǎn)能呈正相關(guān)關(guān)系，因此大規(guī)模、大排量、長(zhǎng)施工周期是頁(yè)巖氣井壓裂的主要特征，超深井壓裂更為突出。如DY2井單段壓裂規(guī)模平均為2 500 m3，施工排量12 m3/min，單段施工時(shí)間超過5 h，12段壓裂耗時(shí)55 d，長(zhǎng)時(shí)間的施工對(duì)壓裂車組及高壓易損件等的性能要求較高。

表2 川東南區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物分析結(jié)果Table 2 Results of mineral analysis for shale reservoir in the Southeastern Sichuan

2 主要技術(shù)對(duì)策

超深頁(yè)巖氣井壓裂的技術(shù)難點(diǎn)，主要集中在儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度高，應(yīng)力高(DY2井109 MPa)，頁(yè)理、紋理等弱面縫易于打開，形成復(fù)雜裂縫所需的縫內(nèi)壓力高(122 MPa)，壓裂規(guī)模和排量大，對(duì)設(shè)備配置要求高。如何降低施工壓力，提高施工排量，縮短施工時(shí)間，是解決問題的關(guān)鍵。根據(jù)該地區(qū)壓裂井的情況看，主要以降低施工壓力為基礎(chǔ)，結(jié)合超深頁(yè)巖氣井的地質(zhì)條件，從降低井筒、孔眼摩阻，解除近井地帶污染，選擇降阻性能好的滑溜水，降低濾失量等方面進(jìn)行研究。

2.1 優(yōu)化射孔參數(shù)，降低孔眼摩阻

超深高壓井壓裂時(shí)的孔眼摩阻計(jì)算公式[3]為：

(1)

式中：Q為泵排量，m3/min；ρ為壓裂液密度，kg/m3；Den為射孔密度，孔/m；D為孔眼直徑，m；Cp為排出系數(shù)；h為施工層段有效打開厚度，m；pcf為孔眼摩阻，MPa。

由式(1)可以看出，在泵排量、壓裂液密度、射孔槍的彈型(孔眼直徑)和有效打開厚度確定后，排出系數(shù)一定的情況下，孔眼摩阻隨著射孔密度的增大而降低。

國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井壓裂主要采用泵送橋塞射孔壓裂聯(lián)作，一般來(lái)說，影響壓裂施工的射孔關(guān)鍵參數(shù)是射孔密度、孔徑和相位。在壓裂過程中，必須控制射孔孔眼摩阻盡可能低或在限流壓裂時(shí)使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。相位的選擇主要考慮產(chǎn)能，均質(zhì)地層采用90°相位，非均質(zhì)性強(qiáng)的地層采用120°相位，致密砂巖地層一般采用60°相位。同時(shí)考慮到超深頁(yè)巖氣井射孔會(huì)引起套管形變，而維持套管強(qiáng)度的最佳相位是60°。因此，超深頁(yè)巖氣井射孔的相位優(yōu)化為60°。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，超深水平井射孔用的射孔槍可初步選用φ89～φ102 mm射孔槍?？紤]固井過程中可能有水泥漿殘留在套管內(nèi)壁、由于射孔槍變形或射孔后射孔槍可能碎解卡槍等因素，再考慮到頁(yè)巖氣井完井套管內(nèi)徑為118.0 mm，為了安全起見選擇φ89 mm射孔槍。同時(shí)要求射孔槍最好能抗70 MPa以上的壓力，盡可能減小射孔后射孔槍的膨脹和毛刺高度。φ89、φ102和φ127 mm射孔槍的射孔彈均能穿透污染帶，φ89 mm射孔槍最大能匹配φ105 mm射孔槍的射孔彈，因此，優(yōu)選 SDP40HMX28-8 型射孔彈。

由于水平井的產(chǎn)能隨著射孔密度的增大而增大，因此，宜選大射孔密度，采用大孔聚能彈，但當(dāng)射孔密度增加到一定程度時(shí)，隨射孔密度增大，水平井產(chǎn)能不會(huì)明顯增大[4]。通過計(jì)算射孔密度的臨界值為18～20孔/m。大射孔密度會(huì)使壓裂液的濾失量增大，造成壓裂脫砂。因此，根據(jù)式(1)計(jì)算的孔眼摩阻并結(jié)合其他工程因素，射孔密度選擇18孔/m。

2.2 酸預(yù)處理降壓技術(shù)

酸預(yù)處理能清洗炮眼，降低巖石擴(kuò)張強(qiáng)度和施工壓力。同時(shí)酸能溶解敏感性黏土礦物，防止黏土膨脹和微粒運(yùn)移，有利于壓裂液的返排，降低壓裂液在裂縫中的二次傷害，提高裂縫的導(dǎo)流能力[5]。

酸預(yù)處理時(shí)，具體用酸量利用下式[6]確定。

V=2πrhφ

(2)

式中：r為處理半徑，m；h為射孔厚度，m；φ為孔隙度,%。

2.3 滑溜水體系設(shè)計(jì)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)不同,選擇的壓裂液也不同。川東南五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型多樣，有機(jī)質(zhì)納米級(jí)孔隙、晶間孔、微裂縫均發(fā)育，巖性主要為灰黑色頁(yè)巖、含粉砂頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖等，屬于脆性地層。目前頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂所用壓裂液主要有滑溜水、線性膠、交聯(lián)液和泡沫等，以滑溜水為主[7]?；锼w系主要適用于無(wú)水敏、儲(chǔ)層天然裂縫較發(fā)育、脆性較高的地層，因此，該區(qū)塊壓裂液選用滑溜水體系。

通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選 SRFR-1 滑溜水作為壓裂液，配方為0.2%高效減阻劑 SRFR-1+0.3%復(fù)合防膨劑+0.1%復(fù)合增效劑+0.02%消泡劑。其主要性能為：密度1.004 5 kg/L，黏度9～12 mPa·s，表面張力小于25 mN/m，防膨率大于90%，對(duì)儲(chǔ)層的傷害率小于10%，pH值7.34。

2.4 前置粉砂段塞技術(shù)

砂段塞技術(shù)就是在前置液中泵注幾段少量低濃度粉陶或支撐劑的攜砂液。砂段塞的作用是：一方面，借助水力切割作用對(duì)彎曲裂縫進(jìn)行沖刷、打磨、切割，使裂縫表面平滑，從而降低或消除近井地帶裂縫彎曲摩阻；另一方面，前置液中的粉陶或支撐劑在多裂縫剛產(chǎn)生時(shí)可在除主裂縫外的其他狹窄裂縫中快速聚集形成阻礙液體流動(dòng)的砂團(tuán)，阻止裂縫進(jìn)液，使其不再延伸，從而使主裂縫變得更寬，保證主裂縫的延伸，為隨后的攜砂液提供所需的通道。砂段塞技術(shù)的成功與否可通過摩阻的降低來(lái)衡量；泵入段塞的數(shù)量、支撐劑尺寸、段塞體積、支撐劑濃度應(yīng)當(dāng)視近井摩阻及不同砂濃度到達(dá)地層時(shí)井底壓力的變化來(lái)決定[8]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在分析DY2井壓裂問題的基礎(chǔ)上，研究了壓裂降壓技術(shù)，并將其應(yīng)用于NY1井壓裂施工，取得明顯的降壓效果。NY1井位于川東南南川斷鼻頁(yè)巖儲(chǔ)層，垂深4 600.00 m，是目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深最深的頁(yè)巖氣井，分15段壓裂，累計(jì)用液量46 365 m3，平均單段用液量3 091 m3累計(jì)加砂量756 m3，平均單段加砂量50 m3,平均砂比1.6%，最高砂比9%，實(shí)際加砂量為設(shè)計(jì)加砂量的93%，工藝成功率93%。而DY2井平均單段用液量2 460 m3,平均單段加砂量27 m3,平均砂比1.1%。NY1井總體壓裂創(chuàng)造了單井深度最深、單段壓裂規(guī)模最大、施工壓力最高等多項(xiàng)紀(jì)錄。

3.1 射孔參數(shù)優(yōu)化

在射孔槍和射孔彈型號(hào)確定后，利用式(1)計(jì)算了不同射孔密度下的孔眼摩阻，結(jié)果見表3。計(jì)算時(shí)用到的參數(shù)：NY1井射孔段每簇射孔厚度為1.5 m；壓裂液密度1 000 kg/m3；射孔孔徑10.5和12.7 mm；射孔密度選擇16，18和20孔/m；如果壓裂液不含磨損性材料，排出系數(shù)一般為0.50～0.60，但當(dāng)泵入攜砂液時(shí)，由于孔眼被沖蝕，變?yōu)?.60～0.95。

由表3可以看出，射孔密度越大，孔眼摩阻越小。但通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射孔密度大于20孔/m以后，會(huì)發(fā)生空間干擾，壓裂液濾失量增大，導(dǎo)致加砂困難。因此，NY1井采用 SYD-89 槍、SDP40HMX28-8 型射孔彈、18孔/m射孔密度和60°相位進(jìn)行射孔。

與DY2井相比，NY1井第9段后靠近凝灰?guī)r地層，壓裂液的濾失量大、效率低，縫窄，加砂困難，經(jīng)過優(yōu)化將射孔位置后移，采取集中射孔方式，有效降低了孔眼摩阻，提高了壓裂液的造縫效率，后續(xù)5段的最小用液量為2 452 m3,最大單段加砂量72.95 m3。

表3 φ89 mm射孔槍對(duì)于不同孔密下的摩阻計(jì)算Table 3 Friction calculation of φ89 mm perforating gun at different shooting densities

3.2 酸處理技術(shù)的應(yīng)用

NY1井黏土礦物平均含量為35.33%，石英平均含量為46.22%，長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石平均含量為5.7%，方解石平均含量為6.9%。石英、長(zhǎng)石不溶于鹽酸，在土酸中的溶解量小，方解石，白云石均溶于鹽酸和土酸。由于DY2井采用15%鹽酸降壓效果較差，于是采用NY1井的巖心進(jìn)行了15%HCl和15.0%HCl+1.5%HF的溶蝕試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，15.0%HCl+1.5%HF的溶蝕效果較好，因此，選用該體系進(jìn)行酸液前置處理。根據(jù)地層的實(shí)際情況，通過室內(nèi)試驗(yàn)將其配方優(yōu)化為15.0%HCl+1.5%HF+2.0%高溫緩蝕劑+1.5%鐵離子穩(wěn)定劑。

圖1 巖心在不同酸液中不同時(shí)間的溶蝕率Fig.1 Dissolution rates of core in different acids over time

NY1井平均孔隙度為4.12%，按照川東南頁(yè)巖氣井酸處理的經(jīng)驗(yàn)，30 m3酸的處理半徑能達(dá)到116 m，能有效解除炮眼及近井地帶污染。因此，NY1井在壓裂前泵入30 m3酸，壓裂施工時(shí)，施工壓力降低10～15 MPa。同時(shí)，該井第2段泵送橋塞時(shí)，泵送壓力超過連續(xù)油管的限制壓力(96 MPa)，于是擠入酸液后再次進(jìn)行泵送橋塞，壓降表現(xiàn)明顯，泵送最高壓力降至80 MPa，酸預(yù)處理效果明顯。與DY2井相比，NY1井將酸液由15%HCl優(yōu)化為15%HCl+1.5%HF，DY2井平均壓降5.8 MPa,NY1井平均壓降15 MPa,采用稀土酸處理效果更明顯。

3.3 滑溜水體系的應(yīng)用

由現(xiàn)場(chǎng)施工情況，可以計(jì)算出壓裂時(shí)滑溜水在φ130.2 mm套管(內(nèi)徑118.0 mm)內(nèi)的平均摩阻約為17.92 MPa。清水摩阻可以利用下式計(jì)算。

(Δpf)0=1.385×106D-4.8Q1.8H

(3)

式中：(Δpf)0為清水摩阻，MPa；D為油管內(nèi)徑，mm；Q為施工排量，m3/min；H為油管長(zhǎng)度，m。

該井施工平均排量Q為12 m3/min；油管內(nèi)徑D為118.0 mm，油管長(zhǎng)度H為5 700.00 m，根據(jù)式(3)計(jì)算出清水摩阻為77 MPa。

降阻率可用Lord等人提出的降阻比來(lái)衡量[9-10]。降阻比的計(jì)算公式為：

(4)

式中，(Δpf)p為壓裂液的摩阻，MPa。

根據(jù)式(4)計(jì)算出NY1井壓裂時(shí)滑溜水的降阻率為76%，實(shí)際壓裂施工過程中的降阻率也達(dá)到了76%。

3.4 前置粉砂段塞技術(shù)的應(yīng)用

NY1井閉合壓力約為107 MPa，根據(jù)不同閉合壓力下不同支撐劑導(dǎo)流能力的測(cè)試結(jié)果(見圖2)優(yōu)選70/140目粉陶。由于在高閉合壓力條件下，粗砂和細(xì)砂導(dǎo)流能力相差較小，因此，應(yīng)適當(dāng)提高細(xì)砂用量，以封堵分支裂縫，降低濾失量。

圖3為NY1井第13段壓裂施工曲線。由圖3可以看出，施工78 min時(shí)，排量為11.1 m3/min，泵入段塞前施工壓力最高109.6 MPa，78～180 min泵入14個(gè)粉砂小段塞，段塞最高砂比10%，施工壓力從109.6 MPa降至83.6 MPa，降低了23.7%。

圖2 不同閉合壓力不同支撐劑導(dǎo)流能力Fig.2 Conductivity of proppant under different closure pressures

圖3 NY1井第13段壓裂施工曲線Fig.3 Curve of Stage 13 fracturing for Well NY1

DY2井壓裂時(shí)參考北美經(jīng)驗(yàn)，主要采用鹽酸預(yù)處理，變排量組合加砂“酸液+滑溜水+膠液”的壓裂模式，增大加砂量和砂液比，提高主裂縫導(dǎo)流能力。而NY1井在吸取DY2經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，采用稀土酸預(yù)處理，“酸液+低黏膠液+滑溜水+中黏膠液”及組合加砂的壓裂模式，優(yōu)化粉陶用量，降低隔離液用量，提高加砂量和砂比，提高主裂縫導(dǎo)流能力，前置段塞用稀膠液替代滑溜水，粉陶加量由15 m3增至30 m3，施工壓力降低15～20 MPa。

4 結(jié)論與建議

1) 對(duì)于超深頁(yè)巖氣井壓裂，前置酸液預(yù)處理能夠溶解地層中無(wú)機(jī)垢和黏土礦物等酸溶成分，有效降低儲(chǔ)層破裂壓力和施工壓力?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，壓裂前進(jìn)行酸預(yù)處理，施工壓力可降低10～15 MPa。

2) 對(duì)于采用φ139.7 mm套管(內(nèi)徑118.0 mm)完井的超深頁(yè)巖氣水平井，采用 SYD-89 型射孔槍、SDP40HMX28-8 型射孔彈、60°相位、18孔/m孔密進(jìn)行射孔，能夠達(dá)到降低孔眼摩阻、實(shí)現(xiàn)深穿透的目的。

3) 滑溜水配液方便快捷、性能穩(wěn)定、易返排、黏度可調(diào)、對(duì)儲(chǔ)層的傷害率小于10%、攜砂比大于8%，降阻率大于75%，用于超深頁(yè)巖氣井壓裂，可以降低施工壓力。

4) 川東南超深頁(yè)巖氣井通過優(yōu)選射孔參數(shù)、進(jìn)行壓前酸預(yù)處理、設(shè)計(jì)合適的滑溜水體系及采用前置粉砂段塞技術(shù)，解決了施工壓力高的問題，并形成了適用于川東南超深氣井壓裂的降壓技術(shù)。

5) 建議系統(tǒng)分析川東南超深頁(yè)巖氣井壓裂施工壓力高的原因，以研究針對(duì)性更強(qiáng)的壓裂降壓技術(shù)。

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