威遠頁巖氣藏加砂壓裂困難井影響因素研究

袁燦明， 龔 蔚， 李雪飛

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

頁巖氣是以多種相態存在并富集于頁巖地層中的天然氣，既是烴源巖又是儲集層，屬于典型的自生自儲型氣藏，頁巖氣主要以基質吸附氣和裂縫、孔隙中的游離氣存在。頁巖開發主要表現為常規試氣產能低或無產能，需大規模體積改造才能獲得工業氣流[1-3]。通過“十二五”期間的探索和發展，形成了以水平井橋塞分段體積壓裂為主體的改造技術[4]。實踐表明威遠龍馬溪組頁巖氣加砂壓裂存在不同程度的加砂困難，部分井段存在低排量、高泵壓、加砂敏感等一系列工程技術難題。

一、影響壓裂困難因素分析

1.巖性特征

威遠龍馬溪組主要包括碳質頁巖相、粉砂質泥頁巖相和泥灰巖相，微含鈣質。巖性組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖為主，黏土礦物中主要以伊利石和伊蒙混層為主，含有少量綠泥石[5]。

2.天然裂縫發育

2.1 天然裂縫分析

頁巖天然裂縫分為：構造縫、層理滑脫縫、層間頁理縫和有機質演化異常壓力縫[6-7]，微觀結構可以觀察大量頁理結構和天然裂縫。

頁巖壓裂所用壓裂液中低黏液體占比高，低黏液體更容易將頁巖中的微裂隙和天然裂縫壓開，導致液體濾失增大。隨著人工裂縫的擴展，裂紋面積增大，液體總濾失率增加，增長速率逐漸降低[8]，這與現場頁巖氣壓裂過程微地震監測數據較為吻合。

2.2 裂縫夾角

當水力裂縫與天然裂縫弱面相遇時會出現多種情況，國內外學者對穿越界面的裂紋擴展問題進行了大量研究，認為當水力裂縫尖端應力場能滿足在天然裂縫另一側形成新的裂縫，而同時又不使天然裂縫面發生滑動的條件時，則認為水力裂縫能夠穿過天然裂縫擴展。界面裂縫穿越問題涉及到相遇夾角、界面膠結和界面摩擦等多個因素[9-10]。

2.3 層理結構

由于頁巖層理滑移所導致的縫寬窄，支撐劑在裂縫內沉降時，裂縫壁面對支撐劑顆粒產生拉拽效應，裂縫壁面效應對支撐劑沉降速度的影響更加明顯[11]。支撐劑粒徑與縫寬比值對支撐劑沉降速度的影響很大，進一步影響加砂過程砂濃度的提高。根據支撐劑粒徑與頁巖層理縫寬關系模型計算(表1)，假設頁巖為規則層理，按施工排量10～12 m3/min、縫高75 m計算，層理縫縫寬在0.42～0.98 mm之間，對應在12 m3/min排量下允許支撐劑通過的砂濃度范圍在60～140 kg/m3。

表1 不同砂濃度條件下允許支撐劑通過裂縫縫寬表

3.地應力特征

頁巖壓裂以改造體積大小為目標，合理的縫內凈壓力是形成復雜裂縫的關鍵。如果施工前期凈壓力控制不好，天然裂縫過早張開，液體大量濾失造成凈壓力快速下降，則人工裂縫縫寬擴展受限，極易造成加砂敏感，砂比提升受限影響總加砂量。

4.射孔孔眼

射孔的目的是使每段各簇的巖石破碎應力的差異最小化，確保各個射孔簇具有相等的斷裂初始壓力，從而使各簇等壓力傳輸，但由于射孔孔眼直徑、孔眼深度差異等因素的影響(圖1)，導致巖石破碎應力的差異化(圖2)，這使得在近井地帶容易發生裂縫扭曲和變形，限制了人工裂縫的拓展。

圖1 頁巖氣射孔示意圖

除上述影響因素之外，井筒清潔性也是需要考慮的一個重要因素。在完井過程中出現近井地帶鉆井液濾失傷害、井壁附著鉆井液、井筒異物、孔眼不完善等問題，導致部分孔眼進液困難，甚至未加砂就出現低排量高泵壓，整體施工壓力遠高于同井后續的壓裂改造段。

綜上所述，影響頁巖氣藏壓裂改造難易程度的主控因素包括天然裂縫發育情況、裂縫夾角和頁巖頁理層理結構、地應力特征和孔眼完善性等。

圖2 射孔簇間應力干擾

二、加砂困難統計分類

統計2015～2017年威遠龍馬溪頁巖加砂壓裂施工數據，其中73段出現了不同程度的加砂困難(圖3)，結合單段儲層特點、壓力響應特征、加砂量、加砂濃度、加砂難易程度等加砂特征將加砂困難井進行影響因素分類(表2)，即天然裂縫破碎帶、縫寬不足、裂縫凈壓力、巖性成分、其他工程因素等，為加砂困難井原因分析提供數據支撐。

統計分析表明，影響頁巖加砂壓裂施工困難的主要因素是天然裂縫破碎帶發育、縫寬不足、凈壓力控制不當，分別占比31.6%、34.2%、10.5%。

三、典型井例分析

結合影響因素和統計分析，頁巖的層理結構是影響加砂困難的重要因素之一，層理結構導致頁巖壓裂普遍為剪切走滑破壞，縫寬窄。以W204H11-2井為例，該井位于威遠構造中奧頂構造南翼，螞蟻體追蹤顯示該井第2～12段附近無裂縫帶發育。

圖3 2015～2017年威遠龍馬溪組頁巖氣加砂困難井統計圖表2 加砂困難井施工特征分類

序號壓力響應特征分類段數典型井(段)加砂困難原因簡析1壓裂初期建立排量困難,粉砂砂濃度低,加砂量在50～70 t之間,粉砂占比95%以上Ⅰ類12204H11-1(5)204H9-1(16/20/25)204H9-2(11)204H9-3(19/22/23/24/25)204H9-4(7/19)204H9-6(9)地質資料顯示為天然裂縫破碎帶,裂縫非常發育,部分井段在鉆井期間表現出漏失、卡鉆等現象,近井摩阻大,綜合分析表現為天然裂縫集中響應2全程砂敏感,粉砂壓力波動4.0～7.0 MPa,砂濃度超過160 kg/m3后更明顯;后期表現為陶粒加砂困難,砂濃度一般在120 kg/m3以內,粉砂占比70%～95%Ⅱ類13204H11-1(6)204H11-2(6/12/13/23)204H11-3(3/4/24/25)204H9-2(4/8)204H9-6(8)地質資料顯示無天然裂縫,段塞打磨效果較好,濾失較嚴重,人工裂縫縫寬不足,小粒徑支撐劑可以在適當砂濃度條件下加入,但40/70陶粒加入困難,分析與頁巖層理結構相關3粉砂段塞階段施工壓力下降速率快,下降10～15 MPa,下降速率0.12～ 0.22 MPa/min,加砂量70 t以內Ⅲ類4202H1-1(11)204H11-3(26)204H9-1(4/5)天然裂縫過早張開,液體大量濾失造成凈壓力快速持續下降,人工裂縫在長度和寬度上擴展都受限,是引起后期加砂困難的主要原因4排量建立困難,甚至未加砂就高泵壓,整體施工壓力遠高于本井后續改造段,加砂施工壓力波動在6～8 MPa,總加砂量不超過40 t,最低僅8.1 t粉砂Ⅳ類5202H1-3(1)204H1-2(1)204H1-3(1)204H5-1(1)204H9-1(1)完井階段各種工程引起的近井地帶鉆井液濾失傷害、井壁附著鉆井液、井筒異物、孔眼不完善等問題,導致部分孔眼進液困難甚至完全不進液5前期加砂正常,中途停泵,二次起泵后建立大排量困難,被迫停止加砂,未完成設計加砂量Ⅴ類2H11-2(15)H9-1(19)停泵時間過長,裂縫閉合,第一次加入的支撐劑已將裂縫網絡鋪置且裂縫閉合,二次起泵濾失加重,再次形成人工裂縫困難;同時近井筒沉砂易造成縫內砂堵并形成砂橋6壓裂過程中易出現壓力異常升高,上升斜率大,曲線波動不受砂濃度影響,摩阻下降后壓力即可恢復正常Ⅵ類2202H10-6(8/9)為節約淡水資源,目前現場普遍采用返排液混合清水進行施工,返排液摩阻變化較大

壓裂施工曲線表明，粉砂段塞進入地層后壓力波動幅度平均4.5 MPa，40～70目陶粒進入地層后出現縫內砂堵跡象，施工壓力陡升，陶粒在層理縫內運移受阻，加砂量與壓力波動幅度存在明顯相關性(圖4)，壓后統計粉砂占比70%～95%，加砂量低于設計量。

在壓裂措施方面，針對頁巖加砂壓裂困難井段，可采用密集低砂濃度段塞泵注模式，縮短段塞長度、加大沖洗液量和注入高黏液體提高凈壓力等降低裂縫扭曲程度，提高加砂量；根據支撐劑粒徑與頁巖層理縫寬關系模型可預測層理縫寬值，針對層理發育的頁巖，加砂壓裂粉砂段塞階段若出現施工壓力波動幅度大的異常情況，應立即采取相應措施，控制陶粒砂濃度。

圖4 W204H11-2井加砂量與壓力波動幅度關系圖

四、結論和認識

(1)影響頁巖氣藏壓裂改造的因素包括天然裂縫、裂縫夾角和頁理層理結構、地應力特征和孔眼完善性；統計學分析主控因素是天然裂縫破碎帶、縫寬不足、凈壓力控制和首段破裂壓力高。

(2)頁巖壓裂低黏液體更容易將頁巖中的微裂隙和天然裂縫壓開，導致液體濾失增大，易造成砂堵、砂比和加砂規模受限。壓裂初期井筒周圍產生地應力集中，地應力對裂紋影響顯著，裂紋轉向最小地應力法向；遠離井筒后地應力集中消失，裂縫轉向層理方向。頁理層理結構導致加砂壓裂縫寬窄，支撐劑在裂縫內沉降時，裂縫壁面對支撐劑顆粒產生拉拽效應，隨著支撐劑粒徑與縫寬比值的不斷減小，支撐劑的運移通道越來越窄，支撐劑與裂縫壁面的碰撞更加頻繁，導致水平運移速度急劇下降，支撐劑迅速沉降。

(3)對于頁理層理發育的頁巖，螞蟻體追蹤解釋天然裂縫不發育但加砂困難的井，加砂量與施工壓力波動幅度之間存在較為明顯的負相關關系，結合施工曲線分析認為螞蟻體追蹤的解釋精度對頁理層理發育的頁巖存在局限性。

(4)水力裂縫與天然裂縫弱面相遇，相遇夾角和水平主應力差是天然裂縫開啟與否的主控因素。合理的縫內凈壓力是形成復雜裂縫的關鍵，凈壓力控制不好，會導致天然裂縫過早張開，人工裂縫縫寬擴展受限，極易造成加砂敏感，砂比提升受限影響總加砂量。