頁巖氣水平井壓裂細分段密分簇優化設計及應用

高東偉

(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司，重慶 408014)

頁巖氣水平井分段分簇優化是壓裂設計的前提，為進一步提高頁巖氣水平井分段壓裂的有效性，需要對頁巖氣水平井綜合分段分簇方法進行優化[1]。水平井分簇射孔間距是頁巖氣藏體積壓裂設計的關鍵參數，簇間距大小對頁巖氣藏壓裂改造具有重要的影響。過小的簇間距設計將導致分簇主裂縫之間的改造區重疊，降低壓裂改造效率；過大的簇間距設計則會在主裂縫之間產生未改造區，影響儲層的動用程度[2]。合理的頁巖氣水平井壓裂簇間距優化設計具有重要理論價值和礦場實際意義，能有效改善水平井分段射孔布簇的盲目性[3～5]。筆者提出了一種基于焦石壩區塊地質和工程特征的“細分段密分簇”壓裂優化設計方法，并進行了現場試驗，取得了較好的壓裂實施效果。

1 地質概況

焦頁A井是針對上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組下部頁巖氣層部署的一口頁巖氣開發水平井，采用分段壓裂的方式進行開發[6～8]。該井位于焦石壩區塊平橋斷背斜東翼，且水平段平行于平橋東1號斷層，頁巖儲層泊松比低、彈性模量高、脆性指數高、可壓性好，有利于實施體積壓裂改造[9,10]。該區處于構造變形區，地應力宏觀上表現為弱擠壓性質，水平段曲率呈斑點狀強曲率分布，微裂縫極為發育，可能會導致施工過程中裂縫延伸困難、壓力抬升、砂比受限[11]。因此，需要針對該區塊井進行分段壓裂設計優化，達到提高單井產能的目標。

2 試驗思路

圖1 不同工藝改造體積模擬對比

圖2 不同壓裂井施工曲線對比圖

焦頁A井埋深較大、三向應力較高、構造變形強，強曲率帶來了改造不充分的難題。在平橋區塊已壓裂井分析的基礎上，通過射孔方式、泵注程序、壓裂材料等優化壓裂改造主體工藝，以促使主裂縫延伸，增加裂縫改造復雜程度，降低施工難度，增加有效改造體積。因此，優選焦頁A井進行“細分段密分簇”壓裂設計工藝試驗。

2.1 壓裂設計模擬

以焦頁A井地質條件為基礎，在Meyer軟件中開展壓裂設計模擬。采用“細分段密分簇”新工藝和常規工藝對比，其中常規段簇劃分標準選取段間距40m，簇間距25m;新工藝段簇劃分標準選取段間距35m，簇間距15m。在其他條件相同的情況下，新工藝的壓裂改造體積較常規工藝提高了62%(見圖1)。

2.2 壓裂參數優化

焦頁A井采用“細分段密分簇”設計，水平段長1626m，平均垂深3802.74m，段間距38～47m，簇間距15～21m。采用孔徑為16mm 的大孔徑射孔彈，控排降壓，集中進液，促進裂縫延伸。

為配合新的設計思路，進一步優化壓裂材料：①壓裂前期采用高黏膠液封堵微裂縫，促進裂縫均勻起裂延伸；中黏減阻水，促進裂縫向縫長方向充分延伸，保障較大改造體積[12];②中后期采用低黏減阻水，提高裂縫復雜程度;③分階段提升排量、補充凈壓力;④間隔加入粉陶段塞，控制壓力上漲，促進裂縫延伸;⑤優選高導流能力的覆膜陶粒支撐劑。

3 現場試驗效果評價及認識

3.1 施工井概況

焦頁A井位于平橋斷背斜構造東斜坡[13]，構造位置與焦頁B井和焦頁C井相同，3口井穿行層位基本一致，且應力場相近，井區曲率特征相似。目前，焦頁A井壓裂設計20段，61簇，平均段間距42.4m，平均簇間距17.8m；焦頁B井壓裂設計19段，47簇，平均段間距42m，平均簇間距22.5m；焦頁C井16段，49簇，平均段間距43m，平均簇間距22m。焦頁A井的段數和簇數明顯高于焦頁B井、焦頁C井，相對較小的簇間距設計應盡可能滿足各射孔簇位置能夠同時起裂，以溝通更多的天然裂縫，增加壓裂改造體積。

圖2為3口試驗井壓裂施工曲線，可以看出排量不變，提高砂比，壓力平穩上升。表明焦頁A井壓裂施工裂縫延伸較好，開啟了較多的天然裂縫。

3.2 試驗分析

3.2.1 裂縫面積以及縫寬

單段內多簇射孔的選擇關系到壓裂裂縫延伸形態、裂縫改造復雜度，進而影響整個裂縫覆蓋區內的壓裂改造體積。為了研究多簇射孔裂縫擴展體積，選取焦頁A井壓裂設計4簇為主，焦頁B井2簇為主，焦頁C井3簇為主，分析多簇裂縫擴展的面積以及縫寬。

采用頁巖氣水平井壓后評價與決策平臺軟件，模擬了不同射孔簇數下壓裂裂縫的擴展面積以及縫寬,結果見圖3。從圖3可以看出，不同簇裂縫擴展面積和擴展縫寬有明顯差異，射孔4簇為主的焦頁A井裂縫擴展面積和擴展縫寬明顯大于射孔2簇的焦頁B井以及射孔3簇的焦頁C井。

圖3 不同簇數下井的測試產量與裂縫面積以及平均縫寬對比圖 圖4 正常延伸占比與測試產量曲線

裂縫面積和平均縫寬與測試產量呈現正相關性，其中焦頁A井的裂縫面積以及平均縫寬最大，說明其改造區域較大，“細分段密分簇”的壓裂設計對于增大裂縫改造區域有促進作用[14,15]。

3.2.2 裂縫延伸

水平井壓裂施工過程中，施工曲線可以認為是壓裂液流動、裂縫擴展、支撐劑運移和儲層特征的綜合反映，因此通過研究施工曲線，可以了解裂縫的動態變化情況。主要采用壓力導數分析方法，即采用凈壓力與時間的雙對數曲線(Nolte-Smith 曲線)對施工狀況進行綜合判斷[16]。 雙對數曲線斜率在0.17～0.25(正常延伸)，說明裂縫正常擴展，縫長延伸>縫高延伸。統計焦頁A井、焦頁B井、焦頁C井的Nolte-Smith 曲線，其斜率在0.17～0.25正常延伸所占比例與測試產量關系如圖4所示。焦頁A井正常延伸所占比例比鄰井高，說明“細分段密分簇”的壓裂設計對裂縫延伸有一定促進作用；另外，正常延伸所占比例與產氣量呈正比關系，說明壓裂過程中正常延伸的裂縫越多，產氣量也越高。

3.2.3 縫網復雜度

壓裂G函數曲線特征普遍表現出天然裂縫和多裂縫發育特征。參考文獻[17]將G函數分為4類，如表1所示。

表1 G函數4類波動類型

統計3口試驗井G函數曲線，如表2所示。焦頁A井G函數Ⅰ、Ⅱ類占比超過50%，波動頻率高且幅度大，說明“細分段密分簇”的壓裂設計形成了較復雜的裂縫網絡。焦頁B井、焦頁C井的Ⅰ、Ⅱ類G函數占比相近，但以3簇為主的焦頁C井測試產量要明顯好于2簇為主的焦頁B井，進一步說明細分段密分簇的壓裂設計有利于形成復雜程度高的裂縫網絡，進而對測試產量有一定的提升作用。

表2 試驗井G函數類型統計及測試產量

4 結論

1)針對涪陵焦石壩部分區塊頁巖儲層埋深大、三向壓力高、構造變形強等特點，通過氣藏數值模擬和壓裂設計模擬，提出了“細分段密分簇+大孔徑射孔”的段簇劃分設計方法。

2)基于細分段、密切割的段簇劃分方法，配套“高黏膠液中黏減阻水”+“覆膜陶粒支撐劑”的工藝措施，形成新的壓裂改造工藝，并在焦頁A井上成功應用，與鄰井相比，取得明顯改善效果。

3)“細分段密分簇”壓裂設計能夠有效增加裂縫面積、壓后平均縫寬以及縫網復雜度，同時促進裂縫的正常延伸。