頁巖氣藏壓裂前水化預處理工藝先導試驗

朱炬輝， 梁 興， 曾 晶， 耿周梅， 吳 凱， 張俊成， 鄒龍慶

1中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 2中國石油浙江油田分公司

0 引言

川南地區頁巖氣在鉆井和壓裂過程中，井壁失穩現象、低返排率以及巖心水化試驗結果表明，頁巖氣儲層具有典型脆性泥水化破壞特征[1]。近幾年國內外正在開展頁巖氣水化作用對頁巖儲層壓裂影響的研究，目前四川盆地頁巖水化特性對頁巖氣儲層改造的有利作用已逐漸被業內認可[2]。錢斌等[3]以滇黔北昭通頁巖氣巖心為研究對象，在圍壓10 MPa條件下研究了水化作用對頁巖儲層微裂紋擴展的影響，認為水化作用能夠促使原有較大孔徑孔隙膨脹和擴展，孔隙分布密集的區域將相互連通形成新裂縫，水化裂縫主要沿層理方向擴展。國內外學者也大量采用頁巖露頭結合CT掃描研究頁巖儲層微觀裂縫水化后的變化特征，包括加拿大霍恩河盆地、馬塞勒斯等區域的頁巖氣露頭[4- 7]。

前期試驗結果表明，礦物組分、圍壓、泥質含量、水質等因素都與頁巖水化效果有關。如何證明水化作用的有效性并在壓裂過程中有效利用有待進一步探索。前期針對昭通頁巖氣示范區龍馬溪組巖心進行室內清水水化實驗，已經初步驗證了清水對頁巖巖心水化后存在的天然裂縫寬度增加、原始膠結弱面剝離垮塌、出現新的微細裂紋等現象[3- 8]，表明巖樣的裂縫復雜程度有所提高。基于該區域頁巖氣水平井在壓裂前的水化預處理工藝先導試驗，通過現場試驗與室內實驗的結果對比,驗證了水化作用在壓裂過程中的影響。因此，如何認識和利用水化作用對我國海相頁巖氣的儲層改造有意義重大。

1 水化預處理工藝特點

基于前期室內實驗研究，為了進一步驗證水化作用在頁巖儲層壓裂時的影響，用于壓裂前提升裂縫復雜程度，選取室內實驗所用取心井巖心的鄰井開展現場試驗。對頁巖氣水平井壓裂前的層段先進行射孔，橋塞坐封并封堵已經壓裂的層段，通過低于儲層破裂壓力的排量對準備壓裂的層段泵注一定量的清水，水化時間大于11 h后，再開展主壓裂，并對壓裂初期的破裂點和延伸壓力進行分析。水化預處理現場作業技術流程如圖1所示。

圖1 水化預處理現場作業技術流程圖

為更好的與室內實驗結果保持一致，驗證水化作用對后期主壓裂的影響，現場泵注清水過程中，嚴格控制泵注排量不超過5 m3/min，確保整個水化過程中，泵注液體的高壓作用不會導致儲層產生大規模破裂。水化預處理所用的液體為不含任何添加劑的清水，儲層水化預處理過程應保證清水泵注的連續性，注入清水體積大于該段儲層改造方案中設計液量的20%。清水泵注完成后關井等待水化反應，水化作用時間大于11 h。

2 水化預處理現場試驗與分析

2.1 A井水化預處理分析

水化預處理的地層主要在井筒周圍地帶，因此現場試驗主要考慮水化后對壓裂初期裂縫起裂和延伸的影響。A井水化試驗段在射孔完成后，投球坐封橋塞封堵已壓裂段，在施工限壓內高壓泵注300 m3清水，該段水化用液強度2.33 m3/m，排量小于3 m3/min，然后關井進行水化預處理，水化時間11 h。

A井主壓裂初期水化預處理段與鄰段對比如圖2所示，黑色箭頭標記水化層段破裂點，藍色箭頭標記鄰段破裂點，水化處理段裂縫破裂點個數相對較多(明顯破裂點4個)，且破裂后壓力波動幅度大，壓降幅度最大達到3.1 MPa，破裂特征明顯。破裂點明顯增加，反映了地層水化后破裂位置增加。

圖2 A井主壓裂初期水化預處理段與鄰段對比

2.2 B井水化預處理分析

B井水化段共2段，平均垂深405.8 m，天然縫呈中高角度發育，脆性(52%～70%)較高，水平兩向應力差值小(2.6～3.6 MPa)，垂向應力居中，呈走滑狀態，裂縫形態多為垂直裂縫。B井進行壓裂前水化試驗，在圖3中，施工限壓范圍內水化層段B(a)段(段長95 m)，高壓泵注303.87 m3清水，平均液量3.20 m3/m；在圖4中，水化層段B(b)段(段長70 m)，高壓泵注清水301.38 m3，平均液量4.30 m3/m，關井進行水化預處理，水化時間11 h。

如圖3、圖4所示，黑色箭頭標明水化層段破裂點，在壓裂初期，支撐劑未進入地層之前，水化層段有更多破裂跡象，根據測井解釋結果顯示本井裂縫較為發育，經過水化預處理后，如圖3中放大的部分，水化層段B(a)破裂后壓降雖然不大，但是破裂次數較多。圖4中水化層段B(b)不僅在初期破裂點相較于鄰段更多，且壓力波動幅度大,兩個明顯的破裂點破裂后壓降為1.68 MPa和2.5 MPa。

圖3 B井主壓裂初期水化預處理段B(a)與鄰段對比

圖4 B井主壓裂初期水化預處理段B(b)與鄰段對比

結合巖心室內實驗來看，水化處理后天然裂縫膠結面存在剝離現象，且部分巖心產生了新的裂縫，導致巖心內部薄弱點增加，對壓裂初期多個破裂點的產生具有一致性。

2.3 水化預處理對裂縫延伸壓力的影響

裂縫延伸壓力與儲集層巖石斷裂韌性、壓開的裂縫體積、地應力以及壓裂液在裂縫中的阻力有關，在同一水平井中，裂縫延伸壓力與該層段的巖石力學性質有關。可由壓裂結束時的瞬時停泵壓力來計算裂縫延伸壓力[9]。

pF=pS+pH

式中：pF—裂縫延伸壓力，MPa；pS—瞬時停泵壓力，MPa；pH—壓裂井筒中的靜液柱壓力，MPa。

延伸壓力差是水化預處理層段延伸壓力與鄰段的差值，根據測井應力解釋結果，對施工數據進行分析計算，結果如圖5與表1所示。

圖5 水化預處理作用與鄰段參數對比

表1 水化預處理段與鄰段施工參數對比表

A井、B井的井段進行水化預處理后，裂縫延伸壓力均低于鄰近層段，延伸壓力差A井為1.36 MPa；B井為5.50 MPa、0.98 MPa，B井水化層段B(b)裂縫延伸壓力最多低于鄰段5.5 MPa。測井解釋結果表明，水化段與鄰近層段最小水平主應力差值A分別為-0.13 MPa，B(a)為-0.47 MPa、B(b)為0.62 MPa。在考慮地層本身應力大小的情況下，延伸壓力仍然存在一定額外偏差。結合室內試驗分析結果來看，部分巖心水化后存在縫寬增加的現象，因此延伸壓力的差異可能與水化后井筒附近裂縫寬度增加有一定關系。

3 結論

(1)現場試驗2口井3個層段在壓裂前泵注清水后，與相鄰層段對比發現：主壓裂破裂點相對較多，延伸壓力相對較低，在一定程度上提升了人工裂縫的復雜度。這一現象與室內巖心水化后天然裂縫寬度增加、新的微細裂紋產生等現象具有一定的關聯性，進一步驗證了清水對頁巖儲層微觀結構產生的影響。

(2)裂縫的起裂和延伸受到應力、天然裂縫等多種因素影響，頁巖儲層水化現象在壓裂改造中對裂縫復雜度提升的效果和強度仍需在更多地層條件類似的試驗井中開展進一步研究。