深層頁巖壓裂工藝優(yōu)化與現(xiàn)場應用

摘 要：涪陵區(qū)塊深層頁巖埋藏深、地應力高，壓裂改造時存在施工壓力高、縫寬窄，改造體積偏小、壓后初產效果差等問題。通過開展深層頁巖地質特征參數(shù)和綜合評價可壓性研究，分析壓裂改造面臨的技術難點并提出了技術對策。通過采用“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復雜度、長段塞加砂”等工藝措施達到“增大改造體積，提高加砂強度”改造目標，試驗井壓后初期產量達到11×104m3/d，為深層頁巖氣儲層壓裂改造提供了技術借鑒。

關鍵詞：深層頁巖；水平井；壓裂工藝；改造體積

1 前言

涪陵區(qū)塊深層頁巖相較淺層地質條件更加復雜，表現(xiàn)為分屬多個構造帶，構造形態(tài)多樣，斷裂發(fā)育，斷裂周圍及構造翼部地層傾角25-60°。同時由此造成造成地應力大小、方位復雜多變、天然裂縫發(fā)育程度差異。深層頁巖氣的地質特征及其對壓裂的影響也發(fā)生了較大變化，壓裂改造中存在施工壓力高、縫寬窄、加砂困難，形成復雜縫和增大改造體積難度大等問題，同時壓后效果不理想。因此，有必要開展深層綜合評價可壓性研究，進一步優(yōu)化壓裂施工工藝。

2 涪陵深層頁巖壓裂改造難點及技術對策

涪陵PJ區(qū)塊深層頁巖，位于逆斷層下盤擠壓應力環(huán)境，埋深3800-4000m，地層傾角大于30°，TOC含量為2-3.5%，孔隙度3%，石英含量46-55%，巖心及成像測井顯示裂縫發(fā)育程度變低。與淺層相比相比儲層物性變差，同時應力增加以及地層傾角增大帶來的三向應力狀態(tài)變化，都對壓裂改造造成影響，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

①井筒沿程摩阻增加，由此造成井口施工壓力高和注入排量受限，同時地應力增加，裂縫延伸難度增大導致造縫寬度窄。

對于深部頁巖儲層，由垂向應力、最大和最小水平主應力組成的原巖應力和孔隙壓力與淺部巖層差異較大。水力壓裂時巖層的起裂壓力與原始最大最小主應力、孔隙壓力、抗張強度等密切相關，具體關系式如下式：

（式1-1）

其中Pb為巖層破裂時的起裂壓力，Pp為孔隙壓力，T0為巖層抗拉強度，、為地層原始最小和最大水平主應力。

隨埋深增加，最小水平主應力明顯增加，反映巖層的起裂難度加大，地層閉合壓力增大，對壓裂支撐劑的抗破碎強度和長期導流能力提出了更高的要求；隨深度增加，水平應力差增加，壓裂施工中需要較高的凈壓力來促使裂縫轉向。

②埋深增大，巖石塑性特征增強，巖石破壞峰值強度和殘余應力增大，裂縫起裂與延伸的難度逐漸增加。

深層頁巖不同圍壓下巖心測試結果表明，低閉合壓力時，裂縫成線性破裂特征，隨圍壓增加，非線性破裂特征越來越明顯，達到峰值壓力前的塑性變形持續(xù)顯現(xiàn)。同時，全應力-應變曲線峰后殘余應力逐步增大，較高的殘余應力意味著層理剪切滑移更加困難，發(fā)生破壞需消耗更多能量。另一方面低圍壓下，層理間的孔隙、微裂隙等使頁巖破裂模式較復雜，易形成復雜的裂縫網絡；高圍壓下，層理間的孔隙、微裂隙等被束縛，破裂模式較單一，剪切滑移面由粗糙變得光滑平整，復雜度降低。同時自支撐效應減弱，導流能力的保持能力降低

③高陡構造易形成順層縫，沿井筒兩側延伸，橫向波及體積變大，縫寬變窄，對砂比及支撐劑粒徑敏感。

④由于地層傾角的存在，減少了上覆巖層壓力對地層的壓實程度。當?shù)貙觾A角增大至30°時，作用于層理面的垂向應力減小15MPa。由于同時水平主應力增大，裂縫整體延伸壓力高；同時垂向應力減小，層理的剪切相對容易。因此，在高陡構造條件下，形成“主裂縫+順層縫”裂縫形態(tài)。層理的瀉流面積大，主裂縫分流嚴重，因此整體縫寬窄，表現(xiàn)為砂比受限的特征。

3 涪陵深層頁巖壓裂改造技術對策及現(xiàn)場應用

深層頁巖氣壓裂改造需要解決的核心問題是如何增大改造體積和提高加砂強度，圍繞此開展了針對性設計優(yōu)化：

①針對埋深增加，擠壓應力狀態(tài)，設計采用140MPa裝備。深層頁巖壓裂施工壓力高、105MPa裝備施工壓力窗口有限，實際排量提高空間有限。采用140MPa裝備，施工排量可達到14-16m3/min，大排量高凈壓力有利于增大改造體積，提高復雜度。同排量下，射孔簇數(shù)越多，所形成的有效凈壓力就越小。反之簇數(shù)越少，形成的有效凈壓力則越大；采用2簇射孔，集中進液，促進裂縫延伸，同時前置膠液，快速提排量，促進裂縫延伸。

②針對埋深增加，巖石破壞模式趨于單一，導流能力的保持能力降低，設計降低減阻水粘度。流體粘度對裂縫擴展復雜度具有重要影響，低黏壓裂液穿透和溝通小微裂隙的能力強，而中高黏壓裂液因粘滯阻力高難以進入小微裂隙，粘度越高，裂縫擴展的復雜度將顯著降低。同時采用長段塞加砂模式，提高綜合砂液比，提高導流能力。

③針對地層傾角增大，易形成順層縫，對砂比及支撐劑粒徑敏感的問題，設計增加分選性較好的小粒徑支撐劑用量。目前的研究證明，對既有主裂縫（一級縫）又有分支縫（二級縫）和更次級裂縫（三級及四級等）的復雜裂縫系統(tǒng)而言，70-140目支撐劑能夠進入二級、三級和四級縫，20-40目支撐劑則較難進入二級縫及以下級的裂縫系統(tǒng)中。采用多尺度小粒徑支撐劑，可以進入不同分支裂縫封堵、降濾和支撐。而且，當支撐劑粒徑降低一個級別后，其沉降速度可降低1/3-～-1/2，有利于提高小微裂縫系統(tǒng)的遠井縱向支撐效率。另外，隨閉合壓力的增加，小粒徑支撐劑與大粒徑支撐劑導流能力的差異趨于減少，考慮到小粒徑支撐劑在現(xiàn)場的鋪砂濃度增加，則可能獲得比大粒徑支撐劑更大的導流能力。

根據(jù)上述研究成果，在PJ-2HF井優(yōu)化形成“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復雜度、長段塞加砂”等工藝措施，并開展現(xiàn)場試驗。PJ-2HF井采用140MPa裝備，1500米水平段分19段進行壓裂施工，施工壓力95-112MPa，排量14-16m3/min，入井總液量36973m3，總砂量1259.7m3，單段液量1946m3，單段砂量66.3m3，綜合砂液比3.4%。現(xiàn)有工藝在施工規(guī)模，加砂強度，排量上優(yōu)于國內其他區(qū)塊。該井壓裂后獲得測試產量11萬方/天，測試壓力12MPa。

4 結論及建議

①埋深增大，巖石塑性特征增強，巖石破壞峰值強度和殘余應力增大，裂縫起裂與延伸的難度逐漸增加；同時巖石破壞模式趨于單一，剪切滑移面由粗糙變得光滑平整，復雜度降低，同時自支撐效應減弱，導流能力的保持能力降低因此深層頁巖壓裂改造一方面需要增加用液規(guī)模、加大排量保證壓裂改造泄氣面積同時提高加砂強度以提高裂縫長期導流能力。

②以“增大儲層改造體積+提高裂縫導流能力”為核心，研究形成的“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復雜度、長段塞加砂”等工藝措施，現(xiàn)場實踐證明一定程度上能夠提高深層頁巖壓裂效果。

③后續(xù)需進一步研究埋深、構造、曲率、傾角、巖石力學參數(shù)等因素對深層巖石破裂與裂縫延伸規(guī)律的影響，指導深層壓裂工藝、設計優(yōu)化方法、核心參數(shù)體系。

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作者簡介：

高婷（1986- ），女，漢族，河北省邢臺市，長江大學工程碩士在讀、工程師，目前主要從事非常規(guī)儲層壓裂改造工藝研究。