威榮深層頁巖氣體積壓裂工藝研究及應(yīng)用

林永茂，王興文，劉 斌

(中石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院)

國內(nèi)外普遍認(rèn)為埋深超過3 500m的頁巖氣為深層頁巖氣，由于其埋深導(dǎo)致的壓裂施工難度及成本遠(yuǎn)大于淺層頁巖氣，使得深層頁巖氣未實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)。中石化威榮頁巖氣田埋深3 600～3 900 m，縱向上發(fā)育9套頁巖氣儲層，優(yōu)質(zhì)頁巖儲層為1～5號層，厚度35.5～46.6 m，儲層孔隙度為4%～6.6%，TOC為2.2%～4.0%，Ro為2.0%～2.6%，含氣量為2.56～4.88 t/m3，地壓系數(shù)為1.9 MPa/m3左右。與鄰區(qū)及焦石壩等投入開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊對比，該區(qū)的基本地質(zhì)條件與之相當(dāng)，但儲層埋深導(dǎo)致人工裂縫復(fù)雜程度低、縫長短、支撐裂縫有效性差，使得控制儲量較低，無法實現(xiàn)商業(yè)突破[1-5]。

針對該區(qū)塊改造難點，以控近擴遠(yuǎn)、提高裂縫復(fù)雜性、有效性和分簇改造充分性為主體思路，配套針對性工藝技術(shù)措施，并在WY23-1HF等5口井中應(yīng)用成功，實現(xiàn)了商業(yè)突破，為威榮頁巖氣田的開發(fā)打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

一、威榮深層頁巖氣田工程地質(zhì)特征

1.巖性特征

通過巖心室內(nèi)實驗分析，脆性礦物含量較高，介于55%～70%(表1)，與W204井區(qū)相當(dāng)，但其碳酸鹽含量遠(yuǎn)高于鄰區(qū)。

表1 威榮深層脆性礦物組成

表2 威榮深層頁巖氣巖石力學(xué)參數(shù)

2.力學(xué)特征

楊氏模量、泊松比、抗拉強度及三軸應(yīng)力測試結(jié)果顯示(表2)，力學(xué)脆性指數(shù)為0.38～0.46，應(yīng)力差異系數(shù)為0.08～0.12，與鄰區(qū)W204井區(qū)相當(dāng)，但其最小水平主應(yīng)力的絕對值高達80 MPa以上，應(yīng)力差最大為16 MPa，意味著其施工難度及形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度遠(yuǎn)高于淺層頁巖氣[6-8]。

3.裂縫特征

通過巖心觀察及測井解釋，威榮深層頁巖天然裂縫較發(fā)育，WY23-1井和WY29-1井頁理均發(fā)育，裂縫分別為138條和83條，平縫為主，立、斜縫分別為17條和23條，見表3。

表3 WY23-1及WY29-1井巖心觀察裂縫情況

二、威榮深層頁巖氣體積壓裂工藝技術(shù)研究

1.深層頁巖氣壓裂改造難點

(1)儲層兩向應(yīng)力差大，難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。威榮頁巖氣兩向應(yīng)力差異系數(shù)為0.08～0.12，雖然不大，但其絕對值相差較大，為6.7～16 MPa，打碎儲層形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度相對較大。

(2)受裝備能力限制，提高凈壓力手段有限。威榮頁巖氣儲層停泵壓力在64～69 MPa之間，限壓95 MPa下施工排量最高可提升至15～16 m3/min。采用瞬時停泵方法測定不同施工排量下、不同液體的井底壓力變化，以推斷凈壓力變化情況，現(xiàn)場測試表明，排量由8 m3/min提高至15 m3/min，膠液比降阻水凈壓力僅高2.14 MPa，主要是由于部分井區(qū)近井帶天然裂縫相對發(fā)育，凈壓力保持困難。通過提高排量及壓裂液黏度等措施提高縫內(nèi)凈壓力難度大[9-10]。

(3)水平層理發(fā)育，加砂難度大。儲層水平層理發(fā)育、垂向應(yīng)力居中，形成水平裂縫的可能性較大，導(dǎo)致壓裂施工時壓裂液濾失大、縫寬窄，最終造成“進液不進砂”，加砂難度異常大。WY1HF井第6段施工時，在砂比僅6%時即發(fā)生砂堵。

2.深層頁巖氣壓裂工藝技術(shù)

(1)射孔段長度優(yōu)化。較短的射孔段長有利于保證多簇射孔中每個射孔段的均勻進液、減少近井多裂縫。但射孔段長的減少也不是無限的，射孔段長度減少太多會導(dǎo)致孔眼摩阻增加，使得施工排量無法滿足施工要求。因此在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，射孔段長度由每段3 m減少到每段1.8 m，在不影響施工排量的同時利用限流壓裂原理，保證每個射孔段的均勻進液。

(2)變排量+多級粒徑段塞工藝。在施工初期，為控制多裂縫起裂保證主裂縫的有效延伸，采用變排量+多級粒徑段塞，在不同階段采用不同排量，同時加入不同粒徑的陶粒，分別填充在不同寬度的人工裂縫內(nèi)部。既可打磨近井裂縫復(fù)雜地帶，控制多裂縫利于主裂縫的形成，又可降低儲層的濾失，提高壓裂液效率。排量、粒徑大小及粒徑級數(shù)可根據(jù)測試壓裂解釋結(jié)果及天然裂縫開啟情況確定。

(3)超高壓、大排量工藝。采用國產(chǎn)配套140 MPa施工設(shè)備提高施工排量，在120 MPa限壓下可將排量提高至20 m3/min，以此提高裂縫內(nèi)的凈壓力，增加形成復(fù)雜縫網(wǎng)的可能性。

(4)縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)。采用暫堵球?qū)味味啻厣淇拙我褖毫讯芜M行封堵，通過分流作用實現(xiàn)各射孔段的均勻充分改造，提高各射孔簇改造的有效性。

3.施工參數(shù)優(yōu)化

(1)人工裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化。以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，計算不同導(dǎo)流能力下的日產(chǎn)量及單井累計產(chǎn)量，以獲得最大產(chǎn)量為目標(biāo)優(yōu)化該儲層所需的人工裂縫導(dǎo)流能力。計算結(jié)果顯示產(chǎn)量隨導(dǎo)流能力增加而增大，導(dǎo)流能力大于2 D·cm時累產(chǎn)量遞增減緩，見圖1。綜合考慮推薦最優(yōu)導(dǎo)流能力為2 D·cm,以此為基礎(chǔ)優(yōu)化單段加砂規(guī)模為65 m3。

圖1 不同導(dǎo)流能力的累計產(chǎn)量

(2)液量優(yōu)化。以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，計算不同半縫長的日產(chǎn)量及單井累計產(chǎn)量，以獲得最大產(chǎn)量為目標(biāo)優(yōu)化該儲層所需的人工裂長度。結(jié)果顯示產(chǎn)量隨縫長增加而增大，縫長大于260 m累產(chǎn)量遞增減緩，見圖2。綜合考慮推薦最優(yōu)半縫長為260 m。以此為基礎(chǔ)優(yōu)化單段液體規(guī)模為1 800～1 900 m3。

三、現(xiàn)場應(yīng)用情況及評價

1.總體應(yīng)用及測試情況

形成的威榮深層頁巖氣體積壓裂技術(shù)已完成5口井施工(表4)，施工成功率100%，單井最大加砂規(guī)模1 428 m3、單井最大液量48 020 m3，其中WY23-1HF井及WY29-1HF中，壓后測試產(chǎn)量分別為26.01×104m3/d(35.4 MPa)、23.80×104m3/d(22.2MPa)，取得了威榮深層頁巖氣商業(yè)開發(fā)突破。

圖2 不同半縫長的日產(chǎn)量及累計產(chǎn)量

表4 威榮頁巖氣已壓裂井情況

2.壓后評價分析

(1)G函數(shù)分析對裂縫復(fù)雜性評價。對WY23-1HF及WY29-1HF井進行G函數(shù)分析。結(jié)果表明兩口井均形成了“主縫+分支縫+天然裂縫”的復(fù)雜裂縫形態(tài)，達到了體積壓裂的目的。

(2)裂縫改造體積。采用地面微地震裂縫監(jiān)測對WY23-1HF井改造體積計算，總改造體積為6 570×104m3。監(jiān)測結(jié)果顯示本井形成了較為復(fù)雜的體積裂縫，且裂縫的走向受天然裂縫影響較大。

(3)大排量對裂縫復(fù)雜性及改造體積影響。測試壓裂解釋結(jié)果表明在排量大于15 m3/min后，凈壓力得到較大的提升，見圖3。G函數(shù)顯示，隨著排量的增加G函數(shù)波動次數(shù)增加明顯，對于提高裂縫復(fù)雜程度及改造體積有較大的影響，見圖4。

四、結(jié)論

(1)室內(nèi)實驗及巖心分析表明，威榮深層頁巖儲層脆性礦物及力學(xué)脆性指數(shù)較高，達到0.6左右，天然裂縫發(fā)育，具備形成縫網(wǎng)的地質(zhì)基礎(chǔ)，但兩向應(yīng)力差值在6～16 MPa之間，對于提高裂縫復(fù)雜程度難度較大。

(2)深層頁巖氣體積壓裂的關(guān)鍵在于提高形成的人工裂縫的有效改造體積，針對不同的儲層特征應(yīng)采取增加縫長、提高裂縫導(dǎo)流能力等措施。

(3)形成的針對威榮頁巖氣的“變排量+密集段塞+連續(xù)加砂”工藝成功應(yīng)用于WY23-1HF及WY29-1HF井，壓后測試產(chǎn)量分別為26.01×104m3/d(35.4 MPa)、23.80×104m3/d(22.2 MPa)，取得了威榮深層頁巖氣商業(yè)開發(fā)突破。

圖3 排量對凈壓力的影響

圖4 排量對裂縫復(fù)雜程度的影響