黃202井深層頁巖水平井分段壓裂技術

王峻源，李小剛，廖梓佳

（1.中國石油西南油氣田分公司開發事業部，四川成都 610017；2.西南石油大學，四川成都 610500）

位于璧山-合江區塊長黃瓜山構造西翼斜坡帶的黃202井，是中石油第二口4 000 m以深的頁巖氣水平井。黃202井的井深為5 844 m，最大垂深為4 086.12 m，目的層為龍馬溪組，具有高溫、超高應力的特點。為了解決該井壓裂作業存在的施工壓力高和加砂困難等難題，結合北美頁巖氣壓裂最新理念及頁巖氣井前期壓裂實踐經驗，采用了密切割、高強度、大排量、可溶橋塞分段等先進的壓裂設計技術[1-3]，有機結合連續加砂、微地震實時監測等施工技術[4-6]，最大限度增加裂縫復雜程度，提高壓裂改造效果。該井30段加砂壓裂累計加入液量60 155.85 m3、砂量4 212.23 t，最高施工壓力115.1 MPa，最高施工排量16.1 m3/min，單段最高砂量163.67 t、平均砂量140.41 t，單段最高加砂強度3.50 t/m、平均加砂強度2.82 t/m。該井壓裂段數、加液量、加砂量、施工壓力、施工排量、加砂強度六項指標均創下當時中石油深層頁巖氣井壓裂新紀錄。壓裂后獲得22.37×104m3/d的高產工業氣流，標志著油氣田璧山-合江區塊深層頁巖氣勘探開發取得了新突破，揭示了該區塊深層頁巖氣良好的勘探開發前景。

1 璧山-合江區塊深層頁巖氣壓裂改造難點及技術對策

1.1 壓裂改造難點

1.1.1 測井解釋 直井測井解釋1、2小層為Ⅰ儲層，3、4及五峰組為Ⅰ-Ⅱ類儲層。直井1小層厚度較薄為3.0 m；2小層厚度為2.9 m，Ⅰ類儲層厚度為5.9 m，整體來說1小層儲層比較薄。地應力分析（見表1）：走滑應力：σH＞σV＞σh。最大水平主應力大于垂向主應力，不利于裂縫高度擴展，該井地應力為走滑應力狀態，水平應力差異較大（19.89 MPa），形成復雜裂縫難度也較大。

1.1.2 天然裂縫情況 直改平井斯通利波能量基本無衰減，裂縫不發育，不太利于形成復雜裂縫。

1.1.3 儲層物性參數-與不同區塊頁巖氣井對比分析直改平井儲層參數略低于直井 ，與鄰區相比，脆性礦物明顯較高，有機碳居中，孔隙度和含氣量較低，與鄰井相比，有機碳和脆性礦物較高，孔隙度較低，含氣量較低。

如何在限壓下進行超大排量的壓裂施工是深層頁巖氣井壓裂改造必須解決的首要問題。璧山-合江區塊深層頁巖氣井埋藏較深，壓力系數較高（預測值為1.72），地層破裂壓力梯度高，沿程摩阻大，高排量泵入地面泵壓會超過100 MPa，施工時控制排量、加砂濃度、壓力難度大。針對這種深井需優選適宜的壓裂井口、壓裂液體系、支撐劑類型、射孔參數，減少壓裂液對儲層的傷害，提高壓裂改造效果，降低施工摩阻，盡可能提高排量至16 m3/min。

1.2 技術對策

改造目標：采用“大液量、大排量、大砂量、低黏度、小粒徑、低砂比”的體積壓裂改造模式；形成復雜裂縫、提高儲層改造體積、提高用液用砂強度、力求充分改造有效評價開發潛力。

1.2.1 優選壓裂井口、壓裂管柱 為了能夠盡可能的提高排量，壓裂井口選用140 MPa的大閘門，特殊四通也是140 MPa等級，壓裂管柱套采用Φ139.7 mm TP140V，抗壓153.5 MPa，同時采用可溶橋塞+電纜分簇射孔（見表2）。

1.2.2 低摩阻和低傷害滑溜水 國內外頁巖氣的主要改造方式為滑溜水大型壓裂，目前這種施工方式占到了頁巖氣改造的60%，滑溜水的優點是配方簡單、成本低、殘渣很少，降阻率明顯大于常規交聯液體體系，以低黏滑溜水為主體，有利于溝通微裂縫，形成復雜縫網。缺點由于滑溜水黏度較低，攜砂能力較差，主要依靠紊流、砂壩和（或）砂床來傳送支撐劑。這將導致支撐劑在地面設備或較長水平側向井段的過早沉淀，支撐劑不能得到均勻鋪置。這使得裂縫難以得到有效支撐，導流能力下降。針對這種情況，需選擇更低密度的支撐劑，以利于輸送。

1.2.3 酸化預處理 酸進行預處理：主壓裂之前進行一次DFIT測試，求取地層參數。根據DFIT測試情況確定是否注入稀鹽酸。地層壓力偏高，若用酸處理后，可以實現較好的降破，能夠降低后續施工的井口壓力。

1.2.4 壓裂規模和施工參數優化

1.2.4.1 縫網壓裂工藝 對于頁巖氣壓裂施工，不考慮壓穿水層的前提，應該選擇大排量施工，實現更好的攜砂并提高縫內凈壓力。因此施工排量盡量考慮在16 m3/min左右，同時為了形成更復雜的網狀裂縫，把水平段1 500 m，密集切割為30段，選擇單段注入滑溜水 2 000 m3～2 200 m3、加砂量 160 t的規模。

表1 （直井）巖心地應力試驗數據表

表2 B點施工泵壓預測（預測參數：垂深3 952.93 m，測深5 784 m）

1.2.4.2 低砂比、連續+段塞加砂方式 根據前期現場試驗情況，低砂比、連續+段塞加砂方式適合滑溜水施工模式，能夠降低加砂難度，增加裂縫的動態縫長，對于支撐劑在裂縫網絡中的均勻鋪置有很好的作用。

1.2.4.3 其他參數優化 支撐劑優選：前8段采用70/140目粉砂+40/70目石英砂，從第9段起采用70/140目粉陶+40/70目陶粒，占比為3比7，確保微裂縫被有效支撐，同時確保具有一定的裂縫導流能力；某深層頁巖氣井主體以70/140目支撐劑為主，平均單段比例占90%，裂縫導流能力有限。

射孔參數優化：縮短簇長集中能量射孔；降低總孔數，提高單孔流量，確保各簇均勻改造。

2 現場試驗

2.1 壓裂施工概況

根據DFIT測試，由Nolte-FR函數求得的地層壓力為80.86 MPa，黃202井DFIT測試結果計算出地層壓力系數為2.04，地層孔隙壓力為91.297 MPa，決定每段加入20 m3鹽酸，以此降低地層破裂壓力。

采用密切割、高強度、大排量、可溶橋塞分段等先進的壓裂設計技術，結合連續加砂、微地震實時監測等施工技術，最大限度增加裂縫復雜程度，提高壓裂改造效果，該井30段加砂壓裂累計加入液量60 155.85 m3、砂量4 212.23 t，最高施工壓力115.1 MPa、最高施工排量16.1 m3/min，單段最高砂量163.67 t、平均砂量140.41 t，單段最高加砂強度3.50 t/m、平均加砂強度2.82 t/m。

2.2 微地震裂縫監測解釋

黃202井微地震監測事件延伸方位，近井筒區域應力較為簡單，基本沿著最大水平主應力方向延伸，為120°～135°，天然裂縫主要以破碎帶形式存在，沒有明顯的方向性，A點附近的天然裂縫方向與井筒方向近平行，B點區域天然裂縫方位近南北向延伸。

參考國外頁巖氣壓裂研究成果，利用水力壓裂裂縫形成機理，分析壓裂期間所形成的裂縫類型及改造效果，其原理示意圖（見圖1）。從圖1中可以推測出，由拉伸形成的裂縫，事件點到射孔段的距離，隨時間會越來越遠；由剪切形成的裂縫，事件點到射孔段的距離，隨時間變化較小。

圖1 水力壓裂裂縫形成機理

結合水力壓裂裂縫形成機理，選取部分壓裂段微地震事件與射孔的距離和壓裂時間做交匯分析（見圖2）。從圖2可以看出，微地震形成的事件點大多比較分散，少部分比較集中，說明水力壓裂過程中所形成的裂縫大多為較復雜的網狀裂縫類型，部分段局部可能受裂縫帶影響，表現出一定的線性裂縫特征。

圖2 微地震事件點的交匯分析

2.3 儲層改造體積和裂縫復雜度分析

M.J.Mayerhofer等[7]最先提出了儲層改造體積SRV（Stimulated Reservoir Volume）的概念，并認為壓裂過程中應盡可能增大儲層改造體積。吳奇等[8]引進該定義，在國內首先提出了體積改造理念，并提出了廣義和狹義體積改造的概念，SRV的計算公式如下：

式中：VSR-儲層改造體積，m3；a-縫網長度，m；b-縫網寬度，m；h-縫網高度，m。

圖3 儲層改造體積定義與等效加密模型示意圖

根據微地震事件所描述的裂縫網絡特征，利用專項的水力壓裂裂縫建模技術，構建離散裂縫網絡模型，分析裂縫類型及相關性，估算總改造體積為5 086.1×104m3，平均單段改造體積為 225.2×104m3，整體改造效果較好。

裂縫復雜性指數定義為微地震裂縫監測的縫寬與縫長之比[9]：

式中：FCI-裂縫復雜指數；W-垂直方向壓裂液波及范圍的一半；L-壓裂造縫半長。

表3 黃202井不同裂縫類型的關系

根據裂縫復雜指數分析，黃202井有9段實現了網絡裂縫，21段微復雜裂縫。本井復雜指數主體在0.2～0.4，遠遠高于鄰井（見表 3）。

進一步地，觀察瞬時停泵后水擊現象（見圖4）。停泵后水擊效應明顯，可以認為液體在裂縫中的流速在急劇變化，表明裂縫復雜程度高。

進一步地觀察停泵后的壓降大小（見圖5）。與鄰井相比，停泵后15 min壓降較快，平均降幅較大，裂縫滲透性好，裂縫改造體積大。

2.4 壓后返排求產情況

壓裂后放噴排液，7月3日8：00～8日20：00測試，歷時132 h，井口套壓從26.32MPa下降到23.72 MPa，平均套壓為24.97 MPa，平均產氣量22.37×104m3/d。截止到7月8日累計返排液量為8 781 m3，返排率為14.6%。

壓后效果表明：黃202井在龍馬溪組獲得了工業氣流，標志著璧山-合江區塊深層頁巖氣勘探開發取得了新突破，揭示了該區塊深層頁巖氣良好的勘探開發前景。同時，本井的順利實施，也為四川盆地深層頁巖氣井在鉆井技術、導向技術、壓裂工藝技術及其他配套工藝技術等方面積累了寶貴的經驗，有望獲得商業突破。

圖4 停泵后壓力震蕩圖

圖5 壓降大小對比圖

3 認識和建議

（1）根據微地震監測成果，可以看出在近井筒區域事件延伸方位變化不大，基本沿著水平最大主應力方向，局部受天然裂縫破碎帶影響與井軌跡方位存在一定的夾角。根據微地震監測成果分析，本次壓裂形成的裂縫，單段平均延伸長為377 m左右，裂縫帶寬平均在91 m左右，平均高度在75 m左右，改造效果較好。

（2）全程低黏滑溜水適宜于本井高脆性儲層特征，有利于提高縫網體積，黃202井壓后SRV為5 742×104m3，較鄰區足201-H1井提高105%。

（3）要解決深層頁巖氣體積改造難題，需要堅持使用滑溜水+陶粒主體工藝，支撐劑以大粒徑支撐劑為主，推廣密切割+高強度加砂工藝，進一步提高加砂強度至3 t/m，同時保證較高的施工排量（15 m3/min以上）。