頁巖氣藏長段多簇暫堵體積改造技術

李彥超 張 慶 沈建國 胥 云 何 封 鄧 才 肖劍鋒

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部 2.中國石油勘探開發研究院

0 引言

川南地區頁巖氣經歷多期構造運動，斷裂褶皺發育，保存條件復雜，儲層地質年代古老，成熟度高，有機碳、孔隙度、含氣量等儲層關鍵評價參數較北美存在一定差異。通過北美技術引進與完善、開展先導與規模試驗，形成了威遠頁巖氣體積改造技術，單井壓后產量逐步提升，有力支撐了長寧—威遠國家級頁巖氣示范工程建設。然而，受威遠龍馬溪組頁巖經歷多期構造運動，高水平應力差、強非均質性等影響，單井產量差異大，套管變形率高等依然是影響威遠頁巖氣高效壓裂的“卡脖子”技術難題，反映出基于北美壓裂技術形成的體積改造技術仍然較難適應當前威遠頁巖氣高效壓裂的需要，段長、簇數、加砂量等關鍵參數尚需進一步優化[1-2]。針對如何進一步實現頁巖水力裂縫的均勻擴展，提升井間、段間、簇間的儲層有效動用，促進威遠頁巖氣體積改造技術的升級，成為當前亟需解決的技術難題。

北美頁巖氣的開發歷程已證明水平井分段壓裂技術是其實現商業開采的關鍵，Mayerhofer等[3]根據頁巖壓裂微地震監測結果與產量關系首先提出油藏改造體積（SRV）概念，并指出SRV與產量的正相關關系，為后續頁巖氣開發指明了方向。吳奇等[4-6]首次提出體積改造技術，先后對其內涵與理論模型及相應技術等進行了系統闡述，“縫網”是體積改造追求的裂縫形態，“縫網壓裂”技術是體積改造技術的一種表達形式。在非常規油氣勘探開發領域以不同視角對經典達西定律的詮釋，其核心理論是：① 1個方法：“打碎”儲集層，形成網絡裂縫，人造滲透率；② 3個內涵：裂縫壁面與儲集層基質的接觸面積最大，儲集層流體從基質流至裂縫的距離最短，基質中流體向裂縫滲流所需壓差最小；③ 3個作用：提高單井產量，提高采收率，儲量動用最大化。吳奇等針對壓裂設計中水平井長度、裂縫條數、縫間距等關鍵參數優化問題提出了縫控壓裂技術，即通過對上述參數的優化實現井控儲集層內的最大動用。近年來，在上述頁巖增產改造理念的指導下，亦有不少學者從實驗、理論方面開展了一系列提升頁巖壓裂效果的技術方法研究[7]。通過頁巖露頭水力壓裂模擬實驗表明，水平應力差異對頁巖水力裂縫擴展具有重要影響；通過真三軸水力壓裂試驗揭示了循環漸進升壓方式可使水力裂縫沿著不同方向擴展，能夠有效增加縫網密度并提升壓裂效果[8-9]。對頁巖裂縫暫堵轉向研究表明，儲層裂縫轉向能力、暫堵劑性能和暫堵工藝是控制裂縫轉向的主要因素，在應力差較低、縫間距較小時，縫端更容易發生轉向，且轉向處的縫寬變窄，凈壓力降低[10]。利用真三軸壓裂模擬系統對四川盆地志留系龍馬溪組頁巖開展壓裂模擬實驗，通過巖樣剖分及CT 掃描結果與聲發射定位結果的對比揭示裂縫擴展過程中的聲發射響應特征，從震源機制上分析水力裂縫連通區域與未連通區域在聲發射事件類型上的差異[11]。針對多簇壓裂縫網擴展模擬，國內外學者研究發現：各簇均勻布孔情況下受簇間應力陰影影響，改造段內兩側射孔簇較中間射孔簇更容易擴展，呈現非均勻擴展特征。采用非均勻布孔或復合暫堵可以提高改造段中間射孔簇開啟與延伸效果。上述數值模擬研究為壓裂設計優化提出了極具價值的指導，但針對多簇、復合暫堵體積改造技術尚缺少系統的參數優化與現場實踐，同時常規體積改造技術較難克服套管變形等難題[12-13]。

為此，筆者基于體積改造技術與縫控壓裂技術理念[4-7]，在實驗認識、理論模擬的基礎上，系統提出了多簇暫堵體積改造技術理念與措施，并建立了關鍵參數優化方法，現場實踐表明：該技術可有效提高縫控儲量、單井產量與氣藏采收率，減少套變，為頁巖水力壓裂技術升級提供參考與借鑒。

1 長段多簇體積改造技術理念

1.1 技術理念與措施

長段多簇體積改造技術是對體積改造技術、縫控壓裂技術的豐富與完善，即以經典達西理論為基礎，以“長段短簇、暫堵勻擴、控液增砂”為關鍵技術措施：①“長段短簇”縮小簇間距離，減小流體從基質向裂縫的流動距離；增加壓裂裂縫條數，增大壓裂裂縫與基質的接觸面積；②“暫堵勻擴”采用暫堵球與暫堵劑復合暫堵，確保各簇裂縫開啟效率，保證各簇壓裂裂縫有效延伸；③“控液增砂”保證單簇裂縫液量與砂量的前提下，通過增加裂縫條數、增大人工改造儲層滲透率。通過對簇間距、簇數、暫堵參數與支撐劑用量等核心參數優化，實現各簇裂縫全部起裂延伸，延伸程度、加砂參數與井網部署相匹配，達到提升人工縫控儲量、單井產量與氣藏采收率的綜合目標。

1.2 不同壓裂參數的水力裂縫擴展特征

巖體破裂計算模型主要包括線彈性斷裂力學模型、損傷與強度理論模型等，但頁巖表現出典型的橫觀各向同性、層理及天然裂縫發育等特征，其在斷裂與強度上的隨機性需要結合損傷本構理論與斷裂理論才能描述頁巖擴展過程。當頁巖裂縫擴展受到層理或天然裂縫影響時，其延伸會形成受應力或弱面起主控作用的競爭機制，水力裂縫最終在二者綜合作用下選擇擴展路徑。當頁巖水力裂縫的擴展過分依賴于某一機制時，為了保證各簇裂縫的延伸程度能夠與井網部署相匹配，并促使其形成復雜縫網，這時需要人工強制干預，即暫堵平衡機制。控縫勻擴壓裂裂縫擴展特征主要有競爭起裂機制與暫堵平衡機制，基于Ginzburg-Laudau理論相場斷裂方法研究的物理領域，其斷裂系統的自由能控制方程為式（1）、（2）[14]，將其作為調節兩種機制的判斷準則。

式中?表示應變能密度，MPa；χ表示系數；φ表示序參量，無量綱；g(φ)表示插值函數；γ(θ)表示表面應變能密度，MPa；θ為裂縫擴展的方向，（°）。當應變能密度?strain超過臨界應變能密度?c時，裂紋開始起裂。

圖1中分別展示了常規3簇壓裂裂縫擴展（圖1-a）、弱面驅動（圖1-b中第2～7簇）、應力驅動（圖1-b中第1簇）占主導時的裂縫擴展及多簇暫堵平衡機制后的裂縫擴展分布（圖1-c）。

圖1 3種水力裂縫擴展特征對比圖

1.3 不同壓裂參數的滲流規律

結合威遠頁巖氣井生產特征，采用體積改造技術（圖1-a、b）的頁巖氣井生產過程中常見5種流態[15]（圖2），但產氣的主體階段以線性流和邊界流為主。多簇暫堵體積改造技術的頁巖氣井能夠實現各簇裂縫間、井間高效動用，氣井滲流特征主要以線性流為主，整個開發階段呈現出由基質向微裂縫，由微裂縫向次裂縫，由次裂縫向主裂縫流動。基質內部的滲流過程幾乎可以忽略，整個開采期邊界流態出現得最晚，這是多簇暫堵體積改造技術在改造效果上不同于常規體積改造技術最明顯的滲流特征，增大了線性流波及區域，提高裂縫控制儲量、有效動用程度與氣藏采收率。圖3展示了常規3簇裂縫、未暫堵7簇裂縫與暫堵7簇裂縫生產后的壓力分布，對比發現：采用暫堵的7簇裂縫縫間壓力波及范圍更廣，整體壓力水平更均衡，反映了多簇暫堵體積壓裂技術的儲層動用程度最高。

圖2 頁巖氣藏流動雙對數診斷示意圖[15]

圖3 3種壓裂參數的儲層壓力分布圖

2 多簇暫堵體積壓裂關鍵參數優化

多簇暫堵體積改造技術的關鍵是如何通過關鍵參數優化，保證各簇裂縫有效、均勻擴展，提高縫控儲量及采收率，關鍵參數優化包括：“長段短簇”“暫堵勻擴”“控液增砂”等。

2.1 “長段短簇”參數優化

“長段短簇”即通過優化射孔簇數與簇間距，確保每簇裂縫均開啟的前提下，最大可能的增加射孔簇數，減小簇間距，以實現縫控體積最大化。Mayerhofer等[3,16]的研究成果表明水平井的簇數越多，單井的采收率越高。一方面，增加單井簇數，能夠顯著增加改造區域的裂縫比表面積，即增加基質泄氣面積；另一方面，增加單井簇數，可縮減簇間距，能夠充分應用縫間誘導應力增加裂縫的復雜程度，有利于形成縫網，從而進一步縮短了氣體從基質滲流到壓裂裂縫的距離，也降低了氣體動用的驅動壓差。多簇控縫技術涉及簇間距與簇數兩個關鍵參數優化。

2.1.1 簇間距優化

根據威遠區塊實測巖心滲透率分布范圍介于150～400 nD，應用氣藏數值模擬不同簇間距采收率，評估簇間距對采收率影響。如圖4所示，隨著簇間距由20 m減小至5 m，開采20年的氣藏采收率由26%提升至30%，尤其是開采3年的采收率由18%提升至28%，采用短簇間距達到提升最終采收率的目標，尤其是提升了前3年氣藏采收率與采氣速率。隨著簇間距由10 m減小到5 m，20年氣藏采收率變化幅度不大，均接近30%。綜合考慮氣藏采收率與經濟成本，建議適應于威遠頁巖氣的最優簇間距為10 m左右，下一步可開展5 m左右簇間距試驗，評價參數簇間距優化結果。

圖4 最優簇間距優化結果圖

2.1.2 簇數優化

確保段內每簇裂縫可壓開的情況下，增大射孔簇數可以有效地提高縫控儲量，減少流動壓差。綜合考慮段內簇間應力陰影與天然裂縫影響，根據頁巖水力壓裂裂縫網絡動態擴展預測模型，分別模擬不同射孔簇數下壓裂裂縫網絡擴展情況，如圖5所示。

從圖5可看出，隨著射孔簇數增加，壓裂裂縫面積先增大后減小，主要是因為一定排量與孔數情況下，隨著射孔簇數的增加，射孔簇開啟效率逐漸降低，即不能保證所有射孔簇均能實現有效開啟，當施工排量為12～16 m3/min時較為優化的單段射孔簇數為7～11簇。

圖5 不同射孔簇數與排量下無因次裂縫面積模擬結果圖

2.2 “暫堵勻擴”參數優化

限流壓裂可以提高射孔簇開啟效率，但受簇間應力陰影影響，改造段中間射孔簇裂縫受擠壓，縫寬相對較小，進液能力低，裂縫延伸受限，整體表現出改造段兩邊裂縫延伸長，中間短的非均勻擴展，同時天然裂縫發育段各簇裂縫擴展差異更大。在頁巖實際壓裂過程中經常出現如圖1-b所示現象，段間、井間存在漏失的改造甜點。威遠頁巖儲層歷經多期構造運動，具有強非均質性，生產測井監測表明，多簇體積壓裂后因受各簇裂縫延伸差異影響，產氣貢獻差異大。因此，需采用復合暫堵技術封堵前期進液效率高的裂縫，促使液體轉向，強制開啟進液能力弱的裂縫，提高各簇裂縫延伸效率。Vidma等研究指出應用暫堵轉向技術可以有效抑制井間干擾發生，有利于提高新井EUR[17]。

結合威遠頁巖氣藏地應力特點與壓裂工藝特征，采用段內復合暫堵技術，提高射孔簇延伸效率，以實現多簇暫堵與段間、井間儲層全動用。復合暫堵材料主要以0.15～3 mm粒徑的可降解材料為主，其用量根據暫堵設計控制介于10～102kg。復合暫堵技術的關鍵是暫堵射孔簇數與暫堵時機優化。

根據應力陰影效應主要影響中間射孔簇延伸情況[13]，為提高中間射孔簇延伸效率，實現各簇裂縫均勻擴展，應用壓裂縫網動態擴展預測模擬器，分別模擬評價暫堵不同簇數情況下縫網擴展情況，根據各簇裂縫擴展長度差異、激活天然裂縫面積差異等（圖6），得到較優化的暫堵簇數為：總射孔簇數的1/3左右。

圖6 不同暫堵劑用量情況下裂縫擴展分布圖

2.3 “控液增砂”參數優化

頁巖露頭壓裂模擬實驗表明，體積壓裂產生主裂縫的同時，可以激活大量的天然裂縫，形成主裂縫—次級裂縫組合的復雜裂縫網絡[11]。尤其是激活的剪切天然裂縫具備自支撐導流能力，加入適量的支撐劑后其導流能力得到顯著提高。國內外研究也證實頁巖體積壓裂能夠形成復雜縫網，國外學者數值模擬指出不同尺度裂縫所需要的導流能力不同。因此，多簇暫堵體積改造技術的技術關鍵是通過優化不同支撐劑粒徑、用量，實現主裂縫與次級裂縫等多尺度壓裂裂縫網絡的有效支撐[18]。

根據威遠頁巖儲層地應力特征，結合室內不同支撐劑頁巖支撐裂縫導流能力評價實驗結果，采用數值模擬評價了主裂縫、次級裂縫等多尺度裂縫滲透率對采收率的影響，主裂縫的滲透率設置為10～104mD，次級裂縫的滲透率設置為10－1～104mD（每一個組合的次裂縫滲透率小于等于主裂縫的滲透率），模擬結果如圖7所示。當主裂縫的滲透率大于103mD，次級裂縫的滲透率大于10 mD時無因次采收率增幅趨于平緩，得到最優主裂縫的滲透率分布介于102～103mD，次級裂縫的最優滲透率為 10－1～ 10 mD。

圖7 主裂縫與次級裂縫滲透率組合圖

應用壓裂縫網動態擴展預測模擬器，在相同暫堵射孔簇數情況下，分別模擬不同暫堵時機情況下縫網擴展情況。根據各簇裂縫擴展長度差異、激活天然裂縫面積差異等（圖8），得到較優化的暫堵時機為單段液量的75%時實施復合暫堵。圖9顯示威遠實際井不同壓裂液規模下微地震事件個數變化發現，當規模在 1 600～ 1 700 m3時，事件個數趨于平穩，占總施工規模的72%～77%，與上述數值模擬優化暫堵時機結果較接近。

圖8 不同暫堵時機情況下裂縫網擴展圖

圖9 不同注入液量下微地震事件個數動態變化圖

根據數值模擬獲得的水力裂縫與次級裂縫的最優滲透率組合，參考朱海燕等[19]對支撐劑鋪置濃度及尺寸組合形式對裂縫導流能力和閉合縫寬的影響規律研究。根據裂縫模擬的縫寬分布，主裂縫以40/70目陶粒支撐為主，次級裂縫以70/140目石英砂支撐為主，結合壓裂縫網擴展模擬計算的主裂縫及次級裂縫面積，單簇裂縫加砂為30 t以上，威遠頁巖氣藏埋深2 500～3 500 m的儲層石英砂占比為80%左右，埋深小于2 500 m儲層可進一步試驗增大石英砂用量。

3 現場應用與效果分析

3.1 試驗井地質與工程參數

為更好地對比常規體積改造技術與多簇暫堵體積改造技術差異，選擇威遠頁巖氣田W4H平臺兩口相鄰井（井間距300 m）開展工藝對比，其中W4H-5井采用常規體積改造技術參數，W4H-6井采用多簇暫堵體積改造技術參數，具體參數如表1所示。從參數對比發現：兩口井孔隙度、含氣量等基本物性參數，水平段長度基本一致。壓裂技術參數差異主要包括：段長、簇數、簇間距、復合暫堵等差異，其他參數接近。

表1 W4H平臺兩口井地質工程對比參數表

3.2 工藝效果對比分析

3.2.1 壓裂微地震監測分析

微地震監測數據（表2，監測結果如圖10所示）對比發現：W4H-6井的單段微地震事件個數、縫網復雜系數（微地震事件展布寬度與展布長度之比）均高于W4H-5井結果，顯示了多簇暫堵體積改造技術較常規體積改造技術形成的壓裂縫網復雜程度更高。

圖10 試驗井微地震監測對比圖

表2 W4H平臺兩口井壓裂效果綜合對比表

3.2.2 壓后儲層物性與裂縫反演參數對比分析

結合壓裂裂縫擴展模擬數據擬合分析，對平臺井的實際水力裂縫進行重構，各簇裂縫擴展情況對比評價采用裂縫擴展差異指數來表征，裂縫擴展差異指數越大代表裂縫擴展差異越大，即

式中δ表示裂縫擴展差異指數，無量綱；n表示總射孔簇數，無量綱；Li表示第i簇裂縫擴展長度，m；表示n簇裂縫平均擴展長度，m。

W4H-5井的裂縫擴展差異指數為0.54，W4H-6井的δ為0.17，明顯低于第一代壓裂工藝的W4H-5井，說明該井裂縫擴展更均勻。同時通過對比W4H-6井暫堵前后的δ發現，暫堵前δ為0.36，暫堵后δ降低為0.17，多簇暫堵技術有效減小了各簇間裂縫擴展差異，各簇裂縫暫堵后擴展更均勻。

通過生產動態擬合分析獲取不同井的縫網體積比、改造區滲透率等表征壓后縫網、儲層滲流能力的關鍵參數，W4H-6井的參數解釋值明顯高于W4H-5井的結果，證實多簇暫堵體積改造技術較常規體積改造技術的壓裂改造縫網占比、儲層滲透率更高。

3.2.3 壓后產量動態綜合對比分析

結合對比發現，W4H-6井的測試產量、180 d累產氣量與首年日均產氣量等3指標值較W4H-5井結果分別提高了100.3%、54.5%、35.7%。

3.3 推廣應用情況

多簇暫堵體積改造技術在威遠頁巖氣田推廣應用73口井，完成測試井64口井，平均單井測試產量28.02×104m3/d，較常規體積改造技術工藝的井均測試產量25.01×104m3/d提升12.0%。同時多簇暫堵體積改造技術，展示出較好的套變防治效果[20-22]。2020年套變井占比較2019年降低51%，實現零丟段。主要包括兩個方面認識：

1）“長段短簇”自適應分級啟裂：薄弱面優先啟裂，降低應力集中，實現能量分級釋放；多簇裂縫提高改造裂縫面積，通過裂縫擴展模擬器模擬發現：相對于單段3～4簇射孔，單段7簇射孔情況下縫內流體壓力降低19%～25%，減小天然裂縫滑移，有助于降低套變發生概率。

2）“暫堵勻擴”裂縫均勻擴展：未暫堵情況下裂縫易形成3～4簇裂縫主導擴展，裂縫長度差異大，復合暫堵轉向大幅降低各簇縫長差異，裂縫擴展差異指數由0.54降低為0.17。

4 結論與建議

威遠頁巖氣的規模效益開發得益于有利建產區帶優選、水平井鉆井、體積改造技術進步，本文在頁巖氣體積改造技術研究基礎上，結合威遠頁巖儲層特征，對多簇暫堵體積改造技術理念與關鍵參數優化方法進行闡述，結合現場實踐，得出如下結論與建議：

1）多簇暫堵體積改造技術是對體積改造技術、縫控壓裂技術的發展與現場實踐，其技術關鍵是“長段短簇、暫堵勻擴、控液增砂”，通過對簇間距、簇數、暫堵參數與支撐劑用量等核心參數優化，實現了人工縫控儲量、單井產量與氣藏采收率的指標綜合提升。

2）適用于威遠龍馬溪組頁巖的多簇暫堵體積改造技術參數包括：簇數為7～9簇，簇間距為10～12 m；暫堵簇數為總簇數的1/3左右，暫堵時機為總施工規模的72%～77%；單簇裂縫加砂為30 t以上，石英砂占比約為80%。

3）多簇暫堵體積改造技術應用井縫網體積比、改造區域滲透率等關鍵參數明顯增大，裂縫擴展差異系數明顯減小，各簇裂縫擴展均勻程度更高。測試產氣量、首年平均日產量、采收率均有較大提升，套變率與丟段率明顯下降，該技術為威遠頁巖氣開發效益提升提供了技術支撐，為頁巖氣藏水力壓裂技術升級提供參考與借鑒。

多簇暫堵體積改造技術下步參數優化與試驗建議如下：

1）W4H-6井的裂縫擴展差異系數為0.17，表明當前的多簇暫堵尚有進一步優化空間，復合暫堵參數如暫堵材料粒徑、用量、時機等關鍵參數尚需進一步優化，以提高裂縫均勻擴展程度。

2）針對3 500 m以深的龍馬溪組頁巖氣壓裂，可以進一步試驗5 m左右簇間距；埋深小于2 500 m儲層可進一步試驗增大石英砂用量。