頁巖氣壓裂的幾個關鍵問題與探索

郭建春 路千里 何佑偉

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

1 概況

頁巖儲層極為致密，水力壓裂是目前有效開采頁巖氣的必要手段。我國頁巖氣壓裂先后經歷了直井壓裂、水平井分段多簇壓裂、多井組工廠化壓裂三個大的發展階段[1]。四川盆地作為我國頁巖氣開發的重要陣地，在大量的理論研究與現場實踐基礎上，頁巖氣水平井分段多簇壓裂技術完成了壓裂工藝1.0到2.0的跨越，具體表現為簇間距和用液強度大幅縮小，簇間距、泵注排量、加砂強度、石英砂占比顯著提高（表1），壓后平均測試產量從19×104m3/d增加到24×104m3/d，實現了頁巖氣壓裂核心技術從早期借鑒北美經驗到完全自主創新技術的突破。

表1 四川頁巖氣兩代壓裂工藝參數對比表

在頁巖氣開發過程中，井間距不斷縮小以提高最終可采儲量，而大規模壓裂施工模式下，裂縫過度擴展易導致井間發生竄擾。威遠地區當前井間壓竄的井數占比達50%，直接影響被壓竄的老井和新井的產量。井間壓竄作為影響安全施工和壓后產量的關鍵問題，近年來受到了國內外學者的廣泛重視。國內外學者在壓竄機理與壓竄模式[2-4]、壓竄影響因素分析[5-6]、壓竄評價方法[7-9]、壓竄監測手段[6]以及壓竄防治措施[5]等方面開展了研究，取得了一些認識和成果。

此外，頁巖儲層斷層和天然裂縫發育，水力壓裂排量高、規模大，在壓裂施工中對地層和套管的作用力強，容易發生套管變形問題，長寧—威遠地區頁巖氣改造套變率高達40%[10]。套變后，套管內徑變小，影響后續的橋塞下入、鉆塞和排液施工。目前研究認為頁巖氣水平井壓裂導致套變的原因主要有天然裂縫/斷層剪切滑動、套管屈服擠毀等。在天然裂縫/斷層滑動剪切導致套變的研究方面，陳朝偉等[11]、廖仕孟等[12]對威遠、長寧等區塊的大量的地質和壓裂數據進行了分析，認為天然裂縫剪切滑移是這些區塊發生套變主要原因；路千里等[10]建立天然裂縫滑動導致套變的機理分析模型和套變量計算模型，計算了不同條件下的套管變形風險和套變量。付盼等[13]、高利軍等[14]基于數值模擬分析了固井質量、天然裂縫、地層破碎帶等多種因素對套變的影響，王向陽等[15]、付盼等[16]采用大型物模實驗裝置對天然裂縫參數對套變的影響進行了研究。

由于頁巖具有相對較高的巖石力學脆性，在自然狀態下和水力壓裂后都存在大量的裂縫，理論計算以及現場試驗結果表明壓后大部分的裂縫處于未支撐狀態[17-18]。如果這些未支撐的裂縫能夠實現支撐，可有效改善大部分裂縫系統的流動能力，實現壓后高產穩產。壓裂形成的未有效支撐裂縫以開度范圍在50～200 μm之間的微裂縫為主，粒徑大于200 μm（約70目）的支撐劑無法進入此類裂縫[17]。因此，可通過減小支撐劑粒徑的方法實現對壓后微裂縫的有效支撐。目前，部分學者開展了導流能力、破碎率測試等實驗研究微支撐劑提高裂縫流動能力的有效性[19-20]，北美開展了微支撐劑現場實驗并取得了較好的增產效果[19,21]。

綜合來看，如何控制井間壓竄和套變、保證頁巖壓后微裂縫的有效支撐，是實現頁巖氣安全、經濟、高效開發的關鍵問題。針對上述三個關鍵問題，筆者在大量文獻調研基礎上，結合理論與實驗分析開展機理研究，探索了相關問題的工程防治措施并進行了現場應用，取得了較好的效果。

2 井間壓竄

2.1 井間壓竄現象及影響

頁巖氣井進行大規模水力壓裂會形成大型復雜縫網，加密井或井間距較小的井壓裂易與鄰井產生壓竄。壓竄是指一口井壓裂時與鄰井連通，導致鄰井產液量突然大幅上升，套壓上升，產氣量大幅下降（圖1）。

圖1 威遠頁巖氣藏某被壓竄井產液量、產氣量、套壓曲線圖[2]

隨著頁巖氣滾動開發的進行，壓竄現象越來越嚴重。以威遠中淺層頁巖氣為例，2015—2019年完成壓裂142口井，受干擾影響72口井、79井次（圖2）。平均受影響時間161 d，最長868 d；干擾距離介于200～1 800 m，平均543 m。威遠地區2019年發生壓竄28井次，影響生產井24口，平均產量恢復程度為37.5%（圖3-b）。如圖3a所示，81%受干擾井產量影響程度高于80%；而在受干擾的井中，產量低恢復程度井占42%，高恢復程度井僅占18%，共影響產量4.5×108m3，壓竄嚴重影響頁巖氣氣井產能發揮。

圖2 威遠頁巖氣藏2015—2019年壓裂井數與被壓竄干擾井次圖

圖3 威遠頁巖氣藏被壓竄井產量影響程度與產量恢復程度圖[2]

2.2 井間壓竄機理

壓竄發生實質是由于老井壓力衰竭，新井壓裂時井間壓差較大，裂縫沿著壓力較低區域不規則擴展，導致井間壓竄連通（圖4）[2]。按照連通方式可將壓竄分為3種類型（圖5）：一是通過兩口井的壓裂裂縫直接溝通；二是通過天然裂縫溝通；三是壓裂裂縫與井筒直接連通。其中，通過壓裂裂縫直接連通產生的干擾程度最大。

圖4 新井壓裂裂縫擴展分布圖

圖5 3種壓竄連通模式圖

2.3 井間壓竄主控因素與評價方法

壓竄控制因素可分為兩類，一類是可控/可變參數，另一類是不可變參數。可變參數主要包括井位分布、井距、完井方案（射孔間距、射孔方式等）、壓裂方案（壓裂液總注入量、注入速度、壓裂液類型等）、其他措施（老井生產制度調整、老井提前增壓、老井重復壓裂等）；不可變參數主要包括天然裂縫、斷層、隔夾層分布、儲層非均質性、初始應力分布、礦物成分、巖石性質（楊氏模量、泊松比等）、儲層滲透率、應力各向異性、物理化學反應（潤濕性變化、瀝青、結垢、乳化等）等。

井間干擾已成為制約頁巖氣開發的“卡脖子”難題，亟需一套快速、有效地評價壓竄井間干擾的方法。目前，壓竄干擾程度評價方法主要包括解析及半解析法[22]、灰色關聯法[23]﹑數值模擬法[7-8]以及機器學習法[9]。解析及半解析方法使用簡單，在現場應用較為廣泛，但假設條件較為理想，與頁巖氣藏和氣井實際條件相差較大，難以準確預測壓竄。灰色關聯法只能定性分析與壓竄干擾相關性較大的因素，難以定量評價干擾程度。數值模擬方法可考慮頁巖氣藏復雜縫網特征，通過歷史擬合等手段將模擬結果逼近真實儲層，但由于建模過程較為復雜，計算量大，存在較大局限性，且不利于推廣使用。機器學習方法可以充分挖掘頁巖氣藏地質、生產動態等數據，模型精度較高，且建模工作量較小，計算效率高，能夠實現對壓竄干擾程度的定量評價[9]。

筆者建立了考慮地質、鉆井、壓裂及生產因素的頁巖氣井壓竄干擾影響因素體系，通過數據處理（缺失值處理、異常值檢驗、數據標準化及主成分分析）提高數據質量，形成頁巖氣井壓竄評價數據集，建立頁巖氣井壓竄干擾程度評價模型及預測方法（圖6）。將威遠頁巖氣藏壓竄干擾程度評價等級劃分為高、中、低3個等級，3個等級井數比例分別為：37.04%（高等級），37.03%（中等級），25.93%（低等級）；選取4口井進行頁巖氣井壓竄干擾程度預測，符合率為92%，預測精度較高。建立的壓竄干擾程度評價及預測方法能夠用于實際頁巖氣井井間干擾程度定量預測，為頁巖氣井定性分類評價與壓竄干擾程度定量預測提供了一種可靠的方法。

圖6 基于機器學習的頁巖氣井壓竄評價方法圖[9]

2.4 井間壓竄防治措施

如何有效防治壓竄或減緩壓竄的影響對頁巖氣開發至關重要。目前，壓竄防治措施可分為4類：①新井縫端暫堵轉向技術[5,24]，通過壓裂暫堵轉向技術，避免井間直接通過裂縫連通，能夠有效降低壓竄風險。②老井增壓技術，具體包括關井復壓[25]，關井恢復壓力程度有限，防竄效果一般；注水增壓能夠有效提高地層能量[26-27]，但注水增壓防竄多用于致密油藏，頁巖氣氣井注入大量水后，氣井排水采氣難度較大；注氣增壓[4]對頁巖氣藏傷害小，且注氣增壓后能夠降低井間應力差，但成本較高；對老井進行重復壓裂既可以提高地層能量，也可以二次改善老井壓裂增產效果[28]。③新井完井和壓裂方案優化，通過調整射孔模式、射孔參數、井位和井距[29-30]、壓裂液注入量、壓裂段間距[31-32]、壓裂液泵注排量、壓裂模式[33]等參數，并實時監測裂縫擴展和壓力變化規律，能夠一定程度降低壓竄風險。④化學方法，通過加入表面活性劑和溶劑等化學物質減緩壓竄干擾[34]。

筆者根據威遠中淺層頁巖氣藏特征建立實際井組縫網模型，開展了壓竄控制措施評價。關井復壓控制井間干擾效果較差，產氣量僅少量增加，且有水淹風險；注氣能夠提高井底壓力，減小老井與新井壓裂的應力差，但增加的產氣量均低于注入氣量，因此不推薦注氣保壓措施；通過降低天然裂縫導流能力80%以上，可實現“縫端暫堵”，有效降低新井壓裂對老井的壓竄影響。縫端暫堵使得壓裂液更晚到達老井，且竄流量減少，產水量明顯降低，對老井的壓竄影響滯后且減緩（圖7）。因此，新井縫端暫堵轉向技術可作為頁巖氣井壓竄防治的推薦措施。

圖7 不同天然裂縫導流能力降低程度對頁巖氣井壓竄控制效果的影響圖

2.5 壓竄防治措施應用

針對被壓竄井，在威遠地區提出了被壓竄老井產能恢復對策：①老井能量充足，采用氮氣氣舉、柱塞氣舉等方式快速排液，縮短干擾時間，盡快恢復產能；高壓氣井控壓生產，減小應力變化影響。②老井能量較低，運用制氮氣舉、柱塞氣舉+泡排、電驅壓縮機配合油管加深連續氣舉等方式對低壓井進行排液，實現解除積液目的。

壓竄預防對策：①老井能量充足，在天然裂縫發育程度較低區，按300 m井距布井，保持排量，按現有壓裂規模壓裂；在天然裂縫發育區，適當控制排量，加強縫端暫堵，密切監測壓裂動態，如有壓竄風險，及時調整排量和暫堵劑量。②老井能量較低，減小壓裂施工排量，采用“密切割”方式壓裂。③在天然裂縫發育區，減小施工排量同時適當增大井距，降低壓竄風險。④新井壓裂前，將老井關井恢復壓力；同平臺或相鄰平臺井同步壓裂，降低應力差的影響。

資料顯示威遠地區2017—2019年壓裂受影響井共64口，平均單井產量恢復程度為55%。2020年下半年開始在該地區應用本文研究成果，2020—2021年8口受壓竄影響井統計資料顯示平均單井產量恢復程度達到84%，受影響井產量恢復程度明顯提高。

3 套管變形

3.1 套變現象與影響

頁巖氣壓裂過程中，由于高排量帶來較大的縫內凈壓力，一旦水力裂縫溝通與井筒相交的天然裂縫，就可能導致天然裂縫壁面摩擦力減小，地層發生相對滑移，進而導致套變。套變使得套管內徑變小，當縮徑較為嚴重時，會導致后續壓裂段的射孔槍和分段工具難以下入，影響分段有效性，甚至導致部分壓裂段無法射孔壓裂。另外還可能影響壓后的鉆塞和排水采氣施工。

從不同頁巖氣區塊發生套變的井的分布來看，套變現象的發生與區域較為相關。例如，在長寧—威遠地區的中淺層和深層都出現了較為嚴重的套變，187口施工井中共75口井發生套變，占比40.1%。瀘州的瀘203井區和陽101井區也存在嚴重套變情況：瀘203井區96口井，發生套變60口，套變占比62.5%；陽101井區89口井，發生套變26口，套變占比29.2%。而重慶地區的足203井區和涪陵焦石壩地區幾乎未見套變。各個區塊的施工參數并沒有本質差異，說明套變發生與區塊地質情況密切相關。

3.2 套變機理

部分學者研究認為固井質量較差、壓裂中水泥環對套管的支承能力不足是導致套變的原因之一。但根據威遠頁巖氣施工統計結果來看，16口井的72個套變點/遇阻點中，67處為固井質量優，占比93%；5處固井質量為中，占比7%，套變點/遇阻點與固井質量相關性不強，說明套管固井的好壞不是導致套管變形的直接原因[35]。

頁巖中普遍存在高角度天然裂縫[36-37]，在水力壓裂過程中，由于水力裂縫的擴展，壓裂液有一定的概率溝通與水平井筒相交的天然裂縫，由于頁巖壓裂施工排量較大，會使天然裂縫內流體壓力顯著升高。當天然裂縫內的流體壓力增加到某一臨界值時，裂縫面之間的摩擦力與井筒抵抗剪切的合力將小于地層滑移的剪力，天然裂縫將發生滑動，進而產生套管變形。根據前述物理過程，基于應力分析，建立地層—裂縫—井筒系統的受力模型對裂縫滑導致的套變機理進行分析（圖8）。圖8中最大水平主應力方向與裂縫面的夾角（簡稱裂縫逼近角）為θ，與水平井筒的夾角（簡稱井筒逼近角）為α。基于以下假設進行模型建立：①水平井筒與一條垂直天然裂縫相交，壓裂液通過某流動通道由井筒進入天然裂縫；②天然裂縫未膠結，流體進入即充滿天然裂縫；③流體壓力在天然裂縫內處處相等，天然裂縫不擴展。

圖8 地層—裂縫—套管系統受力模型圖

模型中假設天然裂縫為垂直縫，因此垂向應力在裂縫法向無剪應力分量，可以只考慮水平應力對裂縫面的作用。在水平面上選取以裂縫作為一條邊的正方形作為受力單元進行分析。圖8中x軸垂直于裂縫面，y軸平行于裂縫面。根據平面應力分析，壓裂施工前受力單元在x方向的正應力與y方向的剪應力分別為：

式中σx表示地應力在受力單元x方向上的正應力分量，MPa；σH、σh分別表示最大、最小水平主應力，MPa；θ表示最大水平主應力方向與裂縫面的夾角，（°）；τxy表示地應力在受力單元y方向上的剪應力分量，MPa。

壓裂施工溝通天然裂縫后，壓裂液對天然裂縫壁面產生推擠。在裂縫的兩個面未脫離接觸前（圖8-a），裂縫面法向（x方向）受到巖體接觸壓力與壓裂液流體壓力作用，裂縫面平行方向（y方向）受到裂縫面摩擦力與井筒抵抗裂縫滑移的剪力（后文簡稱井筒剪力）。若受力單元要保持靜止，則x方向上的受力平衡關系為：

式中Af表示天然裂縫面積，m2；pf表示裂縫內流體壓力，MPa；σn表示裂縫面上巖體接觸正應力，MPa。

y方向上的受力平衡關系為：

式中σy表示地應力在受力單元y方向上的正應力分量，MPa；f表示裂縫面實際摩擦力，106N；τc表示井筒剪應力，MPa；Ac表示井筒與裂縫截面圍成的圓環面積，m2。

根據式（3）分析可知，當裂縫面可產生的最大靜摩擦力大于地層在y方向上所受剪力時，裂縫面實際摩擦力等于地層所受剪力，井筒剪力為零。

當裂縫面可產生的最大靜摩擦力小于地層在y方向上所受的剪力時，井筒會承受一部分剪力以保持受力平衡，抵抗地層滑移，此時裂縫面實際摩擦力為最大靜摩擦力。因此，由式（3）可以推導得到井筒抵抗裂縫滑移的剪應力（后文簡稱井筒剪應力）：

式中fmax表示裂縫面最大靜摩擦力，106N。

fmax利用裂縫面摩擦系數計算，裂縫面摩擦系數（μ）取值介于0.6～1.0[38]：

若井筒可以承受極大的剪力使受力單元不移動（即裂縫不發生滑移），隨著流體壓力增加，裂縫壁面接觸正應力σn減小，壁面可產生的最大靜摩擦力線性減小，但裂縫面實際摩擦力不變。當最大靜摩擦力減小到y方向上所受的剪力（τxyAf）時，井筒開始承受剪力。流體壓力進一步增加，裂縫面實際摩擦力和可產生的最大靜摩擦力保持一致并同步減小，井筒剪力增加，且增加量等于摩擦力的減少量。流體壓力繼續增加到等于σx后，裂縫壁面脫離接觸，摩擦力消失，y方向上所有剪力由井筒承擔。但實際上井筒承受的剪力是有限的，當超過該限度后，套管就會發生變形（圖9）。

圖9 裂縫內流體壓力與裂縫切向上所受各力的關系圖

威遠地區頁巖壓裂常用井筒參數如表2所示，該區塊螞蟻體和測井數據綜合解釋成果顯示該區塊天然裂縫走向以北東向為主，平均長度約為150 m；地應力近東西向，最小水平主應力約65 MPa，最大水平主應力約75 MPa，水平井筒方向與最小水平主應力方向近似平行。

表2 威遠地區水平井改造井筒基礎參數表

縫內流體壓力（pf）的變化會對裂縫滑移產生影響。圖10為井筒逼近角α=90°、裂縫面積Af=100 m2、裂縫摩擦系數μ=0.6時，不同流體壓力條件下裂縫逼近角（θ）與井筒剪應力（τc）的關系曲線。當pf值高于σx時，τc值最大 ；當pf值低于σx?μ?1τxy時，τc在任意θ下為零。以θ=30°為例，計算σx為67.5 MPa，σx?μ?1τxy為 60.3 MPa。如圖 10 所示，隨著pf值的增加，τc值增加，當pf值高于 67.5 MPa時，pf值為 70.0、75.0、80.0 MPa的3條曲線在θ=30°處重合，τc達到最大值；而pf值低于60.3 MPa時，井筒剪應力為零。同時本算例采用了高鋼級的厚壁套管，在此情況下對比井筒剪應力（τc）值與套管抗剪強度（Sc）發現，一旦井筒開始受力，大多數條件下τc值遠高于套管的抗剪強度，這說明提高套管強度或固井質量對降低套變風險作用有限。

圖10 縫內流體壓力對井筒剪應力的影響圖

3.3 套變的防治方法

3.3.1 基于壓裂的防治

為了對井筒受力、地層應力與地層和裂縫之間的關系進行直觀分析，把式（5）帶入式（4）可以得到：

從式（6）可以發現，井筒剪應力、井筒截面積、裂縫面剪切應力與摩擦應力之差、裂縫面積形成了杠桿效應，裂縫面積（Af）與井筒截面積（Ac）之比為杠桿放大系數，通常情況下裂縫面積遠大于井筒截面積，放大倍數極大。當凈壓力較大導致裂縫面摩擦力小時，特別是裂縫面脫離接觸后（μσn=0），井筒剪應力可達裂縫面剪應力的數千至數萬倍，遠超套管抗剪強度，導致套管變形。所以，通過提高套管鋼級以實現防治套變是難以實現的。從圖10、圖11可以看出，若要想減小套管變形發生的風險，最好的方法是控制縫內流體壓力，可以使大部分裂縫逼近角條件下（即井筒遭遇的不同走向裂縫）井筒都不承受剪力。

圖11 3種不同粒徑支撐劑可視平板運移實驗結果圖（左邊為入口端）

壓裂施工方面防治套變的方法的關鍵是主動控制減小裂縫開始滑動的概率。為了控制縫內流體壓力，可以在地質對天然裂縫、斷層的精細識別基礎上，控制套變風險段的泵注排量，減小縫內流體壓力。另外，可以適當增加段內射孔簇數，減小單簇流量，進而降低縫內流體壓力。還可以通過縫內暫堵的方式，投入暫堵劑，封堵天然裂縫，減小與井筒相交天然裂縫的縫內壓力。

3.3.2 基于建井的防治

建井方面防治套變主要思路是減小裂縫滑移后對套管和壓裂造成的影響，而不是減少或避免裂縫滑移。可以采用的方法有：①A靶點避開大裂縫。為了避免天然裂縫被激活滑移導致A靶點附近發生套變，進而對后續壓裂段改造產生影響，在進行布井和鉆井設計時，井身軌跡的A靶點附近盡量不要穿越大裂縫或斷層。②采用特殊水泥固井。如使用柔性水泥或控制水泥內添加物（如漂珠）含量/性能，當天然裂縫滑移后，地層變形的力使水泥環變形或破壞，而不剛性傳遞到套管上，可以避免或減小套管變形量。③裂縫滑移風險處不固井。設計新的固井井下工具和工藝，在被天然裂縫、斷層切割的井眼處不注入水泥，一旦發生地層滑移，地層的位移量只要不足以接觸套管，就可以避免套管變形。這種方法對天然裂縫、斷層的識別有較高要求。另一種方法是水平段不固井，采用套管外封隔器對壓裂段進行分隔，同樣地，只要地層滑移后不接觸套管，即可避免套變。該方法無須精細識別天然裂縫和斷層，但對套管外封隔器的有效性有較高要求。

3.4 防套變措施現場應用

根據前面提出的基于壓裂的防治方法，威遠中淺層頁巖氣開展了基于“暫堵裂縫+長段多簇”的防套變措施試驗，具體為射孔簇數從3～4簇增加到7～9簇，施工排量從14～16 m3/min降低到12～14 m3/min；僅投球暫堵變為投球+暫堵劑符合暫堵，用液強度從25～28 m3/m降低到23～25 m3/m。到2020年底共開展55井次“暫堵裂縫+長段多簇”工藝試驗，只有7口井發生套變，套變率為13%，相較之前的工藝有顯著降低。

基于建井的防治套變方面，在威遠中淺層頁巖氣套變高風險區域的威 204H38-4 井、威 204H18-5 井、威 204H40-3 井開展了“高強度微珠固井”工藝，相比同平臺其他井，已經順利完成壓裂的威 204H38-4井沒有發生套變[35]。

4 微裂縫支撐

4.1 水力壓裂裂縫支撐情況

Sharma等[17]2015年對頁巖水力壓裂形成的未支撐裂縫進行了研究，通過對壓裂液在地層中的去向、微地震數據、生產歷史擬合、示蹤劑分析、井間壓力連通等方面的分析，推測大量的次級裂縫中沒有支撐劑有效支撐，壓裂誘導產生的未支撐裂縫面積至少比得到有效支撐的主裂縫面積大一個數量級。2018年在北美進行的大型水力壓裂現場實驗HFTS（Hydraulic Fracturing Test Site），通過對已壓裂井附近巖體鉆水平井取心，在183 m巖心中發現了700多個裂縫面，觀察結果表明大量的裂縫沒有得到有效支撐[18,39-40]。頁巖水力壓裂后大量支撐劑回流的現象也表明支撐劑在近井地帶大量沉降，并未對主裂縫遠端和次級裂縫進行有效鋪置，導致近井裂縫支撐寬度過大，砂堤不穩定導致返排和生產時出砂。

4.2 微支撐劑運移和支撐機理

如果對壓裂產生的次級裂縫或溝通的天然裂縫進行有效支撐，在一定程度上能夠提高壓后產量。要使支撐劑進入這些裂縫，可以采取兩個方面的措施：①增加裂縫寬度，讓常用支撐劑（40/70目，70/140目）可以進入裂縫；②減小支撐劑粒徑，即使用微支撐劑，進入到常規支撐劑無法進入的裂縫進行有效支撐。增加裂縫寬度的方法只有通過增加凈壓力，主要是通過提高排量實現，目前的施工排量受液體降阻率、套管內徑的限制，已經處于當前泵注設備的能力和經濟施工的上限，難以繼續提高。因此，本文主要針對微支撐劑進行分析研究。

支撐劑能否有效進入到次級裂縫或微裂縫中由顆粒直徑和運移距離兩個方面的因素決定。顆粒直徑足夠小，才能進入到張開的微裂縫中；運移距離足夠大，才能夠進入到遠離井筒的裂縫中。支撐劑的運移距離與顆粒沉降速度直接相關，根據斯托克斯定律，支撐劑顆粒沉降速度為：

式中vs表示支撐劑沉降速率，m/s；g表示重力加速度，m/s2；ρp表示支撐劑密度，g/cm3；ρf表示流體密度，g/cm3；dp表示支撐劑直徑，mm；μ表示流體黏度，mPa·s；Nre表示顆粒雷諾數，無量綱。

支撐劑顆粒水平運移速率與壓裂液流速的關系為：

式中vp表示支撐劑水平運移速率，m/s；vf表示壓裂液水平流速，m/s；w表示裂縫寬度，mm。

從式（7）可以發現，在雷諾數、支撐劑密度、流體密度、流體黏度相同的情況下，支撐劑顆粒的沉降速度與支撐劑粒徑相關。而式（8）計算得到在多數情況下支撐劑顆粒水平運移速度與流體流動速度差異不大。因此，減小支撐劑粒徑也可以增加支撐劑的運移距離。從前面的分析知，采用小粒徑支撐劑可以同時保證支撐劑遠距離運移到位和進入裂縫。

微支撐劑目前沒有明確的粒徑范圍規定，部分國外學者將粒徑小于100目支撐劑稱為微支撐劑[21]。目前國內頁巖氣壓裂常用的小粒徑支撐劑類型為70/140目，該類型支撐劑包含了粒徑大于和小于100目的支撐劑。為了進行區分，筆者將粒徑小于140目（110 μm）稱為微支撐劑。壓裂施工中的顆粒雷諾數通常小于2，因此采用式（7）進行計算。對比70目（約210 μm）、200 目（約 75 μm）和 400 目（約 40 μm），3種粒徑支撐劑在相同的沉降高度下，400目支撐劑運移距離約為70目的28倍，200目支撐劑運移距離約為70目的8倍。

為了分析不同粒徑支撐劑的實際運移情況，使用大型可視化平板對比了低黏流體攜帶40/70目、70/140和200目支撐劑在平板裂縫中的輸送過程（圖11）。其中平板裂縫大小為長10.0 m、高0.6 m、寬10.0 mm，壓裂液黏度為2.5 mPa·s。從圖11中看出，支撐劑自左側進入裂縫后在射流的作用下整個裂縫高度上均勻分布，其后隨流體一起向后運移。40/70目石英砂在近井地帶就迅速發生沉降并形成砂堤，隨注入時間增大砂堤不斷增長升高，其主體鋪置在前3塊板。70/140目石英砂能夠運移較遠，鋪置距離基本達到整個縫長。而微支撐劑則在縫長方向看不出明顯的沉降特征，表明即使低黏壓裂液對支撐劑顆粒仍然有很好的懸浮性，此時平板裂縫底部有少量的支撐劑堆積，但其堆積過程非常緩慢。

4.3 微支撐劑現場應用

2010年前后，北美為了降低支撐劑成本，在頁巖的水力壓裂中使用未經精細篩析處理的支撐劑，其中含有大量的粉塵顆粒。相同區塊的井使用沒有進行清洗和篩選的支撐劑注入地層后，產量較前期使用精篩支撐劑的產量有10%左右的提升，引發了對微尺度顆粒實現微裂縫支撐以提高壓后產量的思考和探索。

美國Woodford SCOOP頁巖氣區塊經過系統的水力壓裂現場實驗表明，使用微支撐劑可以有效提高日產氣量，同時減緩產量遞減速度[21]。該區塊采用前期100目，40/70目和30/50目的常規支撐劑進行壓裂。為了研究微支撐劑對壓裂效果的影響，在A、B、C等3個平臺開展了3組實驗，每個平臺內不同的井的水平段長差異不超過100 m。每個平臺設計了普通支撐劑，排量12.7 m3/min，正常規模井加砂強度1.19 t/m，用液強度20.8 m3/m。高加砂強度井加砂強度1.64 t/m，用液強度23.5 m3/m，高用液強度井加砂強度1.19 t/m，用液強度23.5 m3/m。使用微支撐劑的井僅在前置液階段加入微支撐劑懸浮液，正常加砂階段使用加砂強度1.19 t/m，用液強度20.8～23.5 m3/m。對壓后的累產進行歸一化處理，盡量消除段長和支撐劑量的影響。在A平臺，使用了微支撐劑的井壓后的天然氣累產比僅用常規支撐劑的井高10%～20%，平均高14%（圖12）；B平臺使用微支撐劑的井累產高5%～23%；C平臺使用微支撐劑的井累產高10%～12%。所有平臺中使用微支撐劑的井產量遞減率也更低，表現出了較好的生產效果。

圖12 SCOOP頁巖氣A平臺的不同井歸一化累產曲線對比圖

在國內，筆者在威遠深層頁巖氣WX平臺的A、B兩口井開展了壓裂方案設計。基于前期的機理分析和認識，為了增加對微裂縫的支撐效率，使用了200目微支撐劑、70/140目石英砂和40/70目陶粒，并相對于前期壓裂井設計了較高的200目微支撐和70/140目支撐劑比例。

WX-A井水平段長1 700 m，完成21段分段壓裂；WX-B井水平段長1 500 m，完成19段分段壓裂。兩井的總體施工參數如表3所示，各段加砂量如圖13所示，單段支撐劑各類平均用量和比例如表4所示。

表3 WX- A、WX-B井總體施工參數表

圖13 WX- A、WX-B井各段加砂量數據圖

表4 WX-A、WX-B井單段平均支撐劑參數表

WX平臺壓裂后，A井169 d累積產氣量1 703×104m3，B井相同時間累積產氣量1 641×104m3，兩口井平均1 672×104m3（圖14）。對比相鄰的WZ平臺距離最近的C井和D井（使用3種支撐劑比例為200目︰70/140目︰40/70目=4%︰15%︰71%），C井169 d累積產氣量867.8×104m3，D井169 d累積產氣量 1 330.5×104m3，兩井平均 1 099.2×104m3，WX平臺累產平均提高了52%，增產效果顯著。

圖14 WX-A、WX-B井輸氣曲線圖

4.4 支撐劑懸浮體系研發與性能

壓裂現場使用的200目（75 μm）支撐劑的粒徑雖然較小，但根據縫寬與3倍支撐劑粒徑架橋理論，200目支撐劑仍然無法高效地進入開度小于225 μm的裂縫。因此，為了對225 μm以下寬度的裂縫進行有效支撐，需要引入粒徑更小的微支撐劑。而微支撐劑粒徑極小，由于表面張力作用，難以在現場以常規支撐劑加入方式（即干燥顆粒）與壓裂液混合。因此需要預先配制成懸浮液的形式，才能與壓裂液進行有效混合。

由于小顆粒物體容易在靜電作用下發生聚團和吸附作用，筆者團隊通過將微米二氧化硅、石墨烯采用與偶聯劑聯合作用（圖15），通過高速分散形成穩定的微支撐劑懸浮體系，同時在石墨烯表面引入負電荷，提升顆粒之間的靜電斥力，防止顆粒在裂縫壁面被吸附，增加顆粒在裂縫中的運移距離。懸浮型微支撐劑粒徑主要分布區間介于20～65 μm （230～650目）、中值粒徑約為40 μm（400目） （圖16），密度介于1.05～1.10 g/cm3，抗壓強度為80 MPa，外觀為白色乳液。

圖15 微支撐劑懸浮體系劑合成流程圖

圖16 微支撐劑粒度分布曲線圖

為了對該懸浮型微支撐劑的導流能力進行研究，使用無支撐劑填充巖板、微支撐劑填充巖板、70/140目石英砂填充巖板和混合填充巖板（微支撐劑︰70/140目石英砂=1︰1）進行了導流能力實驗，結果如圖17所示。可以發現，使用70/140目支撐劑填充的巖板導流能力最高，無支撐劑填充巖板導流能力最低。對比微支撐劑填充與無支撐劑填充的巖板導流能力，發現隨著閉合應力增加，微支撐劑與無支撐劑填充巖板的導流能力之比整體呈上升趨勢，3.5 MPa的閉合應力下，微支撐劑高10倍左右；在50 MPa閉合應力下，微支撐劑高50倍左右，說明微支撐劑的加入可以顯著改善微裂縫的導流能力。混合填充巖板的導流能力接近70/140目填充巖板，說明微支撐劑對主裂縫的導流能力影響較小。該懸浮型微支撐劑在威遠WXX7井進行了實驗，但該井目前還處于悶井狀態，尚未開井投產。

圖17 不同支撐條件下的導流能力對比圖

5 結論

本文針對頁巖水力壓裂中的井間壓竄、套管變形和微裂縫支撐3個影響頁巖氣安全作業和經濟開發的關鍵問題，進行調研總結，理論分析和現場實踐后得到以下結論。

1）按連通方式可將井間壓竄分為兩口井的壓裂裂縫直接溝通、通過天然裂縫溝通、壓裂裂縫與鄰井井筒直接連通等3類，其中通過壓裂裂縫直接連通產生的干擾程度最大。明確了壓竄主控因素的可控/可變參數和不可變參數，分析總結了新井和老井的壓竄防治措施。現場應用新井強化暫堵、老井關井的防治措施后，壓竄井產量恢復率顯著提高。

2）明確了套變與地質條件有高度相關性，基于應力分析建立了裂縫剪切滑移導致套變機理分析模型，明確了與井筒相交的天然裂縫流體壓力是引發套變的主要因素，從壓裂施工和建井兩個方面提出了套變的防治辦法，現場應用后套變量顯著降低。

3）理論分析和現場試驗結果表明，頁巖壓裂后產生的裂縫網絡中大量的裂縫未得到有效支撐。微支撐劑粒徑小，懸浮能力強，可實現遠距離運移和微小開度裂縫充填。通過現場實驗，證明了微支撐劑可以顯著提高壓后產量。研發了懸浮型微支撐劑，與無支撐劑填充裂縫對比，可提高裂縫導流能力近10倍。