焦石壩龍馬溪頁巖上部氣層壓裂工藝優(yōu)化與現(xiàn)場試驗

張 馳

(中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司)

0 引言

涪陵頁巖氣田開發(fā)的主力層位為五峰組及龍馬溪組下部的①～③小層。在前期開發(fā)過程中，通過不斷的摸索形成了一套針對①～③小層的體積壓裂工藝(前置膠液快速提高至目標(biāo)排量，減阻水大規(guī)模攜砂)，實現(xiàn)了主力層系的充分改造。目前，隨著涪陵頁巖氣田產(chǎn)建工作的不斷推進(jìn)，需要對③小層以上氣層(上部氣層)開展壓裂改造。但由于區(qū)塊縱向上非均質(zhì)性較強(qiáng)，上部氣層的儲層物性明顯變差，嚴(yán)重影響壓裂改造效果[1- 3]?，F(xiàn)場施工表明，采用過去的體積壓裂工藝和配套參數(shù)進(jìn)行施工，獲得的實際改造效果并不理想。因此，如何通過工藝技術(shù)的調(diào)整有效動用上部氣層，同時盡量避免對下部已開發(fā)氣層進(jìn)行重復(fù)改造，是上部氣層壓裂亟待解決的難題。

筆者針對上部氣層壓裂改造面臨的問題，從增強(qiáng)平面改造強(qiáng)度，控制縱向延展入手，對壓裂施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4- 6]，提出了一套適用于上部頁巖儲層的壓裂改造技術(shù)，現(xiàn)場試驗表明，該技術(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對后期上部氣層的壓裂設(shè)計及施工具有重要的借鑒意義。

1 上下部氣層地質(zhì)特征對比分析

1.1 上下部氣層基本地質(zhì)條件對比

通過焦石壩區(qū)塊內(nèi)多口取心井的巖心數(shù)據(jù)對不同小層的儲層基本特征進(jìn)行對比結(jié)果來看，上下部氣層地質(zhì)特征差異明顯，相比于下部氣層，上部氣層的TOC含量由2.01%～4.03%下降至0.86%～3.17%，孔隙度由3.12%～3.31%下降至2.75%～3.02%；黏土礦物含量由26.13%～27.30%增加至32.10%～52.50%，高導(dǎo)縫條數(shù)由0.20條/m增加至0.56條/m，整體上來看，上部氣層基礎(chǔ)地質(zhì)條件相比于下部①～③小層較差。

1.2 上下部氣層可壓性評價分析

因上部氣層黏土含量增多、脆性指數(shù)降低，導(dǎo)致裂縫起裂難度增加。通過地應(yīng)力參數(shù)計算發(fā)現(xiàn)：在相同構(gòu)造條件下由于上部氣層埋深更淺，導(dǎo)致地應(yīng)力更小(壓力梯度0.022 MPa/m)，但其水平應(yīng)力差、泊松比以及楊氏模量與下部氣層差異不大(水平應(yīng)力差8.7 MPa左右、泊松比0.21左右、楊氏模量36.6 GPa左右)；不同于下部②小層存在高應(yīng)力隔擋層，上部各小層應(yīng)力較為平均且高導(dǎo)縫更加發(fā)育，有利于裂縫縱向上的延伸。因此，上部氣層儲層壓裂改造中裂縫起裂相對困難，縫高方向相對更易延伸，整體上具備形成復(fù)雜縫網(wǎng)的基礎(chǔ)條件[7- 9]。

2 上部氣層壓裂難點及改造對策

有研究表明儲層的造縫效果受脆性指數(shù)、天然裂縫密度、孔隙度等因素影響較大[10- 13]，上部氣層高導(dǎo)縫發(fā)育，不可避免的會對縱向上的改造產(chǎn)生影響，縱向延伸過度可能影響下部氣井的正常生產(chǎn)。早期上部氣層JYA- 1HF壓裂采用下部主力氣層工藝進(jìn)行試驗，采用?8 mm油嘴測試，套管壓力僅7.0 MPa，試氣產(chǎn)量5.3×104m3/d。該區(qū)塊微地震監(jiān)測解釋結(jié)果顯示，相比于下部①～③小層，上部氣層的縫長、縫帶寬延伸明顯受限，縫高擴(kuò)展更為順利，解釋出的有效改造體積(SRV)減小。因此，如何通過工藝措施控制其縱向擴(kuò)展并提高平面改造強(qiáng)度成為上部氣層壓裂改造的難點。結(jié)合前期現(xiàn)場施工經(jīng)驗,提出具體的壓裂改造對策：

(1)增強(qiáng)前期破裂效果。通過前置膠液，提高前期地層破裂效果，高黏液體的注入有助于裂縫的擴(kuò)展，考慮縫高控制，僅在前置階段用膠液，在早期形成優(yōu)勢主縫，避免近井過早產(chǎn)生復(fù)雜縫[14- 16]。

(2)提高平面改造強(qiáng)度。采用多簇射孔，增強(qiáng)簇間的誘導(dǎo)應(yīng)力；在前置膠液形成一定主縫的基礎(chǔ)上，泵入低黏減阻水造支縫、微縫，泵注過程中通過提升凈壓力促進(jìn)裂縫轉(zhuǎn)向[17]。

(3)控制縫高延伸。上部氣層無高應(yīng)力隔擋層，且高導(dǎo)縫發(fā)育，施工排量的快速提升以及施工規(guī)模的擴(kuò)大可能導(dǎo)致縫高方向裂縫延伸過度，施工時必須采用控排量、控規(guī)模的方式減少縱向上的改造[18- 19]。

結(jié)合前期施工經(jīng)驗，明確了上部氣層多簇射孔，前置高黏膠液造主縫，低黏減阻水促復(fù)雜，控排量、控規(guī)模的壓裂工藝思路，在此基礎(chǔ)上通過工藝參數(shù)的優(yōu)化提升壓裂改造效果。

3 上部氣層壓裂改造工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 射孔參數(shù)優(yōu)化

前期通過大量的室內(nèi)模擬以及現(xiàn)場實驗，已經(jīng)證明采用3簇射孔既能保證各簇裂縫的進(jìn)液流量，也能通過多簇間的誘導(dǎo)應(yīng)力促進(jìn)裂縫的復(fù)雜化，但射孔簇間距的大小仍存在優(yōu)化空間，間距過大時各簇裂縫間很難產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力；而間距過小時，各簇間相互影響增強(qiáng)，多裂縫均勻程度降低。室內(nèi)優(yōu)化了3簇射孔條件下的簇間距(見圖1)，優(yōu)化結(jié)果顯示簇間距為20～25 m時，各簇裂縫間存在一定的誘導(dǎo)應(yīng)力且各簇進(jìn)液相對均勻。

3.2 施工排量優(yōu)化

通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，縫長、縫高都隨著施工排量的增加而增長，但當(dāng)縫內(nèi)凈壓力逐漸超過水平主應(yīng)力差時，縫長的延伸趨勢逐漸減緩，縫高方向的延伸則逐漸增加(見圖2，圖3)。因此，當(dāng)前置膠液時，盡量減少縫高方面的擴(kuò)展，應(yīng)控制施工排量在11 m3/min以下；而采用低黏減阻水?dāng)y砂時，應(yīng)逐漸將排量由11 m3/min階梯提升排量至13～14 m3/min，確保縫內(nèi)凈壓力超過水平主應(yīng)力差，提高裂縫的復(fù)雜程度(具體提升時機(jī)以現(xiàn)場施工為準(zhǔn))。

圖1 3簇不同簇間距各簇進(jìn)液量及裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

圖2 不同液性不同施工排量縫內(nèi)凈壓力模擬優(yōu)化結(jié)果

圖3 不同施工排量縫長縫高模擬優(yōu)化結(jié)果

3.3 施工規(guī)模優(yōu)化

建立區(qū)塊三維等效裂縫模型，在此基礎(chǔ)上輸入壓裂施工參數(shù)模擬氣井周邊應(yīng)力的變化，設(shè)定水平段長1 500 m,單段段長80 m,模擬應(yīng)力的變化得到壓裂改造的范圍。模擬結(jié)果顯示，隨著單段壓裂施工規(guī)模的增加，全水平段壓裂平面改造面積(SRA)呈現(xiàn)出前期不斷增大，但后期趨于平穩(wěn)的趨勢，模擬結(jié)果顯示焦石壩區(qū)塊上部氣層壓裂使用1 750 m3左右的施工規(guī)模效果最佳(見圖4)。

3.4 前置膠液用量優(yōu)化

高黏液體用量過多容易造成裂縫縱向延伸過度，導(dǎo)致上部儲層改造與下部溝通。采用Meyer軟件模擬了1 750 m3施工規(guī)模下階梯提升排量時不同前置用量的裂縫形態(tài)，通過模擬結(jié)果優(yōu)化前置膠液用量為150～300 m3(見圖5)。

圖4 不同單段施工規(guī)模全水平段壓裂改造SRA模擬結(jié)果

圖5 不同前置膠液用量裂縫高度模擬優(yōu)化結(jié)果

4 現(xiàn)場工藝試驗

工藝優(yōu)化后，分兩個階段進(jìn)行了現(xiàn)場工藝試驗，第一階段通過裂縫監(jiān)測確定合理的穿行層位，第二階段通過對比測試產(chǎn)量以及生產(chǎn)情況論證壓裂改造工藝的適用性。

(1)JYB- 3HF井穿行于①～⑦小層，該井壓裂過程中穿行于上部小層的壓裂段分別采用原有壓裂工藝和優(yōu)化后的壓裂工藝進(jìn)行施工，并通過微地震對壓裂過程進(jìn)行監(jiān)測。該井第17～19段穿行④小層、第20、21、22段穿行于⑤、⑥、⑦小層，其中第18段、第20段采用下部氣層改造工藝，其余段采用優(yōu)化后的施工工藝。從表1數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，雖然上部氣層壓裂工藝優(yōu)化后比下部氣層改造范圍相對較小，但優(yōu)化后的工藝比優(yōu)化前在平面上事件點波及范圍明顯更大，縱向上則相對較小。

通過試驗看出，優(yōu)化后的工藝有效增大了平面改造強(qiáng)度，控制了縫高方向的延伸，但由于④、⑤、⑥小層高導(dǎo)縫發(fā)育且距離下部儲層更近，壓裂施工不可避免會對下部儲層產(chǎn)生影響。因此，結(jié)合微地震監(jiān)測結(jié)果選擇上部⑦、⑧小層作為上部氣層井的主要穿行小層。

表1 JYB- 3HF壓裂試驗微地震監(jiān)測結(jié)果表

(2)在第一階段試驗的基礎(chǔ)上，第二階段試驗井JYC- 1HF井穿行于焦石壩區(qū)塊上部⑦、⑧小層，考慮縱向縫高影響進(jìn)行縱向錯位布井(圖6)。該井基礎(chǔ)地質(zhì)條件與JYA- 1HF井相當(dāng)(表2)，18段均采用優(yōu)化后的壓裂工藝施工，射孔簇數(shù)以3簇為主，平均簇間距為22.17 m，平均單段液量為1 764.76 m3，平均單段砂量為60.54 m3，前置膠液用量為150 m3且階段排量控制到10～12 m3/min，后期逐漸提升排量至14 m3/min，順利完成18段施工。

測試生產(chǎn)對比分析：JYC- 1HF井壓后采用?8 mm油嘴放噴測試，產(chǎn)量達(dá)到了16.34×104m3/d，套管壓力17.58 MPa，相比優(yōu)化前的JYA- 1HF井壓裂改造效果提升明顯。測試后進(jìn)行投產(chǎn)，從圖7所示的生產(chǎn)曲線對比來看，在同樣采取6×104m3/d的生產(chǎn)制度條件下，JYC- 1HF井雖然相比于其下部的JYC- 2HF井、JYC- 3HF井生產(chǎn)壓力更低，但生產(chǎn)壓力下降幅度基本一致，明顯優(yōu)于優(yōu)化前的JYA- 1HF井。

圖6 JYC- 1HF井與鄰井空間位置關(guān)系圖

表2 JYC- 1HF與JYA- 1HF基礎(chǔ)地質(zhì)條件對比表

圖7 JYC- 1HF井及對比井生產(chǎn)曲線對比圖

鄰井生產(chǎn)監(jiān)測分析看出：在JYC- 1HF井壓裂施工過程中，由于應(yīng)力干擾嚴(yán)重對同平臺下部穿行于①～③小層的生產(chǎn)氣井JYC- 3HF井進(jìn)行關(guān)井處理，壓裂施工結(jié)束后重新開井投產(chǎn)，產(chǎn)量、壓力穩(wěn)定。井底流壓監(jiān)測顯示與JYC- 1HF井壓裂前后與JYC- 3HF的井底流壓下降速率差異不大，壓裂施工前正常生產(chǎn)時井底流壓下降速率為0.004 9 MPa/104m3，壓裂后正常生產(chǎn)井底流壓下降速率為0.004 2 MPa/104m3。因此，可以認(rèn)為該區(qū)域上下儲層的改造并無溝通。

5 結(jié)論與建議

(1)上部氣層相比于下部①～③小層脆性礦物含量降低、高導(dǎo)縫更加發(fā)育，導(dǎo)致上部氣層沿用下部氣層工藝進(jìn)行壓裂改造效果不佳。

(2)針對上部氣層改造的重難點，提出了一套增強(qiáng)平面改造強(qiáng)度，控制縱向裂縫延伸的壓裂改造技術(shù)，包括多簇射孔增加誘導(dǎo)應(yīng)力、前置膠液造主縫、低黏減阻水促復(fù)雜、優(yōu)化施工排量以及規(guī)?？乜p高等，從測試結(jié)果以及微地震監(jiān)測結(jié)果來看，新技術(shù)的采用達(dá)到的預(yù)期的目標(biāo)，有效提高了上部氣層的壓裂改造效果。

(3)在上部氣層的壓裂改造過程中不可避免會對下部儲層造成應(yīng)力干擾，因此，上部氣層選擇穿行⑦、⑧小層，且上下部氣井采用縱向錯位布井的方式增加空間距離來避免重復(fù)改造。從下方投產(chǎn)井的生產(chǎn)情況及井底流壓變化來看，試驗工藝對目前的布井方式適應(yīng)性較好。但若布井方式或地質(zhì)條件發(fā)生改變，還需對施工工藝進(jìn)行針對性的研究及優(yōu)化。