水平井分段壓裂工藝在延長油田陸相頁巖氣開發中的應用

郭　慶，張軍濤，申　峰，張鋒三，趙　逸，高　萌

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心 )

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水平井分段壓裂工藝在延長油田陸相頁巖氣開發中的應用

郭慶1，張軍濤1，申峰1，張鋒三1，趙逸2，高萌2

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心 )

鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有埋藏深度淺、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高、孔隙度和基質滲透率極低等特點，水平井體積壓裂技術是延長油田陸相頁巖氣高效開發的必要手段。結合延長油田陸相頁巖氣儲層的特點，通過室內研究和現場試驗，逐步優化形成了適合延長陸相頁巖氣水平井的分簇射孔、橋塞隔離分段壓裂工藝技術以及液態CO2壓裂液、滑溜水線性膠壓裂液體系等技術，并在4口頁巖氣水平井進行了現場應用，均取得了試驗成功，為延長油田陸相頁巖氣高效開發奠定了技術基礎。

陸相頁巖氣；水平井；分段壓裂；現場試驗；延長油田

鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有分布廣、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高等特點[1-2]，由于其生成機理和所處環境的特點，一般常規壓裂改造方式只能形成單一裂縫,很難獲得好的增產效果，所以必須經過大型壓裂形成裂縫網絡，溝通盡可能多的天然裂縫，才能大幅度提高頁巖氣單井產能。美國開發頁巖氣的已有的成功經驗表明，水平井技術、壓裂技術的突破是頁巖氣規模開發的關鍵[3-6]。近年來在借鑒北美頁巖氣勘探開發經驗的基礎上，我國頁巖氣勘探開發不斷取得重大突破，在四川盆地涪陵和宜賓等地區連續獲得高產工業氣流，涪陵地區焦石壩龍馬溪組海相頁巖水平井在大型壓裂后增產效果比較顯著[7-10]。延長油田近年來致力于陸相頁巖氣的勘探開發，經過技術攻關與現場實踐，頁巖氣水平井壓裂工藝技術也取得了較大的突破。

1　陸相頁巖儲層地質特征[11]

鄂爾多斯盆地延長組長7、長9頁巖儲集層埋藏深度一般小于2 000 m，巖相為黑色頁巖相、深灰色-灰黑色泥巖相、灰色粉砂質泥巖、粉砂巖相，非均質性強。長7段頁巖石英含量偏低，平均含量為27.75%，長石和黏土礦物含量偏高，平均含量分別達26.28%和42.11%，方解石平均含量1.31%，鐵白云石平均含量0.75%，黃鐵礦含量為1.31%。脆性礦物含量(石英、長石、碳酸鹽和黃鐵礦含量之和)為36%～77%，平均57.2%，脆性礦物含量較低，有利于頁巖氣壓裂開發。頁巖儲層孔隙類型以微孔為主，其次為粒間孔、自生礦物的晶間孔、溶蝕孔隙。實驗室巖心物性分析表明，頁巖孔隙度為1.69%～6.83%，平均值為3.83%；滲透率主要為(0.01～0.43)×10-3μm2，平均值為0.068×10-3μm2。鄂爾多斯盆地相頁巖氣儲層黏土水敏性強、儲層壓力低、物性差，這些因素都不同程度增加了壓裂施工難度。為了達到高效開發的目的，需要對鄂爾多斯盆地的頁巖氣水平井采用大型體積壓裂技術。

2　水平井分段壓裂優化設計

2.1壓裂設計思路

(1)該區域天然裂縫發育，兩相水平主應力相差不大，為形成復雜的裂縫形態提供了有利條件，有利于增大裂縫與儲層的接觸面積。

(2)各級的多個射孔簇對應的應力應基本一樣，以保證兩條或三條裂縫同時延伸，各級的每個射孔簇對應物性相對較好的位置。

(3)延長陸相泥頁巖儲層微裂縫較為發育，前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術，打磨裂縫壁面消除彎曲效應，同時還具有降低濾失的作用，保證主裂縫起裂和延伸。

(4)頁巖氣水平井體積壓裂施工用液量大、進入地層滯留時間長，對地層潛在傷害大，對后期試氣液體返排及產量存在較大影響。為此將液態CO2壓裂工藝技術引入頁巖氣水平井儲層改造。液態CO2氣化后能提高壓裂液返排能力，降低液體表面張力，有助于壓裂液的迅速返排；同時CO2與壓裂液形成的泡沫能有效降低液體濾失，提高壓裂液效率。

(5)支撐劑主體類型選用低密度陶粒，選擇3種粒徑支撐劑組合。前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術，70～100目陶粒有利于充填開啟的次生微裂縫的作用， 40/70目陶粒支撐主裂縫，30/50目陶粒用于封口，提高近井裂縫導流能力。

2.2壓裂材料優選

2.2.1壓裂液體系

針對延長陸相頁巖儲層微裂縫較發育會造成壓裂液在儲層中易濾失的問題，延長油田借鑒國內外頁巖氣選擇壓裂液的經驗，優化出適應陸相頁巖氣水平井儲層的滑溜水+線性膠混合壓裂液體系。該體系為低/無固相體系，可以減少固相顆粒侵入儲層造成堵塞；具有較低的表界面張力，進入儲層后易返排，對儲層水鎖傷害小；還具備較強的黏土防膨能力，避免進入儲層造成水敏傷害[17]。該體系在相同作業規模下成本較低，比常規凝膠壓裂成本降低50%左右。滑溜水配方為清水+0.075%降阻劑+0.1%防水鎖劑(含助排劑和表面活性劑)+1.0%KCl+0.08%殺菌劑；線性膠配方為清水+0.4%瓜膠+0.5%助排劑+1.0%KCl+0.1%殺菌劑+0.12%Na2CO3。該壓裂液體系黏土防膨率大于80%，降阻率大于50%，儲層巖心傷害率小于15%，具有溶解快、配制方便、易破膠水化、可連續混配的特點[18]。

2.2.2支撐劑選擇

國內外頁巖氣壓裂普遍采用滑溜水壓裂液，該類壓裂液體系懸砂性差。為克服這一弱點，通常選用低密度支撐劑。當儲集層閉合壓力大于20 MPa時，天然石英砂會被壓碎，易在裂縫中運移堵塞孔喉，降低儲層滲透率，故選用耐壓性能更優越的人造陶粒砂。延長陸相頁巖儲層的閉合壓力20～35 MPa，為了保證壓裂效果，將支撐劑輸送至裂縫的遠端，選用了三種不同粒徑的低密度陶粒作為支撐劑，密度為1.43～1.60 g/cm3，并進行多粒徑組合(70～100目+40～70目+20～40目陶粒)加砂壓裂，其中，粉陶主要作用是對天然裂縫進行封堵和降慮失，并對彎曲裂縫進行逐級打磨，減小彎曲摩阻，進一步降低施工壓力[5，15-16]。延長油田還將超低密度支撐劑(40～70目、密度為0.65 g/cm3)引入水平井壓裂施工，以能更好地優化支撐劑對裂縫的支撐效果。經過現場壓裂試驗及微地震裂縫實時監測資料顯示，選用超低密度支撐劑在中砂階段混合加入，可以達到改善裂縫上部支撐的目的。

2.3水平井射孔參數優化

頁巖氣水平井的射孔方式不同于直井，合理的射孔段或者壓裂間距可增大產生裂縫網絡的幾率。頁巖氣水平井射孔采用簇射孔的方式，即在每一級壓裂井段中多點射孔。

通過輸入陸相頁巖儲層相應的儲層參數，進行數值模擬研究。輸入參數為：頁巖厚度60 m，凈壓力擬合有效滲透率0.005×10-3μm2，平均孔隙度4%，含水飽和度50%，井底流壓2 MPa。數值模擬分析表明，儲層射孔15，18，21，24，27，30簇，縫長300 m，導流能力10×10-3μm2·m時，日產氣量與時間的關系曲線見圖1，隨著射孔簇數的增加，日產氣量呈增加的趨勢，但超過24簇后產量增幅變小。

圖1　射孔簇數對增產效果的影響

通過孔眼摩阻公式計算，孔數、排量與孔眼摩阻關系見表1。前期陸相頁巖儲層降排量測試分析結果表明，排量9.59 m3/min時，近井摩阻16.76 MPa，射孔孔眼摩阻為0，與理論計算結果相吻合。

2.4水平井裂縫間距優化

頁巖氣水平井分段壓裂過程中，通過減小裂縫間距可以使得井筒周圍儲層壓力下降速度加快，有利于氣體的解吸附，提高開采速度。但裂縫間距過小會產生應力干擾，應力干擾從幾十米到幾百米不等，主要取決于水力裂縫的高度和長度。分析表明：離裂縫越近，應力干擾越嚴重，當裂縫的距離超過裂縫高度的1.5倍以上時，應力干擾基本可以忽略。

為了確保壓裂段內各射孔簇之間裂縫相互作用形成網絡，避免段與段之間縫間干擾，射孔數據應結合測試壓裂及測井解釋成果確定。

表1　孔數、排量、摩阻之間的關系

2.5水平井裂縫長度優化

裂縫長度是影響頁巖氣水平井產能的一個重要因素，模擬結果顯示(圖2)，裂縫越長產量越高，隨著裂縫的增長，增產幅度逐漸變小，但施工難度和投資都隨之增加，對于特定的地層存在一個最佳值。

圖2　裂縫長度對增產效果的影響

3　水平井壓裂工藝技術

為了獲取更好的頁巖氣產能，延長油田在直井壓裂工藝基礎上開展了水平井分段壓裂工藝研究。根據陸相頁巖水平井地質條件，主要進行了分段壓裂工具優選、壓裂裂縫參數(段數、段長、加砂規模及射孔簇等)優化、施工參數(排量、砂比及泵注程序等)優化及配套工藝技術，采用先進的水平井分簇射孔+多級可鉆式橋塞分段壓裂技術。該工藝利用壓裂泵車泵送電纜下入水力橋塞+射孔槍的方式，一次完成橋塞封隔前一級壓裂段，對下級層段射孔作業，完成下級壓裂準備。通過循環該過程，實現多級壓裂的目的。第一級使用連續油管/油管、爬行器帶電纜等方式進行射孔，實現第一級與儲層連通。在進行第一級壓裂以后，通過水力泵入(或者爬行器或連續油管)，將一個由復合橋塞、射孔槍和點火器的井下工具串送到設計位置，并通過第一次電子點火將復合橋塞座封。將射孔槍脫手并上移到下一級射孔位置進行第二次點火射孔，然后將電纜提出井筒，進行下一級的壓裂施工。通過不斷重復這個過程可以實現無限級的分級壓裂改造。每級通常包括2～5個射孔簇，以增加施工效率和降低施工總體費用。在完成所有分級壓裂施工后，下入連續油管將井下的橋塞全部磨除，恢復整個井筒并進行生產。

頁巖氣水平井壓裂規模大，進入儲層的壓裂液對儲層潛在傷害大。為了提高壓裂液返排速度，延長油田還首次將CO2混合壓裂工藝應用于頁巖氣水平井分段壓裂施工中。CO2混合壓裂技術可以提高壓裂液的返排速度和返排率，減少壓裂液滯留和水鎖傷害，提高改造效果。目前，此項技術所需的配套設備、施工工藝業已具備，已在陸相頁巖氣井開展相應的試驗推廣工作。另外，結合了延長陸相頁巖氣儲層特征參數，如壓力系數等，優化計算出了CO2的最佳注入量，達到既降低成本、又提高壓裂液返排率的目的。

4　現場試驗(以YYP-1井為例)

2011年-2014年，延長油田先后進行了4口陸相頁巖氣水平井大型壓裂施工。第1段均采用油管輸送射孔，從第2段開始全部采用泵送可鉆式橋塞分層+電纜射孔槍聯作技術逐段進行射孔、壓裂和分層作業。其中YYP-1井為國內首口采用CO2+滑溜水混合壓裂工藝技術施工的頁巖氣水平井，該井進行了10段大型壓裂，施工排量12 m3/min，施工壓力33.1～68.9 MPa，總施工液量20 447.5 m3，液態CO2712.8 m3，累計砂量600 m3。YYP-1井具體參數見表2。

由于延長油田陸相頁巖氣地層壓力系數低，地層能量不足，壓裂液體返排速度較慢。經過半年時間的排液，YYP-1井產氣穩定在工業氣流范圍，實現了陸相頁巖氣水平井產量的突破，達到了陸相頁巖儲層壓裂改造的設計預期。

5　結論與建議

(1)經過近年不斷研究和現場試驗優化，延長油田在陸相頁巖氣水平井儲層改造工藝技術方面取得突破，逐步形成了一套適合鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣水平井壓裂工藝技術體系。

(2)多井次水平井壓裂現場試驗證明，滑溜水、線性膠壓裂液體系結合水平井分簇射孔+多級可鉆式橋塞分段壓裂工藝對延長油田陸相頁巖氣儲層壓裂改造是適用的；YYP-1井現場試驗取得了成功并取得了較好產量的工業氣流。建議下階段繼續開展頁巖氣水平井CO2壓裂工藝技術研究及現場試驗。

表2　YYP-1井壓裂施工參數匯總

(3)延長油田陸相頁巖氣水平井壓裂工藝技術相對成熟，但是水平井儲層改造裂縫起裂、延伸等增產機理方面的研究相對滯后，一定程度影響儲層改造效果。建議下一步開展陸相頁巖壓裂裂縫開啟及延伸機理研究，為頁巖氣水平井壓裂設計參數優化提供理論依據。

[1]鄒才能，董大忠，王社教，等. 中國頁巖氣形成機理、地質特征及資源潛力[J].石油勘探與開發，2010，37(6)：641-652.

[2]張大偉. 加快中國頁巖氣勘探開發和利用的主要路徑[J].天然氣工業，2011，31(5)：1-5.

[3]Curtis J B. Fractured shale-gas systems[J].AAPG Bulletin，2002,86(11)：1921-1938.

[4]Gale J F W，Reed R M，Holder J.Natural fractures in the Barnett Shale and their importance for hydraulic fracture treatment[J].AAPG Bulletin，2007,91(4)：603-622.

[5]Grieser B，Shelley B，Johnson B J．et a1．Data analysis of Barnett Shale completions[C].SPE 100674，2006.

[6]薛承璟. 頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議[J].石油鉆探技術，2011，39(3)：24-29.

[7]Jin Liang,Zhu Changlong,Yong Quyang,et al. Successful fracture stimulation in the first joint appraisal shale gas project in China[C].IPTC 16762,2013.

[8]路保平. 中國石化頁巖氣工程技術進步及展望[J].石油鉆探技術，2013，41(5)：1-8.

[9]周德華，焦方正，賈長貴，等. JY1HF頁巖氣水平井大型分段壓裂技術[J].石油鉆探技術，2014，42(1)：75-80.

[10]周德華，焦方正，郭旭升，等. 川東南涪陵地區下侏羅統頁巖油氣地質特征[J].石油與天然氣地質，2013，34(8)：450-454.

[11]姜呈馥，王香增，張麗霞，等. 鄂爾多斯盆地東南部延長組長7段陸相頁巖氣地質特征及勘探潛力評價[J].中國地質，2013,40(6)：1880-1888.

[12]Martineau D F. History of the Newark east field and the Barnett shale as a gas reservoir[J].AAPG Bulletin，2007,91(4)：399-403.

[13]Jarvie D M,Ronald J H,Tim E R,et al. Unconventiongal shale gas system:The Mississippian Barnett shale of north central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment[J].AAPG Bulletin，2007,91(4)：475-500.

[14]黨犇，趙虹，李文厚，等. 鄂爾多斯盆地陜北地區上三疊統延長組不同級次層序界面的識別[J].中國地質，2007,34(3)：414-421.

[15]任戰利. 利用磷灰石裂變徑跡法研究鄂爾多斯盆地地熱史[J].地球物理學報，1995,38(3):339-349.

[16]任戰利，張盛，高勝利，等. 鄂爾多斯盆地熱演化程度異常分布區及形成時期探討[J].地質學報，2006,80(5):675-684.

[17]郭慶，申峰，喬紅軍,等. 鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣儲層改造技術探討[J].石油地質與工程，2012，26(2)：96-98.

[18]賈長貴，蘇瑗. 頁巖氣高效變粘滑溜水壓裂液研究與應用[J].油氣田地面工程，2013，32(11)：1-3.

編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0120-04

2016-02-25

郭慶，工程師，1982年生，2009年畢業于西安石油大學油氣田開發工程專業，現從事儲層壓裂改造方面的研究工作。

陜西省科技統籌創新工程“陸相頁巖氣資源地質研究與勘探開發關鍵技術攻關”(2012KTZB03-03)。

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