涪陵頁巖氣田變方位水平井壓裂工藝優化與應用

劉立之

(中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院)

涪陵頁巖氣田江東區塊天臺場2號斷鼻受地質構造作用影響[1]，區內應力特征復雜、各級斷裂發育、地層傾角增大、儲層埋深增加，如何實現高效動用給壓裂工藝提出了更高的挑戰[2]。前期A平臺2口井流體掃描成像測井結果表明，由于地層傾角增大帶來的水平段跟-趾端高程差增大，導致長水平段井筒積液嚴重，制約近趾端段簇氣體產出。為了減小水平段高程差帶來的井筒積液影響，調整為順構造方向進行布井[3]，但由于改變了布井方位導致水平井筒方向與水平最小主應力方向形成一定夾角，這給壓裂設計和工藝針對性提出了更高要求。

一、研究區基本情況

涪陵頁巖氣田江東區塊位于焦石壩區塊西北部，構造上隸屬川東高陡褶皺帶萬縣復向斜東南部。平面上發育近南北和北東-南西兩組不同走向的斷層，次級斷裂發育。根據不同斷層控制區域特征又可進一步劃分為5個構造單元，各個不同的構造單元內地質差異變化較大，本文所研究的變方位布井區域位于天臺場2號斷鼻構造內，如圖1所示。由于研究區毗鄰焦石壩主體區塊，儲層物性平面上穩定展布、頁巖品質及資源豐度與其基本相當，具有較高的開發潛力。然而，受構造作用影響，研究區地層傾角增大為10°～30°，儲層埋深2 700～4 000 m、宏觀應力表現為擠壓背景下的張性特征、天然裂縫發育等地質特點，相比于焦石壩主體區塊表現出較大差別[4-5]。

圖1 江東區塊To3w反射層斷裂分級平面圖

二、地質工程影響因素研究

由于改變了布井方位導致水平井筒與水平最小主應力方位形成一定夾角，對壓裂施工及縫網形態產生影響[6]。另外，對頁巖氣開發認識不斷加深，地質條件變化會導致頁巖氣井產量差異巨大[7]。

1.變方位布井工程影響因素

1.1 改造體積減小

結合涪陵頁巖氣田微地震監測成果[8]，建立變方位布井的SRV計算方法，計算結果如圖2所示，同等壓裂規模條件下，水平井筒與最小水平主應力的夾角逐漸增大時，其改造體積逐漸減小，對于水平井筒與最小主應力夾角小于30°時對改造體積影響較小。

圖2 變方位布井儲層改造體積計算結果

SRV′=h×2Lf(xwb×cosθ+xfw)

(1)

式中:SRV′—變方位布井儲層改造體積；h—縫網高度；Lf—裂縫半長；xwb—水平段長度；xfw—首尾兩段縫寬增加值。

1.2 段簇間距減小

由于井筒軌跡與水平最小主應力夾角逐漸增大，采用常規段簇間距時，裂縫橫向擴展存在重疊區域。為避免重復改造，減小段簇之間的應力干擾，設計時適當增加段簇間距。假設避免段間干擾合理的段間距s，即在設計時要求段間距為s/cosθ；同理，簇間距為c，即在設計時要求簇間距c/cosθ。

1.3 多裂縫獨立擴展難度增大

考慮多簇射孔情況下各簇主裂縫之間的應力干擾，常規段簇間距設計會計算合理的間距值來減小或避免應力干擾。當采用變方位布井時，由于水平井筒與最小水平主應力夾角逐漸增大，多簇射孔時某一簇裂縫開啟后其抑制其余射孔簇裂縫擴展，導致多裂縫獨立擴展難度增大[9]。

1.4 近井彎曲摩阻增大

常規射孔方式射孔彈垂直于套管壁切平面引爆射孔彈，形成的孔眼通道在近井筒時總是垂直于套管壁切平面，壓裂過程中初始裂縫會沿著孔眼通道延伸，隨后人工裂縫延伸服從經典斷裂力學，即逐漸趨向最大水平主應力方向進行擴展，導致近井地帶人工裂縫產生彎曲摩阻，如圖3所示。

圖3 常規螺旋射孔初始裂縫擴展示意圖

2.研究區地質影響因素

頁巖儲層在不同地質條件變化對壓裂施工影響也各不相同[10]，天臺場2號斷鼻區受復雜構造影響，地質上宏觀應力特征、天然裂縫、地層產狀三方面相比于焦石壩一期均發生較大變化。

2.1 宏觀應力特征復雜

主要表現為擠壓背景下的拉張應力特征，受擠壓作用影響，壓裂過程中裂縫延伸困難，因此前置造縫階段應重點考慮將主裂縫擴展出去，施工中后期在形成縫網過程中結合拉張應力特征，應采取多種措施盡可能促使裂縫轉向，形成更多的分支縫和次生縫。

2.2 天然微裂縫發育

對于頁巖儲層，微裂縫發育有利于提高氣井單井產能，原因是溝通更多的微裂縫有利于形成復雜的裂縫網絡，提高人造氣藏的復雜程度和泄氣面積；然而，微裂縫發育帶來的濾失增大、凈壓力不足、易砂堵的特點也給壓裂施工提出更高要求，如何控制濾失，提高縫內凈壓力成為了影響改造效果的關鍵因素。

2.3 地層產狀變化大

地層產狀變化一方面帶來三向應力大小發生偏轉。焦石壩區塊平緩地層三向應力大小關系為：上覆巖層壓力σv> 水平最大主應力σH> 水平最小主應力σh，而地層傾角增大過后，即σv分解為垂直于層理面的法向應力σ′和沿著層理面的切應力τ′，有可能出現作用于垂直層理面的法向應力小于水平方向應力，對于層理縫極發育的頁巖儲層容易導致層理縫大量開啟。

另一方面由于水平段較長，鉆遇儲層埋深增加。綜合前人對于深層頁巖改造研究成果[11-12]，整體上深層頁巖儲層測試效果較淺層頁巖差。主要原因是各向應力增大，儲層脆性指數降低，裂縫轉向難度增大；另外，深層閉合應力增大，裂縫長期導流能力下降也會影響氣井生產效果。

三、針對性措施對策

針對變方位布井以及天臺場2號斷鼻區地質影響因素采取了以下對策，論證變方位布井合理夾角范圍、優化段簇間距，提出了定方位射孔方式以及“控近擴遠促復雜”主體壓裂工藝。

1.優化設計參數

1.1 變方位布井原則

根據圖2計算結果，水平井筒與最小主應力夾角小于30°時對改造體積影響較小，即原則上要求井筒軌跡與水平最小主應力方位夾角不超過45°。調整后的5口井井筒軌跡與最小水平主應力夾角從0°逐漸增加并控制在45°以內，高程差從前期2口井的700～900 m降至-110～400 m。

1.2 段簇設計優化

由于1井和2井儲層埋深大于后期5口井，五峰組受層里縫和上部觀音橋段高應力層影響，在考慮儲層埋深增加人工裂縫應力干擾減弱以及穿行層位影響，優化后的段簇間距從前期的平均段間距36.8 m增加到40.3 m，平均簇間距20.7 m增加到23.4 m。

1.3 定方位射孔方式

常規螺旋射孔方式在井筒軌跡與最大主應力方向30°～40°夾角的情況存在優化空間，因此提出垂直于最大主應力方向進行射孔，只需改變平面彈間夾角，改變射孔彈射流方向即可實現垂直于主應力方位射孔，其他射孔參數與常規螺旋射孔參數相同。形成的裂縫如圖4，人工裂縫在遠離井筒后偏轉的彎曲摩阻較小，降低施工壓力2～5 MPa。

圖4 定方位射孔初始裂縫擴展示意圖

2.“控近擴遠促復雜”壓裂工藝

2.1 “控近”措施

2.1.1 穩排量前置膠液造縫

為了控制近井地帶多裂縫開啟，減少液體濾失，充分擴展人工主裂縫，在前置液階段30～50 mPa·s的線性膠進行造縫。同時在8～10 m3/min排量時穩定排量注入，可降低因液體剪切導致的黏度下降影響造縫效果。根據非牛頓流體管流湍流平均剪切速率計算公式(2)[13],相比14 m3/min剪切速率可降低近30%。

(2)

式中:rav—非牛頓流體管流湍流平均剪切速率，s-1；ΔP—沿程摩阻，MPa；L—油管長度，m；K—稠度指數，Pa·sn；n—流態指數，無因次。

2.1.2 變排量擠酸

利用前置預處理酸帶來的壓力降，可為后續排量提升空間奠定良好基礎[14]。為進一步提高酸降效果，采用變排量擠酸方式：即酸液注完后迅速提升排量從2～4 m3/min，待酸液快進入地層前，再將排量降至2 m3/min。該擠酸方式先提升排量可打開更多射孔簇，提高有效孔眼數；而后待酸液開始進入孔眼時降低排量，可延長酸液與近井地層反應時間，提高近井預處理效果。

2.2 “擴遠”措施

2.2.1 優選80～120目支撐劑

小粒徑支撐劑更有利于壓裂液攜至微裂縫或次生裂縫中[15]，而80～120目支撐劑相比常規70～140目粒徑更為均勻，有利于提高遠端微細裂縫長期導流能力。

2.2.2 中低砂比長段塞加砂方式

由于深層頁巖裂縫縫寬較窄且閉合應力較高，采用3%～8%的中低砂比長段塞加砂，段塞液量從1倍井筒體積提高至2～3倍井筒體積。這種較為連續的鋪砂模式，可強化裂縫內支撐劑的有效鋪置，提高中深層裂縫長期導流能力。

2.3 “促復雜”措施

2.3.1 變黏度液體泵注

陳勉等人[16]對比了不同黏度壓裂液對頁巖裂縫形態影響實驗，結果顯示：在相同的注入排量下，低黏度試樣在形成主裂縫后，液體與天然裂縫、層理面均有溝通；而高黏度試樣在形成主裂縫后，與之截交的節理或層理未溝通。涪陵頁巖氣田減阻水黏度6～9 mPa·s，但鑒于該區微裂縫較為發育的特點，為促進液體溝通更多天然裂縫，優選2～4 mPa·s黏度減阻水。

2.3.2 施工中后期提升排量

施工中后期在壓力窗口允許前提下，根據施工壓力及液量分階段提升排量提高凈壓力，從14 m3/min逐級提升至16 m3/min，部分井段在裝備條件允許的前提下提升至18 m3/min，通過不斷補充裂縫延伸所需能量，追求裂縫復雜最大化。

四、應用效果

通過研究變方位布井以及天臺場2號斷鼻地質條件對壓裂改造的影響，提出的定方位射孔方式以及“控近擴遠促復雜”的主體壓裂工藝在同平臺的另外5口井成功應用，壓裂施工后平均測試產量高達34.1×104m3，遠高于前期的1井和2井。其中5井水平段長2 035 m，井筒軌跡方位角222°，與水平最小主應力夾角為42°。壓裂過程中施工排量為14～16 m3/min，平均單段液量1 854 m3，平均單段砂量57.8 m3，綜合砂液比達到3.12%，單井測試產量達到62.9×104m3/d，創涪陵頁巖氣田二期產建過程中測試產量最高記錄。隨著江東區塊開發南移，另外4個構造區主體壓裂理念和施工工藝充分借鑒本文研究區形成的研究成果，已完試的34口井，平均測試產量達到22.8×104m3/d。

五、結論

(1)在地層傾角較大區域為減小水平井筒積液影響可采取變方位布井，井筒軌跡與水平最小主應力方向應控制在45°以內時，改造體積減小幅度下降不超過30%。

(2)工程及地質條件變化對頁巖氣井產量影響較大，針對天臺場2號斷鼻變方位布井及其地質特征，其對壓裂效果的影響主要體現在“兩減兩增三變化”七個方面。

(3)提出的定方位射孔方式以及“控近擴遠促復雜”的主體壓裂工藝在本研究區具有很好的適應性，部分開發思路及成果在其他區塊應用效果較好。