段 華，鄧 燕，李 枚，扶喆一，劉彧軒

(1中石化勘探分公司 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

致密砂巖氣是一種儲(chǔ)集于低滲透-特低滲透致密砂巖儲(chǔ)層中典型的非常規(guī)天然氣資源，依靠常規(guī)技術(shù)難以開采，需通過(guò)大規(guī)模壓裂或特殊采氣工藝技術(shù)才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的天然氣[1]。致密砂巖氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一，在我國(guó)鄂爾多斯盆地、四川盆地和塔里木盆地也勘探開發(fā)了大量的致密砂巖氣，在2015 年陸上主要盆地生產(chǎn)致密砂巖氣 500×108m3左右，到2020年全國(guó)致密砂巖氣年產(chǎn)量有可能達(dá)到600×108m3以上[2]。四川地區(qū)川東北元壩地區(qū)的致密砂巖具有埋藏深(約3 800～5 000 m)、高壓、巖性致密、超低孔、超低滲、含氣豐度低等特點(diǎn)，儲(chǔ)層改造難度大，改造效果差，開發(fā)難度大[3]。為此，中國(guó)石化勘探分公司持續(xù)開展了儲(chǔ)層精細(xì)認(rèn)識(shí)，明確致密砂巖儲(chǔ)層改造的難點(diǎn)，提出相對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和總結(jié)，形成了一套適用于川東北深層致密砂巖氣藏的壓裂改造工藝技術(shù)，基本滿足了探井測(cè)試需要，有效促進(jìn)了地區(qū)勘探工作，對(duì)同類型的深層致密砂巖壓裂改造也具有重要借鑒意義。

一、元壩地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層工程地質(zhì)特征

元壩地區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構(gòu)造帶結(jié)合部，陸相主要發(fā)育三疊系須家河組二段、三段、四段等致密砂巖儲(chǔ)層。

1.巖性特征

須二段巖性為中粒的巖屑砂巖、含巖屑石英砂巖、石英砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖等。須三段巖性主要為細(xì)-中粒的巖屑砂巖、巖屑砂質(zhì)礫巖，巖屑成分主要為灰?guī)r。須四段巖性主要為巖屑砂質(zhì)礫巖、巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖。

2.物性特征

須二段儲(chǔ)層段巖心孔隙度主要分布在2.4%～10.53%之間，平均為5.72%；滲透率平均為0.080 mD。須三段儲(chǔ)層巖心孔隙度主要分布在1.39%～7.16%之間，平均為2.92%；滲透率平均為0.0135 mD2。須四段儲(chǔ)層孔隙度分布在0.93%～3.84%之間，平均為1.94%；滲透率平均為0.056 mD。

3.孔喉結(jié)構(gòu)特征

孔隙以微孔、小孔為主，孔隙喉道半徑主要集中在0.063～2.5 μm范圍內(nèi)，多屬細(xì)喉微喉；孔喉結(jié)構(gòu)差主要分布小孔-細(xì)喉、微孔-微喉、小孔-微喉。

4.氣藏動(dòng)態(tài)特征

元壩地區(qū)儲(chǔ)層埋深一般在3 800～5 000 m之間；地壓系數(shù)1.7～2.1，平均地壓系數(shù)1.92，屬異常高壓氣藏；地溫梯度為(1.975℃～2.517℃)/100 m，平均地溫梯度為2.25℃/100 m，屬于正常的地溫梯度范圍；含氣飽和度在62%～80%之間；氣藏類型為低-特低孔、致密-超致密高溫高壓孔隙-裂縫型氣藏；須四束縛水飽和度高(含水飽和度50%～74%)。

5.巖石力學(xué)特征

元壩須家河儲(chǔ)層整體呈現(xiàn)出彈性模量高，抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，巖心抗壓強(qiáng)度為320～425 MPa之間，抗張強(qiáng)度在巖8～10 MPa之間，楊氏模量在29.4～42.6 GPa之間，泊松比在0.18～0.245之間。

二、儲(chǔ)層改造難點(diǎn)

(1)儲(chǔ)層埋藏深，破裂壓力高、延伸壓力高，壓裂施工難度大。元壩地區(qū)陸相破裂壓力梯度異常高(0.025～0.032 MPa/m)，有的井層達(dá)到限壓極限還是壓不開儲(chǔ)層，導(dǎo)致施工失敗。延伸壓力高，排量受限，儲(chǔ)層改造半徑受限，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)縫壓裂的難度較大。元壩地區(qū)施工壓力和延伸壓力梯度在0.023～0.029 MPa/m之間，甚至有的井在限壓105 MPa下，排量不到3 m3/min，無(wú)法完成加砂壓裂施工。

圖1 YL7井須三段3461～3471m井段地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)剖面圖

(2)目的層縫高難以控制，較難實(shí)現(xiàn)深穿透。由于儲(chǔ)層與上下頂?shù)讓訋r性差異小、應(yīng)力差值不大，不利于縫高的控制和裂縫在水平方向的延伸。如YL7井須三段，根據(jù)測(cè)井密度、聲波、自然伽馬等資料，通過(guò)采用地應(yīng)力軟件對(duì)改造儲(chǔ)層及上下頂?shù)讓舆M(jìn)行應(yīng)力計(jì)算(見圖1)，可見儲(chǔ)層與上下頂層的應(yīng)力值差值很小(分別為2.8 MPa和1.6 MPa)，儲(chǔ)層改造時(shí)縫高不易控制。

(3)儲(chǔ)層巖石具有強(qiáng)親水性，壓裂水鎖傷害嚴(yán)重，影響壓裂液改造效果。元壩區(qū)塊巖石孔喉結(jié)構(gòu)差同時(shí)具有強(qiáng)親水性。壓裂過(guò)程中，壓裂液濾失容易造成水侵，在水侵過(guò)程，有明顯的氣水界面，氣驅(qū)過(guò)程，氣水界面模糊，大量的液體殘留在微裂縫附近的基質(zhì)孔隙中，造成水鎖傷害，壓裂效果差。

(4)由于儲(chǔ)層高溫、高壓，施工壓力高，對(duì)完井管柱及井下工具提出了更高的要求。

三、形成的儲(chǔ)層改造攻關(guān)技術(shù)及實(shí)踐

面對(duì)深層超高壓致密砂巖氣藏的改造難題，中國(guó)石化勘探分公司進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐，有效地解決了部分問(wèn)題，取得了好的成效，形成了適用于深層超高壓致密砂巖氣藏的改造技術(shù)。

1.高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)

通過(guò)應(yīng)用高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行壓前地質(zhì)評(píng)估，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)有利儲(chǔ)集相帶展布規(guī)律及近井天然裂縫發(fā)育情況，為提高儲(chǔ)層改造成功率及有效性提供了基礎(chǔ)。

元壩地區(qū)大部分井(占46.9% )改造后僅獲得了低產(chǎn)工業(yè)氣流，部分井未獲得工業(yè)氣流(占34.5%)。試氣井未鉆遇較發(fā)育裂縫儲(chǔ)層，而后期改造范圍也未能溝通到較遠(yuǎn)處裂縫發(fā)育帶，基質(zhì)孔隙的供氣能力有限，導(dǎo)致壓后產(chǎn)能低。產(chǎn)量遞減快則是由于天然裂縫帶發(fā)育范圍較小、儲(chǔ)層改造半徑也有限，這種情況下，受邊界效應(yīng)的影響，氣井產(chǎn)量遞減就快。

元壩深層致密砂巖儲(chǔ)層主要為辮狀河道及水下分流河道微相沉積，裂縫既是油氣運(yùn)移的通道又是油氣聚集的空間，有利沉積相帶和裂縫控制氣藏的富集、高產(chǎn)。因此，運(yùn)用壓前地質(zhì)評(píng)估、高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)有利儲(chǔ)集相帶展布規(guī)律及近井天然裂縫發(fā)育情況，優(yōu)選有利井層進(jìn)行改造，就會(huì)提高儲(chǔ)層改造成功率及有效性。

2.酸損傷降低破裂壓力技術(shù)

須家河儲(chǔ)層具有高的地層破裂壓力梯度和施工泵壓，這增加了加砂壓裂的施工風(fēng)險(xiǎn)，限制了儲(chǔ)層改造的加砂規(guī)模，導(dǎo)致儲(chǔ)層改造效果較差，或根本無(wú)法開展加砂壓裂儲(chǔ)層改造，而酸預(yù)處理可以降低儲(chǔ)層的破裂壓力[4]，是常用的降低儲(chǔ)層破裂壓力方法[5-6]。通過(guò)開展酸處理降低破裂壓力機(jī)理研究，優(yōu)選出適合該區(qū)的壓裂酸化預(yù)處理的液體體系與工藝參數(shù)，能有效降低破裂壓力，形成了酸損傷降低破裂壓力工藝技術(shù)方法，確保了施工順利進(jìn)行。

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)、物性特征、動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特征方面揭示了酸降低砂巖強(qiáng)度的微、細(xì)、宏觀機(jī)理，明確了該區(qū)域的巖石酸損傷效應(yīng)的控制因素從高到低依次是酸濃度、作用時(shí)間、壓力；優(yōu)化須家河組致密砂巖采用15%HCl+3%HF作為壓裂前置酸液，推薦用量20～30 m3，以低于破裂壓力的最大排量施工，形成的酸損傷降低破裂壓力工藝技術(shù)方法可以降低破裂壓力8%～10%。M3井位于通江凹陷的一口井，改造層位為須二下亞段(4 900～4 914 m)。該井采用20 m3前置酸液解除近井地帶損害并降低破裂壓力，同時(shí)采用限壓115 MPa進(jìn)行超高壓壓裂。該井累計(jì)注液372.8 m3，地層破裂壓力91.8 MPa，酸進(jìn)入地層后施工壓力明顯降低，停泵壓力56 MPa左右，施工曲線見圖2。

圖2 M3井須二下亞段酸化預(yù)處理壓裂施工曲線

3.低傷害壓裂液技術(shù)

在確保大規(guī)模加砂成功的基礎(chǔ)上，優(yōu)化壓裂液體系，形成了低摩阻、防水鎖、低傷害增能壓裂液。壓裂液延遲交聯(lián)時(shí)間1～20 min，降阻率25%～30%，黏土膨脹率24%，表面張力24.9 mN/m，巖心傷害率23%～25 %，滿足了深層致密高應(yīng)力儲(chǔ)層改造壓裂液的低傷害需求。

由于元壩深層致密儲(chǔ)層低孔、低滲，孔喉半徑小，雖然水敏性不強(qiáng)，但水鎖傷害、壓裂液殘?jiān)鸬膫Σ蝗莺鲆?，因此，針?duì)目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層特點(diǎn)，對(duì)壓裂液配方進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選了一種具有集黏土穩(wěn)定性能、助排性能、起泡性能、防水鎖等多種功能于一體的液體添加劑BM-B10，形成了一種低摩阻、防水鎖、低傷害的增能壓裂液。該體系壓裂液降阻效果顯著，?76 mm壓裂管柱，排量5.0 m3/min，降阻率36%，?62 mm壓裂管柱，排量5.0 m3/min，降阻率49%(見圖3)；該壓裂液體系傷害率也遠(yuǎn)低于一般的有機(jī)鈦、鋯交聯(lián)壓裂液的傷害，壓裂液巖心傷害率18%～23%，裂縫導(dǎo)流能力傷害率低于19.6%(見圖4)；使用該壓裂液后滲透率恢復(fù)率接近90%，比常規(guī)提高了20%，具有較強(qiáng)的降水鎖作用，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

圖3 壓裂液的降阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 裂縫導(dǎo)流能力傷害試驗(yàn)結(jié)果

巖心號(hào)傷害液配方初始啟動(dòng)壓力梯度/(MPa·cm-1)傷害后啟動(dòng)壓力梯度/(MPa·cm-1)傷害后啟動(dòng)壓力梯度增加倍數(shù)X11-2常規(guī)0.1410.7274.156X11-1增能0.1440.4982.458

4.超高壓安全作業(yè)技術(shù)

引進(jìn)2500型壓裂機(jī)組，通過(guò)配套140 MPa超高壓壓裂設(shè)備、井口裝置和地面流程，研制井下工具(超高強(qiáng)度封隔器)，優(yōu)化壓裂管柱，制定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施細(xì)則，形成超高壓大型壓裂技術(shù)，提高了壓力級(jí)別，具備140 MPa超高壓施工能力，能夠?qū)崿F(xiàn)了超高壓安全作業(yè)。通過(guò)140 MPa超高壓井口、壓裂設(shè)備及測(cè)試工藝配套，使常規(guī)壓裂(限壓95 MPa)無(wú)法實(shí)施井進(jìn)行了改造(表2)。

表2 元壩地區(qū)部分井超高壓效果情況

5.快速返排技術(shù)

液氮+纖維快速返排技術(shù)、壓后氣舉、泵舉等復(fù)合助排措施加大壓裂液在短時(shí)間內(nèi)的返排率，確保了壓裂施工效果。壓裂施工過(guò)程盡可能全程伴注液氮，增加殘液返排能量；壓后若產(chǎn)量低、井口間隔開關(guān)井排液效果差、殘液返排率大于60%，采用液氮?dú)馀e助排誘噴排液；必要時(shí)采用連續(xù)油管+膜制氮?dú)馀e排液；采用優(yōu)化助排劑、起泡劑助排等措施，減少壓裂液在儲(chǔ)層中的滯留時(shí)間，提高壓裂液的返排率，確保壓裂施工效果。

6.其他配套技術(shù)

高強(qiáng)度支撐劑以及射孔優(yōu)化等其它配套技術(shù)的采用進(jìn)一步保證了施工的成功率和改造效果。

(1)高強(qiáng)度支撐劑。由于儲(chǔ)層埋藏深，應(yīng)力高，縫寬有限，攜砂液主要采用40/70目103 MPa中密高強(qiáng)度陶粒，后期加入30/50目低密度高強(qiáng)度陶粒作支撐劑以滿足長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，同時(shí)在前置液階段設(shè)計(jì)70/140目粉陶段塞來(lái)封堵多裂縫及天然裂縫，以提高壓裂施工成功率。

(2)射孔及壓裂管柱優(yōu)化技術(shù)。采用集中射孔策略，縮小射孔井段，增大孔密(由16孔/m增加為20孔/m)，能降低破裂壓力。盡可能采用?114.3 mm油管，以降低沿程摩阻，達(dá)到降低施工壓力提升施工排量的目的。

四、改造效果

以上系列技術(shù)在元壩深層致密砂巖儲(chǔ)層的勘探開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，取得了良好的開發(fā)效果。近年來(lái)對(duì)該區(qū)域30多井層進(jìn)行了儲(chǔ)層改造，大部分井常規(guī)測(cè)試未見氣或低產(chǎn)，經(jīng)儲(chǔ)層改造后才獲得了工業(yè)氣流，施工成功率達(dá)到 100%，高效井比例達(dá)到48%，如YL28井的須四層段解釋為差氣層、干層，經(jīng)改造后，獲得試氣產(chǎn)量102.36×104m3/d，成為一口高效井。類似改造后成為主產(chǎn)井的還有YL7、YB221、YB224、YL12、Y2等井。YB3、YL3等解釋為差氣層、干層的井經(jīng)改造后成為中產(chǎn)井。這些井層的高效改造有效支撐了該區(qū)域的勘探工作，對(duì)同類型的深層致密砂巖壓裂改造也具有重要借鑒意義。

五、結(jié)論

(1)元壩地區(qū)深層致密砂巖儲(chǔ)層中有利沉積相帶和裂縫控制了氣藏的富集、高產(chǎn)。溝通裂縫是高產(chǎn)關(guān)鍵，可以通過(guò)壓前地質(zhì)評(píng)估，應(yīng)用高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)有利儲(chǔ)集相帶展布規(guī)律及近井天然裂縫發(fā)育情況，從而提高儲(chǔ)層改造成功率及有效性。

(2)元壩地區(qū)各井破裂壓力高、延伸壓力高，施工難度大，通過(guò)前置酸化預(yù)處理、優(yōu)化射孔參數(shù)并配套低摩阻壓裂液、優(yōu)化測(cè)試管柱和超高壓施工設(shè)備可以有效降低破裂壓力和施工壓力確保安全高效改造。

(3)采用復(fù)合改造等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)造長(zhǎng)縫，最大限度疏通裂縫、溝通裂縫是提高元壩深層致密砂巖儲(chǔ)層改造效果的重要手段。

(4)元壩深層致密儲(chǔ)層低孔、低滲，孔喉半徑，通過(guò)優(yōu)化低傷害壓裂液體系和運(yùn)用快速返排的各種措施，確保改造過(guò)程中的低傷害是提高改造效果的重要方面。