永川深層頁巖氣藏水平井體積壓裂技術

鐘森 譚明文 趙祚培 林立世

中國石化西南油氣分公司工程技術管理部

四川盆地頁巖氣資源量豐富，通過近幾年的快速發展，目前已有涪陵、長寧、威遠頁巖氣田實現商業開發，推動了我國頁巖氣開發水平［1］。永川區塊地理上位于重慶市永川區，構造上處于川東斷褶帶向南呈帚狀撒開的低背斜群，構造呈“兩凹夾一隆”的格局。勘探開發思路采用整體部署、評探結合、滾動建產、效益開發。

永川區塊開發層位為龍馬溪頁巖氣層，埋藏深度 3 700～4 200 m、地層壓力 67～71 MPa、地層溫度148～159 ℃、壓力系數1.7。龍馬溪優質頁巖段厚36.5～41.5 m，鉆井水平段長1 500 m 左右，優質頁巖鉆遇率均達到100%，采用?139.7 mm 套管完井、橋塞+射孔聯作分段壓裂技術投產［2］。

1 深層頁巖氣壓裂存在的問題

國內深層頁巖氣主要分布區域在川東南地區，包括礁石壩外圍、丁山、南川、永川、威遠區域，其中施工層位最深超過4 600 m。深層頁巖壓裂主要面臨幾個問題：一是地層應力高、三軸地應力關系復雜、層理縫發育，導致造縫寬度窄，大規模加砂難度大；二是巖石脆性特征減弱、塑性特征增強，兩向地應力差值大于10 MPa，裂縫復雜程度及改造體積低；三是閉合壓力高，改造程度低，導流能力遞減快，裂縫易失效，長期穩產能力差［3-4］。要成功壓裂深層頁巖需要解決加砂、造復雜縫及裂縫失效的問題。

2 壓裂材料

2.1 工作液

高黏壓裂液濾失低，可以適當提高縫內凈壓力，對攜砂造主縫更為有利；低黏壓裂液流動迅速，濾失大，有利于在窄縫、微小天然裂縫中流動，可以向井筒的遠端流動，從而擴大改造體積［5］。為解決深層大規模加砂難的難題，采用低黏降阻水(黏度小于6 mPa · s)、高黏降阻水(黏度9～15 mPa · s)、高黏膠液(高溫剪切后黏度大于50 mPa · s)多種液體組合，發揮各自優勢，配制的液體降阻率均在80%以上。降阻水配方為：0.07%～0.1%降阻劑+0.03%助排劑；膠液配方：0.2%稠化劑+0.03%助排劑+0.3%流變助劑。運用Meyer 軟件對比2 000 m3液量時不同膠液與降阻水比例下的裂縫體積與導流能力(圖1)，為增大裂縫體積、提高導流能力，確定降阻水所占比例為60%～70%。

圖1 不同液體比例對應的裂縫體積和導流能力值Fig.1 Fracture volumes and flow conductivity at different fluid proportions

2.2 支撐劑

頁巖氣壓裂形成多尺度的裂縫系統，較寬的主裂縫、較窄的次級裂縫和自支撐的微裂縫系統，為保證支撐劑在裂縫中的順利運移和有效充填，采用多種粒徑的組合，實現各級裂縫的有效支撐［6-7］。

永川龍馬溪閉合應力85～90 MPa，考慮覆膜砂強度不夠，選擇低密度(體密度1.40～1.55 g/cm3)、抗壓 86 MPa、70/140 目+40/70 目+30/50 目的組合陶粒。70/140 目粉陶進入微小裂縫，40/70 目的陶粒支撐主縫和次縫，30/50 目陶粒進行尾追，增加縫口導流能力。采用Meyer 軟件模擬,次級裂縫導流能力大于0.3 μm2· cm 即滿足需求，室內短期導流能力評價顯示相關支撐劑導流能力均滿足要求(圖2)。根據室內不同比例支撐劑的導流能力評價，確定最優組合，粉陶所占 10%～25%、40/70 目陶粒占 65%～85%、30/50 目陶粒占5%左右。

圖2 相同鋪砂濃度下支撐劑導流能力Fig.2 Flow conductivity of proppants at the same proppant concentration

3 壓裂工藝優化

3.1 分段工藝

永川頁巖氣井采用?139.7 mm 套管射孔完井，選擇橋塞分段工藝。目前主要有可鉆、大通徑免鉆、可溶3 種類型橋塞，永川地區停泵壓力高(大于65 MPa)，壓后掃塞存在井控風險，可鉆橋塞不適用。大通徑投球式橋塞可滿足射孔無法點火情況下的二次泵送，在目前水平井中應用最多，且具有低成本的優勢。因此，永川地區選擇大通徑橋塞(內徑69 mm)+可溶球(直徑82 mm)分段，同時試驗應用了20 只可溶橋塞(圖3)，壓后連油通井顯示球和橋塞完全溶解，井筒暢通。

3.2 分段分簇優化

頁巖氣水平井分段分簇是確定射孔位置和分簇數，常用的方法是依據油藏數值模擬的經濟產量來確定壓裂段數，再結合測錄井解釋結果，選擇含氣性好、可壓性好的地質工程雙甜點進行射孔，最大程度實現體積改造［8-10］。采用ECLIPSE 數值模擬軟件模擬永川1 500 m 水平段55～80 簇的產量，產量隨壓裂簇數增加而增大，壓裂簇數大于70 時累產量遞增減緩，初步推薦70～75 簇左右。見圖4。

圖3 可溶橋塞實物圖Fig.3 Soluble bridge plug

圖4 不同簇數日產量預測Fig.4 Prediction of daily production with different clusters

建立沿水平井筒的兩向應力差值、脆性指數剖面，將水平段分為3 區(圖5)。1 區低應力差值，相對利于形成縫網，適當增大簇間距；2 區應力差值、脆性指數中等，分簇間距適中；3 區應力差值大，形成縫網難度更大、施工難度更高，適當減小簇間距、考慮單段兩簇壓裂。

圖5 水平段儲層可壓性分區示意圖Fig.5 Zone division diagram based on fracturability of reservoirs in lateral section

同時，TOC 含量高、氣測顯示好、高伽馬的井段為優質儲層段，加密分段；裂縫發育段、預測螞蟻體發育段減小至1～2 簇數，防止壓裂中套管損傷及改造不充分；水平段下凹至寶塔組地應力較高，施工風險較大，采用2 簇壓裂；固井質量差的井段擴大簇間距。

3.3 泵注工藝設計

3.3.1 多段制注入模式

充分利用不同黏度壓裂液的優點，進行變黏度的多級交替注入，實現主導裂縫充分延伸及大范圍的復雜裂縫溝通，同時增加加砂量。采用“酸預處理+膠液前置+粉陶段塞+降阻水加膠液連續加砂+降阻水段塞式高砂比加砂+膠液大粒徑加砂”6 段制混合注入模式，并采用13～15 m3/min 的大排量注入方式(表1)。

表1 深層壓裂典型的泵注模式Table 1 Typical pumping mode for deep zone fracturing

3.3.2 加砂模式

深層頁巖氣壓裂裂縫寬度不足，敏感砂比低，容易導致加砂困難出現砂堵。為順利加砂，采用先細后粗加砂、低砂比連續加砂、大段中頂膠液、高砂比段塞、拇指加砂等方法［11］。中、低砂比加砂階段采用大液量連續加砂，爭取平穩加砂；加入大量支撐劑后，注入100 m3以上的純液體推動支撐劑移動，防止縫內充填脫砂；高砂比階段壓力高，風險大，利用中頂液推動段塞至遠端；在一個段塞加砂后期提高砂比至下個段塞的砂比，探測下個高砂比的難易程度，防止高砂比階段出現砂堵的突發情況(圖6)。

4 配套工藝

4.1 射孔工藝

深層頁巖氣井以大孔徑、等孔徑、深穿透為目標，采用超深穿透射孔彈+槍套扶正，孔徑一致性較好。統計射孔槍身發射的孔彈孔徑為7.4～11 mm，平均值為8.95 mm，8～10 mm 孔徑占 90.9%。初期采用 3 簇×1 m/簇、2 簇×1.5 m/簇射孔，后期試驗3 簇×0.6 m/簇、2 簇×0.9 m/簇、2 簇×0.6 m/簇。縮短射孔簇后，多次閉合的特征相對更明顯，3 簇都進液的可能性相對更大。但射孔段長小于1.8 m 后，泵注壓力高、加砂難度大，顯示了較高的摩阻。

圖6 YY2HF 井第 9 段壓裂曲線Fig.6 YY2HF stage 9th fracturing curve

4.2 暫堵工藝

注入的暫堵劑在先壓開裂縫口處形成暫時封堵，井底壓力升高迫使液體轉向，最終所有射孔簇按破裂壓力由低到高依次得到改造，可在不增加橋塞用量的前提下增加分段效果，實現體積壓裂［12］。YY2HF 井試驗了金屬可溶暫堵劑暫堵工藝，分2 次投放，第 1 次投放直徑 1～2、4、8 mm 小顆粒暫堵劑，第2 次投放直徑12 mm 圓球暫堵劑，兩次投放共計8 kg。施工曲線顯示暫堵后在相同排量下施工壓力上升3.5 MPa、停泵壓力上升1.72 MPa，縫口暫堵工藝初步取得成功，可以作為保證各射孔簇有效改造的輔助手段。見圖7。

4.3 壓后悶井

壓后進行長時間悶井，壓裂液中的水通過毛細管自吸作用進入巖石基質，頁巖基質中礦物顆粒間原有的氫鍵被羥基取代進而發生水化作用，造成黏土顆粒膨脹運移，從而形成新的微裂紋，利于后期生產［13］。采用巖心進行自吸實驗，自吸量約為0.45 g(圖8)，約占樣品總孔隙體積的30%，且巖心破碎產生明顯的裂紋。統計幾口井壓后關井井口壓力降落趨勢，在150 h 左右出現穩定，所以，確定永川地區壓后悶井溶球時間為7 d。

圖7 3 種暫堵劑及暫堵施工曲線Fig.7 3 types of temporary plugging agents and corresponding curves

圖8 YY3-1HF 井巖心水自吸量與時間關系Fig.8 YY3-1HF core water imbibition vs.time

5 現場應用

永川深層龍馬溪氣藏前期壓裂3 口井，施工成功率100%，施工參數見表2。

通過壓裂軟件壓后分析顯示(表3)，裂縫長度達250 m 以上，帶寬約60 m 左右，縫高45 m，單段平均改造體積159×104m3，單井平均改造體積3 339×104m3，達到了一定程度的體積改造目的。YY1HF井平均日產氣 6×104m3，已累產氣 3 200×104m3，具有較好的穩產能力。

表2 永川地區龍馬溪壓裂施工參數Table 2 Yongchuan Longmaxi fracturing parameters

表3 永川地區龍馬溪壓裂體積計算Table 3 Yongchuan Longmaxi fracturing volume calculation

6 結論及認識

(1)要實現深層頁巖氣壓裂高效加砂、有效支撐，采用高、低黏度組合液體和不同粒徑組合支撐劑可降低注入難度，增加裂縫體積，提升多級裂縫的支撐效果。

(2)采用多段制混合注入模式及特殊加砂工藝確保了大規模加砂的順利完成，縮短了射孔段長度、縫口暫堵工藝有利于提高多簇改造有效性。永川龍馬溪氣藏先期壓裂3 口井，測試產量及穩產效果較好，基本達到了體積改造目的。

(3)深層頁巖氣開發還處于探索階段，需要著重解決提高裂縫復雜性和單井產量的問題，應結合生產及產剖測量情況，繼續優化壓裂材料、簇間距、加砂規模、縫口暫堵等關鍵工藝參數。