威遠頁巖氣水平井壓裂套變原因分析

李凡華 喬磊 田中蘭 孫清華 杜衛(wèi)強 付盼

中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司

近年來，我國頁巖氣開發(fā)發(fā)展迅速，自2014 年進入到規(guī)模化、商業(yè)化的開發(fā)階段，到2017 年已經(jīng)形成年產(chǎn)90 億m3頁巖氣的規(guī)模，說明我國基本上形成一套比較成熟的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)［1-3]。目前頁巖氣產(chǎn)量只占我國氣產(chǎn)量的6%，未來幾年我國頁巖氣的開發(fā)將進入一個快速發(fā)展的階段。大規(guī)模體積壓裂是頁巖氣開發(fā)的主體技術(shù)，在壓裂過程中由于總計高達40 000 m3的壓裂液和2 000 m3的壓裂砂進入頁巖儲層，導致壓裂過程中的水平井套管變形，影響后續(xù)的壓裂施工和生產(chǎn)，造成巨大的時間和經(jīng)濟上的損失［4-6]。目前威遠頁巖氣開發(fā)示范區(qū)的套變率在50%左右(套變率按照套變井數(shù)占總壓裂井數(shù)的百分比統(tǒng)計)，如A 公司威遠202 區(qū)塊套變率高達84.2%，威遠204 區(qū)塊的套變率為31.6%［7-8]。大規(guī)模體積壓裂過程中的套變?nèi)匀皇琼搸r氣水平井開發(fā)中未解決的一個技術(shù)問題，研究重點在于從頁巖氣儲層物性方面探討頁巖氣水平井壓裂過程中導致套變的主要因素和機理。

1 水平井壓裂工藝技術(shù)

目前國內(nèi)普遍采用的頁巖氣開發(fā)方式是水平井平臺式開發(fā)，由于受地形、征地、施工和生產(chǎn)等因素的制約，常規(guī)情況下一個平臺部署6～8 口水平井。水平井方向一般垂直于最大主應(yīng)力方向，壓裂后形成的裂縫垂直于水平井井筒，這樣可以破碎更多的頁巖儲層，開發(fā)效果最好。目前水平井井距一般介于300～500 m 之間。頁巖氣水平井壓裂施工一般采用拉鏈式工廠化作業(yè)模式，分2 輪施工，每輪2～4 口井，壓裂和泵送射孔交叉進行，作業(yè)時間短，施工效率高。國內(nèi)頁巖氣水平井設(shè)計長度一般超過1 500 m，壓裂設(shè)計段數(shù)超過20 段，段長在60 m 左右，實際單段壓裂使用壓裂液在2 000 m3左右，加砂量在100 m3左右。

由于壓裂過程中大量的壓裂液和壓裂砂進入地層，在壓裂過程中或壓裂后經(jīng)常出現(xiàn)套管變形的問題。套變不僅影響正常的壓裂施工，耽誤工期，改變既定的施工次序和技術(shù)措施，降低后續(xù)的壓裂段數(shù)，最終影響產(chǎn)能，長遠看還會影響后期生產(chǎn)和作業(yè)，進一步影響整體開發(fā)效果。如A 公司某井施工過程中用連續(xù)油管帶?108 mm 通井規(guī)通井，至4 638 m遇阻，嘗試3 次未通過；然后用連續(xù)油管帶?96 mm通井規(guī)通井至4 643 m 遇阻；第2 天用連續(xù)油管帶?83 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡；第3 天用?83 mm 模擬射孔槍下井遇阻，換連續(xù)油管帶?73 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡，后用?73 mm 模擬射孔槍遇阻，鉛印顯示約10 cm 圓弧印痕；第4 天用連續(xù)油管帶?73 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無進尺，上提遇卡；第5 天用連續(xù)油管帶?90 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無進尺，上提遇卡，起油管，拆卸工具，發(fā)現(xiàn)磨痕集中在銑錐根部。之后根據(jù)該井套變情況重新優(yōu)化壓裂工藝并進行后續(xù)的壓裂施工。目前頁巖氣水平井壓裂施工一般采用大通徑免鉆橋塞+觸發(fā)式滑套分段壓裂工藝，水力泵送射孔橋塞聯(lián)作，若套管變形或其他因素導致橋塞無法下到位，則采取高強度暫堵球?qū)嵤憾隆⒎謮簛硌a救，結(jié)合縫內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)盡可能提高改造體積，如果套變復雜或長度較長，則采用復合暫堵分級轉(zhuǎn)向壓裂工藝，降低施工風險［9-11]。總之，頁巖氣水平井的壓裂過程中的套變對現(xiàn)場的正常施工影響很大。

2 套變特點

A 公司在威遠頁巖氣示范區(qū)的57 口壓裂水平井，套變28 口。其中威遠202 區(qū)塊19 口壓裂水平井，套變16 口，套變率84.2%；威遠204 區(qū)塊38 口井，套變12 口，套變率31.6%。B 公司在威遠頁巖氣示范區(qū)也有50 余口壓裂水平井，2 個區(qū)塊的套變率與A 公司的數(shù)據(jù)相近。

通過分析100 余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料，包括套變井套變的井筒位置、地層情況、套變形狀、套變處固井質(zhì)量、套變處套管參數(shù)、壓裂參數(shù)、套變與時間的關(guān)系、套變與井間干擾的關(guān)系等，發(fā)現(xiàn)套變主要與壓裂液用量和加砂量有明顯的相關(guān)關(guān)系。套變多數(shù)是在壓裂過程中發(fā)生。套變處的套管固井質(zhì)量在壓裂前的檢測中一般較好，可以認為套變處的固井水泥環(huán)是在壓裂過程中漸漸損壞的。另外，壓裂過程中的微地震監(jiān)測資料顯示，利用螞蟻體裂縫預測技術(shù)預測的天然裂縫在壓裂過程中多有開啟，但發(fā)生套變的位置位于天然裂縫發(fā)育帶的并不多。

A 公司和B 公司在威遠202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的水平井壓裂采用的工藝技術(shù)指標差別不大，但在這2 個區(qū)塊的套變率相差很大，不同公司在同一個區(qū)塊的套變率一致，因此認為從分析2 個區(qū)塊的頁巖氣儲層物性的差異應(yīng)該能夠找到影響套變的主要原因。

3 頁巖氣儲層特征

威遠頁巖氣儲層主要位于志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組。龍馬溪組上部主要為綠灰色泥、頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、深灰色、灰黑色、黑色的頁巖。龍馬溪組厚度分布不均，沿威遠地區(qū)的東南方向變厚；該組主力頁巖氣儲層位于底部的50～100 m 內(nèi)，最好的“甜點”位于最底部的龍一11。五峰組厚度在0.5～15 m，頂部為全區(qū)廣泛分布的堅硬的生物灰?guī)r，中、下部主要為泥巖、白云質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r。之下的寶塔組上部為蘭色灰?guī)r、生物灰?guī)r，質(zhì)純，巖性致密而脆，局部重結(jié)晶，向西則局部變?yōu)榱税自瀑|(zhì)頁巖。

威遠202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的頁巖氣巖心差別明顯，如圖1，圖2 所示。202 區(qū)塊頁巖氣儲層龍一11下部層理縫極為發(fā)育，是一段巖性特殊的粉砂質(zhì)頁巖儲層，龍一11上部層理縫相對不發(fā)育。204 區(qū)塊頁巖氣儲層龍一11下部、上部層理縫都較為發(fā)育，相對而言，下部比上部層理縫更為發(fā)育。威遠202 區(qū)塊取心井的測井綜合解釋得出龍一11下部硅質(zhì)含量最高，意味著含氣最豐富，五峰組頂部的生物灰?guī)r硅質(zhì)含量最低。表1 是威遠202 區(qū)塊A 井測井解釋有效孔隙度表，“甜點”區(qū)有效孔隙度為5.6%，五峰頂?shù)纳锘規(guī)r有效孔隙度僅有0.6%，各段的有效孔隙度的差別較大。該井測算的縱向上的儲層破裂壓力結(jié)果，五峰組頂部最高為85.4 MPa，龍一11下部最低為55.5 MPa，相差30 MPa。在水平井壓裂過程中，裂縫最先大規(guī)模開啟的是龍一11下部的“甜點”區(qū)，大規(guī)模體積壓裂后將會形成以“甜點”區(qū)為主體的立體縫網(wǎng)。

4 套變原因分析

圖 1 威遠202 區(qū)塊A 井巖心Fig. 1 The core of well A in Weiyuan block 202

圖 2 威遠204 區(qū)塊B 井巖心Fig. 2 The core of well B in Weiyuan block 204

表 1 威遠202 區(qū)塊A 井測井解釋有效孔隙度表Table 1 Effective porosity from logging interpretation of well A in Weiyuan block 202

頁巖氣水平井壓裂的套變問題從2014 年起就引起相關(guān)專家的重視。田中蘭［1]針對影響套管性能的溫度效應(yīng)、壓力效應(yīng)、彎曲效應(yīng)等因素，建立了多因素耦合套管損壞評價模型，對影響套管損壞的主要因素進行了分析。如水泥環(huán)中存在虛空段，壓裂時溫度大幅下降引起虛空段內(nèi)的流體收縮，再耦合套管彎曲應(yīng)力、套管摩阻等載荷后，會導致頁巖氣井套變。于浩［3]認為套變是壓裂過程中地層巖石性能降低、改造區(qū)域不對稱、施工壓力大以及地應(yīng)力場重新分布等共同作用的綜合結(jié)果。國內(nèi)很多學者從鉆完井、固井、套管、壓裂工藝設(shè)計到現(xiàn)場施工，從管柱力學、巖石力學、流體力學到滲流力學分析壓裂過程中的套損機理，主要認為頁巖儲層抬升、頁巖層橫向滑移和裂縫滑移等破壞了固井的水泥環(huán)，套管剪切變形、錯動，最終導致套管變形。前期成果主要從工程技術(shù)的角度探索套變原因，油田現(xiàn)場壓裂套變?nèi)匀焕^續(xù)發(fā)生。

筆者在前期大量研究的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)儲層的角度，結(jié)合工程技術(shù)的應(yīng)用特點，分析認為威遠202 區(qū)塊套損率特別高的主要原因在于該區(qū)塊頁巖儲層的特殊性。首先威遠202 區(qū)塊的水平井的水平段設(shè)計軌跡位于龍一11，整體來看，前期完鉆的水平井段落在龍一11下部的“甜點”區(qū)中的長度比例并不高。在鉆井過程中部分井段進入龍一11下邊的五峰組頂部的堅硬的生物灰?guī)r。一旦水平段鉆遇五峰組，在壓裂過程中，位于堅硬的五峰組中的水平井段相對不動，位于容易破碎的頁巖儲層中的水平井段由于壓裂導致的井段周圍頁巖破碎、固井水泥環(huán)破碎等，反復錯動，特別是靠近五峰組井段的兩側(cè)就是層理縫最發(fā)育的粉砂質(zhì)頁巖層段“甜點”，固井保護最先失效，導致套變。

A 公司威遠202 區(qū)塊16 口套變頁巖氣水平井，套變點位于“甜點”區(qū)的有14 口，其中鉆遇五峰組的7 口井全部套變，其余7 口井的套變點位于A 靶點附近；另外2 口井的套變點認為落在裂縫發(fā)育帶。204 區(qū)塊38 口頁巖氣水平井，12 口發(fā)生套變，其中9 口井的套變點落在“甜點”區(qū)，且主要發(fā)生在A 靶點附近的“甜點”區(qū)；另外3 口井的套變認為可能和裂縫發(fā)育帶有關(guān)。204 區(qū)塊20 個套損井點中14 個位于A 靶點附近，占70%；202 區(qū)塊33 個套損井點中11 個位于A 靶點附近，占33%。威遠202 區(qū)塊除去與五峰組有關(guān)的套變井的套變率和204 區(qū)塊的套變率相近，且主要位于A 靶點附近。

威遠202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的“甜點”儲層有所不同，主要區(qū)別在于“甜點”之下的堅硬的五峰組頂部的生物灰?guī)r厚度不同，202 區(qū)塊的生物灰?guī)r厚度大于1 m，204 區(qū)塊的生物灰?guī)r小于0.2 m，五峰組在204 區(qū)塊明顯變薄。威遠202 區(qū)塊的水平井鉆入生物灰?guī)r的比例較高，較厚的生物灰?guī)r限制了壓裂過程中位于其中的部分水平井筒的錯動，而位于 “甜點”區(qū)中的固井水泥環(huán)容易失效，導致套變主要發(fā)生在“甜點”區(qū)中，這是2 個區(qū)塊的水平井套變率差別較大的主要原因。

分析威遠202 區(qū)塊的水平井壓裂的微地震資料，發(fā)現(xiàn)在壓裂段的水平井軌跡位于“甜點”之上時，壓裂的起裂“事件點”主要位于軌跡之下的 “甜點”區(qū)中，因此認為202 區(qū)塊的水平井壓裂形成的立體縫網(wǎng)主要分布在龍一11下部的“甜點”區(qū)中，這樣壓裂時大量的壓裂液和壓裂砂分布于龍一11下部的“甜點”區(qū)中，導致套變點絕大多數(shù)也位于“甜點”區(qū)中。威遠204 區(qū)塊龍一11下部的 “甜點”之上的頁巖儲層的層理縫相比威遠202 區(qū)塊更為發(fā)育，204 區(qū)塊壓裂時形成的立體縫的分布范圍廣得多，因此除去與五峰組有關(guān)的套變之外，威遠204 區(qū)塊的套變率整體上比威遠202 區(qū)塊的稍低。至于套變的理論模式和機理，應(yīng)該是多種模式存在，是多種因素相互作用的過程。由于儲層的縱向和橫向上的非均質(zhì)性較為復雜，威遠頁巖氣示范區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變也很復雜。考慮到威遠區(qū)塊大范圍的地應(yīng)力機制不同于其他已開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊，另外威遠頁巖氣區(qū)塊的層理縫發(fā)育也非常豐富，頁巖氣水平井壓裂時形成以“甜點”為主體的橫向縫為主的立體縫網(wǎng)，這些儲層因素和地應(yīng)力特點導致威遠202 區(qū)塊頁巖氣水平井壓裂時易套變。

5 結(jié)論

(1)通過對威遠202 和204 頁巖氣區(qū)塊的100余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料分析研究，威遠區(qū)塊壓裂水平井套變點多數(shù)位于層理縫發(fā)育的“甜點”區(qū)，套管外水泥環(huán)首先損壞。

(2)威遠202 區(qū)塊套變率高于204 區(qū)塊，因為202 區(qū)塊的套變大部分與水平井段鉆穿堅硬的五峰組有關(guān)，在壓裂過程中五峰組生物灰?guī)r中的套管保護較好，相近的“甜點”區(qū)中的一部分套管周圍的水泥環(huán)由于各種力反復作用容易破碎，致使在“甜點”區(qū)套變發(fā)生。

(3)儲層地質(zhì)特點、壓裂設(shè)計和地應(yīng)力特殊性是威遠區(qū)塊壓裂水平井套變的主要影響因素，其水平井壓裂套變特征清晰，規(guī)律明確，可以根據(jù)頁巖氣儲層特點和測井資料進行預測，鉆前工程設(shè)計優(yōu)化和完鉆后進一步優(yōu)化壓裂設(shè)計都可以預防套變。