焦頁10HF井壓裂技術研究及現場應用分析

裴穎杰 夏蘇疆 馬思卉

摘要：由于頁巖氣儲層低孔隙度、低滲透率等特征，給頁巖氣規模開發帶來巨大困難和挑戰，而水平井分段壓裂技術特別是可鉆式橋塞分段壓裂技術因具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確、分層壓裂的段數不受限制、鉆磨橋塞快，對地層污染小等優點，目前已成為國內頁巖氣壓裂的主流技術。本文通過對焦頁10HF井儲層的礦物成分特征、巖石力學參數、地應力特征及裂縫發育特征等方面進行分析，采用可鉆式橋塞分段壓裂技術及分簇射孔技術，并對壓裂液體系進行優化選擇，經現場實施后效果十分明顯，穩定日產氣量達到16萬方/天。

關鍵詞：頁巖氣 分段壓裂 可鉆式橋塞 分簇射孔

1、儲層特征

1.1礦物成分特征

不同頁巖儲層的特征各不相同，在頁巖儲層中，硅質礦物、黏土礦物、碳酸鹽巖礦物含量的不同，影響儲層脆性指數的高低。如Barnett頁巖和Woodford頁巖中硅質礦物含量高，脆性指數較高（均大于40%），而Haynesville頁巖黏土礦物含量高，脆性指數較低，僅為31%，如圖1所示。對于脆性地層，石英和碳酸鹽巖含量較高，儲層的脆性指數較大，壓裂時容易實現脆性斷裂形成網狀裂縫，從而容易實現體積改造。而塑性地層，因黏土礦物含量高，塑性特征較強，壓裂改造難度大，易形成雙翼裂縫，一般情況下改造效果不理想。

焦頁10HF井五峰組-龍馬溪組頁巖段巖芯全巖X射線衍射實驗分析結果顯示，石英含量為48%，碳酸鹽巖礦物含量6.3%，黏土礦物含量35%。測井解釋顯示，五峰組-龍馬溪組頁巖段石英含量51.8%，脆性指數達到71.6%。說明該井儲層脆性特征較強，具備良好的改造條件，容易形成網狀裂縫。

1.2巖石力學參數分析

根據測井解釋，焦頁10HF井水平段泊松比為0.2，楊氏模量35.8GPa，脆性指數63.7%。有利于壓裂改造，容易增大體積改造。

1.3地應力特征分析

壓裂裂縫的形態取決于地層三向應力狀態，裂縫延伸方向總是平行于最大主應力，垂直于最小主應力。研究還表明，兩向應力差是實現體積壓裂的重要因素，水平應力差越小，壓裂過程中越容易形成復雜的縫網。

結合井區構造，井眼軌跡與最小水平主應力夾角等因素，綜合確定焦頁10HF井水平段方位為SW230°，與最小水平主應力夾角為5°。一般情況下，夾角越小，越有利于壓裂改造。測井解釋水平段各小層頁巖最大水平主應力69-75MPa，最小水平主應力60-68MPa，最大最小水平主應力差7MPa，水平應力差異系數0.1，有利于形成網絡裂縫。

1.4裂縫發育特征

儲層天然裂縫的發育程度以及方位對人工裂縫的延伸、縫網的形成有著重要影響。研究表明，儲層天然裂縫發育程度越好，越容易形成復雜的網絡裂縫，容易實現體積改造，而天然裂縫不發育或不能通過大型壓裂形成復雜的網格裂縫的頁巖儲層很難成為有效儲層[1]。與此同時，人工裂縫與天然裂縫之間的角度也對網絡裂縫的形成有影響。

焦頁10HF井優質頁巖段頁理、水平縫隙較為發育，其中2、3小層高角度裂縫發育，總體來看，該井頁巖氣層含氣性好，高角度裂縫發育，縱向上無明顯隔層，有利于裂縫在縱向上擴展和延伸，增大壓裂改造體積。

2、頁巖氣壓裂工藝技術

2.1可鉆式橋塞分段壓裂技術

可鉆橋塞分段壓裂技術是集水力泵送、射孔與橋塞聯作以及快鉆橋塞于一體的壓裂工藝，如圖2。該技術具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確、分層壓裂的段數不受限制、鉆磨橋塞快，對地層污染小等優點，目前已成為國內頁巖氣壓裂的主流技術。

根據頁巖儲層的巖性及礦物組成特征，結合巖石力學參數和測井解釋等因素，焦頁10HF井分為21段。第1段采用連續油管帶射孔槍進行射孔，起出射孔槍，實施第1段套管加砂壓裂。剩余20段采用泵送電纜橋塞并電引爆坐封、射孔，實施第2段套管加砂壓裂。重復以上步驟進入下段壓裂，壓裂施工結束用連續油管帶磨銑工具鉆磨井下橋塞，鉆塞結束后下生產管柱測試求產。

2.2水平井分簇射孔技術

為了壓裂形成網格裂縫，增大改造體積，采用分簇射孔技術。本井采用每段2-4簇射孔，0.8-1.5m/簇，簇間距12.2-22m，段間距31.2-45m，螺旋布孔，20孔/m，孔徑9.5mm，相位角60°。

2.3壓裂材料選擇

2.3.1壓裂液體系選擇

不同的頁巖儲層應所采用的工藝技術和液體體系是不一樣的，要結合地層的巖性、敏感性、脆性指數等方面合理選擇。國外在頁巖氣開發過程中總結出了一套壓裂液選擇依據[2]，如圖3所示。從圖中可以看出，壓裂液類型、加砂濃度及排量大小等與儲層特點有著密切的聯系。焦頁10HF井屬于脆性儲層，現場采用低黏度液體、低砂比、高排量施工，滿足施工需求。

另外根據巖石敏感性實驗分析，焦頁10HF井頁巖儲層屬于弱水敏地層，敏感性不強，適合采用低黏度的滑溜水壓裂液。因為滑溜水能夠進入更深的裂縫網格中，從而形成更大的裂縫網絡和泄氣面積，增大改造體積；同時返排率高、殘渣少，減少了對地層的二次傷害。而交聯凍膠壓裂液由于黏度高，很難進入微裂縫，改造范圍較小，且成本較高。圖4為滑溜水壓裂和交聯凍膠壓裂改造范圍d的比較曲線[3]。從圖中可以看出，滑溜水壓裂液延展距離較長，改造體積較大。

鑒于單獨使用滑溜水體系，雖形成了網絡裂縫，但其覆蓋范圍極為有限。而膠液體系由于攜砂能力強，能在主裂縫中形成高導流裂縫通道。所以綜合評價后焦頁10HF井分段壓裂采用滑溜水+膠液的復合壓裂液體系，同時為了降低破裂壓力和施工壓力，采用酸液預處理。本井分21段，優化施工排量為16-18m3/min，優化壓裂液規模為45300m3。其中滑溜水38774m3，膠液6096m3，酸液430m3。

2.3.2支撐劑優選

考慮該井頁巖儲層中部埋深3302m，閉合應力為55-65MPa，以及支撐劑耐壓性和導流能力，采用70/140目粉陶+40/70目低密度陶粒+30/50目低密度陶粒組合。

3、應用分析

3.1施工概況

該井壓裂施工累計注入滑溜水41546m3，膠液4535.5m3，支撐劑2007.6m3，其中，70/140目粉陶504.8m3，40/70目低密度陶粒1235.9m3，30/50目低密度陶粒266.9m3，最大破裂壓力88.9MPa。加砂過程比較順利，與壓前預測基本一致。

3.2壓后效果分析

壓裂后先后采用套管8mm、12mm油嘴控制放噴，當累計返排液2223.58m3時見氣。后采用12mm油嘴控制放噴，套壓13.5MPa，測試穩定日產氣量16萬方/天高產，實現了該井產量的突破，達到了頁巖氣井壓裂改造的目的。

4認識與結論

4.1頁巖氣屬于典型的非常規氣藏，其成藏規律、儲集空間和滲流規律有其自身特點。該井采用可鉆式橋塞分段壓裂技術，不僅具有大排量、封隔可靠性高、壓裂層位精確等優點，而且易鉆橋塞鉆磨較快，對地層污染較小。

4.2焦頁10HF井頁巖儲層硅質含量高，黏土含量低，脆性特征明顯，現場采用低黏度、低砂比、大排量的復合壓裂液體系，能滿足現場施工需求，壓裂時容易形成網狀裂縫，實現體積改造。

4.3該井壓裂后喜獲高產氣流，預示該區塊具有巨大的勘探開發潛力，同時為今后頁巖氣分段壓裂施工提供了經驗參考。

參考文獻：

[1] 孫海成，湯達禎等.壓裂改造技術在頁巖氣儲層中的應用[J].石油鉆采工藝，2011，33（4）：75-80.

[2] 薛承瑾.頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議[J].石油鉆探技術，2011，39（3）：24-29.

[3] 陳作，薛承瑾等.頁巖氣井體積壓裂技術在我國的應用建議[J].天然氣工業，2010，30（10）：30-32.

作者簡介：裴穎杰，1985年生，工程師，現從事頁巖氣壓裂試氣等方面的技術管理工作。