武隆區(qū)塊常壓頁(yè)巖氣藏低成本壓裂技術(shù)

周博成， 熊 煒， 賴建林， 房啟龍

（1.中石化重慶頁(yè)巖氣有限公司, 重慶 408400；2.中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院, 江蘇 南京 210019）

位于渝東南地區(qū)的武隆區(qū)塊為常壓頁(yè)巖氣藏，與高壓頁(yè)巖氣藏相比，具有構(gòu)造復(fù)雜、地層能量弱、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度薄和孔隙度大等特點(diǎn)[1-2]，開發(fā)難度大，產(chǎn)量較低。雖然經(jīng)過多年勘探開發(fā)，我國(guó)已形成高效壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)、多尺度造縫技術(shù)、高密度縫網(wǎng)壓裂和雙暫堵壓裂等一系列常壓頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)[3-6]，并研制了配套的工具設(shè)備，如大通徑橋塞、全溶橋塞、可開關(guān)滑套和全電動(dòng)壓裂泵等[7-8]，但單井產(chǎn)量依然不高，經(jīng)濟(jì)效益低，需要進(jìn)一步降低壓裂施工成本，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)效益開發(fā)。

為此，筆者在分析武隆區(qū)塊地質(zhì)概況及壓裂改造技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了壓裂設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)選了壓裂工具及設(shè)備，研究形成了武隆區(qū)塊常壓頁(yè)巖氣低成本壓裂技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了良好的壓裂改造效果，大幅降低了壓裂成本。

1 地質(zhì)概況及壓裂改造技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)概況

武隆區(qū)塊位于四川盆地東南緣利川—武隆復(fù)向斜武隆向斜，儲(chǔ)層垂深 2 500～4 000 m，壓力系數(shù)1.00～1.10，屬于常壓頁(yè)巖氣藏。區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜，頁(yè)巖品質(zhì)較高壓頁(yè)巖略差，儲(chǔ)層頁(yè)理和筆石發(fā)育，為黑色紋層狀富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖。測(cè)井礦物分析①～⑤小層頁(yè)巖段礦物以石英為主，含量為39.3%～62.3%；黏土含量其次，含量為16.6%～33.8%。儲(chǔ)層整體脆性礦物含量較高，脆性指數(shù)為0.65～0.83[9]。

武隆區(qū)塊地球物理化學(xué)指標(biāo)及儲(chǔ)層物性較好，巖心試驗(yàn)結(jié)果表明五峰組—龍馬溪組一段①～⑤小層頁(yè)巖層段總有機(jī)碳含量平均為4.36%，脈沖孔隙度平均為4.95%，滲透率平均為0.034 mD；測(cè)井解釋①～③小層彈性模量為37～43 GPa，泊松比為0.16～0.21。區(qū)塊天然裂縫發(fā)育，巖心觀察與成像測(cè)井資料分析結(jié)果表明，①、③、⑤小層水平縫與頁(yè)理縫發(fā)育最好，④小層屬于中等發(fā)育，①小層高角度裂縫十分發(fā)育。

1.2 壓裂改造技術(shù)難點(diǎn)

1）武隆頁(yè)巖氣藏屬于殘留向斜型常壓頁(yè)巖氣藏，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度 32～37 m，含氣量大于 4.0 m3/t，游離氣占比53.6%～57.7%。但地層能量低，地層壓力系數(shù) 1.00～1.10，初期產(chǎn)氣量?jī)H為（3～4）×104m3/d，單井 EUR 較低，約為 0.6×108m3，與高壓頁(yè)巖氣相比效益開發(fā)難度大，壓裂極限投資相對(duì)較低。

2）武隆區(qū)塊水平地應(yīng)力差異大，兩向水平應(yīng)力差 14～20 MPa，差異系數(shù) 0.23～0.36。根據(jù)前人試驗(yàn)研究結(jié)果得知，水平地應(yīng)力差異系數(shù)大于0.25更容易形成單一裂縫[10-11]，因此，武隆區(qū)塊可壓性較差，壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度較大。

3）儲(chǔ)層層理縫、高角度構(gòu)造縫非常發(fā)育，壓裂時(shí)容易在井筒附近產(chǎn)生較強(qiáng)的誘導(dǎo)效應(yīng)[12-13]，造成井筒附近儲(chǔ)層過度改造，而距井筒較遠(yuǎn)儲(chǔ)層改造不充分，整體改造體積偏小，且主要集中在近井地帶。

2 壓裂改造技術(shù)對(duì)策

2.1 壓裂段長(zhǎng)及簇?cái)?shù)優(yōu)化

為了形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)和更大的壓裂改造體積，目前普遍的做法是采用密切割體積壓裂技術(shù)。在中長(zhǎng)壓裂段條件下，通過減小簇間距增強(qiáng)簇間應(yīng)力干擾，降低簇間水平地應(yīng)力差，從而形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；但簇間距過小容易造成應(yīng)力陰影，導(dǎo)致縫間干擾嚴(yán)重，中間簇壓裂縫長(zhǎng)較短甚至無(wú)法起裂[14-16]。武隆區(qū)塊前期壓裂井B井壓裂設(shè)計(jì)以3簇射孔為主，共46簇，簇間距平均為22.80 m。產(chǎn)氣剖面顯示，該井有14簇射孔對(duì)于產(chǎn)量沒有貢獻(xiàn)，簇有效率僅為69.6%。

武隆區(qū)塊兩向水平地應(yīng)力差異大，假設(shè)縫內(nèi)凈壓力為7 MPa，泊松比為0.23，計(jì)算水力裂縫產(chǎn)生的疊加誘導(dǎo)應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，通過誘導(dǎo)應(yīng)力減小的水平兩向應(yīng)力差遠(yuǎn)小于武隆區(qū)塊水平地應(yīng)力差（見圖1）。因此，采用密切割方式改善武隆區(qū)塊兩向水平應(yīng)力差，以增大近井地帶裂縫復(fù)雜程度的難度較大。

圖1 不同縫間距誘導(dǎo)應(yīng)力分布Fig.1 Induced stress distribution with different fracture spacing

前人研究表明，在短段長(zhǎng)條件下，單簇壓裂和多簇壓裂對(duì)產(chǎn)能的影響非常小[17-18]。研究確定從強(qiáng)改造單簇入手，增大單簇改造體積。通過減小段長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)全井筒的精準(zhǔn)改造。前期氣田壓裂停泵壓力和最小水平主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表明，單簇射孔縫內(nèi)凈壓力較 3 簇射孔提高 4.0 MPa，較 4 簇射孔提高 4.2 MPa，因此減少射孔簇?cái)?shù)，能夠有效提高縫內(nèi)凈壓力。減少簇?cái)?shù)、在相同排量下提高單簇縫內(nèi)凈壓力，可以克服水平應(yīng)力差，保證每一簇裂縫都能最大程度地延伸擴(kuò)展，達(dá)到最大的改造體積。

減小壓裂段長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂改造，但會(huì)導(dǎo)致壓裂成本大幅度增加，達(dá)不到效益開發(fā)的目的。以段長(zhǎng)75 m的壓裂成本為基準(zhǔn)，測(cè)算了壓裂加砂量和液量相同條件下段長(zhǎng)分別為40，50，60和100 m的無(wú)因次壓裂成本。計(jì)算結(jié)果表明，隨著段長(zhǎng)增加，壓裂成本逐漸降低（見圖2）。

圖2 不同壓裂段長(zhǎng)下的無(wú)因次壓裂成本（以段長(zhǎng)75 m為基準(zhǔn)）Fig.2 Dimensionless fracturing cost for different fracturing stage lengths (based on a 75 m fracturing stage length)

前期武隆區(qū)塊常壓頁(yè)巖氣井試氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，在壓裂液量和加砂量規(guī)模相近的條件下，歸一化無(wú)阻流量和平均日產(chǎn)氣量與壓裂段長(zhǎng)相關(guān)性不明顯（見表1）。因此，為進(jìn)一步論證該相關(guān)性，綜合考慮誘導(dǎo)應(yīng)力和壓裂費(fèi)用，優(yōu)選壓裂段長(zhǎng)為50～60 m，單段簇?cái)?shù)為1 簇。

表1 武隆區(qū)塊開發(fā)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Production data of development wells in Wulong Block

2.2 施工參數(shù)優(yōu)化

為保證壓裂形成最大的改造體積，以每段單簇射孔為例，模擬研究了不同壓裂加砂量和液量下的縫長(zhǎng)、縫高和平均縫寬，結(jié)果如圖3 所示。圖3 中，方案 1 為 1 500 m3液量+80 m3砂量，方案 2 為 1 600 m3液量+85 m3砂量，方案 3 為 1 700 m3液量+85 m3砂量，方案 4 為 1 800 m3液量+90 m3砂量，方案 5 為 1 900 m3液量+95 m3砂量。

圖3 不同壓裂方案的裂縫參數(shù)模擬結(jié)果Fig.3 Fracture parameters simulated under different fracturing schemes

從圖3可以看出，隨著壓裂液量增大，縫長(zhǎng)和縫高隨之增大，平均縫寬則呈下降趨勢(shì)；當(dāng)液量大于1 600 m3、加砂量大于 85 m3后，縫長(zhǎng)和縫高的增加幅度呈明顯的減緩趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著壓裂液量增加，裂縫向上擴(kuò)展至濾失量大的非優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層位，液體效率逐漸降低。為了控制裂縫的向上擴(kuò)展高度、并保證裂縫具有較大的支撐劑流動(dòng)縫寬，綜合考慮井網(wǎng)布置和砂液比，優(yōu)選壓裂施工參數(shù)為：液量 1 600 m3，砂量 85 m3。

2.3 壓裂材料優(yōu)選

為了降低現(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)時(shí)的施工壓力，優(yōu)選了高效減阻劑。該減阻劑的減阻率超過75%，加量低時(shí)可作為減阻水，加量高時(shí)可作為膠液使用。同時(shí)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化了壓裂液的配方，從原來(lái)的4 種組分簡(jiǎn)化為2 種組分。通過優(yōu)選減阻劑和優(yōu)化壓裂液配方，每單位體積壓裂液成本可降低85%。

武隆區(qū)塊水平地應(yīng)力差較大，壓裂施工中要使用較低黏度的壓裂液，在保證主縫縫長(zhǎng)的基礎(chǔ)上提高開啟頁(yè)巖層理及天然裂縫的概率，促使形成支縫或者網(wǎng)狀裂縫。同時(shí)，采用連續(xù)加砂模式，保證主縫中支撐劑均勻鋪置，提高裂縫導(dǎo)流能力。頁(yè)巖氣產(chǎn)能主要由水力裂縫網(wǎng)絡(luò)中的微裂縫提供[19-20]，因此增加小粒徑支撐劑的使用量，以支撐微裂縫。根據(jù)氣田其他區(qū)塊的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，小粒徑支撐劑占比達(dá)到1/3 時(shí)，能夠獲得較好的分級(jí)支撐效果，因此設(shè)計(jì)70/140 目支撐劑使用比例約為1/3。

支撐劑費(fèi)用是壓裂施工總費(fèi)用的主要組成部分，也是最具有降本潛力的費(fèi)用組成部分。陶粒強(qiáng)度高，能夠在高閉合應(yīng)力條件下保持較好的導(dǎo)流能力，但成本比較高；石英砂強(qiáng)度低，裂縫閉合后破碎率高，支撐縫寬小，但成本較低。以全陶粒支撐劑的費(fèi)用為基準(zhǔn)，測(cè)算了單段加砂85 m3的費(fèi)用，結(jié)果如圖4所示（圖4中，支撐劑組合1為70/140 目陶粒 27.0 m3+40/70 目陶粒 53.0 m3+30/50 目陶粒 5.0 m3；組合 2 為 70/140 目陶粒 27.0 m3+40/70 目陶粒 26.5 m3+40/70 目石英砂 26.5 m3+30/50 目陶粒 5.0 m3；組合3 為 70/140 目陶粒 27.0 m3+40/70 目石英砂 53.0 m3+30/50 目陶粒 5.0 m3；組合 4 為 70/140 目石英砂 27.0 m3+40/70 目陶粒 26.5 m3+40/70 目石英砂 26.5 m3+30/50目陶粒 5.0 m3；組合 5 為 70/140 目石英砂 27.0 m3+40/70 目石英砂 53.0 m3+30/50 目陶粒 5.0 m3；組合 6為 70/140 目石英砂 27.0 m3+40/70 目石英砂 53.0 m3+30/50 目石英砂 5.0 m3）。

圖4 不同支撐劑組合的無(wú)因次費(fèi)用對(duì)比（以全陶粒為基準(zhǔn)）Fig.4 Dimensionless cost comparison for different proppant combinations (based on ceramic)

從圖4可以看出，隨著石英砂比例增大，支撐劑費(fèi)用下降明顯。為了避免使用陶粒導(dǎo)致的壓裂成本大幅增加，且提高石英砂的鋪砂濃度可以獲得與相同粒徑陶粒相近的支撐效果[21]，主體支撐劑選用低成本石英砂，尾追30/50 目陶粒進(jìn)行縫口充填，確定支撐劑組合為 70/140 目石英砂 27.0 m3+40/70 目石英砂 53.0 m3+30/50 目陶粒 5.0 m3。

2.4 壓裂設(shè)備選擇

目前，壓裂施工主要采用柴油壓裂車機(jī)組進(jìn)行施工。柴油壓裂車單車功率較低，因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要準(zhǔn)備16～20 臺(tái)壓裂車，施工成本較高。同時(shí)，傳統(tǒng)壓裂車能耗大，大氣污染物排放量大，且壓裂施工時(shí)噪音大。

電動(dòng)壓裂設(shè)備與柴油壓裂車機(jī)組相比，具有能力更強(qiáng)、施工更穩(wěn)定的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工僅需配置10臺(tái)電動(dòng)壓裂泵。全電動(dòng)壓裂設(shè)備相對(duì)于柴油壓裂車機(jī)組，單段柴油使用量減少14.5 t，大氣污染物總排放量降低77%。電動(dòng)壓裂設(shè)備運(yùn)行噪音基本能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)周圍環(huán)境噪聲的規(guī)定要求，且壓裂施工費(fèi)用更低，符合低成本高時(shí)效壓裂的要求。據(jù)測(cè)算，相對(duì)于柴油壓裂車機(jī)組，全電動(dòng)壓裂設(shè)備壓裂施工成本能夠降低40% 以上[8]。因此，武隆區(qū)塊壓裂施工優(yōu)先選用電動(dòng)壓裂設(shè)備。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

常壓頁(yè)巖氣藏低成本壓裂技術(shù)在A井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。A 井是位于武隆向斜南翼的一口評(píng)價(jià)井，目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組，水平井試氣長(zhǎng)度為1 731 m，最大水平主應(yīng)力方位為 NW355°。

依據(jù)精細(xì)改造的理念，A 井采用無(wú)限級(jí)滑套完井技術(shù)，此類滑套屬于投球固井滑套，已在南川氣田多口井成功試驗(yàn)[22]?；自谕昃畷r(shí)隨套管下入井筒，通過固井水泥與地層固結(jié)，壓裂時(shí)投入夾筒和可溶壓裂球打開滑套并分隔上一壓裂段，相當(dāng)于射孔橋塞分段中的“一段一簇”射孔效果。該井設(shè)計(jì)壓裂31 段，其中趾端滑套1 段，無(wú)限級(jí)滑套28 段，常規(guī)射孔2 段，平均段長(zhǎng)55.80 m，其中常規(guī)射孔段每段射孔6 簇。

A 井壓裂 31 段，用液量共 53 662.8 m3，其中鹽酸 453.3 m3，膠液 625.0 m3，滑溜水 52 584.5 m3。支撐劑用量 2 852.4 m3，其中 70/140 目石英砂 1 111.1 m3，40/70 目石英砂 1 574.3 m3，30/50 目陶粒 167.0 m3。壓裂施工時(shí)，通過及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)及泵注程序，縮短了單段壓裂時(shí)間，提高了壓裂時(shí)效。現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)化調(diào)整措施包括以下幾個(gè)方面：

1） 減少前置酸液用量。根據(jù)前5 段壓裂施工經(jīng)驗(yàn)，造成起裂壓力偏高的原因主要為近井筒的地層污染，適當(dāng)減少前置酸液用量對(duì)起裂壓力降低幅度影響不明顯。

2） 快提排量，大排量持續(xù)施工。大排量施工不僅能保持較高的縫內(nèi)凈壓力，維持裂縫的持續(xù)擴(kuò)展，而且能夠顯著縮短壓裂施工時(shí)間。

3） 高砂比連續(xù)加砂。提高連續(xù)加砂砂比能夠讓裂縫具有較大的支撐縫寬，不易閉合，且能縮短壓裂施工時(shí)間。

4） 頂替時(shí)使用20 m3膠液。高砂比連續(xù)加砂會(huì)導(dǎo)致井筒積砂嚴(yán)重，為保障下一段夾筒順利打開滑套，在每一段施工結(jié)束頂替時(shí)泵入20 m3高黏度膠液，攜帶井筒積砂進(jìn)入地層。該井的典型壓裂施工曲線如圖5所示。

圖5 A 井典型壓裂曲線Fig.5 Typical fracturing curve of Well A

通過以上針對(duì)性優(yōu)化，利用滑套壓裂施工無(wú)需泵送射孔的特點(diǎn)，A 井創(chuàng)造了了單井單機(jī)組單日壓裂8段的紀(jì)錄。

該井壓裂后用φ10.0 mm油嘴放噴求產(chǎn)，穩(wěn)定產(chǎn)氣量 3.23×104m3/d，與同平臺(tái) B 井產(chǎn)氣量相當(dāng)。B井采用中等段長(zhǎng)、2～4 簇射孔和全陶粒支撐劑（70/140目陶粒占比17%，40/70目陶粒占比69%）的壓裂模式，單段用液量 1 803.0～2 286.4 m3，單段加砂量 41.5～91.4 m3。A 井目前的試采特征與 B 井基本一致；且在累計(jì)產(chǎn)氣量相同的條件下，返排率約為B 井的1/2，表現(xiàn)出更好的產(chǎn)氣潛力（見圖6）。

圖6 累計(jì)產(chǎn)氣量和返排率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between cumulative gas production and flowback rate

對(duì)比A井和B井生產(chǎn)120 d的氣液比可知，A井氣液比表現(xiàn)與B 井的自噴生產(chǎn)特征相似（見圖7）。同時(shí)，計(jì)算了包括壓裂施工工程費(fèi)用、壓裂材料費(fèi)用、橋塞射孔費(fèi)用、無(wú)限級(jí)滑套費(fèi)用及連續(xù)油管鉆磨橋塞費(fèi)用在內(nèi)的總成本，單井壓裂成本控制在1 500萬(wàn)元以內(nèi)，較B 井降低 52.8%。

圖7 A井和B井不同生產(chǎn)時(shí)間下的氣液比Fig.7 Comparison of gas-to-liquid ratio at different time between Well A and Well B

4 結(jié)論與建議

1）武隆區(qū)塊常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層水平地應(yīng)力差異大，可以采用短段長(zhǎng)、長(zhǎng)簇間距的方式提高縫內(nèi)凈壓力，減小應(yīng)力影響，增加單簇裂縫改造體積，實(shí)現(xiàn)全井精細(xì)改造。

2）通過采取提高壓裂泵注砂比、增加單位長(zhǎng)度加砂量和連續(xù)加砂等措施，能夠保證石英砂在裂縫中形成均勻鋪砂剖面，提高裂縫導(dǎo)流能力，是實(shí)現(xiàn)砂代陶、低成本壓裂施工的關(guān)鍵措施。

3）采用“短段長(zhǎng)+單簇滑套+低黏滑溜水+低成本石英砂+高砂比連續(xù)加砂”的壓裂模式，在武隆區(qū)塊常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層能夠獲得“中等段長(zhǎng)+密切割+全陶粒支撐劑”壓裂模式相似的改造效果，且壓裂成本大幅降低。

4）需要進(jìn)一步研究針對(duì)常壓頁(yè)巖氣藏的降本增效壓裂技術(shù)及施工工藝，實(shí)現(xiàn)常壓頁(yè)巖氣效益開發(fā)。