“多尺度高密度”壓裂技術理念與關鍵技術
——以川西地區致密砂巖氣為例

郭建春 路千里 劉 壯 曾凡輝郭彤樓 劉 言 劉 林 邱 玲

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中石化西南油氣分公司

0 引言

近年來，我國大力推動致密砂巖氣（下簡稱致密氣）勘探開發以緩解國內天然氣供需矛盾[1]，2021年我國致密氣產量約占當年天然氣總產量的23.1%[2-4]，加快致密氣勘探開發對“碳中和”目標導向下的天然氣快速持續增長具有現實意義[5-8]。四川盆地已成為繼鄂爾多斯盆地后我國第二大致密氣產區，以上三疊統須家河組以及侏羅系沙溪廟組為代表的陸相致密氣可采資源量達到2.35×1012m3，占全盆地致密氣總量的52.4%，是目前盆地天然氣增儲上產現實性最好、可規模發展的重要陣地[2,5,9-12]。

致密氣藏指覆壓基質滲透率≤0.1 mD的砂巖氣層[13]，其產量和采收率通常較低，主要原因是砂體呈孤立狀非均勻分布，且儲層孔喉細小[1]。隨著鉆完井技術以及直井精細分段壓裂、水平井分段多簇壓裂等儲層改造技術的不斷創新，美國致密氣實現了規模化效益開發，但也暴露出產量遞減快、單井EUR低等工程難題[14-15]。相較于美國致密儲層濱岸平原砂壩沉積特征，我國致密儲層以陸相河道沉積為主，氣層厚度小、孔隙度和滲透率低、非均質性強[16-18]。以四川盆地川西致密氣為例，由于儲層條件復雜以及開發方式差異性[19-21]，導致實際開發過程中存在儲層改造方式以及改造效果不確定性強等問題[22-24]，川西致密氣藏儲層改造前期經歷了三輪技術迭代：①早期改造遵循“低滲透造長縫”理念，采用直井籠統壓裂技術、大規模凍膠連續加砂工藝，在致密儲層中形成雙翼深穿透長縫[25]；②2014年，縫網壓裂理念被引入到川西致密氣儲層改造中，通過水平井長分段混合水壓裂以及脈沖纖維加砂壓裂等關鍵技術，儲層改造體積大幅提高，裂縫鋪置剖面明顯改善，增產效果得到提升[26-28]；③2019年，為進一步提高裂縫復雜性，開展了致密氣精細分段壓裂工藝技術研究，結合無限級滑套技術建立了細分段單簇一體化建井壓裂技術，實現水平井精細布縫，大幅度提升了致密氣水平井分段改造準確性以及儲層改造效果[29]。總體而言，上述關鍵技術解決了部分工程難點，但窄河道砂體儲量動用程度低、儲層傷害大以及產量遞減快等問題依舊存在，致密氣增產并未取得實質性突破。以四川盆地西部ZJ氣田（以下簡稱ZJ氣田）為例，壓裂后單井平均測試產氣量僅2.7×104～6.1×104m3/d，亟待進一步開展壓裂工藝技術攻關。

針對川西地區致密砂巖儲層改造難題，在川西地區致密氣前三輪儲層改造經驗的基礎上，以構建致密氣藏有效支撐和長效導流的多級裂縫體為改造目標，創建了致密氣藏多尺度高密度壓裂的改造理念，提出了以“廣、密、撐、穩、精”為核心的致密氣儲層改造措施，并在川西地區十余口致密氣井完成了現場工程實踐，取得了顯著的增產效果，助力ZJ氣田沙溪廟組以及東峰場氣田須家河組在致密氣增儲上產領域取得新突破[29]。多尺度高密度壓裂工程實踐指出了致密氣儲層改造下一步攻關方向，相關認識為我國致密氣藏經濟高效開發提供了借鑒。

1 川西致密氣藏地質工程特征

川西陸相沉積發育多套致密砂巖儲層，受到中新生代多期構造作用，致密砂巖儲層具備以下特征[30-34]：①河道砂體展布狹長，致密儲層以水下分流河道微相為主，河道砂體表現出窄河道特征，河道砂體厚度介于5～50 m，主體寬度介于200～600 m，且河道走向與原地最小水平主應力方向存在一定夾角；②儲層非均質非連續性強，巖性變化大，受多期旋回運動影響，河道砂體在縱向上呈現出多期河流—三角洲砂體疊置特征，而在平面上被泥質低滲透帶阻隔；③儲層埋藏差異大，致密儲層埋深介于1 700～5 100 m，由于構造抬升以及深部埋藏作用，表現出壓力系數差異大（壓力系數介于1.1～2.1）、兩向地應力差異大（介于5～25 MPa）、天然裂縫發育程度差異大等特征；④儲層致密，脆性指數相對較低，儲層孔隙度介于5.4%～10.7%，滲透率介于0.05～0.57 mD，整體屬低孔隙度低滲透率儲層，儲層巖石楊氏模量介于13～25 GPa，泊松比介于0.17～0.25，脆性指數介于31.8～49.4。

2 川西致密氣藏儲層改造難點

2.1 儲層品質差、分段布縫針對性不足、儲量有效動用程度低

川西地區致密砂巖儲層品質差，地層壓力低，以Ⅱ、Ⅲ類儲層為主。致密儲層改造表現出常規分段布縫設計改造針對性不足、改造后效果不理想、儲量動用程度低等問題[29]。產生這些問題的主要原因為：①非連續窄河道砂體造成水平井布井“先天不足”，由于河道砂產狀不規則，當井筒走向與最小水平主應力存在夾角時，多裂縫應力干擾將會限制多裂縫高效延伸，研究成果表明（圖1），當水平井筒與最小水平主應力方向斜交時，多簇裂縫起裂后在應力干擾影響下相互串聯形成主縫，中間簇裂縫無法有效擴展；②致密儲層油氣流動能力差，分段單簇壓裂改造波及范圍小，裂縫復雜程度低，產能難以釋放。因此，需要對致密儲層開展針對性的壓裂分段分簇優化，改善裂縫擴展形態，縮短油氣滲流距離，增加儲層改造體積，提升改造效果。

圖1 井筒—地應力應力夾角干擾下多簇裂縫擴展形態圖

2.2 裂縫有效性不理想，壓后高產穩產難

研究表明支撐裂縫的有效性是制約致密儲層產量的關鍵因素[20]，有效支撐縫長偏短使得產能損傷達到40%～60%[30]。以ZJ氣田沙溪廟組儲層改造為例，前期精細分段壓裂采用“混合水+ 30/50目陶粒”加砂泵注模式，壓裂用液強度為2.4～7.4 m3/m，加砂強度為0.4～0.6 t/m，壓后測試產氣量僅為3.5×104～5.4×104m3/d，整體儲層改造效果未達到預期。此外，川西致密砂巖儲層閉合應力為20～60 MPa，高閉合應力條件下裂縫容易失效，存在壓后產量遞減快，穩產困難的挑戰。ZJ氣田沙溪廟組氣藏呈現明顯“三段式”產量遞減特征，有穩產期的井占比約60%，穩產期介于2～4年[29]。

2.3 單井壓后返排率低，壓裂液儲層傷害大

如前文所述，川西致密儲層前期改造主體采用“凍膠+高黏滑溜水”混合水體系，考慮到致密儲層壓后返排率介于20%～40%，稠化劑液體在儲層大量滯留會堵塞基質孔喉以及微裂縫，對致密儲層滲透率造成嚴重傷害。此外，致密儲層中含有20%～25%的黏土礦物，發生水敏后，會導致啟動壓力增加5倍，壓后滲透率降低50%[29]。因此，致密砂巖儲層改造對壓裂液體系低傷害性能提出了更高的要求。

3 “多尺度高密度”壓裂理念與技術

3.1 “多尺度高密度”壓裂理念內涵

式中L表示基質中流體滲流距離，m；km表示基質滲透率，mD；φm表示基質孔隙度；μ表示流體黏度，mPa·s；Δp表示驅動壓差，MPa；t表示流體從基質向裂縫流動的時間，min。

圖2展示了10 MPa生產壓差下不同滲透率儲層氣體滲流距離與滲流時間的關系，36個月生產時間內，在滲透率為1 mD的低滲透率氣藏中氣體滲流距離約為113 m，而滲透率介于0.01～0.1 mD的致密氣藏中氣體滲流距離僅為11～35 m。上述結果表明低滲透率儲層氣體滲流范圍較大，基質可以向裂縫進行“長距離”滲流，因此“造長縫”是實現低滲透率氣藏儲量動用的有效手段。相較于低滲透率儲層，致密儲層在相同時間內只能向裂縫進行“短距離”滲流，而河道砂體“窄而薄”的特點進一步縮減了裂縫波及面積，導致單一長縫無法實現致密儲層有效動用。因此，增加裂縫密度和改造體積是實現致密儲量高效動用的必然需求。研究表明，水力裂縫密度越大，單井采出程度越高[24]。

圖2 不同滲透率儲層氣體滲流距離與滲流時間關系圖

基于上述認識，借鑒非常規油氣體積改造思路[36]，進一步提出了致密氣藏多尺度高密度壓裂改造理念。從實際儲層改造效果來看，水力裂縫延伸無法擺脫砂體展布非均質非連續性、地應力差異性等因素的限制，因此，為了最大化儲層內裂縫密度，需要根據儲層特征構建多級裂縫體。即利用水平井筒、主裂縫和次生裂縫網絡構建多級裂縫體，實現不同維度的“打碎儲層”，大幅縮短氣體從基質流向裂縫的滲流距離，為油氣流動創造有利條件。如圖3所示，上述多級裂縫體的構建主要包含3個內涵：①利用“多井型+長井段”鉆井控制儲層，即通過井型組合、井位部署、井段調整等鉆井壓裂一體化措施構建Ⅰ級裂縫體，規避儲層非均質非連續性以及地應力差異影響，最大限度控制儲層有利區域；②在精細刻畫致密儲層的基礎上，通過“合理布縫+段簇組合”的優化方式提高裂縫布置有效性，通過分段壓裂構建Ⅱ級裂縫體充分改造水平井鉆遇儲層，控制非連續砂體；③致密儲層需要保證壓裂裂縫體的復雜性以及流動性[23]，即通過調整工程與材料參數增加裂縫的復雜性和無序性，將這種無序裂縫定義為Ⅲ級裂縫體，通過裂縫網絡實現對改造范圍內儲集體的全面和深入控制。

圖3 “多尺度高密度”壓裂三級裂縫體構建示意圖

此外，多級裂縫體內不同尺度的裂縫對于支撐劑鋪置要求存在差異，單一粒徑支撐劑很難滿足裂縫整體流動能力要求。為了提升裂縫有效性，需要考慮裂縫尺度與支撐劑粒徑的匹配關系。研究表明致密儲層高閉合應力條件下，近井主裂縫需要高濃度支撐劑提供足夠縫寬以獲得高導流能力，而在遠井分支裂縫采用低濃度小粒徑支撐劑局部鋪置能有效提升裂縫導流能力的穩定性[37]。同時，為了保證油氣在基質和裂縫內的長效高速流動，需要降低壓裂液體系對于儲層以及裂縫充填層的傷害，這要求壓裂液體系同時實現遠距離攜砂和低傷害性能。

3.2 “多尺度高密度”壓裂技術實現

致密氣開發的核心是提高單井產量和EUR[23]，通過水力壓裂在儲層內構建有效支撐和長效流動的多級裂縫體是關鍵。為了實現多尺度高密度壓裂改造理念，提出了“廣、密、撐、穩、精”五位一體的壓裂改造技術措施。

3.2.1 “廣”——建立多級裂縫體，擴大裂縫體的展布范圍，實現對儲層的整體控制

由于河道砂體非均質非連續性強，地質工程一體化改造是實現效益開發的必然要求，即根據儲層地質特征，對水平段進行分段布縫優化以建立多級裂縫體，具體包括：①選井優化，利用物探資料實現對非連續河道砂體宏觀三維展布的精細刻畫，盡量選擇河道中心部位并沿著河道方向建立長水平段，實現對砂體優質部位的最大化控制；②分段優化，充分利用鉆錄測資料解釋以及室內實驗數據對儲層巖石力學參數、地應力條件以及天然裂縫展布等地質工程關鍵參數的精細評價，建立一體化綜合評價指標體系實現對改造“甜點”層段的準確控制；③布縫優化，基于上述地質模型，利用高精度的復雜裂縫擴展模擬方法，明確非均質地層多簇水力裂縫競爭擴展形態[38]，并以裂縫體控制面積與裂縫復雜程度“雙指標”優選段簇組合；④增大改造液量規模，增加水平裂縫長度提高溝通天然裂縫概率，擴大多級裂縫體控制范圍，增加裂縫波及面積。

政府過多干預融資平臺日常管理，平時監督不夠，最多的還是干預及融資和建設任務的施壓。融資平臺缺乏危機管理，從公司領導到內部職員，更多關注項目的增加、資產規模的擴大、融資的增長，風險意識不足，缺乏系統的風險預警體系。

3.2.2 “密”——提高裂縫密度，縮短油氣滲流距離，提高油氣動用程度

實踐證明前期采用精細分段改造工藝[39]能夠實現儲層定點高強度改造，但長分段單簇壓裂模式難以有效動用致密儲層。“長段多簇”高密度壓裂工藝通過高密度分簇設計，增加改造段內裂縫密度，縮短基質向裂縫的滲流距離，實現油氣米級尺度滲流，提升儲量動用程度。實現“高密度”造縫的關鍵在于保證多簇裂縫擴展的有效性，采用橋塞—射孔聯作實現高密度壓裂精確分段，采用大排量泵注模式、極限限流射孔技術[40]保證多簇主裂縫有效開啟以及高效延伸，配合使用復合暫堵技術提升Ⅲ級裂縫體規模，進一步增加裂縫復雜程度。考慮到窄河道砂體走向隨機、非連續展布的特點，致密儲層高密度造縫的關鍵在于明確多簇裂縫擴展形態，通過合理布縫來實現裂縫對儲層的有效覆蓋，而并非一味遵循非常規縫控壓裂技術理念，通過密切割造縫達到對儲集體的極限控制[41-42]。

3.2.3 “撐”——多粒徑組合加砂匹配多尺度裂縫流動能力需求，實現裂縫整體有效支撐

為了實現多尺度裂縫的整體有效支撐，泵注過程中要求支撐劑在裂縫內“進得去”“走得遠”“撐得住”。研究表明縫內砂堤鋪置形態受到注液排量、支撐劑粒徑、壓裂液黏度等因素影響，采用大排量變黏滑溜水交替泵注可以降低砂堤平衡高度，增加縫口凈空區域面積，實現支撐劑縫內遠距離輸送[43]；基于水力裂縫縫寬分布占比以及支撐劑支縫填充效率（圖4），可以定量確定不同縫寬對應的各級支撐劑粒徑占比[44]，采用組合粒徑支撐劑實現近井主裂縫以及遠井分支縫的全裂縫有效支撐；在儲層參數以及裂縫形態確定的條件下，引入無因次支撐劑指數以及裂縫滲透率修正模型，建立多級裂縫體產能預測模型，以產能最大化為原則確定各級裂縫體所需流動能力以及匹配的支撐劑用量。通過上述支撐劑遠距離輸送調控技術，基于縫寬分布的加砂參數優選技術以及多級裂縫流動能力匹配技術，確定致密氣壓裂加砂參數與泵注模式，提高裂縫流動能力有效性。

圖4 復雜裂縫形態與支撐劑運移沉降數值模擬分析圖

3.2.4 “穩”——“強加砂+低傷害+快進快出”泵注保證裂縫體長效流動能力

研究表明，裂縫閉合時充填層附近會形成局部無充填的高速流動通道，通過提高加砂強度能夠增加支撐劑充填層厚度，有利于增強砂堤穩定性[45]。考慮到多級裂縫體建造需求，通過大幅提高加砂強度以及組合粒徑中石英砂使用占比，實現支撐劑遠距離輸送以及裂縫穩定支撐目標；為了滿足造縫以及攜砂的需求，同時考慮到低傷害、低成本以及壓返液處理要求，采用能滿足大規模連續在線混配需求的一體化可變黏、低傷害、耐鹽、低成本壓裂液體系；此外，致密儲層改造排液階段應堅持“快進快出”原則，實現壓后快速返排，降低儲層傷害。若現場無法及時排液，應采用控氣排液技術，即通過調整生產制度控制日產氣量低于1.5×104～2×104m3，最大限度保證排液。在掃塞階段，采用快速易鉆橋塞或可溶橋塞技術、配合使用橋塞助溶劑，及時完成掃塞作業。致密儲層大規模改造后的出砂問題需要重視，排液初期應基于支撐劑回流臨界流速計算模型建立合理的生產制度，同時通過在支撐劑中添加纖維進行防砂。

3.2.5 “精”——打造高效模擬手段、工具與材料，開展精細精準優化設計

利用高效數值模擬技術精確模擬復雜裂縫擴展形態、裂縫內支撐劑輸送規律以及壓后產能，開展段簇組合、泵注模式、施工排量、施工規模等工程參數優化，實現“一段一策”一體化精準壓裂設計。壓裂全過程采用裂縫監測與評價技術跟蹤裂縫擴展特征，為后續模型修正、設計調整提供依據，以獲取最佳改造效果。

4 “多尺度高密度”壓裂實踐

4.1 J318井多尺度高密度壓裂設計

J318井是部署在ZJ地區沙溪廟組JS河道上的一口水平井，所在河道呈北東—南西向非連續展布（圖5）。該井完鉆垂深2 751 m，水平段長1 039 m，地層壓力系數為1.5。采用?139.7 mm套管完井，水平井走向與最大水平主應力方向夾角為60°。測井解釋結果顯示鉆遇Ⅱ/Ⅲ儲層為主（占比75.3%），平均孔隙度為9.1%，儲層滲透率介于0.05～0.20 mD，水平主應力差接近12 MPa。同河道鄰井前期采用常規壓裂工藝改造，壓后平均產氣量為0.72×104m3/d，增產效果不理想。在分析J318井地質工程特征的基礎上，應用“多尺度高密度”壓裂技術提升改造效果：①考慮砂體的地質工程特征，強化工程地質一體化“選段”，采用甜點差異化設計，提高優質儲層改造力度，通過數值模擬合理優化布縫，提高改造段裂縫密度，縮短油氣運移距離；②優化縫內支撐劑鋪置形態，采用“強加砂+多級支撐+超前加砂”泵注模式實現多尺度裂縫流動能力匹配，提升裂縫有效性和長效性；③考慮致密儲層水敏以及支撐劑長距離高效輸送需求，采用強化返排和防膨能力的一體化可變黏耐鹽低傷害壓裂液體系，并配合聚合物破壞劑確保徹底破膠；④在滿足安全條件且有壓力窗口時，采用極限限流壓裂技術與復合暫堵轉向技術，確保多簇裂縫有效開啟與高效延伸，進一步提高裂縫復雜程度，提升儲層改造充分性；⑤強化壓后返排制度，壓裂液“快進快出”，進一步降低儲層傷害，控制出砂，開井排液前6 h采用?≤3 mm油嘴控排，2天內?≤5 mm油嘴控排，掃塞采用?6～7 mm油嘴排液，并配合使用助溶劑可以提高掃塞速度。掃塞后以不出砂為原則，逐級放大油嘴，最大返排速率不超過20 m3/h。具體壓裂設計參數見表1。

圖5 J318井井位與河道砂體展布圖

表 1 J318井與區塊鄰井儲層改造參數對比表

4.2 J318井多尺度高密度壓裂施工情況

J318井采用橋塞分段順利完成11段61簇壓裂施工，整體施工泵壓介于55～65 MPa，各段停泵壓力正常平穩，平均加砂強度為4.1 t/m，用液強度為17.3 m3/m，整體施工參數刷新了中國石化西南油氣分公司川西中淺層致密砂巖儲層紀錄。圖6展示了該井某段壓裂施工曲線，壓裂過程中泵壓整體表現出下降趨勢，壓裂過程中復合暫堵后壓力響應明顯，暫堵后多次出現新縫起裂的壓力曲線特征。本井壓后立即鉆塞排液，在井口壓力30 MPa條件下，采用?8 mm油嘴求產，測試產氣量為25.5 ×104m3/d，無阻流量達到103×104m3/d，相較于同區塊相鄰壓裂水平井產量提升18.6倍。截至2022年12月30日，J318井已穩定生產21個月，累計產氣量1.45 ×108m3。

圖6 J318井部分段壓裂施工曲線圖

4.3 J318井多尺度高密度壓裂壓后評估

通過壓后數據分析以及動態擬合，對J318井儲層改造得出如下認識。

1）對比單段單簇壓裂工藝，多尺度高密度壓裂技術通過在儲集體內構建多級裂縫體，儲層改造體積接近3.3 ×106m3，縫控體積相較于前期工藝增加接近7.5倍。平均主縫縫長113.8 m，平均縫寬3.2 mm，裂縫導流能力5.9 D·cm，達到了高密度造縫設計要求。

2）采用“暫堵球+暫堵劑”復合暫堵工藝，暫堵響應壓力介于0.8～2.3 MPa，暫堵后壓力整體上漲2～4 MPa，暫堵后壓力曲線有多次破裂顯示。模擬結果表明復合暫堵能有效增加裂縫復雜程度，裂縫體積相較于不暫堵情況提升了27%。壓降數據擬合結果表明，G函數曲線有明顯波動，表明裂縫具有一定復雜性，人工裂縫以“主縫+分支縫”為主。

3）采用一體化耐鹽可變黏滑溜水泵送組合粒徑支撐劑，液體平均降阻率為84.4%，降阻性能優異。采用低黏壓裂液泵送組合粒徑支撐劑，穩定工況下最高砂濃度可達460 kg/m3，能夠實現多尺度裂縫有效支撐要求。巖心實驗表明，相較于凍膠體系，滑溜水體系儲層傷害率可降低70%，并能實現壓返液大規模在線混配，滿足壓裂液低傷害要求。

4）堅持“快進快出”排液原則，壓后嚴格控排，通過控壓排液實現壓后連續且穩定返排，有利于解除儲層傷害，減少出砂量。

4.4 “多尺度高密度”壓裂技術應用現狀

2021年以來，多尺度高密度壓裂技術廣泛應用于Ⅱ、Ⅲ類致密儲層改造，6口水平井單井平均無阻流量達到63.4×104m3/d，平均測試產氣量達到15.6×104m3/d，單井可采儲量介于1.8×108～3×108m3（表2），有效釋放了川西地區致密儲量產能，有力地支撐了ZJ氣田千億立方米儲量大氣田建設[29]。

表2 多尺度高密度壓裂技術部分應用井儲層改造情況表

5 結論

1）川西陸相致密砂巖氣藏砂體“窄而薄”、儲層品質差、非均質非連續性強等特點導致前期儲層改造面臨儲量動用程度低、儲層傷害大、壓后高產穩產難等問題。本文通過分析致密儲層滲流特征，認識到增加裂縫密度和改造體積是實現致密儲量高效動用的必然選擇。

2）多尺度高密度壓裂技術通過在致密儲層合理構建多級裂縫體實現裂縫密度最大化，大幅縮短油氣滲流距離。同時強調多尺度裂縫流動能力對于支撐劑高效鋪置以及壓裂液低傷害的要求，以實現油氣在多級裂縫體內高效長效流動。

3）提出了“廣、密、撐、穩、精”五位一體的壓裂改造技術措施，以提高致密氣單井產量和EUR。通過在ZJ氣田致密儲層開展多尺度高密度壓裂系統性工程實踐，平均測試產氣量達到15.6×104m3/d，有力地支撐了ZJ氣田千億立方米儲量大氣田建設。

4）河道砂體精細刻畫與儲層“甜點”識別、裂縫擴展—支撐劑輸送—產能預測一體化高性能模擬、高效壓裂工具與材料配套是致密儲層效益開發下一步突破的關鍵點。