頁巖氣水平井大型體積壓裂套損預測和控制方法

李凡華 董 凱 付 盼 喬 磊 杜衛強 孫清華

1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司 2. 中國石油長城鉆探工程公司 3. 中國石油大學（北京）

0 引言

目前通常采用大規模水平井體積壓裂[1-2]作為頁巖氣開發的主體技術，但是由于設計的水平井壓裂方案需要使用的壓裂液高達40 000 m3、壓裂加砂2 000 m3，施工現場出現了套管變形[3-7]（以下簡稱套變）的問題，在威遠示范區套管損壞（以下簡稱套損）率高達50%（套損率按照套損井數占總壓裂井數的百分數計算），套變后需要各種技術手段、工程措施檢測套變程度，分析評估套變的損害，優化后續的壓裂設計和施工工藝，極大地影響了現場施工效率和開發項目的經濟效益。

2015年田中蘭等[8]建立了多因素耦合套損評價模型，對影響套損的各種因素進行了分析。于浩等[9]認為套變是壓裂過程中地層巖石性能降低、改造區域不對稱、施工壓力大以及地應力場重新分布等共同作用的綜合結果。雖然頁巖氣水平井壓裂的套變問題從2014年起就引起各方專家的重視和研究，從工程角度分析了原因并提出了一些對策，但現場施工時套變依然時有發生。因此需要從與以往不同的角度分析套變發生的原因并找到解決問題的辦法。

1 套變特征和套變原因分析

威遠頁巖氣示范區的A公司有57口壓裂水平井，套變28口，占49%。其中威遠202區塊19口壓裂水平井，套變16口，套變率84.2%；威遠204區塊38口壓裂水平井，套變12口，套變率31.6%。B公司在威遠頁巖氣示范區也有50余口壓裂水平井，套變率與A公司分別在兩個區塊的數據接近。

通過分析100余口壓裂水平井的基礎資料，包括套變井套變的井筒位置、地層情況、套變形狀、套變處固井質量、套變處套管參數、壓裂參數、套變與時間的關系、套變與井間干擾的關系等，發現套變主要與壓裂液用量和加砂量有明顯的相關關系。套變多數是在壓裂過程中發生的，肯定與壓裂密切相關。一個有意思的結果是套變點的固井質量絕大多數是優良，這是壓裂施工前的檢測結果，顯然在壓裂過程中套變處的固井水泥環是漸漸損壞的。另外分析壓裂過程中的微地震監測資料，發現利用螞蟻體裂縫預測技術預測的“天然裂縫帶”在壓裂過程中多有開啟，但發生套變的位置位于天然裂縫發育帶的不多，說明天然裂縫帶滑移不是造成套變的主要原因。

A公司和B公司在威遠202區塊和204區塊的水平井壓裂采用的工藝技術指標比較接近，但在這兩個區塊的套變率差別卻都很大。因此認為兩個區塊的頁巖氣儲層的不同應該是影響套變的主要因素。

威遠區塊的頁巖氣儲層主要為志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組。前者為一套深水陸棚相碎屑巖，上部主要為綠灰色泥巖、頁巖夾泥質粉砂巖，下部為灰色、深灰色、灰黑色、黑色的頁巖。由于受樂山—龍女寺古隆起的影響，厚度分布不均，一般介于0～600 m，往威遠的東南方向變厚；該組主力頁巖氣儲層位于底部的50～100 m，最好的甜點位于最底部的龍一11層。后者厚度介于0.5～15.0 m，頂部為全區廣泛分布的堅硬的生物灰巖，中、下部主要為泥巖、云質頁巖、泥灰巖。圖1是威遠202區塊和204區塊的頁巖儲層巖心照片，兩個區塊儲層的差別十分明顯。202區塊頁巖氣儲層龍一11下部層理縫極為發育，是一段巖性特殊的層理縫較為發育的粉砂質頁巖儲層，龍一11層上部層理縫相對不發育；204區塊頁巖儲層龍一11層下部、上部層理縫都較為發育，相對而言，下部比上部層理縫更為發育。

圖1 威遠區塊巖心照片

威遠202區塊某水平井測算的縱向上的儲層的破裂壓力在五峰組頂部最高為85.4 MPa，龍一11層下部的甜點區頁巖最低為55.5 MPa，相差30 MPa。在水平井大規模體積壓裂過程中，網絡裂縫最先開啟的是龍一1

1層下部的甜點區，大規模體積壓裂后將會形成以甜點區為主體的立體縫網。威遠202區塊的水平井壓裂的微地震資料顯示，在壓裂段的水平井軌跡位于甜點區之上時，壓裂的起裂“事件點”主要位于軌跡之下的甜點區中，如圖2所示。

通過分析頁巖氣地質、儲層的特征，結合工程技術的施工特點，認為威遠202區塊套損率特高的主要原因在于該區塊頁巖儲層的特殊性。雖然威遠202區塊的水平井的水平段設計軌道位于龍一11層，目前來看真實完鉆的水平井軌跡落在龍一11層下部的甜點區中的長度比例并不高。

圖2 威遠202區塊某水平井微地震監測圖

圖3 威遠202區塊某水平井鉆井軌跡圖

在鉆井過程中還有部分井段鉆入龍一11層下邊的五峰組頂部的堅硬的生物灰巖，如圖3、4所示。圖3中白色圓圈為兩個套損點位置，位于甜點區中，白色圓圈之間的水平井軌跡位于五峰組頂部的生物灰巖中。一旦水平段鉆遇五峰組，在壓裂過程中，位于五峰組中的水平井段相對不動，位于容易破碎的甜點頁巖儲層中的水平井段由于壓裂導致的井筒周圍頁巖破碎、固井水泥環破壞等，反復錯動，特別是靠近五峰組井段的兩側就是層理縫最發育的粉砂質頁巖層段甜點，固井保護最先失效，最終導致套損。A公司威遠202區塊16口套損的頁巖氣水平井，套損點位于甜點區的有14口，另兩口井的套損點可能落在裂縫帶。A公司202區塊有7口井鉆進五峰組，全部套損，還有7口井的套損點位于A靶點附近。

圖4是B公司的測井曲線和套損點位置圖，彩色圓點處為套損位置，綠色圈內GR值較低的曲線段為五峰組井段，套損點位置在測井曲線上的特征十分明顯。

A公司在威遠204區塊的壓裂水平井發生套損12口，其中9口井的套損點落在甜點區中，4口套損井的9個套損井點在A靶點附近，威遠204區塊的套損主要發生在A靶點附近。B公司的威遠204區塊的套損規律和A公司類似。為什么威遠202區塊和204區塊的套損率差別如此之大？①主要因為兩個區塊的頁巖氣儲層甜點不同。由于202區塊的水平井壓裂形成的立體縫網主要分布在龍一11層下部的甜點區中，這樣壓裂時大量的壓裂液和壓裂砂分布于龍一1

圖4 威遠202區塊套損點測井曲線圖

1層下部的甜點區中，因此套損點也位于甜點區中。②A公司威遠202區塊和204區塊套損點的位置分布規律也不同，204區塊20個套損井點14個位于A靶點附近，占70%；202區塊33個套損井點11個位于A靶點附近，占33%。202區塊和204區塊的主要區別是202區塊的水平井很多鉆入甜點之下堅硬的較厚的五峰組生物灰巖，增大了202區塊頁巖氣水平井的套損率，204區塊甜點之下的五峰組生物灰巖相比202區塊變得很薄，對套損的影響很小；威遠204區塊龍一11層下部的主力甜點之上的頁巖儲層，層理縫相比威遠202區塊更為發育，204區塊壓裂時形成的立體縫的分布范圍廣的多，因此威遠204區塊的套損率整體上比威遠202區塊的低了約50個百分點，這些說明了儲層特點是影響威遠區塊套損發生的主要因素。③由于威遠區塊的大范圍的地應力機制也不同于其他已開發的頁巖氣區塊，該區塊的垂向主應力介于橫向最大主應力和最小主應力之間，容易形成橫向縫，考慮到威遠頁巖氣區塊的橫向層理縫發育也非常豐富，頁巖氣水平井壓裂時會形成以甜點為主體的橫向縫為主的立體縫網。這是其套損率高的主要原因。

2 主要套損預測方法

綜上可以看出頁巖氣壓裂水平井的套損有3個顯著的特點：①井軌跡鉆遇較硬的五峰組易套損；②絕大多數套損點位于甜點區中；③很大一部分套損點位于A靶點附近的甜點區中。其實在水平井完鉆之后，利用測井曲線就可以預測容易發生套損的位置，進而采取相應的措施進一步規避套損發生。

2.1 水平段鉆遇五峰組

從完鉆后的測井曲線上看，如果水平井部分井段鉆遇五峰組，套損發生概率大增，套損是否發生還要看剩余水平井段軌跡的位置，如果大部分井段落在甜點區中，壓裂時進入儲層的壓裂液能量可以被儲層吸收，就不會套損，如圖5中A公司位于威遠204區塊的某水平井，在A靶點附近鉆入五峰組，但其后的水平井段基本上都落在龍一11層的甜點區中，壓裂后沒有套損；如果其余大部分井段落在較硬的非甜點區，也可能不會套損。

2.2 水平段小部分鉆遇甜點區

如果水平井段只有小部分落在甜點區，大部分儲層較差，則容易在甜點位置發生套損，如圖6所示，威遠204區塊某水平水平井在A靶點附近測井數據資料顯示儲層硅質含量最高，壓裂后在A靶點附近能譜鈾值高的200 m長的段內有6處發生套損。

2.3 水平段A靶點

套損井中套損點位于A靶點附近的甜點中的井的比例較高，預測是否容易發生套損時，主要需要考慮壓裂時大量的入井液的能量是否有足夠的儲層吸收，大部分井軌跡如果落在甜點區，則不易發生套損，否則壓裂時在A靶點附近易套損。

2.4 水平段鉆遇天然裂縫帶

由于頁巖氣儲層中天然裂縫比較發育，很多水平井鉆遇天然裂縫帶。雖然壓裂時天然裂縫開啟，裂縫滑移引起的套損井的數量不多，因而在明確知道水平井鉆遇天然裂縫帶時，也要充分重視。

3 套損控制方法

3.1 精細地質研究，準確刻畫甜點，建立準確的三維地質模型

在頁巖氣開發區塊內開展精細地質研究，準確判斷甜點的儲層地質特征，準確刻畫出甜點的位置和范圍，為鉆井時水平井軌跡完全落在甜點中奠定基礎，這樣會大大減少套損的發生。如果能夠在鉆井前建立準確的三維地質模型，對后續的水平井軌道設計、壓裂設計、鉆井施工意義更大。

3.2 優化水平井軌道設計，保護A靶點易套損區

在準確了解甜點的位置和范圍后，把水平段軌跡設計在甜點中，同時從管柱力學的角度優化設計造斜段，施工時降低狗腿度，預防先期損壞，從而降低A靶點附近的這個風險點處套損發生的概率。

3.3 提高水平段鉆井導向精度的水平

只要水平段全部位于甜點中，套損就很少發生，所以水平段鉆進時的導向技術至關重要，如果地質上甜點位置刻畫的精度足夠高，配合旋轉導向技術的實施，降低套損率的效果會更理想。

3.4 水平段鉆遇五峰組

水平段鉆遇五峰組，則視不同情況采取不同的控制套損的方法。如果大部分井段落在相對堅硬的頁巖中，不會套損；如果大部分井段落在甜點中，也不會套損；如果大部分井段的儲層物性不太好，則在五峰組周邊分段壓裂時適當降低壓裂規模。

圖5 威遠204區塊某水平井綜合曲線圖

圖6 威遠204區塊某水平井曲線圖

3.5 優化水平井井距，減少井間干擾

從壓裂現場的微地震監測資料來看，部分壓裂縫相互連通，井間干擾現象時常發生，如圖7所示，應該增加水平井井距。如果甜點區薄，壓裂縫較長，應該適當增大水平井間距；如果甜點區厚，壓裂縫短，可以適當減小水平井間距。

3.6 降低威遠202區塊的壓裂規模

通過分析B公司威遠區塊的44口頁巖氣水平井的生產資料，發現202區塊和204區塊的壓裂水平井的產量高低和水平井的軌跡在縱向上的位置密切相關，如果水平井的軌跡落在龍一11層下部的甜點區中，產量最高，軌跡越往上產量越低，圖8給出了3口位置不同的水平井軌跡與生產曲線圖。圖8-a中綠色部分代表龍一11層，圖8-b給出了相應3口井的生產曲線，很明顯越靠近龍一11層下部的甜點產量越高。

圖7 微地震監測圖

圖8 威遠202區塊3口水平井鉆井軌跡與生產曲線圖

總之，B公司44口頁巖氣水平井的產量高低主要與水平井的軌跡位置關系比較密切，軌跡越好產量越高，產量高低和壓裂段數、壓裂規模關系不大，當然所有水平井都實施了一定規模的分段壓裂。所有生產井均具有頁巖氣水平井“初期產量高、遞減快”的規律。因此在威遠202區塊可以適當降低壓裂規模、增大井距節約成本，減少套損發生，對產量影響也不大。

3.7 鉆遇天然裂縫，需要進一步優化壓裂設計

由于頁巖氣儲層中天然裂縫比較發育，很多水平井會鉆遇天然裂縫帶或者鉆井時發生井漏。在壓裂設計時，應該規避天然裂縫帶或井漏的部位，在這些井段周圍應該適當降低壓裂規模。

3.8 采用“分段完井、分段固井”等工程技術措施

由于頁巖氣中長水平井段鉆遇儲層的非均質性很強，應該采用“分段完井、分段固井”等工程技術措施，減少套損發生。在易套損井段采用更高強度的套管，或者采用不固井的技術措施等。需要根據儲層情況繼續探索其他的工藝技術措施。

4 結論與建議

通過對威遠頁巖氣區塊100余口壓裂水平井的資料分析，找到了水平井壓裂套變的規律和原因。

1）套變點絕大多數位于甜點區，A靶點附近也是套變多發區，在威遠202區塊水平井鉆遇堅硬的五峰組時，壓裂全部套變。發生套變的主要地質工程因素為儲層地質特點、地應力特點和壓裂規模。

2）可以根據測井解釋資料來預測頁巖氣壓裂水平井套變。在水平井段鉆遇五峰組、在物性非均質特別強的水平井段、壓裂時由于甜點區厚度小導致儲層難以吸收大規模體積壓裂的能量的水平井段、A靶點附近和水平井段鉆遇井漏的天然裂縫帶容易發生套變。

3）威遠區塊頁巖氣水平井的產量受水平段軌跡所鉆的儲層縱向位置控制；應該進一步提高水平井段鉆進時的導向水平，讓水平井段的軌跡都落在地質氣藏工程精確刻畫的甜點區；對待水平井段非均質性強的儲層，宜采用“分段完井、分段固井”、優化井網井距、適當降低壓裂規模等工程技術措施。