頁(yè)巖氣高效壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化研究

殷世巍

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，北京 100101）

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層需經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)，常規(guī)氣或致密氣的壓裂需要在產(chǎn)層形成短而粗或細(xì)而長(zhǎng)的雙翼人工裂縫，而頁(yè)巖氣的壓裂需要在產(chǎn)層形成復(fù)雜的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，因此頁(yè)巖氣的壓裂工藝不是端部脫砂壓裂工藝和凍膠壓裂工藝，而是水壓裂，水+線性膠（凍膠）壓裂，線性膠壓裂和泡沫壓裂四種工藝，尤其以前兩種工藝為主[1]。選擇一套適用的頁(yè)巖氣壓裂工藝需要立足頁(yè)巖氣的本身特點(diǎn)和工藝目標(biāo)，找出問題所在，優(yōu)選適用的工藝技術(shù)，從而獲得頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)[2-3]。

北美地區(qū)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)普遍采用"直井評(píng)價(jià)，水平井開發(fā)"的模式，即有效地診斷了儲(chǔ)層特性，又合理地優(yōu)選了工藝措施。直井評(píng)價(jià)的步驟包括：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的可生產(chǎn)性和可壓性評(píng)價(jià)；建立儲(chǔ)層孔隙壓力、壓裂施工壓力和氣藏地層系數(shù)kh 的關(guān)系；確定裂縫高度；界定壓后產(chǎn)能；確定裂縫方位。直井評(píng)價(jià)后才開展水平井開發(fā)的好處包括：有利于水平井方位和長(zhǎng)度的確定；有利于壓裂段數(shù)和壓裂參數(shù)的確定；有利于頁(yè)巖氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[4-6]。

頁(yè)巖氣壓裂工藝參數(shù)的優(yōu)化就是圍繞在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層造多少條橫截裂縫和造多大的橫截裂縫的多橫截裂縫模型來開展，也就是系統(tǒng)優(yōu)化分段工具、射孔工具、段間距、簇間距、砂量、液量、泵注排量、砂濃度、砂粒徑大小和降阻劑加量等工藝參數(shù)，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中形成裂縫間距與裂縫尺寸合理匹配的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)[7]。通過一系列扎實(shí)而有效的具體工作，選擇出一套針對(duì)頁(yè)巖氣獨(dú)有特性的壓裂工藝，形成不同的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，使用不同的頁(yè)巖氣壓裂工藝，為頁(yè)巖氣是否具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值做出最科學(xué)的界定和判斷[8]。

1 壓裂目的層概況

1.1 鉆完井情況

該井完鉆井深5 650 m，完鉆層位龍馬溪組，采用139.7 mm 套管完井，水平段長(zhǎng)1 900 m，全井最大井斜井深5 636.33 m，井斜87.45°，方位190.94°，閉合距2 141.27 m，閉合方位209.56°。

根據(jù)《頁(yè)巖氣測(cè)井采集與評(píng)價(jià)技術(shù)管理規(guī)定（試行）》，將頁(yè)巖氣水平井儲(chǔ)層測(cè)井分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分如表1。本井水平段長(zhǎng)1 900 m，錄井解釋均為氣測(cè)異常，測(cè)井解釋井段3 750～5 618 m（段長(zhǎng)1 868 m），I 類儲(chǔ)層鉆遇1 740.8 m，鉆遇率93.2%，II 類儲(chǔ)層鉆遇107.6 m，鉆遇率5.8%，III 類儲(chǔ)層鉆遇19.6 m，鉆遇率1.0%。

表1 頁(yè)巖氣水平井儲(chǔ)層測(cè)井分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 儲(chǔ)層巖性及脆性特征

巖性主要為黑色頁(yè)巖，脆性計(jì)算表明水平段平均脆性指數(shù)（礦物成分）為50.8%～75%，有利于通過體積壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[9]。

測(cè)井解釋優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層1 868 m，通過對(duì)比斯通利波能量衰減，井段5 001.0～5 002.3 m，5 002.9～5 003.3 m，5 010.1～5 024.6 m，5 269.5～5 271.4 m，5 273.8～5 274.1 m，可能存在裂縫或?qū)咏缑妫瑴y(cè)井資料表明，龍馬溪組水平段優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度大，裂縫發(fā)育，脆性礦物含量高，利于水力壓裂。螞蟻體追蹤裂縫預(yù)測(cè)表明，裂縫較復(fù)雜、發(fā)育多條規(guī)模不等的過井筒裂縫，裂縫走向不一。井段4 700.0～4 750.0 m、5 400.0～5 450.0 m 發(fā)育過井軌跡裂縫，壓裂施工時(shí)注意施工規(guī)模。

圖1 設(shè)計(jì)井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓裂目的及對(duì)策

2.1 壓裂技術(shù)對(duì)策

改造理念：以擴(kuò)大波及體積，形成復(fù)雜裂縫為目標(biāo)，采用“大液量、大排量、大砂量、低黏度、小粒徑、低砂比”的體積壓裂改造模式；

施工工藝：大通徑橋塞+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工藝；

射孔工藝：第1 段采用連續(xù)油管射孔，其余段射孔采用電纜傳輸射孔工藝，都采用螺旋布孔方式；

分段原則：為提高有效SRV，盡可能提高單井產(chǎn)量。結(jié)合測(cè)井、錄井解釋、三維地震預(yù)測(cè)、小層劃分成果，將物性相近、應(yīng)力差異不大的分在一段，對(duì)儲(chǔ)層物性較好的適當(dāng)縮小段間距；

泵注方式：全程使用滑溜水?dāng)y砂，采用段塞加砂方式；

支撐劑優(yōu)選：為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，支撐劑選用70/140 目石英砂+40/70 目低密度陶粒組合方式；

為降低破裂壓力和進(jìn)一步清洗井筒，第一段注入20 m3酸液，其余段施工前注入10 m3酸液；

為確保井筒清潔及橋塞泵送順利，每段施工完成后注入40 m3線性膠或凍膠清洗井筒；

壓后按照連控制、續(xù)、平穩(wěn)的原則進(jìn)行排液，宜適當(dāng)延長(zhǎng)小油嘴排液時(shí)間，防止支撐劑回流。

壓裂作業(yè)模式：為了快速建產(chǎn)，采用拉鏈?zhǔn)綁毫选?/p>

2.2 施工風(fēng)險(xiǎn)提示及應(yīng)急預(yù)案

根據(jù)三維地震解釋成果，該井第3 段（5 472～5 405 m）、第13 段（4 770～4 702 m）處可能發(fā)育微裂縫，可能由于液體濾失導(dǎo)致加砂困難，施工過程中控制改造規(guī)模。

方案一，采用小直徑大通徑橋塞：通井，判斷套管變形不嚴(yán)重，根據(jù)通井結(jié)果，選用相應(yīng)尺寸的小直徑橋塞進(jìn)行分段壓裂；

方案二，采用可溶性堵塞球：通井，判斷套管變形較為嚴(yán)重，小直徑橋塞不滿足要求時(shí)，采用連續(xù)油管對(duì)擬壓裂段進(jìn)行射孔，射孔完畢后采用可溶性堵塞球轉(zhuǎn)向壓裂。

3 壓裂方案及施工參數(shù)

3.1 施工規(guī)模的確定

單段滑溜水量：根據(jù)前期微地震監(jiān)測(cè)及改造情況，仍然按照單段1 800 m3液量。

支撐劑用量：采用段塞式加砂模式，根據(jù)設(shè)計(jì)液量及最高砂濃度等的限制，結(jié)合前期施工情況，總體按照單段砂量120 t 設(shè)計(jì)；按照單段24 t 粉砂，96 t 陶粒進(jìn)行設(shè)計(jì)。如現(xiàn)場(chǎng)加砂困難，可根據(jù)施工情況實(shí)時(shí)調(diào)整粉砂用量和加砂量。

酸液用量：采用酸液進(jìn)行預(yù)處理，第一段注酸20 m3，其余段酸液用量按照10 m3設(shè)計(jì)。

膠液用量：每段加砂完畢后注入40 m3線性膠液，用于清潔井筒，確保泵送橋塞及射孔作業(yè)順利；針對(duì)個(gè)別固井質(zhì)量差、裂縫發(fā)育的段以及處理現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況，可注入一定量的交聯(lián)液。

該井各段施工規(guī)模統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 施工規(guī)模

3.2 模擬輸出結(jié)果

為了滿足大排量施工需要，采用套管注入方式。同時(shí)為了滿足大排量注入及后期下管柱及橋塞分段壓裂工藝的需要，采用大通徑壓裂井口及多路進(jìn)液裝置。

用Meyer 軟件，根據(jù)該井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了該井的壓裂模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的施工參數(shù)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓裂裂縫模擬結(jié)果（3D 圖）

水平井施工平均瞬時(shí)停泵壓力梯度為0.027 MPa·m-1左右，考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性選擇0.025～0.029 MPa·m-1的應(yīng)力梯度進(jìn)行泵壓預(yù)測(cè)，滑溜水降阻率按70%預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，若施工限壓按90 MPa 控制，則在靠近B 點(diǎn)位置對(duì)前幾段施工時(shí)建議排量控制在10 m3·min-1，后續(xù)段排量可以控制在12～14 m3·min-1進(jìn)行施工。

4 結(jié)束語(yǔ)

本井設(shè)計(jì)壓裂26 段，采用大通徑橋塞作為分段工具、滑溜水壓裂液體系、70/140 目粉砂+40/70 目陶粒、設(shè)計(jì)施工排量12～14 m3·min-1（要求壓裂設(shè)備滿足14 m3·min-1長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)要求），采用段塞式加砂模式，設(shè)計(jì)最高砂濃度240 kg·m-3，設(shè)計(jì)注入液量1 800 m3，酸液10 m3，加砂量考慮80 和120 t，兩套泵序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加砂難度決定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件盡量滿足120 t 砂量。