四川盆地威遠(yuǎn)頁巖氣田縫控壓裂關(guān)鍵技術(shù)

肖劍鋒 何懷銀 李彥超 沈建國 鄧 才 鄒龍慶 李俊翔 王一萱

中國石油川慶鉆探工程有限公司

0 引言

四川盆地南部頁巖氣儲(chǔ)層歷經(jīng)多期構(gòu)造，普遍具有水平應(yīng)力差高、非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層巖性復(fù)雜等特點(diǎn)[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)頁巖氣儲(chǔ)層的充分破碎和有效支撐[4-6]，前期壓裂工藝主要借鑒北美的高排量、大液量、大砂量模式，主體參數(shù)以段長60～70 m（單段2～3簇）、泵注排量12 m3/min，加砂強(qiáng)度1.0～1.5 t/m（主體40/70目陶粒）[7-9]為主。川南地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層物性特征為壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)帶來了較大挑戰(zhàn)，前期壓裂效果普遍表現(xiàn)出縫網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單、井間效果差異大等特征[10]，完全沿用北美壓裂工藝體系難以適應(yīng)川南頁巖儲(chǔ)層，亟須針對(duì)川南頁巖氣儲(chǔ)層特征，優(yōu)化升級(jí)現(xiàn)有壓裂工藝技術(shù)體系。

早期學(xué)者基于頁巖有效改造的目的，提出了“體積壓裂”概念[11]，隨著國內(nèi)對(duì)頁巖開發(fā)認(rèn)識(shí)的持續(xù)深入，進(jìn)一步發(fā)展出了以形成密集裂縫為主體的儲(chǔ)量動(dòng)用模式——頁巖“縫控儲(chǔ)量”改造優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，即通過形成多簇的密集壓裂裂縫實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的有效控制[12]，并建立了壓裂縫網(wǎng)完善程度的評(píng)價(jià)方法[13]。目前業(yè)內(nèi)提升段內(nèi)多簇裂縫開啟程度和縫網(wǎng)復(fù)雜性主要有3種方式：第一種是極限限流壓裂（XLE）[14-17]，即大幅度降低射孔數(shù)，通過提升孔眼摩阻減小簇間總摩阻差異，使簇間分流更加均勻，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值手段均證實(shí)了極限限流壓裂有助于提升壓裂效果，但由于模擬手段無法真實(shí)表征因單孔/簇磨蝕不均勻引起的流量動(dòng)態(tài)分配，模擬結(jié)果與實(shí)際情況有一定差異。鄰井光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，極限限流壓裂并不能完全促進(jìn)多簇裂縫均勻開啟[18]。第二種方式是大幅度提升壓裂泵注排量，一般提升至16～20 m3/min[19]，這種方式理論上能夠一定程度提升裂縫開啟數(shù)量和縫內(nèi)凈壓力，有利于多簇壓裂條件下復(fù)雜縫網(wǎng)的形成，但對(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量（需增加至少50%）、管線及井口承壓等級(jí)（需大于105 MPa）等都有更高要求，壓裂作業(yè)投入成本大，同時(shí)增加了套變風(fēng)險(xiǎn)，大規(guī)模推廣應(yīng)用存在一定局限。第三種方式是適時(shí)暫堵轉(zhuǎn)向[20-21]，暫堵材料在流量分配作用下優(yōu)先封堵優(yōu)勢(shì)孔眼，封堵產(chǎn)生的瞬時(shí)水擊壓力可憋開新的孔眼，該工藝在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施相對(duì)方便，但目前存在暫堵設(shè)計(jì)與量化評(píng)估手段有限、暫堵效果不穩(wěn)定等問題，暫堵轉(zhuǎn)向工藝與壓裂工藝融合程度不高。

筆者以四川威遠(yuǎn)地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為研究對(duì)象，針對(duì)頁巖壓裂裂縫“起裂、擴(kuò)展、支撐”的全過程，以多簇暫堵壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及量化評(píng)價(jià)為核心，建立了一套適合于威遠(yuǎn)頁巖氣田的一體化改造技術(shù)體系，并明確了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍，為進(jìn)一步提升威遠(yuǎn)頁巖氣田開發(fā)效益提供了有力支撐。

1 飽和覆蓋+全域支撐壓裂設(shè)計(jì)理念

制約頁巖儲(chǔ)層壓裂效果有2個(gè)關(guān)鍵問題：①壓裂過程中各簇開啟、進(jìn)液程度的不確定性，段內(nèi)各簇改造效果存在明顯的“馬太效應(yīng)”，即由于各簇孔眼、近井摩阻的差異，摩阻小的射孔簇流動(dòng)更快，進(jìn)一步磨蝕造成阻力持續(xù)降低，這些小部分優(yōu)勢(shì)通道會(huì)吸收大部分?jǐn)y砂液；②各級(jí)裂縫有效支撐的不確定性，即由于不同類型支撐劑在各級(jí)裂縫中的運(yùn)移、沉降特征存在差異，造成壓裂裂縫系統(tǒng)的支撐劑綜合鋪置效果不理想，不能形成立體有效支撐。

經(jīng)典達(dá)西及高速非達(dá)西方程都表明額定壓差下頁巖內(nèi)氣體流速與滲流距離、流動(dòng)阻力呈負(fù)相關(guān)。為了最大程度提升氣體流動(dòng)速度，需要通過裂縫系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)層的飽和覆蓋實(shí)現(xiàn)最小滲流距離，同時(shí)通過裂縫系統(tǒng)的全域支撐實(shí)現(xiàn)最小流動(dòng)阻力，即在“體積壓裂”的整體框架下，基于飽和覆蓋+全域支撐的壓裂設(shè)計(jì)理念，達(dá)到段、簇、泵注、暫堵等相關(guān)設(shè)計(jì)的綜合最優(yōu)化。

飽和覆蓋設(shè)計(jì)理念：滲流距離依賴于壓裂裂縫系統(tǒng)的構(gòu)建，簇間距是影響頁巖壓裂裂縫系統(tǒng)覆蓋程度的關(guān)鍵因素。如圖1所示，儲(chǔ)層水平應(yīng)力差較大時(shí)，過大的簇間距會(huì)造成以簇為單位的壓裂裂縫形態(tài)簡(jiǎn)單且相互獨(dú)立，殘留大量未覆蓋區(qū)域（圖中不同顏色代表不同壓裂改造段的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果），而過小的簇間距則可能造成簇間競(jìng)爭(zhēng)起裂過強(qiáng)，導(dǎo)致簇間擴(kuò)展差異過大。因此需要在前期壓裂模式基礎(chǔ)上，結(jié)合儲(chǔ)層力學(xué)特征進(jìn)一步優(yōu)化簇間距，同時(shí)結(jié)合必要的調(diào)整手段保障段內(nèi)各簇均勻起裂和擴(kuò)展。

圖1 前期壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

全域支撐設(shè)計(jì)理念：流動(dòng)阻力與裂縫系統(tǒng)連通程度、有效開度等直接相關(guān)。威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣開發(fā)前期現(xiàn)場(chǎng)壓裂一般主體采用中—高強(qiáng)度、大粒徑支撐劑，配合高用量以保障在壓后高閉合應(yīng)力下裂縫依然有效開啟，但這種模式可能造成各級(jí)裂縫中支撐劑鋪置不理想、不同類別支撐劑作用未得到充分發(fā)揮等問題。全域支撐不再追求單一主裂縫的流動(dòng)能力，而是考慮提升射孔簇裂縫單元綜合流動(dòng)能力，并結(jié)合不同類別支撐劑在多尺度裂縫內(nèi)不同液體中的運(yùn)移、沉降特點(diǎn)，開展綜合優(yōu)化，在考慮經(jīng)濟(jì)邊界效應(yīng)的情況下，以最合適的支撐劑參數(shù)實(shí)現(xiàn)綜合流動(dòng)阻力最小化。

2 頁巖縫控壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

基于飽和覆蓋+全域支撐壓裂設(shè)計(jì)理念，結(jié)合威遠(yuǎn)頁巖地質(zhì)特點(diǎn)，提出了一套以“三換”（主縫換縫網(wǎng)+暫堵?lián)Q排量+粉砂換陶粒）為核心的新一代頁巖縫控壓裂技術(shù)，在進(jìn)一步保障充分構(gòu)建裂縫系統(tǒng)的同時(shí)，有效降低了壓裂工藝、材料成本，為提升頁巖開發(fā)綜合效益提供了有力支撐。

2.1 主縫換縫網(wǎng)技術(shù)

威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖水平主應(yīng)力差一般大于12 MPa，基于裂縫交互力學(xué)準(zhǔn)則[22-23]，壓裂裂縫直接穿越天然裂縫及弱面的可能性較大。提升裂縫復(fù)雜程度現(xiàn)場(chǎng)可行的主體思路有2種：一種是直接提升縫內(nèi)凈壓力，達(dá)到裂縫轉(zhuǎn)向的門檻壓力，包括提升排量、液體黏度等方式，但頁巖現(xiàn)場(chǎng)壓裂簇間分流的特點(diǎn)決定了這種方式效果不明顯；另一種是調(diào)整進(jìn)液剖面，即優(yōu)化段內(nèi)簇?cái)?shù)和簇間距，一定程度拉近以簇為單位的壓裂裂縫使得形成的裂縫系統(tǒng)能夠更大程度覆蓋儲(chǔ)層。

威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖壓裂前期段內(nèi)簇間距一般大于25 m，橋塞上、下簇的簇間距甚至超過40 m，這種模式下射孔簇裂縫單元相互連接程度低，特別是在中、遠(yuǎn)端構(gòu)建交錯(cuò)縫網(wǎng)難度大（圖2-a），“主縫換縫網(wǎng)”的方式是以更密集的主縫替代前期不完善的縫網(wǎng)系統(tǒng)（圖2-b），一定程度緩解儲(chǔ)層高應(yīng)力差條件下分支縫形成難度大的缺陷。

圖2 “主縫換縫網(wǎng)”壓裂示意圖

基于邊界元法建立三維多裂縫壓裂模擬模型[24]，結(jié)合威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)，對(duì)不同壓裂段長、簇?cái)?shù)的壓裂裂縫總面積差異性開展評(píng)價(jià)。模擬結(jié)果表明，在相同用液強(qiáng)度條件下，隨著段內(nèi)簇?cái)?shù)的增加，裂縫總面積總體呈增加趨勢(shì)，但增加幅度逐步減緩；不同段長的合理簇?cái)?shù)范圍不同，折算合理簇?cái)?shù)對(duì)應(yīng)的簇間距基本介于5～10 m（圖3）。模擬結(jié)果證實(shí)了通過適度縮短簇間距，即“主縫換縫網(wǎng)”的方式促進(jìn)各個(gè)射孔簇裂縫單元的連接具有可行性。

圖3 不同壓裂段長下不同簇?cái)?shù)的壓裂裂縫面積模擬結(jié)果圖

2.2 暫堵?lián)Q排量技術(shù)

2.2.1 暫堵與排量相關(guān)性分析

威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層前期改造單段一般設(shè)計(jì)2～3簇，微地震及生產(chǎn)測(cè)井顯示各簇裂縫基本能夠有效開啟，但在“主縫換縫網(wǎng)”的多簇壓裂模式下，排量需要在更多射孔簇間分配，射孔簇的全面開啟及進(jìn)液難度更大。利用降排量測(cè)試解釋及停泵水擊反演技術(shù)[25]，基于壓裂現(xiàn)場(chǎng)22井次300余段的停泵數(shù)據(jù)，對(duì)9～16 m3/min排量范圍內(nèi)單段單次開啟簇?cái)?shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果呈現(xiàn)兩個(gè)明顯特點(diǎn)（圖4）：①隨著壓裂排量的增加，有效開啟簇?cái)?shù)的平均數(shù)（圖中小叉對(duì)應(yīng)數(shù)值）、中位數(shù)（箱體中橫線對(duì)應(yīng)數(shù)值）均呈增加趨勢(shì)，數(shù)據(jù)箱體上邊緣（從小到大位于75%的數(shù)值）、下邊緣（從小到大位于25 %的數(shù)值）也逐步升高；②現(xiàn)場(chǎng)壓裂射孔簇的有效開啟存在一定的偶然性，如排量12 m3/min時(shí)，主體開啟簇?cái)?shù)介于3～5簇，但個(gè)別段會(huì)開啟到7簇，各排量對(duì)應(yīng)的有效開啟簇?cái)?shù)的箱體上、下邊緣相差1～3簇，排量越高主體開啟簇?cái)?shù)上、下邊緣差值越大，表明開啟簇?cái)?shù)的不確定性越高。

圖4 不同排量有效開啟簇?cái)?shù)對(duì)比圖

在多簇壓裂過程中，排量的提升會(huì)激發(fā)開啟更多的射孔簇，但在排量和開啟射孔簇同步增加情況下，排量提升前后分配到各簇的液量差異不明顯。暫堵轉(zhuǎn)向也可以提升射孔簇開啟程度，相比而言其精確性和經(jīng)濟(jì)性更高，因此采用“暫堵?lián)Q排量”的技術(shù)思路，精細(xì)化現(xiàn)場(chǎng)暫堵參數(shù)設(shè)計(jì)，能夠在維持前期壓裂排量的情況下提升縫網(wǎng)覆蓋程度。

2.2.2 投球暫堵時(shí)機(jī)優(yōu)化

基于前文建立的三維多裂縫壓裂模擬模型，開展不同暫堵次數(shù)、時(shí)機(jī)條件下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)（圖5），按照單段壓裂排量12 m3/min，主體開啟簇?cái)?shù)為3～5簇的模擬結(jié)果，一般單段6～9簇的壓裂段考慮采用1次暫堵，9～12簇的壓裂段考慮采用2次暫堵。

圖5 暫堵前、后壓裂模擬效果圖

定義暫堵時(shí)機(jī)為暫堵時(shí)液量占總設(shè)計(jì)液量的比例，以暫堵后多簇裂縫縫長、縫高2項(xiàng)關(guān)鍵幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為目標(biāo)函數(shù)：

式中σfraclength表示裂縫縫長標(biāo)準(zhǔn)差；fifraclength表示第i簇裂縫縫長，m；表示裂縫縫長平均值，m；n表示射孔簇?cái)?shù)；σfracheight表示裂縫縫高標(biāo)準(zhǔn)差；表示裂縫縫長、縫高標(biāo)準(zhǔn)差平均值。標(biāo)準(zhǔn)差平均值越大，意味著裂縫幾何尺寸差異性越大。對(duì)單段暫堵時(shí)機(jī)開展多方案交叉模擬，結(jié)果顯示：對(duì)于1次暫堵，相對(duì)于最佳時(shí)機(jī)，過早和過晚的暫堵都會(huì)造成簇間裂縫擴(kuò)展差異增大（圖6-a），過早暫堵可能阻礙已開啟縫充分發(fā)育，過晚則會(huì)因?yàn)閮?yōu)勢(shì)裂縫過度擴(kuò)展難以實(shí)現(xiàn)有效封堵，合理的暫堵時(shí)機(jī)范圍介于40%～45%；對(duì)于2次暫堵，分別以第1、2次暫堵時(shí)機(jī)為橫、縱坐標(biāo)，不同顏色表示裂縫參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差平均值（圖6-b），可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差平均值較小的區(qū)間呈近橢圓分布，且橢圓短軸與橫坐標(biāo)平行，即第1次暫堵時(shí)間的最佳區(qū)間范圍相對(duì)更小，對(duì)整體裂縫擴(kuò)展影響更顯著，合理的暫堵時(shí)機(jī)組合為第1次30%～35%，第2次55%～65%。

圖6 暫堵縫間擴(kuò)展程度標(biāo)準(zhǔn)差平均值分布圖

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)暫堵球用量優(yōu)化

近年來學(xué)者們通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、數(shù)值模擬等手段對(duì)暫堵機(jī)理開展了大量研究[26-27]，大多是定性評(píng)價(jià)，但現(xiàn)場(chǎng)暫堵涉及到材料投放時(shí)機(jī)、用量等多參數(shù)優(yōu)化，需要建立一套能夠直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法，既保證有效封堵已開啟射孔簇，又不至于過度封堵造成后續(xù)施工困難。

北美頁巖壓后井下電視監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示孔間起裂程度存在顯著的差異性[28]，壓裂現(xiàn)場(chǎng)為了保障暫堵效果，首先需要明確暫堵前開啟的實(shí)際孔數(shù)，基于排量與摩阻變化的階梯降排量測(cè)試是計(jì)算開啟孔數(shù)的直接可行方法[29]，現(xiàn)場(chǎng)階梯降排量曲線如圖7所示。

圖7 階梯降排量典型曲線圖

總摩阻為每個(gè)階梯排量對(duì)應(yīng)的施工壓力與停泵壓力之差，由管道流動(dòng)摩阻、孔眼摩阻和近井摩阻組成，各項(xiàng)摩阻與排量之間的非線性關(guān)系為：

式中pfriction表示總摩阻，MPa；pi表示降排量測(cè)試第i階段壓力，MPa；pISIP表示停泵壓力，MPa；pwell、pperf和pnearwell分別表示井筒流動(dòng)摩阻、孔眼摩阻和近井摩阻，MPa；δ表示水力摩阻系數(shù)；l表示計(jì)算井筒長度，m；d表示井筒內(nèi)徑，mm；q表示泵注排量，m3/min；α表示孔眼摩阻系數(shù)，常數(shù)；ρ表示液體密度，kg/m3；np表示射孔孔數(shù)；dp表示孔眼直徑，mm；cd表示孔眼流動(dòng)系數(shù)，一般取值0.6～0.95[30]；λ表示孔眼摩阻流動(dòng)指數(shù)；β表示近井摩阻流動(dòng)指數(shù)；kwell、kperf和knearwell分別表示井筒流動(dòng)、孔眼和近井綜合摩阻系數(shù)。

針對(duì)有效開啟孔數(shù)計(jì)算的假設(shè)條件：①已開啟各孔眼擴(kuò)徑程度一致，且擴(kuò)徑后孔眼仍保持圓形狀態(tài)；②在降排量階段，所有已開啟孔眼均持續(xù)進(jìn)液，忽略不同排量階段各項(xiàng)系數(shù)的變化；③孔眼摩阻中孔眼流動(dòng)系數(shù)cd在暫堵前經(jīng)過大量攜砂液沖刷已經(jīng)達(dá)到最大值。

實(shí)驗(yàn)條件下，井筒摩阻、孔眼摩阻與排量呈二次方關(guān)系，近井摩阻與排量呈1/2次方關(guān)系，但實(shí)際壓裂過程中攜砂液對(duì)于孔眼的持續(xù)沖刷會(huì)造成孔眼、近井處流動(dòng)更復(fù)雜，因此將孔眼、近井摩阻指數(shù)作為未知數(shù)參與擬合，方程組中未知數(shù)共5項(xiàng)（kwell、kperf、knearwell、λ和β），通過5次及以上的降排量臺(tái)階，擬合可得方程組各項(xiàng)未知數(shù)。系數(shù)中kperf與有效開啟孔數(shù)直接相關(guān)，由于開啟孔眼在壓裂后存在擴(kuò)徑現(xiàn)象，為得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，引入孔眼擴(kuò)徑方程[31]：

式中c表示支撐劑濃度，kg/m3；η表示孔眼擴(kuò)徑系數(shù)， m2·s/kg，砂濃度在300 kg/m3以內(nèi)時(shí)，一般取值1.0×10－13m2·s/kg。計(jì)算時(shí)考慮排量、支撐劑砂濃度等因素，并對(duì)施工時(shí)間進(jìn)行積分，可得到壓裂后孔眼平均直徑（dp），帶入孔眼摩阻系數(shù)方程中求解得到實(shí)際有效開啟孔數(shù)（np）。

考慮運(yùn)移過程中暫堵球?qū)嶋H有效坐封與理想狀態(tài)存在一定誤差，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過程中，按照計(jì)算有效開啟孔數(shù)的110%設(shè)計(jì)暫堵球數(shù)量。

2.3 粉砂換陶粒

威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖一般埋深2 000～3 600 m，閉合壓力45～76 MPa，多種支撐劑的加入是實(shí)現(xiàn)壓裂多級(jí)裂縫全域支撐的關(guān)鍵。早期觀念認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)高閉合壓力狀態(tài)下的裂縫導(dǎo)流能力，需要采用較多中—高強(qiáng)度大粒徑陶粒進(jìn)行支撐，但陶粒成本較高，同時(shí)存在進(jìn)入微細(xì)裂縫相對(duì)困難、沉降速度快等問題。為進(jìn)一步提升壓裂材料經(jīng)濟(jì)效益，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬等方法，對(duì)支撐劑關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定量優(yōu)化。

威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖的滲透率在原始地層壓力下主體介于200～300 nD，按照裂縫寬度1 mm測(cè)算，不論是70/140目石英砂（一般稱為粉砂）還是40/70目陶粒，支撐裂縫的滲透率較頁巖基質(zhì)滲透率都要高出6～8個(gè)數(shù)量級(jí)。相對(duì)于選擇較高強(qiáng)度支撐劑，實(shí)現(xiàn)多尺度裂縫立體支撐更為重要。對(duì)不同導(dǎo)流能力裂縫的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)開展數(shù)值模擬，水平段長2 000 m，主裂縫簇間距10 m，導(dǎo)流能力1～100 D·cm，分支縫導(dǎo)流能力0.001～1 D·cm，模擬生產(chǎn)20年累計(jì)產(chǎn)量分布（圖8）。從總體來看主裂縫、分支縫導(dǎo)流能力與累計(jì)產(chǎn)量均呈正相關(guān)，但在主裂縫導(dǎo)流能力超過10 D·cm，或分支縫導(dǎo)流能力超過0.5 D·cm以后，邊界效應(yīng)較為顯著，累計(jì)產(chǎn)量增幅明顯放緩。

圖8 不同主裂縫、分支縫導(dǎo)流能力水平井20年累計(jì)產(chǎn)量分布圖

基于平板分支縫流動(dòng)數(shù)值模擬開展支撐劑流動(dòng)、鋪置規(guī)律評(píng)價(jià)，基于相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)泵注排量為10 L/min，攜砂液黏度為3 mPa·s，砂濃度160 kg/m3。從結(jié)果看，70/140目石英砂在裂縫中的整體鋪置效果優(yōu)于40/70目陶粒，主裂縫中70/140目石英砂的砂堤前緣位置較40/70目陶粒遠(yuǎn)約30%，砂堤平衡長度長約25%，分支縫中砂堤整體高度也更高（圖9）。

圖9 主裂縫和分支縫中不同支撐劑鋪置形態(tài)圖

在API導(dǎo)流室中開展不同支撐劑組合裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試，巖板支撐劑鋪置濃度5 kg/m2，在設(shè)計(jì)閉合壓力條件下，每組閉合壓力等級(jí)測(cè)定5個(gè)流量對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流室出入口壓力、流量等數(shù)據(jù)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流能力平均值（圖10）。在閉合壓力達(dá)到27.6 MPa前，不同支撐劑組合條件下導(dǎo)流能力均快速下降，之后導(dǎo)流能力降低速度明顯減緩，在到達(dá)最大壓力62.1 MPa時(shí)，所有支撐劑組合裂縫導(dǎo)流能力均小于10 D·cm。

圖10 不同閉合壓力情況下裂縫導(dǎo)流能力曲線圖

平板縫流動(dòng)評(píng)價(jià)表明70/140目石英砂在各級(jí)裂縫中的運(yùn)移能力均優(yōu)于40/70目陶粒，結(jié)合不同支撐劑組合方式條件下裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在主裂縫、分支縫主體導(dǎo)流能力區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)流能力與開發(fā)效果呈正相關(guān)，但相關(guān)性隨著導(dǎo)流能力的進(jìn)一步增加逐步減緩。多手段證實(shí)了目前儲(chǔ)層條件下采用“粉砂換陶?！?，即以粉砂（70/140目石英砂）為主、陶粒（40/70目陶粒）為輔的組合模式具有可行性。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

自2020年以來，新一代頁巖縫控壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在威遠(yuǎn)頁巖氣田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并持續(xù)推廣，有力支撐了威遠(yuǎn)頁巖氣田降本增效，助力實(shí)現(xiàn)了10余口測(cè)試產(chǎn)量超過50×104m3/d的高產(chǎn)井，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果證實(shí)了技術(shù)具有良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 壓裂現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

以“主縫換縫網(wǎng)+暫堵?lián)Q排量+粉砂換陶?！睘榧夹g(shù)核心，對(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)開展全面升級(jí)優(yōu)化，其中段長、簇間距、加砂強(qiáng)度、石英砂比例等參數(shù)較前期壓裂工藝有較大調(diào)整（表1）。

表1 新一代頁巖縫控壓裂工藝主體參數(shù)表

“主縫換縫網(wǎng)”“粉砂換陶?！敝饕莾?yōu)化壓裂參數(shù)，而“暫堵?lián)Q排量”則是對(duì)人工干預(yù)裂縫擴(kuò)展程度的進(jìn)一步升級(jí)。暫堵是縫控壓裂工藝的基礎(chǔ)，前文介紹了關(guān)鍵暫堵參數(shù)設(shè)計(jì)方法，威遠(yuǎn)頁巖壓裂現(xiàn)場(chǎng)為了提高對(duì)螺旋布孔、攜砂液沖刷下孔眼的封堵效率，在材料選擇上創(chuàng)新采用多粒徑（13.5～15 mm）、多密度（0.9～1.4 g/cm3）暫堵球搭配適量1～2 mm暫堵劑顆粒。在威遠(yuǎn)頁巖復(fù)合暫堵壓裂應(yīng)用井中，暫堵材料通過低排量泵送，到位時(shí)壓力響應(yīng)能夠達(dá)到3～4 MPa，暫堵后恢復(fù)大排量時(shí)施工泵壓較暫堵前高5～6 MPa?；诮蹬帕糠治鰷y(cè)算，一般全段射孔簇開啟率能夠達(dá)到85%以上，如圖11所示微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)了精細(xì)化的暫堵工藝能夠提升裂縫系統(tǒng)均勻拓展程度（圖中數(shù)字1～8表示壓裂段數(shù)）。

圖11 暫堵前、后微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

2020年，在威遠(yuǎn)W3平臺(tái)開展新一代頁巖縫控壓裂工藝試驗(yàn)，平臺(tái)共設(shè)計(jì)8口水平井，平均TOC為4.9，孔隙度7.1 %，含氣量7.4 %，平均水平段長2 100 m。8口井按照表1中主體參數(shù)順利完成施工，平均測(cè)試氣產(chǎn)量約60×104m3/d。經(jīng)過2年多的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，產(chǎn)量表現(xiàn)依然良好。新一代頁巖縫控壓裂工藝在威遠(yuǎn)頁巖氣已應(yīng)用100余井次，在相同地質(zhì)條件下，應(yīng)用井平均千米測(cè)試產(chǎn)量較應(yīng)用前增加了7.2%，測(cè)算平均EUR增加了4.3%，同時(shí)由于段內(nèi)簇?cái)?shù)增加2～3倍進(jìn)一步緩解了壓裂過程中的局部應(yīng)力集中，整體套變率較應(yīng)用前下降約28.7%。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

新一代頁巖縫控壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在保障形成復(fù)雜、有效裂縫系統(tǒng)的同時(shí)，進(jìn)一步降低了壓裂綜合成本，主要體現(xiàn)在以下3方面：①精細(xì)化的暫堵轉(zhuǎn)向工藝實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層在段內(nèi)多射孔簇條件下的充分有效改造，支撐了主體段長從前期的60～70 m提升到目前的90～100 m，單井壓裂段數(shù)降低約1/3，直接作業(yè)成本大幅下降；②實(shí)現(xiàn)了各級(jí)裂縫充分支撐，一方面加砂強(qiáng)度大幅度提升到2.5 t/m以上，一方面70/140目石英砂使用比例提升至80%以上，單位長度支撐劑成本下降10%～15%；③采用連續(xù)加砂替代了前期段塞式加砂，液體效率（單位液體攜砂量）提升40%以上，低成本滑溜水比例提升至95%以上，單位長度液體成本降幅超過10%。綜合作業(yè)、支撐劑、液體3方面的成本計(jì)算，新一代優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能夠使壓裂綜合成本下降超過12%。

4 結(jié)論

1）在頁巖儲(chǔ)層高水平主應(yīng)力差條件下，壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)困難，為了保障壓裂裂縫系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)層的飽和覆蓋+全域支撐，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)頁巖氣滲流距離的最小化和氣體流動(dòng)阻力的最小化，提升關(guān)鍵壓裂參數(shù)的適應(yīng)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。

2）形成了“主縫換縫網(wǎng)+暫堵?lián)Q排量+粉砂換陶粒”為核心的新一代頁巖縫控壓裂技術(shù)，優(yōu)化形成了90～100 m主體段長、2.5～3.0 t/m加砂強(qiáng)度、80%粉砂比例、1～2次暫堵的主體工藝參數(shù)系列。

3）新一代頁巖縫控壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在威遠(yuǎn)頁巖氣田開展的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用已達(dá)100余井次，相同地質(zhì)條件下，平均千米測(cè)試產(chǎn)量較應(yīng)用前增加了7.2%，平均EUR增加了4.3%，套變率下降約28.7%，壓裂綜合成本下降超過12%，有力支撐了威遠(yuǎn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)。