高閉合壓力下深層頁(yè)巖氣促縫網(wǎng)強(qiáng)支撐壓裂工藝

引用格式：李德旗，劉春亭，朱炬輝，胥云，王榮，張俊成，吳凱，潘丹丹. 高閉合壓力下深層頁(yè)巖氣促縫網(wǎng)強(qiáng)支撐壓裂工藝［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：336-345.

摘要：D 區(qū)塊深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造效果不理想，存在高水平地應(yīng)力差及天然裂縫欠發(fā)育導(dǎo)致的裂縫形態(tài)單一、高垂向應(yīng)力導(dǎo)致的高破裂壓力及高施工壓力、高閉合壓力導(dǎo)致的裂縫支撐效果不理想等問(wèn)題。采用真三軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了頁(yè)巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)，探索了高應(yīng)力差條件下裂縫擴(kuò)展影響因素，利用自主研發(fā)的相場(chǎng)法裂縫擴(kuò)展軟件分析了小簇間距對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4 口井，采用密集多簇射孔（8～11 簇/段）、高排量（17～18 m3/min）、限壓不限排量初期造縫模式、壓裂綜合實(shí)時(shí)判定與調(diào)控的暫堵轉(zhuǎn)向策略可以促進(jìn)裂縫復(fù)雜，前置酸液、粉砂打磨以及優(yōu)化孔眼數(shù)（44～50 孔/段） 可以有效降低破裂壓力及施工壓力，采用高強(qiáng)度加砂設(shè)計(jì)（3.6～4.0 t/m）、組合類型支撐劑可以有效保障裂縫導(dǎo)流能力需求。D 區(qū)塊4 口井采用上述技術(shù)措施后，測(cè)試平均產(chǎn)氣量均超過(guò)20×104 m3/d，儲(chǔ)層改造效果良好。該系列化技術(shù)措施為高閉合壓力下深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造提供了技術(shù)借鑒和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；深層；體積壓裂；復(fù)雜裂縫；加砂強(qiáng)度；施工壓力

中圖分類號(hào)：TE37；TE357.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

目前，深層頁(yè)巖氣一般指垂深大于3 500 m 的頁(yè)巖儲(chǔ)層［1］，其資源潛力巨大［2］，包括四川盆地、塔里木盆地等深層頁(yè)巖氣資源［3］ 都是未來(lái)頁(yè)巖氣產(chǎn)能建設(shè)的主要接替區(qū)域［4］。然而，深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層特征與中淺層頁(yè)巖氣有明顯差異，其儲(chǔ)層改造也面臨更多挑戰(zhàn)［5］，如施工壓力高［6］、高彈性模量及閉合壓力導(dǎo)致的縫寬窄、加砂困難［7］ 、裂縫支撐效果不理想等［8］。針對(duì)深層頁(yè)巖氣特征，許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，并提出了針對(duì)性舉措，逐步形成密切割、強(qiáng)加砂、暫堵轉(zhuǎn)向的深層頁(yè)巖氣體積壓裂技術(shù)。卞曉冰等［9］利用建立的深層頁(yè)巖裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模型探究了深層頁(yè)巖裂縫形態(tài)影響因素，結(jié)果表明壓裂液黏度是影響縫寬和體積壓裂SRV （Stimulated Reservoir Volume）的主控因素，提高高黏液體用量可增加壓裂縫寬，保障加砂順利。江銘等［10］建立了支撐裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算模型和深層頁(yè)巖氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，采用川南深層頁(yè)巖氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了歷史擬合，研究表明提高鋪砂濃度和選擇小粒徑支撐劑有利于提高深層頁(yè)巖氣井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。蔣廷學(xué)等［11］提出平面射孔、多尺度造縫、多尺度裂縫充填及高角度天然裂縫延伸控制為核心的技術(shù)方案，配套形成了多級(jí)交替注入模式（酸、滑溜水、膠液） 以及變黏度、變排量、混合粒徑及小粒徑支撐劑為主體的工藝方法。沈騁等［12］針對(duì)渝西深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征提出采用“大規(guī)模前置液”、“高強(qiáng)度注液、低濃度段塞式加砂”及“基于暫堵轉(zhuǎn)向的縫網(wǎng)復(fù)雜度提升工藝”，單井SRV 與產(chǎn)能得到了有效提升。曾波等［13］提出了以“密切割分段+短簇距布縫、大孔徑等孔徑射孔、大排量低黏滑溜水加砂、高強(qiáng)度小粒徑組合支撐劑、大規(guī)模高強(qiáng)度改造”為主的深層頁(yè)巖氣水平井體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)。綜上所述，深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與中淺層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征存在很大差異，需要在壓裂中提出針對(duì)性開(kāi)發(fā)措施，以實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣效益開(kāi)發(fā)。

四川盆地D 區(qū)塊龍馬溪組垂深3 676～4 450 m，主要層系（龍11—龍13） 孔隙度4%～6.5%，TOC 含量4%～6.2%，含氣量4.8～8.7 m3/t，壓力系數(shù)2.0 左右，地層能量充足且可壓性較好，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)62%～75%，彈性模量37～40 GPa，泊松比0.2～0.26。取心及測(cè)井解釋結(jié)果表明，D 區(qū)塊龍11—龍13 小層天然裂縫欠發(fā)育，在龍14—五峰組發(fā)育有不同程度的水平層間縫、高角度縫、垂直縫，且多被硅質(zhì)物、黃鐵礦充填。區(qū)塊4 口井水平段平均垂向應(yīng)力94～121.5MPa，最大水平主應(yīng)力97～120.9 MPa，最小水平主應(yīng)力84.4～106.8 MPa，水平地應(yīng)力差13～14.6 MPa。

套變是影響深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造效果的重要因素［14］，而天然裂縫剪切滑移是發(fā)生套變的最主要機(jī)理［15］，其受到天然裂縫走向、傾角、地應(yīng)力狀態(tài)、地層流體壓力、套管強(qiáng)度等因素綜合影響。由于 D 區(qū)塊主力產(chǎn)層垂向應(yīng)力最大，屬于拉張應(yīng)力狀態(tài)，且天然裂縫欠發(fā)育，使其套變風(fēng)險(xiǎn)較小，這為高用液強(qiáng)度、高加砂強(qiáng)度、高排量施工提供了有利條件。但由于其三向應(yīng)力絕對(duì)值高，深層頁(yè)巖氣D 區(qū)塊施工壓力普遍高于103 MPa （限壓112 MPa），對(duì)地面長(zhǎng)期施工作業(yè)安全運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。由于D 區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層破裂壓力較高，且水平段長(zhǎng)度大，井筒摩阻高，靠近B 點(diǎn)層段施工時(shí)，前置液提排量階段，6～10 m3/min 排量下，壓力就可達(dá)到110 MPa 以上，排量建立較為困難，也需要采取針對(duì)性措施。此外，D 區(qū)塊頁(yè)巖氣閉合壓力普遍超過(guò)90 MPa。高閉合壓力下，剪切滑移自支撐裂縫的導(dǎo)流能力保持比張性裂縫好，自支撐裂縫導(dǎo)流能力已經(jīng)不能滿足開(kāi)采需求［16］ （裂縫壁面有效應(yīng)力達(dá)到28 MPa 時(shí)，自支撐裂縫導(dǎo)流能力幾乎為0［17］）。

針對(duì)四川盆地D 區(qū)塊深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及施工過(guò)程中面臨的難題，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，分析其儲(chǔ)層改造過(guò)程中縫網(wǎng)形態(tài)，探索促縫網(wǎng)施工方法，并在施工過(guò)程中不斷優(yōu)化，形成了一套適用于該區(qū)塊深層頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層改造模式，克服了D 區(qū)塊深層頁(yè)巖氣井造縫網(wǎng)困難、施工壓力高及高閉合壓力條件下裂縫支撐效果不理想等難題。

1 方法過(guò)程

針對(duì)深層頁(yè)巖氣井開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，通過(guò)高應(yīng)力差條件下裂縫擴(kuò)展物模實(shí)驗(yàn)、不同簇間距條件下裂縫擴(kuò)展模擬、暫堵時(shí)機(jī)優(yōu)化、支撐裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)等研究，提出了深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造促縫網(wǎng)、強(qiáng)加砂提高經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量工藝。

1.1 室內(nèi)研究

1.1.1 深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造裂縫形態(tài)及促縫網(wǎng)措施

（1） 深層頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造大物模實(shí)驗(yàn)。以D 區(qū)塊深層頁(yè)巖氣應(yīng)力狀態(tài)為目標(biāo)，開(kāi)展正應(yīng)力狀態(tài)真三軸頁(yè)巖水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)。巖樣取自D 區(qū)塊頁(yè)巖露頭，尺寸為30 cm×30 cm×30 cm。設(shè)置垂向應(yīng)力70 MPa，最大水平主應(yīng)力60 MPa，最小水平主應(yīng)力45 MPa，水平應(yīng)力差15 MPa。1～4 號(hào)巖樣無(wú)天然裂縫，5～9 號(hào)巖樣含天然裂縫，其中7 號(hào)巖樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用變排量模式，8、9 號(hào)巖樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用多期次停泵模式，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

從表1 中可以看出，實(shí)驗(yàn)所用巖心分為存在天然裂縫與無(wú)天然裂縫2 類，旨在探索排量、壓裂液黏度等因素對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)采用龍馬溪頁(yè)巖露頭，通過(guò)與地下真實(shí)巖心的力學(xué)性質(zhì)類比優(yōu)選，保證露頭巖樣與地下巖樣參數(shù)相近。采用高性能真三軸實(shí)驗(yàn)裝置加載三向應(yīng)力，結(jié)合16 通道聲發(fā)射裝置和高精度信號(hào)監(jiān)測(cè)處理軟件，實(shí)現(xiàn)壓后三維空間裂縫重構(gòu)，對(duì)裂縫擴(kuò)展特征進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造主要形成了4 種裂縫形態(tài)。不存在天然裂縫條件下，1～4 號(hào)巖樣形成了“一”型裂縫，裂縫形態(tài)單一，僅產(chǎn)生一條主裂縫。存在天然裂縫條件下，7 號(hào)巖樣形成了“廠”型裂縫，主裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中沿著天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向延伸。5、6、9 號(hào)巖樣形成了“T”型裂縫，主要為主裂縫在垂向過(guò)程中遇到層理縫后，層理縫開(kāi)啟，或主裂縫在沿水平方向擴(kuò)展過(guò)程中遇到高角度天然裂縫而被捕集，然后裂縫沿著天然裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展。8 號(hào)巖樣形成了“工”型裂縫，主要是因?yàn)樗α芽p在沿垂向擴(kuò)展過(guò)程中，上下兩個(gè)層理面開(kāi)啟，限制了水力裂縫在縫高方向上的擴(kuò)展。

在實(shí)驗(yàn)條件下，排量變化及多期次啟停泵對(duì)裂縫擴(kuò)展沒(méi)有產(chǎn)生較大影響。深層頁(yè)巖氣裂縫破壞形式單一，超過(guò)80% 的露頭巖樣均表現(xiàn)為拉張破壞，張性裂縫為主，這與其高應(yīng)力差、高垂向應(yīng)力以及天然裂縫發(fā)育不足有關(guān)，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致深層頁(yè)巖氣起裂壓力高，難以通過(guò)人工轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜縫；垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力后，在實(shí)驗(yàn)條件下，水力裂縫均未能穿越水平層理。這在一定程度上反映了深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造裂縫擴(kuò)展易受層理縫影響而縫高受限難題［18］。

（2） 深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造促縫網(wǎng)方法探究。小簇間距及保障單孔進(jìn)液量利于復(fù)雜縫網(wǎng)形成［19］。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用綜合分析認(rèn)為，D 區(qū)塊深層頁(yè)巖氣在天然裂縫不發(fā)育的情況下，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裂縫。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮了段內(nèi)密集多簇的方法，為段內(nèi)裂縫數(shù)的提升提供先決條件。結(jié)合D 區(qū)塊儲(chǔ)層基本參數(shù)，通過(guò)川慶鉆探自主研發(fā)相場(chǎng)法裂縫擴(kuò)展模擬軟件開(kāi)展數(shù)值模擬，不同簇間距條件下最大、最小水平主應(yīng)力分布如圖1 所示。