密切割分段壓裂技術在CN區塊的應用

于洋(中石化中原石油工程公司井下特種作業公司，河南 濮陽 457001)

0 引言

CN區塊頁巖氣采用水平井+體積壓裂模式開發取得了良好的效果，但還存在壓裂改造效果不理想、壓后產量偏低且遞減快，開發成本高等問題，前期水平井水平段長800～1 500 m，單井壓裂 15～25 段，主體采用速鉆橋塞分段壓裂工藝，單段簇數2～3簇，壓裂排量12～15 m3/min，加砂強度0.9～1.7 t/m，進液強度15～30 m3/m。經過長期生產實踐發現該區塊頁巖氣水平井大規模開發仍存在以下問題：(1)大部分井初期產量不夠高，同時產量遞減較快；(2)水平井長度不斷增加，主體段長由前期的800～1 500 m增加為目前的1 500～2 500 m，最長達到3 035 m。

在充分借鑒北美頁巖氣新一代體積壓裂理念和工藝技術，以提高裂縫復雜程度和裂縫導流能力為核心的理論基礎上[1]，研究出了適合CN地區非常規頁巖氣的以增加改造段數、增加改造簇數、提高加砂強度的密切割體積壓裂方式，使該區塊壓裂后裂縫網格更復雜，初期單井產量更高。

1 研究區塊地質特征分析

1.1 地質力學參數

研究的目標區塊位于川南盆地的西南部，以背斜構造為主，主體區斷層不是很發育。該區塊內在鉆井過程中鉆遇地層層序正常，以三疊系、二疊系、志留系為主，而含油氣比較好的主要目的層為龍馬溪組，其富含黑色含硅碳質頁巖、機質黑色碳質頁巖，且分布較穩定，鉆井顯示研究目標區塊內I類儲層鉆遇率平均達94%，其中龍一1、2小層為Ⅰ類儲層，龍一13、4及五峰組為Ⅰ-Ⅱ類儲層，優質頁巖厚度在30～56 m。

通過地應力分析其走滑應力：σH＞σV＞σh，最大水平主應力大于垂向主應力，不利于裂縫高度擴展；而目標區塊內水平應力差較大(1～13 MPa)，形成復雜裂縫難度也較大。

1.2 天然裂縫情況

通過對目標區塊內頁巖氣的螞蟻追蹤解釋結果表明，該區塊的天然裂縫分布不均勻，只是局部發育有天然裂縫，大部分不發育天然裂縫。

1.3 儲層物性

目標區塊優質頁巖厚度在30～56 m，有機碳含量在2.8%～6.3%，孔隙度在2.9%～7.4%(平均值為4.07%)，滲透率在0.001 8×10-3～1.250 0×10-3μm2(平均值為0.091)，有機質豐度在2.7%～4.5%；總含氣量在2.0～7.4 m3/t(平均值為 3.8)。同時礦物成分中的粘土含量較低、脆性礦物含量比較高，且不含蒙脫石等水敏礦物。

CN區塊地質參數，如表1所示。

表1 CN區塊地質參數

1.4 目標區塊頁巖儲層評價標準

根據研究區塊前期開發的多口井的儲層測井解釋成果及壓后生產情況，根據相關文獻，我們建立了該區塊的頁巖儲層評價的主要相關參數，包括頁巖氣儲層地質參數如：儲層厚度、孔隙度、滲透率，以及含氣量等參數，包括總有機碳含量、總含氣量(Ro)，具體參數如表2所示。由表1可見，研究的目標區塊的頁巖氣儲層地層特征有利于大規模體積壓裂的開展，可以實現低滲透非常規頁巖儲層的經濟開發。

表2 CN區塊頁巖氣主要評價參數表

2 密切割分段壓裂工藝參數研究

密切割分段壓裂工藝是以多分段+小段長+多分簇，配合大規模的體積壓裂，在頁巖氣儲層中形成多條主要的人工主裂縫[2]，同時配合不同組合粒徑的支撐劑，配合不同黏度的壓裂液體系，以溝通儲層中天然微裂縫和支裂縫，以形成更加復雜的縫網，提高儲層的導流能力。

2.1 裂縫簇間距優化

針對頁巖氣儲層2～4條裂縫同時壓裂進行模擬計算分析，采用CN區塊的巖石力學參數進行模擬計算，儲層的參數如表3所示。

表3 儲層參數表

(1)兩條裂縫同時壓裂裂縫簇間距優化

根據以上模型參數，計算不同裂縫間距下，壓裂時間 90 min，兩條裂縫同時壓裂時，裂縫均能有效擴展和起裂，根據文獻《基于最優SRV的頁巖氣水平井壓裂簇間距優化設計》中，在設定了相應的裂縫延伸模型、裂縫誘導應力場模型、天然裂縫準則等，以及上述儲層參數表中相關數據后，得出兩簇射孔時最優簇間距在10～30 m之間。

(2)四條裂縫同時壓裂裂縫簇間距優化

同上述兩條裂縫同時起裂情況一樣進行相應情況的模擬，研究中發現4條裂縫同時延伸時，左右兩外側裂縫的半長基本上相等，但是中間兩條裂縫的擴展，會受到左右兩側裂縫的干擾，特別是在縫間距為5 m時，兩外側裂縫受到嚴重擠壓干擾，導致兩外側裂縫縫寬非常窄，反而中間兩條裂縫的寬度卻非常大，最終根據文獻《基于最優SRV的頁巖氣水平井壓裂簇間距優化設計》中簇間距與SRV關系圖版，確定4條裂縫的最優簇間距為10～25 m。

三條裂縫起裂壓裂介于上述兩條和四條之間，根據采取上述相同分析方法，模擬的結果為3條裂縫的最優簇間距為15～25 m。

2.2 施工排量優化

(1)前置液造縫期間排量優化

相關試驗結果表明，壓裂初期使用低黏度的滑溜水體系可以降低液體濾失和增加縫內凈壓力，從而保證地層的破裂效果及初期裂縫的延伸狀態，同時前期的排量必須滿足天然裂縫大量開啟造成的液體濾失影響，通過相關室內模擬得出滑溜水排量在12～14 m3/min時，在井口規定的一定的限壓條件下裂縫會充分延伸，因此，造縫前期滑溜水體系排量應至少提升至12 m3/min。

(2)中后期排量優化

后期排量的優化需要考慮以下因素：多裂縫條數，多裂縫多發井存在一個最優排量的轉折點；裂縫的寬度和高度；還要考慮管柱阻力影響，通過相關軟件的凈壓力計算模塊，模擬目標區塊不同射孔簇數和不同施工排量下的縫內凈壓力的變化過程，得出只有縫內凈壓力超過水平應力差，水力裂縫才具備自由轉向的能力。綜合各種因素考慮確定密切割體積壓裂的后期加砂排量在16～18 m3/min之間。

2.3 高強度加砂

通過對CN區塊頁巖氣生產井的統計分析，加砂強度與日產氣量成較強正相關關系；

CN區塊日產氣量與加砂強度關系圖，如圖1所示。

圖1 CN區塊日產氣量與加砂強度關系圖

同時通過大量現場施工數據統計，得出CN區塊加砂強度為0.89～3.06 t/m，平均為1.76 t/m。

CN區塊加砂強度統計分布，如圖2所示。

圖2 CN區塊加砂強度統計分布

大量的現場數據和室內模擬可以看出，加砂強度越大頁巖氣日產量越大，當加砂強度在2.5 t/m以上時，相應日產量在25×104m3/d以上，因此進行密切割分段壓裂，需要增加單段加砂量，加砂強度應大于2.5 t/m。而目標區塊通常采用70/140目石英砂+40/70目陶粒支撐劑組合的支撐劑體系，因此優化該區塊的加砂強度為2.5～3.5 t/m。

3 現場施工

密切割分段壓裂技術在CN區塊現場應用10口井，施工成功率100%。10口井水平段長1 420～1 981 m，段數25～44，段長45～65.7 m，主體簇間距12.8～20.6 m，簇數2～5簇，施工排量12～16 m3/min，支撐劑采用70/140目石英砂+40/70目陶粒，最大單段液量 2 246 m3，最大單段砂量232 t，最大加砂強度3.06 t/m。

N209H2井采用密切割分段壓裂技術，共計壓裂32段，平均分段段長45.3 m，平均簇間距14 m，每段3簇，平均單段液量2 096.30 m3，平均單段支撐劑量136.65 t，施工排量12～16 m3/min，壓后產氣量42×104m3/d，產氣量也比周圍采用常規分段壓裂的鄰井高。

4 結語

通過增加分簇數、縮小簇間距、增大加砂強度和高排量大規模注入，初步探索出一套適合CN區塊頁巖氣細分段密切割壓裂施工工藝技術。