復(fù)雜構(gòu)造區(qū)深層頁巖氣藏射孔參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用
——以涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊為例

劉 堯 文

中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

0 引言

目前，通過借鑒國外成熟的長水平井開發(fā)模式，充分考慮頁巖氣儲層特殊的脆性及應(yīng)力特征、小層非均質(zhì)性特征，建立了適用于四川盆地涪陵頁巖氣田的長水平井分段壓裂技術(shù)。壓裂改造理念由前期“增產(chǎn)改造體積（SRV）最大化、復(fù)雜程度最大化”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤岣呓畨毫褟?fù)雜度、增大泄氣面積”，提出了“少段多簇密切割+限流+暫堵轉(zhuǎn)向+高強度加砂”的新一代壓裂工藝，大幅度提高了頁巖氣單井產(chǎn)量。

隨著頁巖氣勘探開發(fā)進程的不斷深入，深層、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域也成了重點技術(shù)突破的對象[1-2]。除了要應(yīng)對深層頁巖氣普遍存在的施工壓力高、加砂困難、裂縫復(fù)雜程度低等難題外，復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域的構(gòu)造、巖性、應(yīng)力等復(fù)雜特征也給壓裂改造帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3-6]。以涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊深層頁巖氣藏為例，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造多變、斷裂發(fā)育，應(yīng)力復(fù)雜：①同一口水平井，各段壓裂施工難度不一、施工壓力多變；②同一區(qū)域的相鄰井，即使采用相同的壓裂參數(shù)與條件，壓后頁巖氣產(chǎn)量差異巨大。傳統(tǒng)的、針對均質(zhì)儲層的壓裂優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，很難實現(xiàn)該區(qū)頁巖氣儲量的有效動用，必須充分考慮地質(zhì)條件影響，實現(xiàn)“一段一策”的精細化壓裂設(shè)計，是實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域難動用儲量有效開發(fā)的唯一方式。

近年來，水平井多簇壓裂裂縫擴展模擬研究中，大多數(shù)學(xué)者都主要將儲層視為均質(zhì)狀態(tài)，通過建立二維、擬三維擴展數(shù)值模型分析多簇裂縫的擴展行為[7-15]。但是，綜合考慮儲層縱向應(yīng)力與小層物性差異影響的多裂縫擴展相關(guān)研究工作較少，現(xiàn)場缺乏壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化的理論支撐與優(yōu)化手段[16]。為此，筆者以涪陵頁巖氣田白馬復(fù)雜構(gòu)造區(qū)向斜北翼1口深層評價井JYA-1HF為研究目標，基于平面三維多裂縫擴展模型，針對目標井縱向應(yīng)力與小層物性差異，模擬不同穿行層位、壓裂簇數(shù)、射孔數(shù)量等壓裂工程參數(shù)對裂縫擴展形態(tài)的影響，依據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化不同穿行層位的壓裂工藝參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的開發(fā)效果。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊及周緣五峰組底構(gòu)造圖

白馬區(qū)塊位于四川盆地川東高陡褶皺帶內(nèi)，東臨齊岳山斷層，西臨鳳來、平橋構(gòu)造帶，包含石門—金坪背斜帶與白馬向斜帶2個三級構(gòu)造單元，區(qū)塊構(gòu)造較為復(fù)雜（圖1）。平面上呈現(xiàn)“寬向斜、窄背斜”的北東向隔擋式褶皺構(gòu)造特征。齊岳山、石門斷層為白馬區(qū)塊邊界斷層，其中石門斷層為構(gòu)造主控斷層。由于翼部與主控斷裂兩側(cè)發(fā)育三級、四級斷層，對白馬區(qū)塊含氣性具有一定影響，含氣性變化較大。背斜窄長、斷裂發(fā)育，保存條件較差；向斜相對寬緩，斷裂發(fā)育程度降低，保存條件變好，含氣性較好。其中，白馬向斜區(qū)塊儲層頁巖品質(zhì)較好（①～⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于44.20～52.10 m，有機碳含量介于2.28%～2.46%，孔隙度介于3.16%～3.63%，脆性礦物含量介于57.23%～62.61%），含氣性較高（含氣量介于3.30～4.24 m3/t）。白馬區(qū)塊含氣頁巖段為深水陸棚沉積，頁巖品質(zhì)分布穩(wěn)定，埋藏深度主要介于3 500～4 600 m，總面積為422 km2，含氣頁巖段①～⑨小層地質(zhì)資源量為3 727×108m3，優(yōu)質(zhì)頁巖段①～⑤小層地質(zhì)資源量為1 742×108m3，具有一定開發(fā)潛力。

2 壓裂改造難點

涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、儲層非均質(zhì)性強、埋藏深度變深，壓裂改造難度明顯增大，具體表現(xiàn)如下。

1）與焦石壩大型似箱狀斷背斜構(gòu)造不同，白馬區(qū)塊存在多級不同規(guī)模的斷層，改變局部應(yīng)力場，在水平段表現(xiàn)出不同地應(yīng)力特征（拉張應(yīng)變、擠壓應(yīng)變）局部地應(yīng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)變（圖2）。同一口水平井，各段壓裂施工難度不一、施工壓力多變（圖3）。

圖2 局部區(qū)域地應(yīng)力場特征圖

圖3 JYB-1HF分井段施工曲線圖

2）縱向?qū)娱g差異明顯，縱向上不同小層頁巖巖相變化明顯，白馬區(qū)塊①～③小層主要為高碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖相；④～⑤小層以中碳混合頁巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖為主，層間可壓性存在差異（表1）。

3）受構(gòu)造及埋深綜合影響，區(qū)塊地應(yīng)力升高明顯（破裂壓力梯度介于0.021～0.023 MPa/m），上覆巖石壓力高，壓實作用變大，水平應(yīng)力差增大（介于8.0～9.5 MPa），不利于天然裂縫開啟，獲得較大的有效改造體積難度大。

4）構(gòu)造變形較強，構(gòu)造復(fù)雜導(dǎo)致區(qū)域局部地應(yīng)力復(fù)雜與強非均質(zhì)性，水平段前、后段地應(yīng)力應(yīng)變不同且裂縫曲率發(fā)育存在差異，壓裂裂縫形態(tài)控制程度差（圖4）。同一區(qū)域的相鄰井，采用同一壓裂工藝及設(shè)計參數(shù)，壓后產(chǎn)量差異大且整體偏低（表2）。

表1 白馬區(qū)塊各小層基本參數(shù)對比表

3 數(shù)值模擬

為明確白馬區(qū)塊不同壓裂工藝下壓裂裂縫擴展規(guī)律，采用平面三維“井筒—多裂縫擴展”全耦合計算模型進行模擬，該模型流固耦合通過顯式高效算法計算，實現(xiàn)了井筒流動、流量分配與平面三維多裂縫擴展的高效求解，縫邊界追蹤引入解析解提高計算精度，算法準確性已得到全面驗證[12-13]。依據(jù)目標井地質(zhì)參數(shù)建立分析模型，模擬穿行層位、射孔參數(shù)對裂縫擴展形態(tài)的影響，進而指導(dǎo)白馬區(qū)塊目標井壓裂優(yōu)化設(shè)計。

3.1 模擬條件

以白馬區(qū)塊工程地質(zhì)特征為研究對象，根據(jù)測井解釋結(jié)果與小層劃分，建立考慮縱向應(yīng)力存在差異的等效分析模型，如圖5所示。同時考慮不同小層天然裂縫發(fā)育程度存在差異，不同小層設(shè)定不同濾失系數(shù)，模擬基礎(chǔ)參數(shù)如表3所示。

圖4 局部區(qū)域裂縫發(fā)育曲率圖

3.2 模擬與參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 壓裂簇數(shù)的影響

以14 m3/min的固定排量進行壓裂模擬，采用不同數(shù)量的簇數(shù)進行壓裂時（單段內(nèi)總射孔數(shù)60～64孔，單簇射孔數(shù)為整數(shù)），裂縫擴展結(jié)果如圖6所示。在相同注入排量及壓裂規(guī)模條件下，隨壓裂簇數(shù)的增多，各簇縫長、縫高呈現(xiàn)降低趨勢，同時多裂縫的非均勻擴展現(xiàn)象加重。水平井穿行層位及各小層物性特征、應(yīng)力狀態(tài)也會影響水力裂縫擴展形態(tài)。當(dāng)裂縫在不同小層內(nèi)起裂與擴展后，縫間的應(yīng)力干擾會增加部分擴展阻力。但是裂縫會通過縫高方向擴展、偏移至阻力更低的隔層，會造成不同小層改造非均勻性，進而造成了最優(yōu)簇數(shù)的不同。

當(dāng)水平井穿行優(yōu)質(zhì)①小層時，低簇數(shù)條件下，縫內(nèi)凈壓力較高，外側(cè)簇裂縫縫高順利突破③、④小層的高應(yīng)力層段，擴展至⑤小層、縫高接近52 m，同時外側(cè)簇裂縫在⑤小層內(nèi)部延伸較長距離（半長200 m），如圖6-a所示。隨著簇數(shù)的增多，裂縫縫高擴展明顯受到③小層應(yīng)力隔層限制，遠井裂縫由于縫內(nèi)凈壓力較近井區(qū)域低，縫高截止于①～②小層。近井區(qū)域裂縫由于縫內(nèi)凈壓力較高，部分在應(yīng)力陰影與縱向應(yīng)力差異的綜合作用下，部分簇裂縫穿層到達⑤小層，如圖6-b所示。當(dāng)簇數(shù)高于9簇之后，由于各簇進液量分流作用嚴重，各簇裂縫縫高擴展嚴重受到限制，僅個別簇裂縫可進入③小層，水力裂縫主要在①小層，改造后儲層縱向溝通程度較差，如圖6-c所示。相比之下，當(dāng)水平井穿行③小層時，隨著簇數(shù)的增多，壓裂段內(nèi)水力裂縫累計裂縫面積明顯增加，如圖6-d～f所示。

表2 白馬區(qū)塊水平井壓裂參數(shù)與測試產(chǎn)量匯總表

圖7為水平井分別穿行①、③小層時，不同簇數(shù)壓裂的壓后裂縫累計面積統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，壓裂簇數(shù)并不是越多越好，需要綜合考慮水平井穿行層位特征與各小層層間差異（應(yīng)力、濾失特性）。當(dāng)水平井穿行層理極發(fā)育、濾失較快且地應(yīng)力偏低的①小層時，需要適當(dāng)減少簇數(shù)，保證單簇裂縫進液量與縫內(nèi)凈壓力，促進裂縫高度方向的擴展，提高儲層縱向動用。當(dāng)水平井穿行層理發(fā)育且地應(yīng)力較高的③小層時，可以通過增加簇數(shù)、減少簇間距來提高水力壓裂裂縫密度、縮短滲流距離，提高儲層改造效果。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化后穿行①小層時壓裂應(yīng)以5簇為主，簇間距為15 m；穿行③小層時9簇壓裂效果最佳，簇間距為10 m。

圖5 各小層及縱向應(yīng)力加載示意圖

表3 基礎(chǔ)模擬參數(shù)表

圖6 壓裂簇數(shù)（N）對裂縫擴展形態(tài)的影響圖（不同穿行層位）

3.2.2 限流壓裂的影響

依據(jù)上文模擬結(jié)果，水平井穿行①和③小層時分別采用5簇（簇間距為15 m）和9簇（簇間距為9 m）進行壓裂模擬。固定注入排量14 m3/min，采用不同單簇射孔數(shù)進行模擬的裂縫擴展模擬結(jié)果如圖8所示。為評價多簇裂縫的非均勻擴展程度，利用各簇裂縫累計進液量的標準偏差來反映各簇裂縫進液量差異，標準偏差越大、進液量差異越大、非均勻擴展越嚴重。各簇裂縫進液量分布標準偏差（Sd）計算式為[14]：

圖7 壓裂簇數(shù)對裂縫擴展的影響圖

式中N表示壓裂簇數(shù)，簇；k表示壓裂裂縫序號，k=1，2，…，N；Vk表示進入裂縫k的累計液體體積，m3；Vt表示注入液體總體積，m3。

根據(jù)模擬結(jié)果，相同簇數(shù)壓裂時，減少單簇射孔數(shù)有利于提高壓裂段內(nèi)改造均勻性。當(dāng)水平井穿行①小層、5簇壓裂時，隨著單簇射孔數(shù)量的降低，各簇進液量差異減少系數(shù)，由單簇12孔時的3.22%降至單簇4孔的0.39%（圖8-a）。同時，隨著孔數(shù)降低，各簇壓后的裂縫形態(tài)也更加均勻，外側(cè)裂縫縫高明顯降低、中間簇縫高增加（圖8-a）。各簇壓裂裂縫面積差異系數(shù)由單簇12孔時的4.45%降至單簇4孔的1.47%。單簇6孔時產(chǎn)生最大壓裂裂縫面積，為4.86×104m2。當(dāng)水平井穿行③小層，每簇7孔壓裂時中間簇裂縫擴展受到外側(cè)簇裂縫影響，存在非均勻擴展現(xiàn)象（各簇進液量差異系數(shù)與各簇壓后人工裂縫面積差異系數(shù)達到1.64%與3.4%（圖8-d）。其中，①小層內(nèi)的裂縫非均勻擴展程度尤為明顯，外側(cè)簇裂縫是中間簇裂縫長度的2倍以上。隨著每簇孔數(shù)降低，裂縫非均勻擴展程度降低，單簇4孔時的各簇進液量差異系數(shù)與各簇壓后人工裂縫面積差異系數(shù)分別降低至0.29%與0.99%（圖8-b）。每簇孔數(shù)進一步降低時，非均勻擴展程度雖然會進一步降低，但是射孔摩阻開始大幅度提高，為地面壓裂設(shè)備與井口裝置增加了額外使用壓力。綜合考慮施工壓力、各簇非均勻進液程度、壓裂段內(nèi)的裂縫累計面積與改造均勻性，水平井穿行①小層和③小層時，優(yōu)化單簇射孔數(shù)分別為6孔和4孔（圖9）。

圖8 單簇射孔數(shù)對裂縫擴展形態(tài)的影響圖（不同穿行層位、不同壓裂簇數(shù)）

4 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

JYA-1HF井是位于涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊白馬向斜北翼1口評價井，該井主力產(chǎn)層位于上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組，水平井試氣段長1 423 m。該井水平段宏觀地應(yīng)力為弱—中等強度的擠壓應(yīng)變，井筒及兩側(cè)應(yīng)力強度較均勻、方向穩(wěn)定；水平段縱向裂縫總體不發(fā)育，井筒區(qū)域曲率呈斑點狀展布，共發(fā)育5個弱—中曲率段，其中靠近B靶為中曲率，其余為弱曲率（圖4）。水平段井筒兩側(cè)與小斷層距離較遠，受其影響較小。整體地質(zhì)構(gòu)造條件有利于壓裂改造。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，該井主體壓裂工藝思路以提升裂縫質(zhì)量、增大有效泄氣面積為核心，采用“多簇密切割+限流壓裂+高效鋪置”壓裂工藝模式，并針對水平井穿行軌跡的不同（①、③小層），采取差異化的壓裂工藝參數(shù)。依據(jù)模擬結(jié)果，穿行①小層時，主體壓裂工藝參數(shù)采用5簇限流射孔，射孔數(shù)為30孔/段（單簇6孔），簇間距介于12～16 m；穿行③小層時，采用9簇限流射孔，射孔數(shù)為36孔/段（單簇4孔），簇間距介于9～11 m。為保證主裂縫的順利延伸，降低砂堵風(fēng)險，不同層位壓裂時均采用前置高黏減阻水。JYA-1HF井共完成20段壓裂，壓裂液為35 220.87 m3，用液強度為24.75 m3/m，總砂量為1 650.85 m3，加砂強度為1.80 t/m，施工排量介于14～16 m3/min，平均施工壓力為59.39 MPa，平均砂比為7.39%，最高砂比為17 %。

JYA-1HF井壓裂后采用直徑12 mm的油嘴放噴測試，獲得12.72×104m3/d產(chǎn)量，套管壓力為12.4 MPa，較該區(qū)塊其他井提升明顯，為涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊目前測試產(chǎn)量最高的井。該井在壓裂后進行產(chǎn)氣剖面測試，其解釋結(jié)果如圖10所示。從產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果來看，除少部分井段外，大部分壓裂段取得了較好的改造效果，尤其第6、16、18段，單段產(chǎn)氣量均在1×104m3/d以上。綜合來看，本井各項工藝措施在白馬復(fù)雜構(gòu)造區(qū)取得了突破，克服了構(gòu)造斷層復(fù)雜、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、深層常壓等系列客觀不利因素，各項針對性工藝措施在不同小層應(yīng)用良好，各項施工指標均達到了要求，氣井增產(chǎn)效果明顯。

圖10 JYA-1HF井產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果圖

5 討論與分析

JYA-1HF井不同穿行層位，針對不同穿行層位，采用差異化的分段分簇和孔數(shù)設(shè)計。相同的射孔參數(shù)與泵注條件下，同層各段產(chǎn)氣量差異大。為了明確壓裂段產(chǎn)量差異的主要原因，需要對該井水平段的地質(zhì)、工程參數(shù)進行綜合分析。本井第6、8、10、16、18段為高產(chǎn)段，產(chǎn)量遠高于相鄰壓裂段，對比地質(zhì)、工程參數(shù)均無明顯優(yōu)勢，但對照縱向曲率圖可以發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)段與水平段中的5個裂縫曲率發(fā)育區(qū)吻合度較高（圖11）。因此，無法通過數(shù)據(jù)定量化的天然裂縫發(fā)育程度，可能是造成局部壓裂段高產(chǎn)的原因之一。

圖11 JYA-1HF水平井段裂縫發(fā)育曲率解釋結(jié)果與高產(chǎn)段的關(guān)系圖

表4 JYA-1HF井各壓裂段未開啟簇數(shù)統(tǒng)計表

另外，JYA-1HF井水平段共測試射孔簇113簇，未開啟簇數(shù)為21簇，占總簇數(shù)的18.6%，其中①小層測試18簇，僅1簇未開啟，③小層測試81簇，有16簇未開啟，③小層壓裂段無效射孔簇占比達到19.8%（表4）。相比于①小層壓裂工藝，③小層壓裂工藝段簇間距更小、單段射孔簇數(shù)更多。從各簇的貢獻對比來看，現(xiàn)有密切割、限流工藝條件下，部分射孔簇出現(xiàn)無氣無液現(xiàn)象，且主要集中在單段多簇的③小層（圖12）。主要是由于③小層壓裂簇數(shù)更多、簇間距更短，簇間裂縫擴展時的應(yīng)力干擾更嚴重，不可避免地增加了無效簇數(shù)的比例，段內(nèi)36孔的限流無法滿足各簇裂縫均勻延伸的需求。然而，各段未開啟射孔簇占比與各段產(chǎn)量占比呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，未開啟的無效射孔簇越多、產(chǎn)量越低（圖13）。那么，在提升水平段裂縫覆蓋率及儲量動用程度方面，③小層的射孔參數(shù)具有進一步優(yōu)化提升的空間。

圖12 不同簇數(shù)壓裂無效射孔簇占比圖

圖13 各段未開啟射孔簇占比與產(chǎn)量占比的關(guān)系圖

6 結(jié)論

1）進行壓裂段內(nèi)簇數(shù)優(yōu)化時，需要綜合考慮水平井穿行層位各小層物性特征與應(yīng)力狀態(tài)的差異。當(dāng)水平井穿行層理極發(fā)育且地應(yīng)力偏低的①小層時，應(yīng)保證單簇裂縫進液量與縫內(nèi)凈壓力，否則會使得縫高擴展嚴重受限。

2）相同簇數(shù)壓裂時，減少單簇射孔數(shù)有利于提高壓裂段內(nèi)改造均勻性、各簇進液量差異，但是較低的射孔孔數(shù)會提高射孔孔眼摩阻，提高地面施工壓力。

3）針對不同水平井段穿行層位，采用差異化的分段分簇和孔數(shù)設(shè)計后，大部分壓裂段取得了較好的改造效果，有效提高了單井產(chǎn)量，實現(xiàn)了白馬區(qū)塊增產(chǎn)改造新突破。

4）根據(jù)壓后產(chǎn)氣剖面監(jiān)測結(jié)果，高產(chǎn)壓裂段具有局部裂縫曲率高、無效射孔簇低的特征。在提升水平段裂縫覆蓋率及儲量動用程度方面，③小層的壓裂工藝參數(shù)仍具有優(yōu)化提升的空間。

致謝：感謝中國石化石油勘探開發(fā)研究院周彤博士在裂縫擴展模擬及現(xiàn)場分析方面給予的協(xié)助。