郭 慶，張軍濤，申 峰，吳金橋，何大鵬，丁昊明

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司 研究院，陜西 西安 710075;2.延長油田股份有限公司 勘探開發(fā)技術研究中心，陜西 延安 716000)

頁巖氣是一種賦存于滲透率、孔隙度極低的泥頁巖中的非常規(guī)天然氣，主要以吸附、溶解或游離態(tài)存在［1－2］。中國包括鄂爾多斯在內的多個盆地含有不同含氣飽和度的頁巖氣，其中鄂爾多斯盆地延長組發(fā)育兩套典型的陸相泥頁巖，即“張家灘”、“李家畔”泥頁巖［3－4］。與美國海相頁巖相比，鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有分布局限、厚度薄、脆性礦物含量低、粘土礦物含量高等特點［5－6］。延長油田作為國內陸相頁巖氣的代表地區(qū)，近年來致力于陸相頁巖氣的勘探開發(fā)，經過三年多時間的技術攻關與現(xiàn)場實踐，逐步探索出一套適合于延長陸相頁巖氣儲層壓裂改造的工藝技術方法，頁巖氣開發(fā)取得了實質性的突破。

1 陸相頁巖儲層地質特征

鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖氣儲層主要形成于湖泊沉積環(huán)境中，沉積了大面積厚層泥頁巖，表現(xiàn)為與海相頁巖相似的水進體系域沉積背景［7］。存在于長7中下部和長9上部的黑色頁巖，命名為張家灘頁巖和李家畔頁巖，該頁巖存在風化露頭，巖相為薄片狀頁巖。在平面分布上受限于分隔性較強的陸相環(huán)境，總體上分布范圍小，單層厚度薄;在縱向上巖性多為黑色泥頁巖、粉砂質泥巖互層，相變快，非均質性強［8］;該套頁巖層系礦物組成復雜，脆性礦物以石英、長石為主，石英平均含量27.75%、長石平均含量26.28%，碳酸鹽含量少，粘土礦物含量較高［9］，平均約為42.11%。延長組頁巖孔隙度相對較低，孔隙度在0.5% ～3.5%之間，平均值為1.82%，基質滲透率極低，在0.02～0.0034×10－3μm2之間，喉道直徑均值為0.01～0.04 μm。延長組長7、長9頁巖氣埋藏深度一般小于2000 m，地層溫度40～60℃，地層壓力8～13 MPa。

2 陸相頁巖氣開發(fā)難點

頁巖氣儲層孔隙度、滲透率極低，基本無自然產能，壓裂改造是實現(xiàn)經濟有效開發(fā)的主要增產措施。目前，美國在海相頁巖氣儲層應用的壓裂技術有:大型滑溜水壓裂、多級分段壓裂、同步壓裂等，均取得了很好的應用效果。延長陸相頁巖氣儲層與國外海相頁巖氣存在較大差異，在壓裂改造方面主要存在以下技術難點:

(1)儲層脆性礦物少、泥質含量高，壓裂施工難度大，形成的裂縫較窄，同時支撐劑易嵌入裂縫壁面［10］，對壓裂改造技術提出更高的要求。

(2)儲層粘土礦物含量高，具有較強的水敏性，粘土穩(wěn)定劑必不可少，且用量較大，同時常規(guī)壓裂助排劑吸附性較強，作用距離短，普通滑溜水壓裂液體系難以滿足低成本、高效益的開發(fā)要求。

(3)我國陸相頁巖氣多為常壓或異常低壓儲層(如鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖，壓力系數0.6～0.8)，且泥頁巖孔隙吼道小，排驅壓力高，壓裂液水鎖效應明顯，返排慢，投產時間長。

(4)頁巖氣壓裂工藝用水量大，對陜北水資源缺乏地區(qū)來說，施工備水困難，同時壓后大量的返排液處理難度大，處理不當則會造成環(huán)境污染，給脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來巨大威脅。

3 延長油田陸相頁巖氣壓裂技術進展

3.1 壓裂液體系及支撐劑優(yōu)選

3.1.1 壓裂液體系

頁巖氣儲層特點不同，適用的壓裂液也不同。根據含氣頁巖礦物質含量的不同，頁巖氣井壓裂使用的壓裂液主要包括氮氣泡沫，線性膠，凝膠和添加適當降阻劑、殺菌劑等化學藥劑的減阻水［9］，而滑溜水和復合壓裂液是目前主要壓裂液體系。

針對延長陸相頁巖儲層地質特征及存在的潛在傷害因素，優(yōu)選出了滑溜水壓裂液體系。該液體體系為低/無固相體系，可以減少固相顆粒侵入儲層造成堵塞;具有較低的表界面張力，進入儲層后易返排，對儲層水鎖傷害小;還具備較強的粘土防膨能力，避免進入儲層造成水敏傷害［8］。該液體體系在相同作業(yè)規(guī)模下成本較低，比常規(guī)凝膠壓裂成本降低50%左右。延長陸相頁巖氣水平井施工壓力高、加砂難度大，通過室內實驗和現(xiàn)場試驗優(yōu)化出了適合延長陸相頁巖的滑溜水+線性膠的復合壓裂液體系。

圖2 陸相頁巖氣復合壓裂液體系

該復合壓裂液的注入可以保證形成一定的復雜縫網系統(tǒng)，又能保證有施工后期液體的攜帶大粒徑支撐劑能力。該復合壓裂液體系注入方式為滑溜水混砂液與滑溜水(凝膠)交替注入，支撐劑的加入以先小后大為原則，這樣的加入方式既能降低滑溜水的濾失，也能將支撐劑運送至遠井地帶，確保裂縫的導流能力。

3.1.2 支撐劑選擇

國內外頁巖氣壓裂普遍采用滑溜水壓裂液，該類壓裂液體系懸砂性差，為克服這一弱點，通常選用低密度支撐劑。當儲集層閉合壓力大于20 MPa時，天然石英砂會被壓碎，易在裂縫中運移堵塞孔喉，降低儲層滲透率，故選用耐壓性能更優(yōu)越的人造陶粒砂。延長陸相頁巖儲層的閉合壓力20～35 MPa，為了保證壓裂效果，將支撐劑輸送至裂縫的遠端，選用了低密度陶粒(體積密度為1.43～1.60 g/cm3)作為支撐劑。延長油田針對頁巖氣壓裂不同時段分別選用70～100目，40～70目和20～40目陶粒進行多粒徑組合加砂。超低密度支撐劑(40～70目、體積密度為0.65 g/cm3)的選用能更好的優(yōu)化支撐劑對裂縫的支撐效果，經過現(xiàn)場多口井壓裂試驗及微地震裂縫實時監(jiān)測資料顯示，選用超低密度支撐劑在中砂階段混合加入可以達到改善裂縫上部支撐的目的。

3.2 直井光套管壓裂技術

延長陸相頁巖氣直井壓裂為單層多簇射孔合壓，主要采用滑溜水光套管壓裂工藝。優(yōu)化出的壓裂液主要采用滑溜水+線性膠復合的壓裂液體系，結合延長油田陸相氣頁巖的自身地質特點及頁巖氣井小型壓裂測試液體效率數據，以10～12 m3/min排量進行壓裂施工，采取多粒徑段塞脈沖式加砂。直井光套管壓裂技術在延長油田頁巖氣直井中已成功應用20多井次，該技術已趨于成熟。為了提高頁巖氣直井壓裂效果，延長油田還將CO2增能壓裂與直井常規(guī)壓裂相結合，壓裂液返排率大大提高，產氣量上升明顯。

圖3 頁巖氣直井CO2增能壓裂返排效果對比

3.3 水平井分段壓裂技術

隨著頁巖氣開發(fā)的認識深入和技術進步，常規(guī)的直井已經無法滿足開發(fā)的要求，水平井和水平井分段壓裂技術目前已成北美頁巖氣藏有效開發(fā)的主體技術［9，11］。為了獲取更好的頁巖氣產能，延長油田在直井壓裂工藝基礎上也開展了水平井分段壓裂工藝研究。根據陸相頁巖水平井地質條件，主要進行了分段壓裂工具優(yōu)選、壓裂裂縫參數(段數、段長、加砂規(guī)模及射孔簇等)優(yōu)化、施工參數(排量、砂比及泵注程序等)優(yōu)化及配套工藝技術，引進先進的水平井分簇射孔+多級可鉆式橋塞分段壓裂技術。

該工藝利用壓裂泵車泵送電纜下入水力橋塞+射孔槍的方式，一次完成橋塞封隔前一級壓裂段，對下級層段射孔作業(yè)，完成下級壓裂準備的方式。通過循環(huán)該過程，實現(xiàn)多級壓裂的目的。第一級使用連續(xù)油管/油管、爬行器帶電纜等方式進行射孔實現(xiàn)第一級與儲層連通。在進行第一級壓裂以后，通過水力泵入(或者爬行器或連續(xù)油管)將一個由復合橋塞、射孔槍和點火器的井下工具串，帶壓泵送到設計位置，并通過第一次電子點火將復合橋塞座封。然后將射孔槍脫手并上移到下一級射孔位置并進行第二次點火射孔，然后將電纜提出井筒，進行下一級的壓裂施工。通過不斷重復這個過程可以實現(xiàn)無限級的分級壓裂改造。每級通常包括2－5個射孔簇以增加施工效率和降低施工總體費用。在完成所有分級壓裂施工后，下入連續(xù)油管將井下的橋塞全部磨除，恢復整個井筒的通徑并進行生產。截至目前，延長油田應用該技術成功完成了三口陸相頁巖氣水平井大型壓裂施工。頁巖氣水平井壓裂規(guī)模大，進入儲層的壓裂液對儲層潛在傷害大，為了提高壓裂液返排速度，延長油田還首次將CO2壓裂工藝應用于頁巖氣水平井分段壓裂施工中，并取得了成功。

4 配套微地震裂縫監(jiān)測技術

裂縫是頁巖氣的滲流通道，裂縫監(jiān)測在頁巖氣壓裂中占有重要地位，對頁巖氣的壓裂是一種極其有效的監(jiān)測手段。監(jiān)測裂縫的方法主要包括物理示蹤劑法、化學示蹤劑法、微地震監(jiān)測以及測斜儀監(jiān)測，目前應用較廣泛的是微地震監(jiān)測。延長油田主要采用微地震井間實時監(jiān)測，在直井及水平井壓裂過程中，應用微地震裂縫實時監(jiān)測技術確定壓裂作業(yè)效果。微地震采集探頭安放在壓裂目的層或附近的層段，確保采集信號的有效性，通過在目的層段進行射孔產生振動波的方式，在壓裂施工前對整個儲層的速度模型進行校正，并對采集器進行定位。在壓裂過程中，通過模型回歸，可以實時預測裂縫方位、計算改造體積及泄流面積，為后期的產量預測、新井布井提供參考［11－12］。

在頁巖氣壓裂過程中，延長油田多次將該技術應用于直井、水平井壓裂施工裂縫監(jiān)測，很好的觀察到裂縫發(fā)生、發(fā)展全過程，通過裂縫監(jiān)測到的裂縫實際情況實時調整壓裂施工方案，保證了裂縫縫網系統(tǒng)向著設計的方向發(fā)展。微地震裂縫實時監(jiān)測技術不僅指導了壓裂現(xiàn)場施工方案調整，還為頁巖氣叢式水平井壓裂方案設計優(yōu)化提供科學依據。

5 結論與認識

(1)經過近三年的研究，延長油田已初步建立了一套適用于鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣直井、水平井壓裂工藝技術體系。

(2)CO2增能壓裂技術可以顯著提高壓裂液的返排速度和返排率，減少壓裂液滯留和水鎖傷害，提高改造效果。建議繼續(xù)開展陸相頁巖氣井CO2增能壓裂推廣試驗工作。

(3)液態(tài)CO2壓裂對粘土礦物含量較高的陸相頁巖氣儲層，傷害極低，是陸相頁巖氣理想的壓裂技術。建議開展頁巖儲層CO2干法壓裂工藝技術相關研究工作。

(4)目前，陸相頁巖氣壓裂工藝技術已相對成熟，但是頁巖儲層改造增產機理方面的研究相對滯后，一定程度上影響著壓裂施工效果。建議盡快開展頁巖壓裂裂縫的開啟及延伸機理研究，結合儲層地質特征，優(yōu)化陸相頁巖氣儲層增產改造方式，為后續(xù)壓裂工藝研究提供理論依據。

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