頁(yè)巖氣藏壓裂前水化預(yù)處理工藝先導(dǎo)試驗(yàn)

朱炬輝， 梁 興， 曾 晶， 耿周梅， 吳 凱， 張俊成， 鄒龍慶

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2中國(guó)石油浙江油田分公司

0 引言

川南地區(qū)頁(yè)巖氣在鉆井和壓裂過(guò)程中，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象、低返排率以及巖心水化試驗(yàn)結(jié)果表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有典型脆性泥水化破壞特征[1]。近幾年國(guó)內(nèi)外正在開(kāi)展頁(yè)巖氣水化作用對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂影響的研究，目前四川盆地頁(yè)巖水化特性對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的有利作用已逐漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)可[2]。錢(qián)斌等[3]以滇黔北昭通頁(yè)巖氣巖心為研究對(duì)象，在圍壓10 MPa條件下研究了水化作用對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂紋擴(kuò)展的影響，認(rèn)為水化作用能夠促使原有較大孔徑孔隙膨脹和擴(kuò)展，孔隙分布密集的區(qū)域?qū)⑾嗷ミB通形成新裂縫，水化裂縫主要沿層理方向擴(kuò)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也大量采用頁(yè)巖露頭結(jié)合CT掃描研究頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀裂縫水化后的變化特征，包括加拿大霍恩河盆地、馬塞勒斯等區(qū)域的頁(yè)巖氣露頭[4- 7]。

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，礦物組分、圍壓、泥質(zhì)含量、水質(zhì)等因素都與頁(yè)巖水化效果有關(guān)。如何證明水化作用的有效性并在壓裂過(guò)程中有效利用有待進(jìn)一步探索。前期針對(duì)昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)龍馬溪組巖心進(jìn)行室內(nèi)清水水化實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)初步驗(yàn)證了清水對(duì)頁(yè)巖巖心水化后存在的天然裂縫寬度增加、原始膠結(jié)弱面剝離垮塌、出現(xiàn)新的微細(xì)裂紋等現(xiàn)象[3- 8]，表明巖樣的裂縫復(fù)雜程度有所提高。基于該區(qū)域頁(yè)巖氣水平井在壓裂前的水化預(yù)處理工藝先導(dǎo)試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了水化作用在壓裂過(guò)程中的影響。因此，如何認(rèn)識(shí)和利用水化作用對(duì)我國(guó)海相頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層改造有意義重大。

1 水化預(yù)處理工藝特點(diǎn)

基于前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，為了進(jìn)一步驗(yàn)證水化作用在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂時(shí)的影響，用于壓裂前提升裂縫復(fù)雜程度，選取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用取心井巖心的鄰井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。對(duì)頁(yè)巖氣水平井壓裂前的層段先進(jìn)行射孔，橋塞坐封并封堵已經(jīng)壓裂的層段，通過(guò)低于儲(chǔ)層破裂壓力的排量對(duì)準(zhǔn)備壓裂的層段泵注一定量的清水，水化時(shí)間大于11 h后，再開(kāi)展主壓裂，并對(duì)壓裂初期的破裂點(diǎn)和延伸壓力進(jìn)行分析。水化預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 水化預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)技術(shù)流程圖

為更好的與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，驗(yàn)證水化作用對(duì)后期主壓裂的影響，現(xiàn)場(chǎng)泵注清水過(guò)程中，嚴(yán)格控制泵注排量不超過(guò)5 m3/min，確保整個(gè)水化過(guò)程中，泵注液體的高壓作用不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層產(chǎn)生大規(guī)模破裂。水化預(yù)處理所用的液體為不含任何添加劑的清水，儲(chǔ)層水化預(yù)處理過(guò)程應(yīng)保證清水泵注的連續(xù)性，注入清水體積大于該段儲(chǔ)層改造方案中設(shè)計(jì)液量的20%。清水泵注完成后關(guān)井等待水化反應(yīng)，水化作用時(shí)間大于11 h。

2 水化預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析

2.1 A井水化預(yù)處理分析

水化預(yù)處理的地層主要在井筒周?chē)貛В虼爽F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要考慮水化后對(duì)壓裂初期裂縫起裂和延伸的影響。A井水化試驗(yàn)段在射孔完成后，投球坐封橋塞封堵已壓裂段，在施工限壓內(nèi)高壓泵注300 m3清水，該段水化用液強(qiáng)度2.33 m3/m，排量小于3 m3/min，然后關(guān)井進(jìn)行水化預(yù)處理，水化時(shí)間11 h。

A井主壓裂初期水化預(yù)處理段與鄰段對(duì)比如圖2所示，黑色箭頭標(biāo)記水化層段破裂點(diǎn)，藍(lán)色箭頭標(biāo)記鄰段破裂點(diǎn)，水化處理段裂縫破裂點(diǎn)個(gè)數(shù)相對(duì)較多(明顯破裂點(diǎn)4個(gè))，且破裂后壓力波動(dòng)幅度大，壓降幅度最大達(dá)到3.1 MPa，破裂特征明顯。破裂點(diǎn)明顯增加，反映了地層水化后破裂位置增加。

圖2 A井主壓裂初期水化預(yù)處理段與鄰段對(duì)比

2.2 B井水化預(yù)處理分析

B井水化段共2段，平均垂深405.8 m，天然縫呈中高角度發(fā)育，脆性(52%～70%)較高，水平兩向應(yīng)力差值小(2.6～3.6 MPa)，垂向應(yīng)力居中，呈走滑狀態(tài)，裂縫形態(tài)多為垂直裂縫。B井進(jìn)行壓裂前水化試驗(yàn)，在圖3中，施工限壓范圍內(nèi)水化層段B(a)段(段長(zhǎng)95 m)，高壓泵注303.87 m3清水，平均液量3.20 m3/m；在圖4中，水化層段B(b)段(段長(zhǎng)70 m)，高壓泵注清水301.38 m3，平均液量4.30 m3/m，關(guān)井進(jìn)行水化預(yù)處理，水化時(shí)間11 h。

如圖3、圖4所示，黑色箭頭標(biāo)明水化層段破裂點(diǎn)，在壓裂初期，支撐劑未進(jìn)入地層之前，水化層段有更多破裂跡象，根據(jù)測(cè)井解釋結(jié)果顯示本井裂縫較為發(fā)育，經(jīng)過(guò)水化預(yù)處理后，如圖3中放大的部分，水化層段B(a)破裂后壓降雖然不大，但是破裂次數(shù)較多。圖4中水化層段B(b)不僅在初期破裂點(diǎn)相較于鄰段更多，且壓力波動(dòng)幅度大,兩個(gè)明顯的破裂點(diǎn)破裂后壓降為1.68 MPa和2.5 MPa。

圖3 B井主壓裂初期水化預(yù)處理段B(a)與鄰段對(duì)比

圖4 B井主壓裂初期水化預(yù)處理段B(b)與鄰段對(duì)比

結(jié)合巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，水化處理后天然裂縫膠結(jié)面存在剝離現(xiàn)象，且部分巖心產(chǎn)生了新的裂縫，導(dǎo)致巖心內(nèi)部薄弱點(diǎn)增加，對(duì)壓裂初期多個(gè)破裂點(diǎn)的產(chǎn)生具有一致性。

2.3 水化預(yù)處理對(duì)裂縫延伸壓力的影響

裂縫延伸壓力與儲(chǔ)集層巖石斷裂韌性、壓開(kāi)的裂縫體積、地應(yīng)力以及壓裂液在裂縫中的阻力有關(guān)，在同一水平井中，裂縫延伸壓力與該層段的巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。可由壓裂結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)停泵壓力來(lái)計(jì)算裂縫延伸壓力[9]。

pF=pS+pH

式中：pF—裂縫延伸壓力，MPa；pS—瞬時(shí)停泵壓力，MPa；pH—壓裂井筒中的靜液柱壓力，MPa。

延伸壓力差是水化預(yù)處理層段延伸壓力與鄰段的差值，根據(jù)測(cè)井應(yīng)力解釋結(jié)果，對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖5與表1所示。

圖5 水化預(yù)處理作用與鄰段參數(shù)對(duì)比

表1 水化預(yù)處理段與鄰段施工參數(shù)對(duì)比表

A井、B井的井段進(jìn)行水化預(yù)處理后，裂縫延伸壓力均低于鄰近層段，延伸壓力差A(yù)井為1.36 MPa；B井為5.50 MPa、0.98 MPa，B井水化層段B(b)裂縫延伸壓力最多低于鄰段5.5 MPa。測(cè)井解釋結(jié)果表明，水化段與鄰近層段最小水平主應(yīng)力差值A(chǔ)分別為-0.13 MPa，B(a)為-0.47 MPa、B(b)為0.62 MPa。在考慮地層本身應(yīng)力大小的情況下，延伸壓力仍然存在一定額外偏差。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果來(lái)看，部分巖心水化后存在縫寬增加的現(xiàn)象，因此延伸壓力的差異可能與水化后井筒附近裂縫寬度增加有一定關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井3個(gè)層段在壓裂前泵注清水后，與相鄰層段對(duì)比發(fā)現(xiàn)：主壓裂破裂點(diǎn)相對(duì)較多，延伸壓力相對(duì)較低，在一定程度上提升了人工裂縫的復(fù)雜度。這一現(xiàn)象與室內(nèi)巖心水化后天然裂縫寬度增加、新的微細(xì)裂紋產(chǎn)生等現(xiàn)象具有一定的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了清水對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

(2)裂縫的起裂和延伸受到應(yīng)力、天然裂縫等多種因素影響，頁(yè)巖儲(chǔ)層水化現(xiàn)象在壓裂改造中對(duì)裂縫復(fù)雜度提升的效果和強(qiáng)度仍需在更多地層條件類(lèi)似的試驗(yàn)井中開(kāi)展進(jìn)一步研究。