焦石壩龍馬溪頁巖上部氣層壓裂工藝優化與現場試驗

張 馳

(中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司)

0 引言

涪陵頁巖氣田開發的主力層位為五峰組及龍馬溪組下部的①～③小層。在前期開發過程中，通過不斷的摸索形成了一套針對①～③小層的體積壓裂工藝(前置膠液快速提高至目標排量，減阻水大規模攜砂)，實現了主力層系的充分改造。目前，隨著涪陵頁巖氣田產建工作的不斷推進，需要對③小層以上氣層(上部氣層)開展壓裂改造。但由于區塊縱向上非均質性較強，上部氣層的儲層物性明顯變差，嚴重影響壓裂改造效果[1- 3]。現場施工表明，采用過去的體積壓裂工藝和配套參數進行施工，獲得的實際改造效果并不理想。因此，如何通過工藝技術的調整有效動用上部氣層，同時盡量避免對下部已開發氣層進行重復改造，是上部氣層壓裂亟待解決的難題。

筆者針對上部氣層壓裂改造面臨的問題，從增強平面改造強度，控制縱向延展入手，對壓裂施工參數進行優化[4- 6]，提出了一套適用于上部頁巖儲層的壓裂改造技術，現場試驗表明，該技術達到了預期目標，對后期上部氣層的壓裂設計及施工具有重要的借鑒意義。

1 上下部氣層地質特征對比分析

1.1 上下部氣層基本地質條件對比

通過焦石壩區塊內多口取心井的巖心數據對不同小層的儲層基本特征進行對比結果來看，上下部氣層地質特征差異明顯，相比于下部氣層，上部氣層的TOC含量由2.01%～4.03%下降至0.86%～3.17%，孔隙度由3.12%～3.31%下降至2.75%～3.02%；黏土礦物含量由26.13%～27.30%增加至32.10%～52.50%，高導縫條數由0.20條/m增加至0.56條/m，整體上來看，上部氣層基礎地質條件相比于下部①～③小層較差。

1.2 上下部氣層可壓性評價分析

因上部氣層黏土含量增多、脆性指數降低，導致裂縫起裂難度增加。通過地應力參數計算發現：在相同構造條件下由于上部氣層埋深更淺，導致地應力更小(壓力梯度0.022 MPa/m)，但其水平應力差、泊松比以及楊氏模量與下部氣層差異不大(水平應力差8.7 MPa左右、泊松比0.21左右、楊氏模量36.6 GPa左右)；不同于下部②小層存在高應力隔擋層，上部各小層應力較為平均且高導縫更加發育，有利于裂縫縱向上的延伸。因此，上部氣層儲層壓裂改造中裂縫起裂相對困難，縫高方向相對更易延伸，整體上具備形成復雜縫網的基礎條件[7- 9]。

2 上部氣層壓裂難點及改造對策

有研究表明儲層的造縫效果受脆性指數、天然裂縫密度、孔隙度等因素影響較大[10- 13]，上部氣層高導縫發育，不可避免的會對縱向上的改造產生影響，縱向延伸過度可能影響下部氣井的正常生產。早期上部氣層JYA- 1HF壓裂采用下部主力氣層工藝進行試驗，采用?8 mm油嘴測試，套管壓力僅7.0 MPa，試氣產量5.3×104m3/d。該區塊微地震監測解釋結果顯示，相比于下部①～③小層，上部氣層的縫長、縫帶寬延伸明顯受限，縫高擴展更為順利，解釋出的有效改造體積(SRV)減小。因此，如何通過工藝措施控制其縱向擴展并提高平面改造強度成為上部氣層壓裂改造的難點。結合前期現場施工經驗,提出具體的壓裂改造對策：

(1)增強前期破裂效果。通過前置膠液，提高前期地層破裂效果，高黏液體的注入有助于裂縫的擴展，考慮縫高控制，僅在前置階段用膠液，在早期形成優勢主縫，避免近井過早產生復雜縫[14- 16]。

(2)提高平面改造強度。采用多簇射孔，增強簇間的誘導應力；在前置膠液形成一定主縫的基礎上，泵入低黏減阻水造支縫、微縫，泵注過程中通過提升凈壓力促進裂縫轉向[17]。

(3)控制縫高延伸。上部氣層無高應力隔擋層，且高導縫發育，施工排量的快速提升以及施工規模的擴大可能導致縫高方向裂縫延伸過度，施工時必須采用控排量、控規模的方式減少縱向上的改造[18- 19]。

結合前期施工經驗，明確了上部氣層多簇射孔，前置高黏膠液造主縫，低黏減阻水促復雜，控排量、控規模的壓裂工藝思路，在此基礎上通過工藝參數的優化提升壓裂改造效果。

3 上部氣層壓裂改造工藝參數優化

3.1 射孔參數優化

前期通過大量的室內模擬以及現場實驗，已經證明采用3簇射孔既能保證各簇裂縫的進液流量，也能通過多簇間的誘導應力促進裂縫的復雜化，但射孔簇間距的大小仍存在優化空間，間距過大時各簇裂縫間很難產生誘導應力；而間距過小時，各簇間相互影響增強，多裂縫均勻程度降低。室內優化了3簇射孔條件下的簇間距(見圖1)，優化結果顯示簇間距為20～25 m時，各簇裂縫間存在一定的誘導應力且各簇進液相對均勻。

3.2 施工排量優化

通過模擬計算發現，縫長、縫高都隨著施工排量的增加而增長，但當縫內凈壓力逐漸超過水平主應力差時，縫長的延伸趨勢逐漸減緩，縫高方向的延伸則逐漸增加(見圖2，圖3)。因此，當前置膠液時，盡量減少縫高方面的擴展，應控制施工排量在11 m3/min以下；而采用低黏減阻水攜砂時，應逐漸將排量由11 m3/min階梯提升排量至13～14 m3/min，確保縫內凈壓力超過水平主應力差，提高裂縫的復雜程度(具體提升時機以現場施工為準)。

圖1 3簇不同簇間距各簇進液量及裂縫擴展模擬結果

圖2 不同液性不同施工排量縫內凈壓力模擬優化結果

圖3 不同施工排量縫長縫高模擬優化結果

3.3 施工規模優化

建立區塊三維等效裂縫模型，在此基礎上輸入壓裂施工參數模擬氣井周邊應力的變化，設定水平段長1 500 m,單段段長80 m,模擬應力的變化得到壓裂改造的范圍。模擬結果顯示，隨著單段壓裂施工規模的增加，全水平段壓裂平面改造面積(SRA)呈現出前期不斷增大，但后期趨于平穩的趨勢，模擬結果顯示焦石壩區塊上部氣層壓裂使用1 750 m3左右的施工規模效果最佳(見圖4)。

3.4 前置膠液用量優化

高黏液體用量過多容易造成裂縫縱向延伸過度，導致上部儲層改造與下部溝通。采用Meyer軟件模擬了1 750 m3施工規模下階梯提升排量時不同前置用量的裂縫形態，通過模擬結果優化前置膠液用量為150～300 m3(見圖5)。

圖4 不同單段施工規模全水平段壓裂改造SRA模擬結果

圖5 不同前置膠液用量裂縫高度模擬優化結果

4 現場工藝試驗

工藝優化后，分兩個階段進行了現場工藝試驗，第一階段通過裂縫監測確定合理的穿行層位，第二階段通過對比測試產量以及生產情況論證壓裂改造工藝的適用性。

(1)JYB- 3HF井穿行于①～⑦小層，該井壓裂過程中穿行于上部小層的壓裂段分別采用原有壓裂工藝和優化后的壓裂工藝進行施工，并通過微地震對壓裂過程進行監測。該井第17～19段穿行④小層、第20、21、22段穿行于⑤、⑥、⑦小層，其中第18段、第20段采用下部氣層改造工藝，其余段采用優化后的施工工藝。從表1數據對比發現，雖然上部氣層壓裂工藝優化后比下部氣層改造范圍相對較小，但優化后的工藝比優化前在平面上事件點波及范圍明顯更大，縱向上則相對較小。

通過試驗看出，優化后的工藝有效增大了平面改造強度，控制了縫高方向的延伸，但由于④、⑤、⑥小層高導縫發育且距離下部儲層更近，壓裂施工不可避免會對下部儲層產生影響。因此，結合微地震監測結果選擇上部⑦、⑧小層作為上部氣層井的主要穿行小層。

表1 JYB- 3HF壓裂試驗微地震監測結果表

(2)在第一階段試驗的基礎上，第二階段試驗井JYC- 1HF井穿行于焦石壩區塊上部⑦、⑧小層，考慮縱向縫高影響進行縱向錯位布井(圖6)。該井基礎地質條件與JYA- 1HF井相當(表2)，18段均采用優化后的壓裂工藝施工，射孔簇數以3簇為主，平均簇間距為22.17 m，平均單段液量為1 764.76 m3，平均單段砂量為60.54 m3，前置膠液用量為150 m3且階段排量控制到10～12 m3/min，后期逐漸提升排量至14 m3/min，順利完成18段施工。

測試生產對比分析：JYC- 1HF井壓后采用?8 mm油嘴放噴測試，產量達到了16.34×104m3/d，套管壓力17.58 MPa，相比優化前的JYA- 1HF井壓裂改造效果提升明顯。測試后進行投產，從圖7所示的生產曲線對比來看，在同樣采取6×104m3/d的生產制度條件下，JYC- 1HF井雖然相比于其下部的JYC- 2HF井、JYC- 3HF井生產壓力更低，但生產壓力下降幅度基本一致，明顯優于優化前的JYA- 1HF井。

圖6 JYC- 1HF井與鄰井空間位置關系圖

表2 JYC- 1HF與JYA- 1HF基礎地質條件對比表

圖7 JYC- 1HF井及對比井生產曲線對比圖

鄰井生產監測分析看出：在JYC- 1HF井壓裂施工過程中，由于應力干擾嚴重對同平臺下部穿行于①～③小層的生產氣井JYC- 3HF井進行關井處理，壓裂施工結束后重新開井投產，產量、壓力穩定。井底流壓監測顯示與JYC- 1HF井壓裂前后與JYC- 3HF的井底流壓下降速率差異不大，壓裂施工前正常生產時井底流壓下降速率為0.004 9 MPa/104m3，壓裂后正常生產井底流壓下降速率為0.004 2 MPa/104m3。因此，可以認為該區域上下儲層的改造并無溝通。

5 結論與建議

(1)上部氣層相比于下部①～③小層脆性礦物含量降低、高導縫更加發育，導致上部氣層沿用下部氣層工藝進行壓裂改造效果不佳。

(2)針對上部氣層改造的重難點，提出了一套增強平面改造強度，控制縱向裂縫延伸的壓裂改造技術，包括多簇射孔增加誘導應力、前置膠液造主縫、低黏減阻水促復雜、優化施工排量以及規模控縫高等，從測試結果以及微地震監測結果來看，新技術的采用達到的預期的目標，有效提高了上部氣層的壓裂改造效果。

(3)在上部氣層的壓裂改造過程中不可避免會對下部儲層造成應力干擾，因此，上部氣層選擇穿行⑦、⑧小層，且上下部氣井采用縱向錯位布井的方式增加空間距離來避免重復改造。從下方投產井的生產情況及井底流壓變化來看，試驗工藝對目前的布井方式適應性較好。但若布井方式或地質條件發生改變，還需對施工工藝進行針對性的研究及優化。