焦頁10HF井壓裂技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用分析

裴穎杰 夏蘇疆 馬思卉

摘要：由于頁巖氣儲(chǔ)層低孔隙度、低滲透率等特征，給頁巖氣規(guī)模開發(fā)帶來巨大困難和挑戰(zhàn)，而水平井分段壓裂技術(shù)特別是可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)因具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確、分層壓裂的段數(shù)不受限制、鉆磨橋塞快，對(duì)地層污染小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國內(nèi)頁巖氣壓裂的主流技術(shù)。本文通過對(duì)焦頁10HF井儲(chǔ)層的礦物成分特征、巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力特征及裂縫發(fā)育特征等方面進(jìn)行分析，采用可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)及分簇射孔技術(shù)，并對(duì)壓裂液體系進(jìn)行優(yōu)化選擇，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)施后效果十分明顯，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到16萬方/天。

關(guān)鍵詞：頁巖氣;分段壓裂;可鉆式橋塞;分簇射孔

1、儲(chǔ)層特征

1.1礦物成分特征

不同頁巖儲(chǔ)層的特征各不相同，在頁巖儲(chǔ)層中，硅質(zhì)礦物、黏土礦物、碳酸鹽巖礦物含量的不同，影響儲(chǔ)層脆性指數(shù)的高低。如Barnett頁巖和Woodford頁巖中硅質(zhì)礦物含量高，脆性指數(shù)較高（均大于40%），而Haynesville頁巖黏土礦物含量高，脆性指數(shù)較低，僅為31%，如圖1所示。對(duì)于脆性地層，石英和碳酸鹽巖含量較高，儲(chǔ)層的脆性指數(shù)較大，壓裂時(shí)容易實(shí)現(xiàn)脆性斷裂形成網(wǎng)狀裂縫，從而容易實(shí)現(xiàn)體積改造。而塑性地層，因黏土礦物含量高，塑性特征較強(qiáng)，壓裂改造難度大，易形成雙翼裂縫，一般情況下改造效果不理想。

焦頁10HF井五峰組-龍馬溪組頁巖段巖芯全巖X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示，石英含量為48%，碳酸鹽巖礦物含量6.3%，黏土礦物含量35%。測井解釋顯示，五峰組-龍馬溪組頁巖段石英含量51.8%，脆性指數(shù)達(dá)到71.6%。說明該井儲(chǔ)層脆性特征較強(qiáng)，具備良好的改造條件，容易形成網(wǎng)狀裂縫。

1.2巖石力學(xué)參數(shù)分析

根據(jù)測井解釋，焦頁10HF井水平段泊松比為0.2，楊氏模量35.8GPa，脆性指數(shù)63.7%。有利于壓裂改造，容易增大體積改造。

1.3地應(yīng)力特征分析

壓裂裂縫的形態(tài)取決于地層三向應(yīng)力狀態(tài)，裂縫延伸方向總是平行于最大主應(yīng)力，垂直于最小主應(yīng)力。研究還表明，兩向應(yīng)力差是實(shí)現(xiàn)體積壓裂的重要因素，水平應(yīng)力差越小，壓裂過程中越容易形成復(fù)雜的縫網(wǎng)。

結(jié)合井區(qū)構(gòu)造，井眼軌跡與最小水平主應(yīng)力夾角等因素，綜合確定焦頁10HF井水平段方位為SW230°，與最小水平主應(yīng)力夾角為5°。一般情況下，夾角越小，越有利于壓裂改造。測井解釋水平段各小層頁巖最大水平主應(yīng)力69-75MPa，最小水平主應(yīng)力60-68MPa，最大最小水平主應(yīng)力差7MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)0.1，有利于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

1.4裂縫發(fā)育特征

儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育程度以及方位對(duì)人工裂縫的延伸、縫網(wǎng)的形成有著重要影響。研究表明，儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育程度越好，越容易形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，容易實(shí)現(xiàn)體積改造，而天然裂縫不發(fā)育或不能通過大型壓裂形成復(fù)雜的網(wǎng)格裂縫的頁巖儲(chǔ)層很難成為有效儲(chǔ)層。與此同時(shí)，人工裂縫與天然裂縫之間的角度也對(duì)網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成有影響。

焦頁10HF井優(yōu)質(zhì)頁巖段頁理、水平縫隙較為發(fā)育，其中2、3小層高角度裂縫發(fā)育，總體來看，該井頁巖氣層含氣性好，高角度裂縫發(fā)育，縱向上無明顯隔層，有利于裂縫在縱向上擴(kuò)展和延伸，增大壓裂改造體積。

2、頁巖氣壓裂工藝技術(shù)

2.1可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)

可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)是集水力泵送、射孔與橋塞聯(lián)作以及快鉆橋塞于一體的壓裂工藝，如圖2。該技術(shù)具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確、分層壓裂的段數(shù)不受限制、鉆磨橋塞快，對(duì)地層污染小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國內(nèi)頁巖氣壓裂的主流技術(shù)。

根據(jù)頁巖儲(chǔ)層的巖性及礦物組成特征，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)和測井解釋等因素，焦頁10HF井分為21段。第1段采用連續(xù)油管帶射孔槍進(jìn)行射孔，起出射孔槍，實(shí)施第1段套管加砂壓裂。剩余20段采用泵送電纜橋塞并電引爆坐封、射孔，實(shí)施第2段套管加砂壓裂。重復(fù)以上步驟進(jìn)入下段壓裂，壓裂施工結(jié)束用連續(xù)油管帶磨銑工具鉆磨井下橋塞，鉆塞結(jié)束后下生產(chǎn)管柱測試求產(chǎn)。

2.2水平井分簇射孔技術(shù)

為了壓裂形成網(wǎng)格裂縫，增大改造體積，采用分簇射孔技術(shù)。本井采用每段2-4簇射孔，0.8-1.5m/簇，簇間距12.2-22m，段間距31.2-45m，螺旋布孔，20孔/m，孔徑9.5mm，相位角60°。

2.3壓裂材料選擇

2.3.1壓裂液體系選擇

不同的頁巖儲(chǔ)層應(yīng)所采用的工藝技術(shù)和液體體系是不一樣的，要結(jié)合地層的巖性、敏感性、脆性指數(shù)等方面合理選擇。國外在頁巖氣開發(fā)過程中總結(jié)出了一套壓裂液選擇依據(jù)，如圖3所示。從圖中可以看出，壓裂液類型、加砂濃度及排量大小等與儲(chǔ)層特點(diǎn)有著密切的聯(lián)系。焦頁10HF井屬于脆性儲(chǔ)層，現(xiàn)場采用低黏度液體、低砂比、高排量施工，滿足施工需求。

另外根據(jù)巖石敏感性實(shí)驗(yàn)分析，焦頁10HF井頁巖儲(chǔ)層屬于弱水敏地層，敏感性不強(qiáng)，適合采用低黏度的滑溜水壓裂液。因?yàn)榛锼軌蜻M(jìn)入更深的裂縫網(wǎng)格中，從而形成更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)和泄氣面積，增大改造體積;同時(shí)返排率高、殘?jiān)?，減少了對(duì)地層的二次傷害。而交聯(lián)凍膠壓裂液由于黏度高，很難進(jìn)入微裂縫，改造范圍較小，且成本較高。圖4為滑溜水壓裂和交聯(lián)凍膠壓裂改造范圍d的比較曲線。從圖中可以看出，滑溜水壓裂液延展距離較長，改造體積較大。

鑒于單獨(dú)使用滑溜水體系，雖形成了網(wǎng)絡(luò)裂縫，但其覆蓋范圍極為有限。而膠液體系由于攜砂能力強(qiáng)，能在主裂縫中形成高導(dǎo)流裂縫通道。所以綜合評(píng)價(jià)后焦頁10HF井分段壓裂采用滑溜水+膠液的復(fù)合壓裂液體系，同時(shí)為了降低破裂壓力和施工壓力，采用酸液預(yù)處理。本井分21段，優(yōu)化施工排量為16-18m/min，優(yōu)化壓裂液規(guī)模為45300m。其中滑溜水38774m3，膠液6096m3，酸液430m3。

2.3.2支撐劑優(yōu)選

考慮該井頁巖儲(chǔ)層中部埋深3302m，閉合應(yīng)力為55-65MPa，以及支撐劑耐壓性和導(dǎo)流能力，采用70/140目粉陶+40/70目低密度陶粒+30/50目低密度陶粒組合。

3、應(yīng)用分析

3.1施工概況

該井壓裂施工累計(jì)注入滑溜水41546m3，膠液4535.5m3，支撐劑2007.6m3，其中，70/140目粉陶504.8m3，40/70目低密度陶粒1235.9m3，30/50目低密度陶粒266.9m3，最大破裂壓力88.9MPa。加砂過程比較順利，與壓前預(yù)測基本一致。

3.2壓后效果分析

壓裂后先后采用套管8mm、12mm油嘴控制放噴，當(dāng)累計(jì)返排液2223.58m3時(shí)見氣。后采用12mm油嘴控制放噴，套壓13.5MPa，測試穩(wěn)定日產(chǎn)氣量16萬方/天高產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了該井產(chǎn)量的突破，達(dá)到了頁巖氣井壓裂改造的目的。

4認(rèn)識(shí)與結(jié)論

4.1頁巖氣屬于典型的非常規(guī)氣藏，其成藏規(guī)律、儲(chǔ)集空間和滲流規(guī)律有其自身特點(diǎn)。該井采用可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)，不僅具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確等優(yōu)點(diǎn)，而且易鉆橋塞鉆磨較快，對(duì)地層污染較小。

4.2焦頁10HF井頁巖儲(chǔ)層硅質(zhì)含量高，黏土含量低，脆性特征明顯，現(xiàn)場采用低黏度、低砂比、大排量的復(fù)合壓裂液體系，能滿足現(xiàn)場施工需求，壓裂時(shí)容易形成網(wǎng)狀裂縫，實(shí)現(xiàn)體積改造。

4.3該井壓裂后喜獲高產(chǎn)氣流，預(yù)示該區(qū)塊具有巨大的勘探開發(fā)潛力，同時(shí)為今后頁巖氣分段壓裂施工提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

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作者簡介：

裴穎杰，1985年生，工程師，現(xiàn)從事頁巖氣壓裂試氣等方面的技術(shù)管理工作。