川南長寧區(qū)塊頁巖氣高密度完井+高強度加砂壓裂探索與實踐

鄭有成，趙志恒，曾 波，宋 毅，郭興午，黎俊峰

1 中國石油西南油氣田分公司 2 中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院

0 引言

頁巖儲層孔隙度和滲透率極低，需通過大規(guī)模水力加砂壓裂改造，形成人工裂縫，實現(xiàn)頁巖儲層的有效開采［1-4］。隨著勘探開發(fā)不斷深入，為了進一步增加體積改造裂縫復(fù)雜程度、提高單井產(chǎn)量，有學(xué)者指出可通過縮短簇間距和提高加砂強度使簇間儲層得到更充分動用，并實現(xiàn)裂縫有效支撐［5-6］；簇間距縮短，利用誘導(dǎo)應(yīng)力增加裂縫復(fù)雜程度，有利于提高儲層最終采收率［7］。北美Haynesville、Permian Basin、Eagle Ford，Bakken等主要頁巖區(qū)塊水平井壓裂參數(shù)不斷進行優(yōu)化，分段段長約30 ～ 70 m，簇間距從15 ～ 30 m縮短到了4 ～ 12 m；用液強度和加砂強度分別達到了50 m3/m和5 t/m，水平井估計最終可采量大幅提升［8-12］。

四川盆地南部地區(qū)（川南地區(qū)）下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖氣資源量豐富，具有面積大、地層厚度分布穩(wěn)定、埋深適中等特點，是我國海相頁巖氣開發(fā)的主要目的層段［13-15］。長寧區(qū)塊位于川南地區(qū)低緩構(gòu)造帶，為長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)的一個重要建產(chǎn)區(qū)，該區(qū)塊經(jīng)過技術(shù)引進、探索優(yōu)化、自主創(chuàng)新實現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)［6，13，16］。通過研究與實踐，長寧區(qū)塊頁巖氣井簇間距逐漸縮短，施工規(guī)模逐漸增大，形成了3 500 m以淺的密切割分段壓裂技術(shù)。為了進一步提高近井筒儲層改造效果、提升作業(yè)效率，對水平井分段不斷優(yōu)化，適當增加分段段長至約60 ～ 70 m，從而減少壓裂段數(shù)，同時采用高密度完井，增加射孔簇數(shù)，大幅縮短簇間距，并持續(xù)提高加砂強度。為此筆者以高密度完井+高強度加砂壓裂原理為基礎(chǔ)，根據(jù)長寧區(qū)塊地質(zhì)工程特征對該壓裂工藝參數(shù)進行了探索優(yōu)化，并分析了該壓裂技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果，為長寧區(qū)塊頁巖氣水平井實現(xiàn)效益開發(fā)以及川南地區(qū)頁巖氣藏壓裂改造提供技術(shù)支撐和有益借鑒。

1 高密度完井+高強度加砂壓裂技術(shù)

頁巖儲層壓裂改造旨在形成多條主裂縫和轉(zhuǎn)向分支裂縫相互交織的復(fù)雜裂縫，獲得最大有效儲層改造體積［17］。 Sneddon 模型以最大水平主應(yīng)力（σH）和最小水平主應(yīng)力（σh）作為裂縫轉(zhuǎn)向判斷依據(jù)，當裂縫原始水平主應(yīng)力差值小于該裂縫受到的最小水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力的差值時，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向［18-19］，即：

式中：σH-h—原始水平主應(yīng)力差，MPa；σx（im）和σy（im）—第i條裂縫對第m條裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力分量，MPa；v—泊松比。

壓裂裂縫分布示意圖見圖1所示。

圖1 壓裂裂縫分布示意圖

長寧區(qū)塊頁巖儲層天然裂縫發(fā)育，水平應(yīng)力差較大（10 ～ 16 MPa）；高水平應(yīng)力差下，裂縫擴展時轉(zhuǎn)向困難，易形成單一裂縫?；诔Ｒ?guī)3簇壓裂工藝，增加段內(nèi)射孔簇數(shù)，縮短簇間距，增加裂縫受到的誘導(dǎo)應(yīng)力差，促使裂縫轉(zhuǎn)向。高密度完井即在一定分段段長下，通過高密度射孔減小簇間距，形成更多流動通道，并利用誘導(dǎo)應(yīng)力提高裂縫復(fù)雜程度；同時根據(jù)公式（2）可得到流體穿透不同距離基質(zhì)所需要的滲流時間［5，20］，由于復(fù)雜裂縫的形成，可以縮短儲層基質(zhì)流體向裂縫滲流的距離，減少滲流時間。

式中：t—流體從基質(zhì)滲流到裂縫的時間，min；L—基質(zhì)中流體向裂縫滲流的距離，m；Φ—基質(zhì)孔隙度；Km—基質(zhì)滲透率，mD；Δp—驅(qū)動壓差，MPa。

頁巖氣儲層開采不僅與裂縫復(fù)雜程度有關(guān)，復(fù)雜裂縫能達到足夠的導(dǎo)流能力也至關(guān)重要［21］。壓裂改造后，壓裂液通過毛細作用、 黏土滲汲以及分子擴散作用等進入頁巖儲層，使裂縫表面強度降低，對裂縫的導(dǎo)流能力產(chǎn)生負面影響［22］。此外，長寧區(qū)塊頁巖氣水平井埋深約2 300 ～ 3 500 m，地應(yīng)力差異較大；對于高地應(yīng)力區(qū)域儲層，裂縫閉合應(yīng)力較大，縫內(nèi)支撐劑嵌入程度增加，導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降。

國內(nèi)外學(xué)者對支撐裂縫滲流機理、不同類型支撐劑嵌入程度、鋪砂濃度以及閉合應(yīng)力等對裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律進行了大量室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬分析探討，研究表明支撐裂縫導(dǎo)流能力對氣井的產(chǎn)能起主要作用［23-26］。為滿足頁巖氣井生產(chǎn)所需的長期導(dǎo)流能力，還應(yīng)提高支撐劑加量，增大裂縫中支撐劑鋪置濃度，降低支撐劑嵌入程度。因此，高密度完井+高強度加砂壓裂不僅有利于頁巖儲層復(fù)雜裂縫形成，還能實現(xiàn)對裂縫的長期有效支撐。

2 壓裂參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

2. 1 簇間距

頁巖氣水平井壓裂改造采用高密度完井，縮短段內(nèi)簇間距，利用誘導(dǎo)應(yīng)力可增加裂縫復(fù)雜程度，使簇間改造更充分［6］。圖2所示為基于長寧區(qū)塊的不同簇間距下段內(nèi)裂縫擴展情況，簇間距過小 （5 m），裂縫間誘導(dǎo)應(yīng)力大，中間裂縫受到兩側(cè)應(yīng)力疊加作用，裂縫寬度較小，向前擴展延伸困難，不利于中間簇的有效改造；簇間距過大（15 m），誘導(dǎo)應(yīng)力較小，簇間未得到充分改造。

圖2 不同簇間距下段內(nèi)裂縫擴展模擬結(jié)果

基于裂縫轉(zhuǎn)向判斷依據(jù)，隨著簇間距減小，水平兩向誘導(dǎo)應(yīng)力增加，但誘導(dǎo)應(yīng)力差先增加后減??；為了克服原始水平應(yīng)力差，存在較優(yōu)的簇間距，使得誘導(dǎo)應(yīng)力差較大，促進裂縫轉(zhuǎn)向擴展，如圖3所示。長寧區(qū)塊水平應(yīng)力差主體為10 ～ 16 MPa，在滿足足夠縫內(nèi)凈壓力條件下，基質(zhì)中心距裂縫面距離3.5 ～ 5 m時水平兩向誘導(dǎo)應(yīng)力差較大，因此簇間距約為7 ～ 10 m可作為設(shè)計優(yōu)選的區(qū)間范圍。

圖3 誘導(dǎo)應(yīng)力差與距裂縫中心距離的關(guān)系

2. 2 施工排量

水力壓裂過程中施工排量是影響支撐劑在縫內(nèi)運移和鋪置的重要因素之一。支撐劑形成砂堤區(qū)高度越小，達峰值高度的時間越長越有利于加砂。根據(jù)物模實驗研究見式（3），泵注排量增加，裂縫中流速增大，支撐劑不斷卷起而懸浮在壓裂液中，砂堤高度較小，運移的距離更遠［27-28］。

式中：Hd—砂堤平衡高度，m；h0—裂縫高度，m；w—裂縫寬度，m；Q—排量，m3/s；Vd—平衡流速，m/s。

頁巖儲層水力壓裂過程中施工排量增加，有利于提高井底壓力，促進裂縫起裂擴展?；陂L寧區(qū)塊儲層和工程參數(shù)，模擬研究施工排量對裂縫長度及裂縫體積影響（見圖4），施工排量增加，裂縫縫長和裂縫體積呈增加趨勢；施工排量為16 m3/min時，裂縫長度滿足長寧區(qū)塊300 m的井間距，且裂縫體積較大。通過統(tǒng)計長寧區(qū)塊測試產(chǎn)量與施工排量關(guān)系得知（見圖5），施工排量增加，水平井測試產(chǎn)量呈增加趨勢，改造效果更好。

2. 3 壓裂液黏度

頁巖氣井主要采用滑溜水作為壓裂液，支撐劑隨壓裂液進入裂縫中后由于受水平方向的攜帶力、垂向上的浮力和重力以及沉降阻力等共同作用，其運移規(guī)律較為復(fù)雜；壓裂液黏度由于剪切稀釋作用會降低，導(dǎo)致支撐劑沉降速度變大。根據(jù)諾沃尼特的沉降速度公式（4）表明，在攜砂階段提高壓裂液黏度，其稠度系數(shù)增加，支撐劑的沉降速度變小，形成的砂堤較小，有利于支撐劑向裂縫遠端運移；并且攜砂液黏度增加，高砂濃度階段時支撐劑更易懸浮，有利于提高加砂量［29-31］。

圖4 不同施工排量下儲層改造體積和裂縫長度模擬結(jié)果

圖5 長寧區(qū)塊水平井測試產(chǎn)量與施工排量曲線

式中：Vp—沉降速度，m/s；dp—支撐劑粒徑，m；ρp和ρf—分別為支撐劑和壓裂液密度，kg/m3；K—稠度系數(shù)；g—重力加速度。

同時，根據(jù)數(shù)值模擬研究表明，隨著攜砂階段壓裂液黏度增加，相同時間下裂縫入口處與砂堤末端距離從0.2 m增加到0.39 m，即無砂區(qū)域增加，有利于后續(xù)更多支撐劑加入，如圖6所示為同一時刻不同壓裂液黏度下支撐劑運移和堆積圖。目前長寧區(qū)塊頁巖氣水平井壓裂時主要采用變黏滑溜水連續(xù)加砂的方式，攜砂階段將滑溜水黏度從1 ～ 3 mPa·s增加到20 ～ 30 mPa·s，高砂濃度階段由180 ～ 200 kg/m3提升到260 ～ 280 kg/m3，平均加砂強度提高了約15%，利于裂縫有效支撐。

2.4 暫堵轉(zhuǎn)向

長寧區(qū)塊頁巖儲層水平應(yīng)力差大，主體為10 ～16 MPa，高水平應(yīng)力差下裂縫主要以較單一形式擴展延伸，不易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，為了提高裂縫復(fù)雜程度、增大泄流面積，壓裂時采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)是有效途徑之一?？p內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向主要是在壓裂過程中投注一定量不同粒徑組合的暫堵劑，封堵主裂縫，產(chǎn)生次級新裂縫，增大裂縫體積［32］。

圖6 不同壓裂液黏度下支撐劑運移和堆積圖

長寧區(qū)塊頁巖氣井壓裂主體使用單段約300 ～500 kg、粒徑100 ～ 200目和1 ～ 3 mm的可溶暫堵劑組合。基于各段裂縫面積變化規(guī)律模擬研究（見圖7），隨著壓裂時間增加，各段裂縫面積呈增加趨勢；然后對圖7中的裂縫面積與時間的擬合范圍曲線①和②進行求導(dǎo)，得到圖8中的曲線③和④，從圖8中可以看出，在57 ～ 63 min時裂縫面積增幅變緩，因此對應(yīng)為總注入液量的50% ～ 57%進行暫堵 。暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)增大了段內(nèi)裂縫體積，同時采用高強度加砂使產(chǎn)生的分支裂縫得到有效支撐，提高其導(dǎo)流能力。

圖7 壓裂裂縫面積和壓裂時間關(guān)系

圖8 壓裂裂縫面積變化與壓裂時間關(guān)系

3 礦場應(yīng)用及效果

3. 1 典型井壓裂實施情況

NH1平臺和NH8平臺位于長寧區(qū)塊209井區(qū)，2個平臺水平井鉆遇儲層有機碳含量4.2%～5.2%，孔隙度5.7% ～ 6%，含氣量5.2 ～ 6 m3/t，螞蟻體預(yù)測天然裂縫較發(fā)育，與井筒方向成高角度。NH1-6井、NH1-7井以及NH8-1井采用高密度完井+高強度加砂壓裂技術(shù)，簇間距為8.5 ～ 10 m，壓裂施工時采用大排量、變黏滑溜水連續(xù)加砂或長段塞方式加砂，加砂強度提高至2.8 ～ 3.1 t/m，并在總液量50% ～ 60%時投注300 ～ 400 kg暫堵劑。其余鄰井采用常規(guī)工藝，簇間距較大，加砂強度較低，具體壓裂施工參數(shù)見表1。

3. 2 典型井效果分析

NH8平臺兩口井壓裂時采用微地震進行監(jiān)測，基于微地震解釋的百米壓裂段長度儲層改造體積（SRVL）、百米壓裂段長度微地震事件點數(shù)（D）以及裂縫復(fù)雜指數(shù)（F為微地震監(jiān)測縫寬與縫長的比值，F(xiàn)值越大，表明裂縫越復(fù)雜），對比平臺內(nèi)兩種壓裂工藝裂縫延伸情況。NH8平臺兩口井微地震解釋結(jié)果（表2）可知，NH8-1井的SRVL、D以及F都高于同平臺的NH8-2井，其簇間距縮短、加砂強度增加且采用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，有利于增大裂縫復(fù)雜程度和提高儲層改造體積。

表1 平臺各井壓裂主要參數(shù)

表2 NH8平臺兩口井微地震解釋結(jié)果

壓裂實施后，跟蹤2個平臺井的排采測試情況。NH1-6井和NH1-7井測試產(chǎn)量分別為39.3×104m3/d和40.3×104m3/d，高于8井的24.1×104m3/d；NH8-1井測試產(chǎn)量為28×104m3/d，高于4井的18.3×104m3/d。相同平臺鄰井對比，采用高密度完井+高強度加砂壓工藝壓后測試產(chǎn)量提升了10×104～ 16×104m3/d。

相同生產(chǎn)制度下，對比2個平臺累計產(chǎn)量。NH1-6和NH1-7井90 d累計產(chǎn)量為1 712×104m3和1 896×104m3，預(yù)測估計最終可采量（EUR）為1.64×108m3和1.68×108m3；NH1-8井90 d累計產(chǎn)量1 110×104m3，預(yù)測EUR為1.21×108m3；NH8-1井180 d累計產(chǎn)量為2 740×104m3，預(yù)測EUR為1.48×108m3；NH8-2井180 d累計產(chǎn)量為1 896×104m3，預(yù)測EUR為1.12×108m3；相同生產(chǎn)天數(shù)的累計產(chǎn)量都高于同平臺鄰井，EUR提高了約32% ～ 38%。目前長寧區(qū)塊高密度完井+高強度加砂壓裂已實施井的單井測試產(chǎn)量和EUR顯著提升。與常規(guī)3簇井相比，井均測試產(chǎn)量提高了約10%，EUR提高了約12%。

4 結(jié)論

（1）高水平應(yīng)力差頁巖儲層條件下，高密度完井+高強度加砂壓裂技術(shù)可利用短簇距間的誘導(dǎo)應(yīng)力增加裂縫復(fù)雜程度，減小儲層基質(zhì)流體向裂縫滲流的距離和滲流時間；同時通過提高加砂強度，增大裂縫中支撐劑鋪置濃度，降低支撐劑嵌入程度，提高裂縫導(dǎo)流能力。

（2）簇間距、壓裂液黏度、施工規(guī)模對高密度完井+高強度加砂壓裂效果影響顯著。考慮簇間誘導(dǎo)應(yīng)力對裂縫擴展的影響，施工排量、壓裂液黏度對井間儲層動用程度和裂縫支撐的影響、暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)對壓裂裂縫體積的影響等，存在較優(yōu)的壓裂工藝參數(shù)與長寧區(qū)塊地質(zhì)和工程條件相匹配。

（3）長寧區(qū)塊段內(nèi)簇間距大幅縮短，施工排量逐漸增大，采用變黏滑溜提高加砂強度，并使用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，形成了高密度完井+高強度加砂壓裂工藝技術(shù)，并且得到了有效應(yīng)用，實現(xiàn)了單井測試產(chǎn)量和累計產(chǎn)量的雙提升。