四川盆地威榮區(qū)塊深層頁巖氣水平井壓裂改造工藝

曹學(xué)軍 王明貴 康 杰 王紹紅 梁 瑩

1.中石化西南石油工程有限公司 2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

我國頁巖氣資源豐富，尤其在四川盆地海相頁巖氣資源量大，通過對國外頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的引進(jìn)、消化吸收與再創(chuàng)新，逐步建立了本土化的技術(shù)體系，支撐了長寧—威遠(yuǎn)、昭通、涪陵等國家級頁巖氣示范區(qū)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了埋深介于2 500～3 500 m頁巖氣的工業(yè)化開采，但3 500 m以深的頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)還面臨諸多難題，規(guī)?；_發(fā)技術(shù)仍需要攻關(guān)[1-3]。

四川盆地南部威榮區(qū)塊頁巖氣主力產(chǎn)層埋深介于 3 590 ～ 3 880 m，屬于我國“頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）”擬突破的深層頁巖氣范疇，于2015年在WY1HF井測試獲工業(yè)氣流后，拉開了中石化威榮區(qū)塊深層頁巖氣開發(fā)的序幕，但因地質(zhì)條件復(fù)雜、最大水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力差異小、水平應(yīng)力差值大、施工泵壓高、敏感砂比低等原因，導(dǎo)致加砂困難，壓裂后的裂縫復(fù)雜程度和改造體積有限，并在壓裂過程中頻繁出現(xiàn)因套管變形而丟段的現(xiàn)象。為此，針對威榮區(qū)塊頁巖氣水平井壓裂改造過程中面臨的難點(diǎn)，結(jié)合在WY1HF井的壓裂實(shí)踐中取得的認(rèn)識，并借鑒國內(nèi)外頁巖氣水平井的壓裂作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，確定了該區(qū)塊水平井實(shí)施壓裂改造的主體思路及技術(shù)對策，并應(yīng)用于后續(xù)水平井的壓裂施工中。所取得的研究成果可以為深層頁巖氣水平井的壓裂施工作業(yè)提供借鑒。

1 區(qū)塊工程地質(zhì)特征

威榮區(qū)塊位于威榮構(gòu)造東南翼至自流井構(gòu)造之間的白馬鎮(zhèn)向斜，受沉積時(shí)古構(gòu)造及后期多期構(gòu)造運(yùn)動影響，區(qū)塊局部微構(gòu)造及微小斷層發(fā)育。主力產(chǎn)層位于下志留統(tǒng)龍馬溪組和上奧陶統(tǒng)五峰組，Ⅰ＋Ⅱ類儲層厚度較大，介于49.5～56.6 m，且分布較為穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)儲層段孔隙度介于4.9%～5.6%、TOC介于2.6%～3.5%、含氣量介于6.25～8.78 m3/t、地層壓力系數(shù)介于1.9～2.1 MPa/100 m，探明儲量達(dá) 1 247×108m3，具有規(guī)?；óa(chǎn)的基礎(chǔ)[4]。但區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育平縫，構(gòu)造縫整體不發(fā)育，地應(yīng)力通常在80 MPa以上，最大水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力差異?。ū?），壓裂時(shí)在近井地帶容易形成垂向裂縫與水平裂縫交錯(cuò)，造成敏感砂比低、加砂困難。同時(shí)，因儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、層間差異大，獲得較大的有效改造體積難度大。

2 壓裂改造難點(diǎn)

威榮區(qū)塊深層頁巖氣復(fù)雜的工程地質(zhì)條件導(dǎo)致壓裂改造面臨諸多難題：①區(qū)塊內(nèi)天然裂縫總體欠發(fā)育、水平應(yīng)力差普遍較大，壓裂形成的裂縫復(fù)雜程度低，整體改造體積偏小。以單段3簇射孔為例，在相同施工參數(shù)條件下，威榮區(qū)塊頁巖氣儲層改造體積為219×104m3，裂縫復(fù)雜指數(shù)為0.29，而焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層改造體積為247×104m3，裂縫復(fù)雜指數(shù)為0.39。②射孔簇不能充分開啟，水平段裂縫覆蓋率較低。目前，普遍采用的多簇射孔壓裂工藝在深層頁巖存在各簇不能有效開啟、進(jìn)液不均、水平段改造不充分等問題[5-7]。以WY1HF井為例，該井水平段裂縫覆蓋率僅86.3%，G函數(shù)分析也表明部分井段多縫開啟不明顯。目前針對深層頁巖的壓裂改造，有效的監(jiān)測和評價(jià)手段有限，如何優(yōu)化施工工藝和參數(shù)，提高水平段裂縫覆蓋率是亟待解決的問題。③加砂困難造成高導(dǎo)流裂縫的形成難。提高加砂強(qiáng)度以獲得裂縫的高導(dǎo)流能力是深層頁巖氣高產(chǎn)的前提條件之一[8-10]。威榮區(qū)塊頁巖氣儲層埋藏深、閉合應(yīng)力高，導(dǎo)致施工壓力高、壓力窗口窄、加砂難度大；同時(shí)，由于層理較發(fā)育、最大水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力差異小，易在近井地帶形成復(fù)雜交叉裂縫，導(dǎo)致液體濾失量增大、主縫縫寬降低，進(jìn)而造成砂比敏感，如WY1HF井部分井段在砂比介于4%～6%即有砂堵跡象，影響了加砂壓裂施工的順利開展，難以獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力。④套管變形問題多發(fā)，且發(fā)生變形后進(jìn)行改造的手段有限。初步統(tǒng)計(jì)表明，套管變形及破損問題在威榮區(qū)塊較為普遍，已進(jìn)行壓裂施工的井中，發(fā)生明顯套管變形的井有5口，套管變形率為83.3%，如何進(jìn)行套管變形段的有效改造是亟待解決的問題。⑤有效縫長較短，壓裂后氣井的穩(wěn)產(chǎn)能力較差，試采井累計(jì)產(chǎn)氣量與高效、經(jīng)濟(jì)開發(fā)的要求還存在較大差距。以WY1HF井為例，穩(wěn)定排液階段其單位壓降產(chǎn)氣量為63.5×104m3/MPa，而試采階段其單位壓降產(chǎn)氣量則降至 26.3×104m3/MPa。

表1 威榮區(qū)塊地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡表

3 壓裂改造主體思路與技術(shù)對策

3.1 主體思路

針對前述壓裂改造面臨的難點(diǎn)，結(jié)合在WY1HF井的壓裂實(shí)踐取得的認(rèn)識，并借鑒國內(nèi)外頁巖氣水平井的壓裂作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，確定了該區(qū)塊水平井實(shí)施壓裂改造的主體思路，即以增加有效改造體積為核心目標(biāo)，通過“控近擴(kuò)遠(yuǎn)、提高分簇改造有效性及加砂強(qiáng)度”等技術(shù)措施來提升改造效果。

3.2 技術(shù)對策

3.2.1 增大改造體積、提高遠(yuǎn)井區(qū)裂縫復(fù)雜程度的技術(shù)對策

通過壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)，獲得最大的改造體積，是頁巖氣層壓裂改造的核心內(nèi)容[8-11]。但如果近井地帶的裂縫復(fù)雜程度過高，容易引起砂堵，通常考慮提高遠(yuǎn)井區(qū)的裂縫復(fù)雜程度。為此，采取的技術(shù)措施主要包括以下幾點(diǎn)。

3.2.1.1 超高壓、大排量壓裂

理論上，提高施工排量可以提高縫內(nèi)凈壓力，進(jìn)而克服水平應(yīng)力差以形成復(fù)雜裂縫[3,11-12]。為增加遠(yuǎn)井區(qū)裂縫的復(fù)雜性，在WY23-1HF井配套抗壓級別達(dá)140 MPa的套管、井口裝置及壓裂泵車，壓裂施工中最高泵壓達(dá)123 MPa、最高排量達(dá)20 m3/min，壓后的G函數(shù)分析結(jié)果表明，在高排量下多裂縫特征更明顯，提高了裂縫復(fù)雜程度。

3.2.1.2 大液量壓裂

國內(nèi)外頁巖氣井的壓裂改造實(shí)踐表明，壓裂液規(guī)模與改造體積有較明顯的正相關(guān)關(guān)系，增大壓裂液規(guī)模有利于改造體積的增加，進(jìn)而提升氣井產(chǎn)能[13-14]。目前，威榮區(qū)塊頁巖氣水平井的單段壓裂液規(guī)模介于 1 900 ～ 2 650 m3，平均為 2 250 m3，已壓裂井的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明壓裂液規(guī)模與壓后單井產(chǎn)氣量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

3.2.1.3 變排量壓裂

在壓裂施工的初期階段采用中排量（12 m3/min）造主縫，減小近井地帶形成復(fù)雜裂縫的幾率；在施工中期階段采用較大排量（介于14～15 m3/min)攜砂，形成填砂主縫；在施工后期階段采用大排量（介于16～20 m3/min）以提高遠(yuǎn)井區(qū)裂縫的復(fù)雜程度。

3.2.1.4 粉陶縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向工藝

在天然裂縫發(fā)育的井段，國內(nèi)外常采用粉陶進(jìn)行縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，在裂縫深部形成橋堵，迫使裂縫轉(zhuǎn)向形成多條裂縫[15-16]。為改善縫內(nèi)粉陶的暫堵效果，在威榮區(qū)塊頁巖氣水平井的壓裂實(shí)踐中逐漸形成了一些行之有效的技術(shù)措施，包括提高粉陶砂比、增加粉陶量、暫堵過程中降低排量以及采用變黏度、變排量、多級交替注入的方式等，壓后分析結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施使得G函數(shù)波動次數(shù)更多、波動幅度更明顯。

3.2.2 保障射孔簇改造有效性的技術(shù)對策

水平井分段多簇壓裂技術(shù)是目前頁巖氣儲層壓裂改造的主體技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可改善水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)，擴(kuò)大裂縫延伸區(qū)域，增大有效改造體積。但由于頁巖氣儲層各向異性突出，約21%的射孔簇對產(chǎn)量沒有貢獻(xiàn)[17-19]，因此保證射孔簇有效開啟和進(jìn)液是氣井壓裂后增產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。在威榮區(qū)塊頁巖氣水平井的壓裂改造中，實(shí)施“分段多簇射孔優(yōu)化＋大排量”及“縫口暫堵轉(zhuǎn)向”技術(shù)可保障射孔簇改造的有效性。

3.2.2.1 分段多簇射孔優(yōu)化＋大排量壓裂

該項(xiàng)技術(shù)包含以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①將物性參數(shù)接近、地應(yīng)力差異較小、固井質(zhì)量相當(dāng)且位于同一小層的井段作為同一段來進(jìn)行壓裂改造，以保證段內(nèi)各射孔簇都能順利起裂；②優(yōu)選脆性高、含氣量高、最小水平主應(yīng)力低的甜點(diǎn)區(qū)進(jìn)行射孔；③在限壓條件許可的前提下，盡量提高施工排量以獲得較高的單孔流量，確保每簇射孔孔眼的改造效果，同時(shí)基于射孔簇的起裂分析及誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算，優(yōu)化射孔參數(shù)。通過縮短簇間距（由23～35 m縮短至16～29 m)及射孔簇長度（對于2簇，由1.5 m/簇降為0.9 m/簇，對于3簇，由1 m/簇降為0.6 m/簇），集中能量增加射孔簇的開啟效率，從而促使多裂縫的形成。目前，該技術(shù)已在威榮、永川區(qū)塊頁巖氣水平井的壓裂作業(yè)中全面推廣。

3.2.2.2 縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

該技術(shù)是通過一次或多次向井段內(nèi)投送可溶性暫堵球，暫堵已開啟裂縫，迫使后續(xù)壓裂液進(jìn)入未壓裂的射孔簇，促使新縫的產(chǎn)生，最終提高改造段的裂縫覆蓋率。將工程地質(zhì)研究成果與暫堵劑溶解性、耐溫、承壓等性能的實(shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果相結(jié)合，形成了一套適合于威榮區(qū)塊頁巖氣水平井的縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝技術(shù)。

對施工曲線和壓后G函數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明開展縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)后，促進(jìn)了各簇均勻進(jìn)液，較大提高了改造段的裂縫覆蓋率。

3.2.3 提高裂縫導(dǎo)流能力的技術(shù)對策

由于威榮區(qū)塊深層頁巖的閉合應(yīng)力在80 MPa左右，支撐劑破碎、嵌入地層的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，如何保證高閉合應(yīng)力下裂縫仍具有較高的導(dǎo)流能力成為影響頁巖氣水平井改造效果的關(guān)鍵因素之一。

以室內(nèi)導(dǎo)流、平板流動實(shí)驗(yàn)及軟件模擬為手段，分析了排量、壓裂液黏度、支撐劑濃度、粒徑和密度等因素對導(dǎo)流能力、縫寬及鋪置形態(tài)的影響，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，確定了“提高施工排量及壓裂液黏度＋降低砂比＋采用低密度、小粒徑支撐劑連續(xù)加砂”的技術(shù)思路，并建立了一套6段制的加砂模式（表2），保障了現(xiàn)場壓裂施工作業(yè)的順利實(shí)施。

3.2.4 針對固井質(zhì)量差和套管變形的技術(shù)對策

由于威榮區(qū)塊頁巖氣水平井的井眼軌跡在鉆井過程中調(diào)整頻繁（如WY23-1HF井的軌跡調(diào)整多達(dá)26次），部分井段的固井質(zhì)量較差，通過調(diào)整射孔位置、優(yōu)化分段來避免套管變形的發(fā)生；而對套管變形導(dǎo)致的射孔槍和橋塞泵送不到位、工具遇阻遇卡等情況，則形成了連續(xù)油管快速處理＋小直徑橋塞、射孔槍分體泵送的技術(shù)。在電纜泵送橋塞（?99.95 mm）遇阻后，起出電纜洗井以清潔井筒，然后通井；若?95 mm通徑規(guī)能順利通過，則電纜泵送小直徑橋塞（?95 mm）和射孔槍；若無法通過，則采用分體泵送方式，先泵送?95 mm橋塞再泵送射孔槍。應(yīng)用分體泵送技術(shù)，在威榮區(qū)塊順利完成了多口套管變形井的壓裂施工，減少了改造段的丟失。

表2 6段制加砂模式階段劃分表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 典型井剖析

WY23-1HF井的主力產(chǎn)層位于龍馬溪組和五峰組，儲層垂深介于3 824.9～3 838.6 m，水平段長度為1 500.5 m，優(yōu)質(zhì)層+較優(yōu)質(zhì)層垂向厚度為46.6 m，含氣量平均為4.1 m3/t，TOC平均為3.9%，脆性礦物含量平均為69.6%，黏土礦物含量平均為28.8%，泊松比為0.246，楊氏模量為19.70 GPa，礦物脆性指數(shù)為61%，彈性力學(xué)脆性指數(shù)為38%，最小水平主應(yīng)力大于88.7 MPa，水平應(yīng)力差介于15.0～18.9 MPa，應(yīng)力差異系數(shù)介于0.17～0.20。可以看出，該井所處的頁巖儲層含氣性好、礦物脆性指數(shù)高但彈性力學(xué)脆性指數(shù)低、最小水平主應(yīng)力高、水平應(yīng)力差值大且天然裂縫較發(fā)育，需要采用控近擴(kuò)遠(yuǎn)、優(yōu)化支撐劑鋪置等措施來提升壓裂改造效果。

首先，通過提高施工限壓、施工排量、液量、支撐劑規(guī)模以及采用變排量壓裂、密集粉陶暫堵等工藝措施來增大壓裂改造體積和遠(yuǎn)井區(qū)的裂縫復(fù)雜程度。在壓裂初期，采用中排量（12 m3/min)造主縫，減小近井裂縫的復(fù)雜程度；在壓裂中期采用大排量攜砂（16 m3/min±) ，形成填砂主縫；在壓裂后期，采用低黏降阻水加砂＋更大排量（18～20 m3/min）促進(jìn)遠(yuǎn)井區(qū)次縫和分支縫的形成，提高遠(yuǎn)井區(qū)裂縫的復(fù)雜程度。限壓由前期的95 MPa提高到123 MPa，最大施工排量由15 m3/min提高至20 m3/min，單段壓裂液量和支撐劑規(guī)模也分別增加30%～50%，并結(jié)合密集粉陶暫堵方式增大改造體積和裂縫復(fù)雜程度。其次，通過縮短射孔簇長度（2簇×0.9 m/簇、3簇×0.6 m/簇）及簇間距（29 m± 降至 23 m±）、開展縫口暫堵轉(zhuǎn)向以保障射孔簇壓開率。從現(xiàn)場實(shí)施情況來看，縫口暫堵后（第20段）井口泵壓上升4.4 MPa，有明顯的暫堵轉(zhuǎn)向顯示；同時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化分簇射孔技術(shù)后，G函數(shù)多裂縫特征明顯（圖1）。然后，采用6段制加砂模式，通過變黏度、多級交替注入、連續(xù)小粒徑加砂等措施增加支撐劑在裂縫中的運(yùn)移距離，改善鋪置效果以保障裂縫具有較高的導(dǎo)流能力，單段平均加砂強(qiáng)度較該區(qū)塊第一口壓裂井WY1HF增加了49.3%。

圖1 WY23-1HF井壓裂G函數(shù)曲線圖（3簇×0.6 m/蔟）

在整個(gè)施工過程中，出現(xiàn)了2次砂堵和5次泵送橋塞遇阻的問題，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整了施工參數(shù)，在第②、④階段加大膠液用量、在第⑤階段使用高黏降阻水代替低黏降阻水加砂、在第⑥階段使用純膠液頂替及部分段取消采用30/50目支撐劑尾追等措施，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，順利完成了設(shè)計(jì)的加砂量。

在套管變形段，為保障施工的順利進(jìn)行，需采用降泵壓、降壓裂液和支撐劑規(guī)模、小直徑橋塞分段及分體泵送等技術(shù)。WY23-1HF井共使用?103.2 mm大通徑橋塞5只、?99.95 mm橋塞1只、?95 mm橋塞14只，在9個(gè)壓裂段采用了小直徑橋塞分段和射孔槍分體泵送技術(shù)。

該井射孔簇的設(shè)計(jì)以2簇×0.9 m/簇為主，3簇×0.6 m/簇次之，射孔簇間距介于17.0～26.5 m，平均為23.8 m。該井壓裂共完成了20段45簇，最高泵壓為123 MPa、最大施工排量為20 m3/min、單段平均酸液用量為 23 m3、平均壓裂液量為 2 401 m3（最大液量為3 323 m3）、平均加砂量為71.4 m3、平均砂比為3.4%（最高砂比為12%），總支撐劑用量為1 428.2 m3，其中，80/120目粉陶用量為447.6 m3，40/70目陶粒用量為953 m3，30/50 目陶粒用量為 27.6 m3。微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，該井壓裂后SRV體積約為6 570×104m3。壓裂后的試氣測試結(jié)果顯示，該井在井口壓力35.4 MPa下的氣產(chǎn)量為26×104m3/d。結(jié)合試采曲線（圖2）來看，通過壓裂應(yīng)該獲得了較大的改造體積和較高的導(dǎo)流能力，單位壓降產(chǎn)氣量基本穩(wěn)定在50×104m3/MPa左右，約為WY1HF井的2倍。

4.2 總體應(yīng)用情況

以增大有效改造體積為核心，針對不同井段進(jìn)行差異化的壓裂設(shè)計(jì)，5口頁巖氣水平井通過壓裂改造，單井平均無阻流量為26.11×104m3/d，取得了較好的增產(chǎn)效果（表3）。采用大液量、大排量、變排量、密集粉陶暫堵等技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了控近擴(kuò)遠(yuǎn)，壓裂井的無阻流量與砂量、液量呈明顯的正相關(guān)性；6段制加砂模式和小粒徑支撐劑連續(xù)加砂技術(shù)的應(yīng)用提高了加砂強(qiáng)度（由WY1HF井的47.8 m3/段提高至目前的60 m3/段±）和裂縫的導(dǎo)流能力，單位壓降采氣量得以較大幅度的增加；對壓裂井G函數(shù)進(jìn)行分析，分段多簇射孔優(yōu)化＋大排量技術(shù)與縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)有利于保障射孔簇有效開啟；此外，應(yīng)用連續(xù)油管快速處理＋小直徑橋塞分段和射孔槍分級泵送技術(shù)，解決了部分套管變形井的壓裂丟段問題，套管變形井在壓裂施工中的入井液量和支撐劑用量超過了設(shè)計(jì)值的90%。

該區(qū)塊后續(xù)還需加強(qiáng)壓前可壓性精細(xì)化評價(jià)與壓后評價(jià)，進(jìn)一步評估段間距、簇間距、射孔參數(shù)及壓裂液、支撐劑及其組合與儲層物性的匹配性，提升壓裂改造針對性和增產(chǎn)效果；同時(shí)，還需進(jìn)一步加強(qiáng)套管變形機(jī)理及應(yīng)對措施的研究，提高套管變形井段壓裂改造的效果，進(jìn)一步減少壓裂段的丟失。

5 結(jié)論

1）威榮區(qū)塊頁巖氣主力產(chǎn)層物性、含氣性、保存條件等較好，資源量豐富，具有規(guī)?；óa(chǎn)基礎(chǔ)。但由于地應(yīng)力高、水平應(yīng)力差值大、層間非均質(zhì)性強(qiáng)等特殊的工程地質(zhì)特征，導(dǎo)致加砂壓裂困難、敏感砂比低，壓裂形成的裂縫復(fù)雜程度低、改造體積偏小、壓裂后穩(wěn)產(chǎn)能力較差等問題。

圖2 WY23-1HF井壓裂后試采曲線圖

表3 威榮區(qū)塊頁巖氣水平井壓裂施工、測試參數(shù)簡表

2）針對威榮區(qū)塊深層頁巖氣水平井的壓裂改造難點(diǎn)，形成了“超高壓、大排量、大液量、縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向、變排量”工藝以增大壓裂改造體積，并提高遠(yuǎn)井區(qū)域裂縫復(fù)雜程度，形成了“分段多簇射孔優(yōu)化＋大排量”及“縫口暫堵轉(zhuǎn)向”技術(shù)以保障射孔簇改造的有效性，形成了“大排量、高黏度、低砂比、低密度、小粒徑連續(xù)加砂”工藝以提高加砂強(qiáng)度和裂縫的導(dǎo)流能力，形成了連續(xù)油管快速處理＋小直徑橋塞、射孔槍分體泵送的套變井壓裂改造技術(shù)。

3）采用所形成的壓裂工藝，該區(qū)塊5口頁巖氣水平井壓裂后獲得的頁巖氣無阻流量平均為26.11×104m3/d，改造效果較好。