高閉合壓力下深層頁巖氣促縫網(wǎng)強支撐壓裂工藝

引用格式：李德旗，劉春亭，朱炬輝，胥云，王榮，張俊成，吳凱，潘丹丹. 高閉合壓力下深層頁巖氣促縫網(wǎng)強支撐壓裂工藝［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：336-345.

摘要：D 區(qū)塊深層頁巖氣井儲層改造效果不理想，存在高水平地應(yīng)力差及天然裂縫欠發(fā)育導(dǎo)致的裂縫形態(tài)單一、高垂向應(yīng)力導(dǎo)致的高破裂壓力及高施工壓力、高閉合壓力導(dǎo)致的裂縫支撐效果不理想等問題。采用真三軸模擬試驗系統(tǒng)開展了頁巖水力壓裂裂縫擴展模擬實驗，探索了高應(yīng)力差條件下裂縫擴展影響因素，利用自主研發(fā)的相場法裂縫擴展軟件分析了小簇間距對裂縫擴展的影響。現(xiàn)場試驗4 口井，采用密集多簇射孔（8～11 簇/段）、高排量（17～18 m3/min）、限壓不限排量初期造縫模式、壓裂綜合實時判定與調(diào)控的暫堵轉(zhuǎn)向策略可以促進裂縫復(fù)雜，前置酸液、粉砂打磨以及優(yōu)化孔眼數(shù)（44～50 孔/段） 可以有效降低破裂壓力及施工壓力，采用高強度加砂設(shè)計（3.6～4.0 t/m）、組合類型支撐劑可以有效保障裂縫導(dǎo)流能力需求。D 區(qū)塊4 口井采用上述技術(shù)措施后，測試平均產(chǎn)氣量均超過20×104 m3/d，儲層改造效果良好。該系列化技術(shù)措施為高閉合壓力下深層頁巖氣井儲層改造提供了技術(shù)借鑒和現(xiàn)場經(jīng)驗，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；深層；體積壓裂；復(fù)雜裂縫；加砂強度；施工壓力

中圖分類號：TE37；TE357.1 文獻標(biāo)識碼： A

0 引言

目前，深層頁巖氣一般指垂深大于3 500 m 的頁巖儲層［1］，其資源潛力巨大［2］，包括四川盆地、塔里木盆地等深層頁巖氣資源［3］ 都是未來頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的主要接替區(qū)域［4］。然而，深層頁巖氣井儲層特征與中淺層頁巖氣有明顯差異，其儲層改造也面臨更多挑戰(zhàn)［5］，如施工壓力高［6］、高彈性模量及閉合壓力導(dǎo)致的縫寬窄、加砂困難［7］ 、裂縫支撐效果不理想等［8］。針對深層頁巖氣特征，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，并提出了針對性舉措，逐步形成密切割、強加砂、暫堵轉(zhuǎn)向的深層頁巖氣體積壓裂技術(shù)。卞曉冰等［9］利用建立的深層頁巖裂縫動態(tài)擴展模型探究了深層頁巖裂縫形態(tài)影響因素，結(jié)果表明壓裂液黏度是影響縫寬和體積壓裂SRV （Stimulated Reservoir Volume）的主控因素，提高高黏液體用量可增加壓裂縫寬，保障加砂順利。江銘等［10］建立了支撐裂縫導(dǎo)流能力計算模型和深層頁巖氣產(chǎn)能預(yù)測數(shù)學(xué)模型，采用川南深層頁巖氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型進行了歷史擬合，研究表明提高鋪砂濃度和選擇小粒徑支撐劑有利于提高深層頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)時間。蔣廷學(xué)等［11］提出平面射孔、多尺度造縫、多尺度裂縫充填及高角度天然裂縫延伸控制為核心的技術(shù)方案，配套形成了多級交替注入模式（酸、滑溜水、膠液） 以及變黏度、變排量、混合粒徑及小粒徑支撐劑為主體的工藝方法。沈騁等［12］針對渝西深層頁巖氣儲層特征提出采用“大規(guī)模前置液”、“高強度注液、低濃度段塞式加砂”及“基于暫堵轉(zhuǎn)向的縫網(wǎng)復(fù)雜度提升工藝”，單井SRV 與產(chǎn)能得到了有效提升。曾波等［13］提出了以“密切割分段+短簇距布縫、大孔徑等孔徑射孔、大排量低黏滑溜水加砂、高強度小粒徑組合支撐劑、大規(guī)模高強度改造”為主的深層頁巖氣水平井體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)。綜上所述，深層頁巖氣儲層與中淺層頁巖氣儲層地質(zhì)特征存在很大差異，需要在壓裂中提出針對性開發(fā)措施，以實現(xiàn)深層頁巖氣效益開發(fā)。

四川盆地D 區(qū)塊龍馬溪組垂深3 676～4 450 m，主要層系（龍11—龍13） 孔隙度4%～6.5%，TOC 含量4%～6.2%，含氣量4.8～8.7 m3/t，壓力系數(shù)2.0 左右，地層能量充足且可壓性較好，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)62%～75%，彈性模量37～40 GPa，泊松比0.2～0.26。取心及測井解釋結(jié)果表明，D 區(qū)塊龍11—龍13 小層天然裂縫欠發(fā)育，在龍14—五峰組發(fā)育有不同程度的水平層間縫、高角度縫、垂直縫，且多被硅質(zhì)物、黃鐵礦充填。區(qū)塊4 口井水平段平均垂向應(yīng)力94～121.5MPa，最大水平主應(yīng)力97～120.9 MPa，最小水平主應(yīng)力84.4～106.8 MPa，水平地應(yīng)力差13～14.6 MPa。

套變是影響深層頁巖氣儲層改造效果的重要因素［14］，而天然裂縫剪切滑移是發(fā)生套變的最主要機理［15］，其受到天然裂縫走向、傾角、地應(yīng)力狀態(tài)、地層流體壓力、套管強度等因素綜合影響。由于 D 區(qū)塊主力產(chǎn)層垂向應(yīng)力最大，屬于拉張應(yīng)力狀態(tài)，且天然裂縫欠發(fā)育，使其套變風(fēng)險較小，這為高用液強度、高加砂強度、高排量施工提供了有利條件。但由于其三向應(yīng)力絕對值高，深層頁巖氣D 區(qū)塊施工壓力普遍高于103 MPa （限壓112 MPa），對地面長期施工作業(yè)安全運行帶來挑戰(zhàn)。由于D 區(qū)塊頁巖氣儲層破裂壓力較高，且水平段長度大，井筒摩阻高，靠近B 點層段施工時，前置液提排量階段，6～10 m3/min 排量下，壓力就可達到110 MPa 以上，排量建立較為困難，也需要采取針對性措施。此外，D 區(qū)塊頁巖氣閉合壓力普遍超過90 MPa。高閉合壓力下，剪切滑移自支撐裂縫的導(dǎo)流能力保持比張性裂縫好，自支撐裂縫導(dǎo)流能力已經(jīng)不能滿足開采需求［16］ （裂縫壁面有效應(yīng)力達到28 MPa 時，自支撐裂縫導(dǎo)流能力幾乎為0［17］）。

針對四川盆地D 區(qū)塊深層頁巖氣儲層特征及施工過程中面臨的難題，開展實驗與數(shù)值模擬研究，分析其儲層改造過程中縫網(wǎng)形態(tài)，探索促縫網(wǎng)施工方法，并在施工過程中不斷優(yōu)化，形成了一套適用于該區(qū)塊深層頁巖氣的儲層改造模式，克服了D 區(qū)塊深層頁巖氣井造縫網(wǎng)困難、施工壓力高及高閉合壓力條件下裂縫支撐效果不理想等難題。

1 方法過程

針對深層頁巖氣井開發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)，通過高應(yīng)力差條件下裂縫擴展物模實驗、不同簇間距條件下裂縫擴展模擬、暫堵時機優(yōu)化、支撐裂縫導(dǎo)流能力實驗等研究，提出了深層頁巖氣井儲層改造促縫網(wǎng)、強加砂提高經(jīng)濟可采儲量工藝。

1.1 室內(nèi)研究

1.1.1 深層頁巖氣儲層改造裂縫形態(tài)及促縫網(wǎng)措施

（1） 深層頁巖氣井儲層改造大物模實驗。以D 區(qū)塊深層頁巖氣應(yīng)力狀態(tài)為目標(biāo)，開展正應(yīng)力狀態(tài)真三軸頁巖水力壓裂模擬實驗。巖樣取自D 區(qū)塊頁巖露頭，尺寸為30 cm×30 cm×30 cm。設(shè)置垂向應(yīng)力70 MPa，最大水平主應(yīng)力60 MPa，最小水平主應(yīng)力45 MPa，水平應(yīng)力差15 MPa。1～4 號巖樣無天然裂縫，5～9 號巖樣含天然裂縫，其中7 號巖樣實驗過程中采用變排量模式，8、9 號巖樣實驗過程中采用多期次停泵模式，具體實驗方案見表1。

從表1 中可以看出，實驗所用巖心分為存在天然裂縫與無天然裂縫2 類，旨在探索排量、壓裂液黏度等因素對裂縫擴展形態(tài)的影響。實驗采用龍馬溪頁巖露頭，通過與地下真實巖心的力學(xué)性質(zhì)類比優(yōu)選，保證露頭巖樣與地下巖樣參數(shù)相近。采用高性能真三軸實驗裝置加載三向應(yīng)力，結(jié)合16 通道聲發(fā)射裝置和高精度信號監(jiān)測處理軟件，實現(xiàn)壓后三維空間裂縫重構(gòu)，對裂縫擴展特征進行分析。

實驗結(jié)果表明，深層頁巖氣儲層改造主要形成了4 種裂縫形態(tài)。不存在天然裂縫條件下，1～4 號巖樣形成了“一”型裂縫，裂縫形態(tài)單一，僅產(chǎn)生一條主裂縫。存在天然裂縫條件下，7 號巖樣形成了“廠”型裂縫，主裂縫在擴展過程中沿著天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向延伸。5、6、9 號巖樣形成了“T”型裂縫，主要為主裂縫在垂向過程中遇到層理縫后，層理縫開啟，或主裂縫在沿水平方向擴展過程中遇到高角度天然裂縫而被捕集，然后裂縫沿著天然裂縫向兩側(cè)擴展。8 號巖樣形成了“工”型裂縫，主要是因為水力裂縫在沿垂向擴展過程中，上下兩個層理面開啟，限制了水力裂縫在縫高方向上的擴展。

在實驗條件下，排量變化及多期次啟停泵對裂縫擴展沒有產(chǎn)生較大影響。深層頁巖氣裂縫破壞形式單一，超過80% 的露頭巖樣均表現(xiàn)為拉張破壞，張性裂縫為主，這與其高應(yīng)力差、高垂向應(yīng)力以及天然裂縫發(fā)育不足有關(guān)，在一定程度上會導(dǎo)致深層頁巖氣起裂壓力高，難以通過人工轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜縫；垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力后，在實驗條件下，水力裂縫均未能穿越水平層理。這在一定程度上反映了深層頁巖氣儲層改造裂縫擴展易受層理縫影響而縫高受限難題［18］。

（2） 深層頁巖氣儲層改造促縫網(wǎng)方法探究。小簇間距及保障單孔進液量利于復(fù)雜縫網(wǎng)形成［19］。通過室內(nèi)實驗與現(xiàn)場應(yīng)用綜合分析認為，D 區(qū)塊深層頁巖氣在天然裂縫不發(fā)育的情況下，難以實現(xiàn)復(fù)雜裂縫。因此在設(shè)計過程中，首先考慮了段內(nèi)密集多簇的方法，為段內(nèi)裂縫數(shù)的提升提供先決條件。結(jié)合D 區(qū)塊儲層基本參數(shù)，通過川慶鉆探自主研發(fā)相場法裂縫擴展模擬軟件開展數(shù)值模擬，不同簇間距條件下最大、最小水平主應(yīng)力分布如圖1 所示。