焦石壩龍馬溪頁(yè)巖上部氣層壓裂工藝優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

張 馳

(中國(guó)石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司)

0 引言

涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)的主力層位為五峰組及龍馬溪組下部的①～③小層。在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)不斷的摸索形成了一套針對(duì)①～③小層的體積壓裂工藝(前置膠液快速提高至目標(biāo)排量，減阻水大規(guī)模攜砂)，實(shí)現(xiàn)了主力層系的充分改造。目前，隨著涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)建工作的不斷推進(jìn)，需要對(duì)③小層以上氣層(上部氣層)開(kāi)展壓裂改造。但由于區(qū)塊縱向上非均質(zhì)性較強(qiáng)，上部氣層的儲(chǔ)層物性明顯變差，嚴(yán)重影響壓裂改造效果[1- 3]。現(xiàn)場(chǎng)施工表明，采用過(guò)去的體積壓裂工藝和配套參數(shù)進(jìn)行施工，獲得的實(shí)際改造效果并不理想。因此，如何通過(guò)工藝技術(shù)的調(diào)整有效動(dòng)用上部氣層，同時(shí)盡量避免對(duì)下部已開(kāi)發(fā)氣層進(jìn)行重復(fù)改造，是上部氣層壓裂亟待解決的難題。

筆者針對(duì)上部氣層壓裂改造面臨的問(wèn)題，從增強(qiáng)平面改造強(qiáng)度，控制縱向延展入手，對(duì)壓裂施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4- 6]，提出了一套適用于上部頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓裂改造技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該技術(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)后期上部氣層的壓裂設(shè)計(jì)及施工具有重要的借鑒意義。

1 上下部氣層地質(zhì)特征對(duì)比分析

1.1 上下部氣層基本地質(zhì)條件對(duì)比

通過(guò)焦石壩區(qū)塊內(nèi)多口取心井的巖心數(shù)據(jù)對(duì)不同小層的儲(chǔ)層基本特征進(jìn)行對(duì)比結(jié)果來(lái)看，上下部氣層地質(zhì)特征差異明顯，相比于下部氣層，上部氣層的TOC含量由2.01%～4.03%下降至0.86%～3.17%，孔隙度由3.12%～3.31%下降至2.75%～3.02%；黏土礦物含量由26.13%～27.30%增加至32.10%～52.50%，高導(dǎo)縫條數(shù)由0.20條/m增加至0.56條/m，整體上來(lái)看，上部氣層基礎(chǔ)地質(zhì)條件相比于下部①～③小層較差。

1.2 上下部氣層可壓性評(píng)價(jià)分析

因上部氣層黏土含量增多、脆性指數(shù)降低，導(dǎo)致裂縫起裂難度增加。通過(guò)地應(yīng)力參數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：在相同構(gòu)造條件下由于上部氣層埋深更淺，導(dǎo)致地應(yīng)力更小(壓力梯度0.022 MPa/m)，但其水平應(yīng)力差、泊松比以及楊氏模量與下部氣層差異不大(水平應(yīng)力差8.7 MPa左右、泊松比0.21左右、楊氏模量36.6 GPa左右)；不同于下部②小層存在高應(yīng)力隔擋層，上部各小層應(yīng)力較為平均且高導(dǎo)縫更加發(fā)育，有利于裂縫縱向上的延伸。因此，上部氣層儲(chǔ)層壓裂改造中裂縫起裂相對(duì)困難，縫高方向相對(duì)更易延伸，整體上具備形成復(fù)雜縫網(wǎng)的基礎(chǔ)條件[7- 9]。

2 上部氣層壓裂難點(diǎn)及改造對(duì)策

有研究表明儲(chǔ)層的造縫效果受脆性指數(shù)、天然裂縫密度、孔隙度等因素影響較大[10- 13]，上部氣層高導(dǎo)縫發(fā)育，不可避免的會(huì)對(duì)縱向上的改造產(chǎn)生影響，縱向延伸過(guò)度可能影響下部氣井的正常生產(chǎn)。早期上部氣層JYA- 1HF壓裂采用下部主力氣層工藝進(jìn)行試驗(yàn)，采用?8 mm油嘴測(cè)試，套管壓力僅7.0 MPa，試氣產(chǎn)量5.3×104m3/d。該區(qū)塊微地震監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果顯示，相比于下部①～③小層，上部氣層的縫長(zhǎng)、縫帶寬延伸明顯受限，縫高擴(kuò)展更為順利，解釋出的有效改造體積(SRV)減小。因此，如何通過(guò)工藝措施控制其縱向擴(kuò)展并提高平面改造強(qiáng)度成為上部氣層壓裂改造的難點(diǎn)。結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),提出具體的壓裂改造對(duì)策：

(1)增強(qiáng)前期破裂效果。通過(guò)前置膠液，提高前期地層破裂效果，高黏液體的注入有助于裂縫的擴(kuò)展，考慮縫高控制，僅在前置階段用膠液，在早期形成優(yōu)勢(shì)主縫，避免近井過(guò)早產(chǎn)生復(fù)雜縫[14- 16]。

(2)提高平面改造強(qiáng)度。采用多簇射孔，增強(qiáng)簇間的誘導(dǎo)應(yīng)力；在前置膠液形成一定主縫的基礎(chǔ)上，泵入低黏減阻水造支縫、微縫，泵注過(guò)程中通過(guò)提升凈壓力促進(jìn)裂縫轉(zhuǎn)向[17]。

(3)控制縫高延伸。上部氣層無(wú)高應(yīng)力隔擋層，且高導(dǎo)縫發(fā)育，施工排量的快速提升以及施工規(guī)模的擴(kuò)大可能導(dǎo)致縫高方向裂縫延伸過(guò)度，施工時(shí)必須采用控排量、控規(guī)模的方式減少縱向上的改造[18- 19]。

結(jié)合前期施工經(jīng)驗(yàn)，明確了上部氣層多簇射孔，前置高黏膠液造主縫，低黏減阻水促?gòu)?fù)雜，控排量、控規(guī)模的壓裂工藝思路，在此基礎(chǔ)上通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化提升壓裂改造效果。

3 上部氣層壓裂改造工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 射孔參數(shù)優(yōu)化

前期通過(guò)大量的室內(nèi)模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)證明采用3簇射孔既能保證各簇裂縫的進(jìn)液流量，也能通過(guò)多簇間的誘導(dǎo)應(yīng)力促進(jìn)裂縫的復(fù)雜化，但射孔簇間距的大小仍存在優(yōu)化空間，間距過(guò)大時(shí)各簇裂縫間很難產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力；而間距過(guò)小時(shí)，各簇間相互影響增強(qiáng)，多裂縫均勻程度降低。室內(nèi)優(yōu)化了3簇射孔條件下的簇間距(見(jiàn)圖1)，優(yōu)化結(jié)果顯示簇間距為20～25 m時(shí)，各簇裂縫間存在一定的誘導(dǎo)應(yīng)力且各簇進(jìn)液相對(duì)均勻。

3.2 施工排量?jī)?yōu)化

通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，縫長(zhǎng)、縫高都隨著施工排量的增加而增長(zhǎng)，但當(dāng)縫內(nèi)凈壓力逐漸超過(guò)水平主應(yīng)力差時(shí)，縫長(zhǎng)的延伸趨勢(shì)逐漸減緩，縫高方向的延伸則逐漸增加(見(jiàn)圖2，圖3)。因此，當(dāng)前置膠液時(shí)，盡量減少縫高方面的擴(kuò)展，應(yīng)控制施工排量在11 m3/min以下；而采用低黏減阻水?dāng)y砂時(shí)，應(yīng)逐漸將排量由11 m3/min階梯提升排量至13～14 m3/min，確保縫內(nèi)凈壓力超過(guò)水平主應(yīng)力差，提高裂縫的復(fù)雜程度(具體提升時(shí)機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)施工為準(zhǔn))。

圖1 3簇不同簇間距各簇進(jìn)液量及裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

圖2 不同液性不同施工排量縫內(nèi)凈壓力模擬優(yōu)化結(jié)果

圖3 不同施工排量縫長(zhǎng)縫高模擬優(yōu)化結(jié)果

3.3 施工規(guī)模優(yōu)化

建立區(qū)塊三維等效裂縫模型，在此基礎(chǔ)上輸入壓裂施工參數(shù)模擬氣井周邊應(yīng)力的變化，設(shè)定水平段長(zhǎng)1 500 m,單段段長(zhǎng)80 m,模擬應(yīng)力的變化得到壓裂改造的范圍。模擬結(jié)果顯示，隨著單段壓裂施工規(guī)模的增加，全水平段壓裂平面改造面積(SRA)呈現(xiàn)出前期不斷增大，但后期趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，模擬結(jié)果顯示焦石壩區(qū)塊上部氣層壓裂使用1 750 m3左右的施工規(guī)模效果最佳(見(jiàn)圖4)。

3.4 前置膠液用量?jī)?yōu)化

高黏液體用量過(guò)多容易造成裂縫縱向延伸過(guò)度，導(dǎo)致上部?jī)?chǔ)層改造與下部溝通。采用Meyer軟件模擬了1 750 m3施工規(guī)模下階梯提升排量時(shí)不同前置用量的裂縫形態(tài)，通過(guò)模擬結(jié)果優(yōu)化前置膠液用量為150～300 m3(見(jiàn)圖5)。

圖4 不同單段施工規(guī)模全水平段壓裂改造SRA模擬結(jié)果

圖5 不同前置膠液用量裂縫高度模擬優(yōu)化結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)

工藝優(yōu)化后，分兩個(gè)階段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，第一階段通過(guò)裂縫監(jiān)測(cè)確定合理的穿行層位，第二階段通過(guò)對(duì)比測(cè)試產(chǎn)量以及生產(chǎn)情況論證壓裂改造工藝的適用性。

(1)JYB- 3HF井穿行于①～⑦小層，該井壓裂過(guò)程中穿行于上部小層的壓裂段分別采用原有壓裂工藝和優(yōu)化后的壓裂工藝進(jìn)行施工，并通過(guò)微地震對(duì)壓裂過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該井第17～19段穿行④小層、第20、21、22段穿行于⑤、⑥、⑦小層，其中第18段、第20段采用下部氣層改造工藝，其余段采用優(yōu)化后的施工工藝。從表1數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然上部氣層壓裂工藝優(yōu)化后比下部氣層改造范圍相對(duì)較小，但優(yōu)化后的工藝比優(yōu)化前在平面上事件點(diǎn)波及范圍明顯更大，縱向上則相對(duì)較小。

通過(guò)試驗(yàn)看出，優(yōu)化后的工藝有效增大了平面改造強(qiáng)度，控制了縫高方向的延伸，但由于④、⑤、⑥小層高導(dǎo)縫發(fā)育且距離下部?jī)?chǔ)層更近，壓裂施工不可避免會(huì)對(duì)下部?jī)?chǔ)層產(chǎn)生影響。因此，結(jié)合微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果選擇上部⑦、⑧小層作為上部氣層井的主要穿行小層。

表1 JYB- 3HF壓裂試驗(yàn)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表

(2)在第一階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，第二階段試驗(yàn)井JYC- 1HF井穿行于焦石壩區(qū)塊上部⑦、⑧小層，考慮縱向縫高影響進(jìn)行縱向錯(cuò)位布井(圖6)。該井基礎(chǔ)地質(zhì)條件與JYA- 1HF井相當(dāng)(表2)，18段均采用優(yōu)化后的壓裂工藝施工，射孔簇?cái)?shù)以3簇為主，平均簇間距為22.17 m，平均單段液量為1 764.76 m3，平均單段砂量為60.54 m3，前置膠液用量為150 m3且階段排量控制到10～12 m3/min，后期逐漸提升排量至14 m3/min，順利完成18段施工。

測(cè)試生產(chǎn)對(duì)比分析：JYC- 1HF井壓后采用?8 mm油嘴放噴測(cè)試，產(chǎn)量達(dá)到了16.34×104m3/d，套管壓力17.58 MPa，相比優(yōu)化前的JYA- 1HF井壓裂改造效果提升明顯。測(cè)試后進(jìn)行投產(chǎn)，從圖7所示的生產(chǎn)曲線對(duì)比來(lái)看，在同樣采取6×104m3/d的生產(chǎn)制度條件下，JYC- 1HF井雖然相比于其下部的JYC- 2HF井、JYC- 3HF井生產(chǎn)壓力更低，但生產(chǎn)壓力下降幅度基本一致，明顯優(yōu)于優(yōu)化前的JYA- 1HF井。

圖6 JYC- 1HF井與鄰井空間位置關(guān)系圖

表2 JYC- 1HF與JYA- 1HF基礎(chǔ)地質(zhì)條件對(duì)比表

圖7 JYC- 1HF井及對(duì)比井生產(chǎn)曲線對(duì)比圖

鄰井生產(chǎn)監(jiān)測(cè)分析看出：在JYC- 1HF井壓裂施工過(guò)程中，由于應(yīng)力干擾嚴(yán)重對(duì)同平臺(tái)下部穿行于①～③小層的生產(chǎn)氣井JYC- 3HF井進(jìn)行關(guān)井處理，壓裂施工結(jié)束后重新開(kāi)井投產(chǎn)，產(chǎn)量、壓力穩(wěn)定。井底流壓監(jiān)測(cè)顯示與JYC- 1HF井壓裂前后與JYC- 3HF的井底流壓下降速率差異不大，壓裂施工前正常生產(chǎn)時(shí)井底流壓下降速率為0.004 9 MPa/104m3，壓裂后正常生產(chǎn)井底流壓下降速率為0.004 2 MPa/104m3。因此，可以認(rèn)為該區(qū)域上下儲(chǔ)層的改造并無(wú)溝通。

5 結(jié)論與建議

(1)上部氣層相比于下部①～③小層脆性礦物含量降低、高導(dǎo)縫更加發(fā)育，導(dǎo)致上部氣層沿用下部氣層工藝進(jìn)行壓裂改造效果不佳。

(2)針對(duì)上部氣層改造的重難點(diǎn)，提出了一套增強(qiáng)平面改造強(qiáng)度，控制縱向裂縫延伸的壓裂改造技術(shù)，包括多簇射孔增加誘導(dǎo)應(yīng)力、前置膠液造主縫、低黏減阻水促?gòu)?fù)雜、優(yōu)化施工排量以及規(guī)模控縫高等，從測(cè)試結(jié)果以及微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，新技術(shù)的采用達(dá)到的預(yù)期的目標(biāo)，有效提高了上部氣層的壓裂改造效果。

(3)在上部氣層的壓裂改造過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)下部?jī)?chǔ)層造成應(yīng)力干擾，因此，上部氣層選擇穿行⑦、⑧小層，且上下部氣井采用縱向錯(cuò)位布井的方式增加空間距離來(lái)避免重復(fù)改造。從下方投產(chǎn)井的生產(chǎn)情況及井底流壓變化來(lái)看，試驗(yàn)工藝對(duì)目前的布井方式適應(yīng)性較好。但若布井方式或地質(zhì)條件發(fā)生改變，還需對(duì)施工工藝進(jìn)行針對(duì)性的研究及優(yōu)化。