瀘州陽101 井區深層頁巖氣壓裂技術研究

田寶剛，邱 偉

（中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽 457164）

四川盆地海相地層五峰組-龍馬溪組頁巖氣資源量巨大。近年來，逐漸建設了涪陵、長寧-威遠、昭通等國家級頁巖氣開發示范區，實現了埋深在2 500～3 500 m頁巖氣的商業化開采，但3 500 m 以深的丁山、威遠、永川、瀘州等深層頁巖氣田[1-2]，由于其埋深導致壓裂施工難度及成本遠大于淺層頁巖氣，使得深層頁巖氣還未實現大規模效益開發。

川南瀘州陽101 井區前期殼牌公司累計完成12口水平井壓裂施工，測試產量（1.70～43.00）×104m3/d，平均14.43×104m3/d，單井壓后產量差異較大，壓后產量遞減快。主要因地質條件復雜、水平應力差異大、施工泵壓高、縫寬窄等原因，導致加砂困難，壓后的裂縫復雜程度和改造體積有限，壓后產氣量低，并且衰減快、長期穩產難[3]。為此，針對該區塊改造難點，以提高裂縫復雜性、導流能力和分段分簇改造充分性為思路，配套針對性體積壓裂工藝技術措施[4-6]，在2 口井中成功應用，實現了商業突破，為瀘州陽101 井區頁巖氣田的開發奠定了堅實的技術基礎。

1 工程地質特征

1.1 物性及含氣性分析

川南瀘州陽101 井區深層頁巖氣目的儲層位于五峰組-龍馬溪組地層，埋深3 600～4 200 m，其中五峰組-龍馬溪組一段1～4 小層儲層厚度大，其中Ⅰ+Ⅱ類儲層厚度為35～40 m，巖性主要為黑色泥頁巖、灰黑色碳質泥頁巖。測井解釋孔隙度在4.5%～5.9%，平均4.9%；有機碳含量為2.5%～5.7%，平均3.5%；總含氣量4.8～8.1 m3/t，平均6.7 m3/t，底部含氣量明顯高于中上部。表明該區域具有良好的資源前景，具備較大的勘探開發潛力。

1.2 巖石礦物分析

采用全巖礦物X 射線衍射對五峰組-龍馬溪組目的層取心巖石進行分析，優質頁巖層段五峰組-龍馬溪組一段石英礦物含量47.9%～61.3%，平均56.4%；碳酸鹽巖礦物含量10.6%～17.9%，平均13.8%；黏土礦物含量11.2%～26.0%，平均18.4%。整體脆性礦物含量較高，在72.0%～88.0%，而且自上到下（龍馬溪組-五峰組一段1～4 小層）黏土含量逐漸降低，脆性礦物逐漸上升，見表1。

表1 Y101H1-2 井深層頁巖礦物組成 單位：%

1.3 力學特征分析

對目的層取心并進行楊氏模量、泊松比及三軸應力測試。結果（表2）表明，優質頁巖龍馬溪組一段1～4小層楊氏模量在40.5～47.2 GPa，泊松比在0.26～0.27，最小水平主應力在87.0～89.2 MPa，最大水平主應力在99.9～102.1 MPa，水平主應力差為12.6～12.9 MPa，差異系數0.14。由于其最小水平主應力絕對值就高達88.0 MPa，再加上壓裂時需要形成較高凈壓力條件下，天然裂縫較大程度的開啟，說明該深層頁巖氣施工難度及形成復雜裂縫的難度極大。

表2 Y101H1-2 井深層頁巖力學特征

1.4 裂縫發育特征分析

通過對螞蟻體裂縫解釋分析可知，Y101H1-2 井的1 500 m 水平井段中126 m 裂縫較發育，1 120 m 距離天然裂縫較近，說明瀘州區塊深層頁巖天然裂縫相對發育。

2 壓裂改造難點及技術對策

2.1 壓裂改造難點

（1）儲層兩向水平應力差異較大，形成復雜縫網難度較大。水平主應力差為12.6～12.9 MPa，差異系數0.14，在較高的裂縫延伸下，再進一步提高較高的施工凈壓力很難，會導致天然裂縫開啟難，裂縫的復雜程度低。

（2）瀘州區塊頁巖氣儲層埋藏深，具有“三高一變”的儲層特性，即高破裂壓力，高停泵壓力，高閉合壓力，頁巖塑性變強。因此，導致施工壓力高，壓裂縫寬小，加砂難度大。Y101H1-2 井前七段壓裂過程中出現多次砂堵，地層對砂比敏感，整個加砂砂比較低（綜合砂液比小于3.0%），加砂量偏低（單段加砂量為40～60 m3），難以獲得較高的導流能力。

（3）增加套管變形的風險，嚴重耽誤工期，減少壓裂改造段數，影響產能。初步統計表明，套管變形及破損問題在瀘州區塊較為普遍，已進行壓裂施工的井中，發生明顯套管變形的井有7 口，套管變形率為78.5%，如何預防在壓裂施工中套管變形是亟待解決的問題。

2.2 技術對策

針對前述壓裂改造面臨的難點，并借鑒國內外頁巖氣水平井的壓裂經驗和最新發展趨勢，以提高裂縫的復雜性和增大裂縫導流能力為核心目標。通過采用“密切割分段分簇+暫堵轉向”等技術來提高裂縫的復雜性，采用低砂比連續加砂增加加砂強度，提高裂縫導流能力，提升壓裂改造效果。具體為：

（1）加強地質和工程甜點結合優化分段分簇和射孔參數，采用“密切割分段分簇+暫堵轉向”壓裂工藝并采用投球縫口暫堵+暫堵劑縫內暫堵復合轉向工藝，保障各段簇的充分改造。

（2）采用多粒徑支撐劑適當增加小粒徑支撐劑用量，保障分支縫的有效支撐；采用低砂比長段塞加砂模式，盡量提高加砂強度至2.0～2.5 t/m。

（3）優化壓裂液體系，采用變黏滑溜水體系，其中，施工前期采用低黏滑溜水，盡可能的溝通天然裂縫，后期采用高黏滑溜水，以保障提高壓裂液的攜砂能力。

3 壓裂工藝優化設計

3.1 超高壓裝備配套、大排量施工

為了克服較大的水平主應力差形成復雜裂縫，須采用大排量施工以提高裂縫內凈壓力。Y101H1-2 井140 MPa 的套管、壓裂井口及大功率電動壓裂泵車，施工限壓達到120 MPa、施工排量達到16～18 m3/min。

3.2 暫堵轉向技術

暫堵轉向可分為投球縫口暫堵和暫堵劑縫內暫堵。

投球縫口暫堵是通過一次或多次向井段內投送可溶性暫堵球，封堵射孔炮眼，迫使后續壓裂液進入未壓開的射孔簇，促使新縫的產生，最終提高改造段的縫覆蓋率。通過投球實現簇口暫堵轉向壓裂，并將壓裂一段1 級提升為一段2～3 級。均勻改造每條裂縫，提高射孔每簇的壓裂有效率。

暫堵球粒徑：暫堵球粒徑（13.5 mm）稍大于射孔孔眼直徑（10.0 mm）。

暫堵球數量：暫堵球數量為射孔孔數的50%～60%。

暫堵球加入時機：在施工的中間時段投球，促使投球前后2 級裂縫均有效及充分延伸。

暫堵劑縫內暫堵是采取添加暫堵劑顆粒對縫內進行暫堵，提高縫內凈壓力，從而開啟新裂縫或轉向裂縫，增加整體改造體積，主要是針對頁巖氣天然裂縫發育的井段。

暫堵劑顆粒粒徑：2.0～3.0 mm。

暫堵劑數量：300～400 kg。

暫堵劑加入時機：在施工的中間時段加入，促使加入前后2 級裂縫均有效及充分延伸。

3.3 分段分簇射孔優化

一般射孔位置的優選原則有：（1）優選脆性高、含氣量高、破裂壓力低的甜點區進行射孔；（2）將物性參數、地應力差異小、固井質量相當的井段劃為一段進行壓裂改造；（3）對地質評價較好的井段，適當減少段間距，加密段數，增加改造規模。在射孔參數優化方面，可增加射孔簇數（射孔簇數由2～3 簇/段增加到5～8 簇/段）、縮短簇間距（由20～35 m 縮短至10～15 m）、減小單簇射孔長度（由1.0～2.0 米/簇減至0.3～0.6 米/簇），利用簇間干擾，集中液體能量，提高多簇射孔孔眼開啟率，提高裂縫的復雜程度。而且在針對深層頁巖氣應力差異大，不利于縫網形成的客觀條件下，可增加裂縫條數，同樣提升改造體積。

3.4 防止套管變形施工對策

易誘發套管變形井段（螞蟻體裂縫追蹤顯示裂縫相對發育）控制施工規模和施工排量；采用階梯降排量停泵模式，緩解局部應力加載。若發生套管變形，根據套管變形情況，若變形程度較小，采用滿足該地層溫度條件下的小直徑橋塞，若小直徑橋塞都無法正常下入，則利用連續油管對套管變形影響段進行射孔，射孔完畢后采用投球暫堵轉向壓裂。

3.5 降低加砂難度，增加改造體積和導流能力

采用等孔徑射孔、加強酸預處理、加強粉陶段塞等技術措施降低破裂壓力和近井效應，降低加砂難度；提高液體黏度，采用高黏滑溜水，確保攜砂及造縫性能；適當增加小粒徑支撐劑用量，保障分支縫的有效支撐；優化泵注程序，采用長段塞連續加砂模式，砂比4.0%～10.0%，提高加砂量和改善裂縫鋪置剖面，確保裂縫導流能力。

4 壓裂施工參數優化設計

4.1 裂縫參數優化

4.1.1 裂縫半長優化 采用Meyer 壓裂軟件，輸入地質參數，模擬了裂縫半長220、240、260、280、300 m 時累計產氣量，模擬結果發現（圖1），累計產氣量隨裂縫半長增加而增大。當裂縫半長大于280 m 時累計產氣量增長速度減緩，綜合考慮最優裂縫半長為280 m 左右[5]。

圖1 不同裂縫半長對累計產氣量的影響圖

4.1.2 裂縫導流能力優化 在設定裂縫半長為280 m時，模擬了裂縫導流能力在2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 D·cm 時累計產氣量，模擬結果發現（圖2），累計產氣量隨裂縫導流能力增加而增大。當導流能力大于6.00 D·cm 時累計產氣量增長速度減緩，綜合考慮最優裂縫導流能力為6.00 D·cm 左右[7]。

圖2 不同裂縫導流能力對累計產氣量的影響圖

4.2 施工參數優化

4.2.1 規模優化 采用Meyer 壓裂軟件模擬施工液量為1 600、1 800、2 000、2 200、2 400 m3時裂縫半長，結果表明，隨著施工液量的增加，裂縫半長不斷增加，但增加的趨勢逐漸減緩，當施工液量為2 200 m3時，裂縫半長為285 m，滿足最優裂縫半長的要求。綜合考慮單段壓裂最優施工液量為2 200 m3左右。

4.2.2 加砂量優化 采用Meyer 壓裂軟件模擬支撐劑規模60（平均砂比2.7%）、80（平均砂比3.7%）、100（平均砂比4.5%）、120（平均砂比5.4%）、140 m3（平均砂比6.3%）時裂縫導流能力，當支撐劑規模在100～120 m3時，裂縫導流能力在5.70～7.16 D·cm，即能獲得最優裂縫導流能力。

5 現場應用

5.1 現場應用總體情況

形成的川南瀘州區塊深層頁巖氣Y101H1-2 井及Y101H4-5 井，施工成功率100%。單井最大注入液量63 007 m3，單井最大加砂量3 316 t，壓后測試產量分別為46.80×104m3/d、35.60×104m3/d（表3），在瀘州陽101 井區取得重大商業突破。

表3 瀘州陽101 井區頁巖氣井壓裂測試參數表

5.2 壓后效果評價分析

（1）采用多段多簇密切割，縮短縫間距，裂縫越密集，越有利于提高裂縫滲流面積，實現“全”可采，不留死區。Y101H1-2 井、Y101H4-5 井2 口井的簇間距較常規的25～30 m 縮短至12～20 m，應用G 函數分析2口井多裂縫特征明顯[8]。

（2）提高70/140 目小粒徑支撐劑用量（Y101H1-2井、Y101H4-5 井使用70/140 目支撐劑占比達到40%～50%），在更好地溝通微裂縫/微裂隙的基礎上，又能夠起到縫內轉向的目的，提高裂縫復雜程度[9]。

（3）深層頁巖氣層閉合應力大，裂縫長期導流能力衰減快，采用長段塞連續加砂模式，增加加砂強度，可提高裂縫長期導流能力和有效支撐裂縫體積。Y101H4-5 井在加砂壓力平穩，加砂順暢的情況下不斷提高加砂強度，加砂強度達到2.5～3.0 t/m，為壓后的高產奠定了基礎。

（4）采取加入暫堵球、暫堵劑轉向技術，促使形成復雜縫網，確保儲層有效改造體積。由Y101H1-2 井第5 段壓裂裂縫監測可知，暫堵前事件點集中在井筒西側連續響應，添加暫堵劑后，微地震事件點集中在井筒東側響應，暫堵效果明顯。

6 結論與認識

（1）瀘州陽101 井區頁巖氣氣藏物性、含氣量、脆性礦物含量中等偏上，可壓性較好。但其埋藏深、地應力高、水平主應力差異大、天然裂縫發育一般，裂縫起裂及延伸壓力高，導致施工泵壓高，加砂困難，難以形成復雜縫網。

（2）針對瀘州陽101 井區深層頁巖氣井壓裂改造的難點，形成了“多段多簇密切割+高強度長段塞連續加砂+暫堵轉向、大排量、大液量”主體壓裂工藝，以增加裂縫的改造體積和導流能力。

（3）該壓裂工藝在目標區塊2 口頁巖井得到成功應用，壓后測試均得到高產工業氣流，拉開了瀘州區塊深層頁巖氣大規模商業開發的序幕。