高閉合壓力下深層頁巖氣促縫網強支撐壓裂工藝

引用格式：李德旗，劉春亭，朱炬輝，胥云，王榮，張俊成，吳凱，潘丹丹. 高閉合壓力下深層頁巖氣促縫網強支撐壓裂工藝［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：336-345.

摘要：D 區塊深層頁巖氣井儲層改造效果不理想，存在高水平地應力差及天然裂縫欠發育導致的裂縫形態單一、高垂向應力導致的高破裂壓力及高施工壓力、高閉合壓力導致的裂縫支撐效果不理想等問題。采用真三軸模擬試驗系統開展了頁巖水力壓裂裂縫擴展模擬實驗，探索了高應力差條件下裂縫擴展影響因素，利用自主研發的相場法裂縫擴展軟件分析了小簇間距對裂縫擴展的影響。現場試驗4 口井，采用密集多簇射孔（8～11 簇/段）、高排量（17～18 m3/min）、限壓不限排量初期造縫模式、壓裂綜合實時判定與調控的暫堵轉向策略可以促進裂縫復雜，前置酸液、粉砂打磨以及優化孔眼數（44～50 孔/段） 可以有效降低破裂壓力及施工壓力，采用高強度加砂設計（3.6～4.0 t/m）、組合類型支撐劑可以有效保障裂縫導流能力需求。D 區塊4 口井采用上述技術措施后，測試平均產氣量均超過20×104 m3/d，儲層改造效果良好。該系列化技術措施為高閉合壓力下深層頁巖氣井儲層改造提供了技術借鑒和現場經驗，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞：頁巖氣；深層；體積壓裂；復雜裂縫；加砂強度；施工壓力

中圖分類號：TE37；TE357.1 文獻標識碼： A

0 引言

目前，深層頁巖氣一般指垂深大于3 500 m 的頁巖儲層［1］，其資源潛力巨大［2］，包括四川盆地、塔里木盆地等深層頁巖氣資源［3］ 都是未來頁巖氣產能建設的主要接替區域［4］。然而，深層頁巖氣井儲層特征與中淺層頁巖氣有明顯差異，其儲層改造也面臨更多挑戰［5］，如施工壓力高［6］、高彈性模量及閉合壓力導致的縫寬窄、加砂困難［7］ 、裂縫支撐效果不理想等［8］。針對深層頁巖氣特征，許多學者開展了相關研究，并提出了針對性舉措，逐步形成密切割、強加砂、暫堵轉向的深層頁巖氣體積壓裂技術。卞曉冰等［9］利用建立的深層頁巖裂縫動態擴展模型探究了深層頁巖裂縫形態影響因素，結果表明壓裂液黏度是影響縫寬和體積壓裂SRV （Stimulated Reservoir Volume）的主控因素，提高高黏液體用量可增加壓裂縫寬，保障加砂順利。江銘等［10］建立了支撐裂縫導流能力計算模型和深層頁巖氣產能預測數學模型，采用川南深層頁巖氣生產數據對模型進行了歷史擬合，研究表明提高鋪砂濃度和選擇小粒徑支撐劑有利于提高深層頁巖氣井穩產時間。蔣廷學等［11］提出平面射孔、多尺度造縫、多尺度裂縫充填及高角度天然裂縫延伸控制為核心的技術方案，配套形成了多級交替注入模式（酸、滑溜水、膠液） 以及變黏度、變排量、混合粒徑及小粒徑支撐劑為主體的工藝方法。沈騁等［12］針對渝西深層頁巖氣儲層特征提出采用“大規模前置液”、“高強度注液、低濃度段塞式加砂”及“基于暫堵轉向的縫網復雜度提升工藝”，單井SRV 與產能得到了有效提升。曾波等［13］提出了以“密切割分段+短簇距布縫、大孔徑等孔徑射孔、大排量低黏滑溜水加砂、高強度小粒徑組合支撐劑、大規模高強度改造”為主的深層頁巖氣水平井體積壓裂關鍵技術。綜上所述，深層頁巖氣儲層與中淺層頁巖氣儲層地質特征存在很大差異，需要在壓裂中提出針對性開發措施，以實現深層頁巖氣效益開發。

四川盆地D 區塊龍馬溪組垂深3 676～4 450 m，主要層系（龍11—龍13） 孔隙度4%～6.5%，TOC 含量4%～6.2%，含氣量4.8～8.7 m3/t，壓力系數2.0 左右，地層能量充足且可壓性較好，脆性礦物質量分數62%～75%，彈性模量37～40 GPa，泊松比0.2～0.26。取心及測井解釋結果表明，D 區塊龍11—龍13 小層天然裂縫欠發育，在龍14—五峰組發育有不同程度的水平層間縫、高角度縫、垂直縫，且多被硅質物、黃鐵礦充填。區塊4 口井水平段平均垂向應力94～121.5MPa，最大水平主應力97～120.9 MPa，最小水平主應力84.4～106.8 MPa，水平地應力差13～14.6 MPa。

套變是影響深層頁巖氣儲層改造效果的重要因素［14］，而天然裂縫剪切滑移是發生套變的最主要機理［15］，其受到天然裂縫走向、傾角、地應力狀態、地層流體壓力、套管強度等因素綜合影響。由于 D 區塊主力產層垂向應力最大，屬于拉張應力狀態，且天然裂縫欠發育，使其套變風險較小，這為高用液強度、高加砂強度、高排量施工提供了有利條件。但由于其三向應力絕對值高，深層頁巖氣D 區塊施工壓力普遍高于103 MPa （限壓112 MPa），對地面長期施工作業安全運行帶來挑戰。由于D 區塊頁巖氣儲層破裂壓力較高，且水平段長度大，井筒摩阻高，靠近B 點層段施工時，前置液提排量階段，6～10 m3/min 排量下，壓力就可達到110 MPa 以上，排量建立較為困難，也需要采取針對性措施。此外，D 區塊頁巖氣閉合壓力普遍超過90 MPa。高閉合壓力下，剪切滑移自支撐裂縫的導流能力保持比張性裂縫好，自支撐裂縫導流能力已經不能滿足開采需求［16］ （裂縫壁面有效應力達到28 MPa 時，自支撐裂縫導流能力幾乎為0［17］）。

針對四川盆地D 區塊深層頁巖氣儲層特征及施工過程中面臨的難題，開展實驗與數值模擬研究，分析其儲層改造過程中縫網形態，探索促縫網施工方法，并在施工過程中不斷優化，形成了一套適用于該區塊深層頁巖氣的儲層改造模式，克服了D 區塊深層頁巖氣井造縫網困難、施工壓力高及高閉合壓力條件下裂縫支撐效果不理想等難題。

1 方法過程

針對深層頁巖氣井開發過程中面臨的挑戰，通過高應力差條件下裂縫擴展物模實驗、不同簇間距條件下裂縫擴展模擬、暫堵時機優化、支撐裂縫導流能力實驗等研究，提出了深層頁巖氣井儲層改造促縫網、強加砂提高經濟可采儲量工藝。

1.1 室內研究

1.1.1 深層頁巖氣儲層改造裂縫形態及促縫網措施

（1） 深層頁巖氣井儲層改造大物模實驗。以D 區塊深層頁巖氣應力狀態為目標，開展正應力狀態真三軸頁巖水力壓裂模擬實驗。巖樣取自D 區塊頁巖露頭，尺寸為30 cm×30 cm×30 cm。設置垂向應力70 MPa，最大水平主應力60 MPa，最小水平主應力45 MPa，水平應力差15 MPa。1～4 號巖樣無天然裂縫，5～9 號巖樣含天然裂縫，其中7 號巖樣實驗過程中采用變排量模式，8、9 號巖樣實驗過程中采用多期次停泵模式，具體實驗方案見表1。

從表1 中可以看出，實驗所用巖心分為存在天然裂縫與無天然裂縫2 類，旨在探索排量、壓裂液黏度等因素對裂縫擴展形態的影響。實驗采用龍馬溪頁巖露頭，通過與地下真實巖心的力學性質類比優選，保證露頭巖樣與地下巖樣參數相近。采用高性能真三軸實驗裝置加載三向應力，結合16 通道聲發射裝置和高精度信號監測處理軟件，實現壓后三維空間裂縫重構，對裂縫擴展特征進行分析。

實驗結果表明，深層頁巖氣儲層改造主要形成了4 種裂縫形態。不存在天然裂縫條件下，1～4 號巖樣形成了“一”型裂縫，裂縫形態單一，僅產生一條主裂縫。存在天然裂縫條件下，7 號巖樣形成了“廠”型裂縫，主裂縫在擴展過程中沿著天然裂縫發生轉向延伸。5、6、9 號巖樣形成了“T”型裂縫，主要為主裂縫在垂向過程中遇到層理縫后，層理縫開啟，或主裂縫在沿水平方向擴展過程中遇到高角度天然裂縫而被捕集，然后裂縫沿著天然裂縫向兩側擴展。8 號巖樣形成了“工”型裂縫，主要是因為水力裂縫在沿垂向擴展過程中，上下兩個層理面開啟，限制了水力裂縫在縫高方向上的擴展。

在實驗條件下，排量變化及多期次啟停泵對裂縫擴展沒有產生較大影響。深層頁巖氣裂縫破壞形式單一，超過80% 的露頭巖樣均表現為拉張破壞，張性裂縫為主，這與其高應力差、高垂向應力以及天然裂縫發育不足有關，在一定程度上會導致深層頁巖氣起裂壓力高，難以通過人工轉向形成復雜縫；垂向應力大于最大水平主應力后，在實驗條件下，水力裂縫均未能穿越水平層理。這在一定程度上反映了深層頁巖氣儲層改造裂縫擴展易受層理縫影響而縫高受限難題［18］。

（2） 深層頁巖氣儲層改造促縫網方法探究。小簇間距及保障單孔進液量利于復雜縫網形成［19］。通過室內實驗與現場應用綜合分析認為，D 區塊深層頁巖氣在天然裂縫不發育的情況下，難以實現復雜裂縫。因此在設計過程中，首先考慮了段內密集多簇的方法，為段內裂縫數的提升提供先決條件。結合D 區塊儲層基本參數，通過川慶鉆探自主研發相場法裂縫擴展模擬軟件開展數值模擬，不同簇間距條件下最大、最小水平主應力分布如圖1 所示。