田寶剛，邱 偉

（中國(guó)石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)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(shè)了涪陵、長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、昭通等國(guó)家級(jí)頁巖氣開發(fā)示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)了埋深在2 500～3 500 m頁巖氣的商業(yè)化開采，但3 500 m 以深的丁山、威遠(yuǎn)、永川、瀘州等深層頁巖氣田[1-2]，由于其埋深導(dǎo)致壓裂施工難度及成本遠(yuǎn)大于淺層頁巖氣，使得深層頁巖氣還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模效益開發(fā)。

川南瀘州陽101 井區(qū)前期殼牌公司累計(jì)完成12口水平井壓裂施工，測(cè)試產(chǎn)量（1.70～43.00）×104m3/d，平均14.43×104m3/d，單井壓后產(chǎn)量差異較大，壓后產(chǎn)量遞減快。主要因地質(zhì)條件復(fù)雜、水平應(yīng)力差異大、施工泵壓高、縫寬窄等原因，導(dǎo)致加砂困難，壓后的裂縫復(fù)雜程度和改造體積有限，壓后產(chǎn)氣量低，并且衰減快、長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)難[3]。為此，針對(duì)該區(qū)塊改造難點(diǎn)，以提高裂縫復(fù)雜性、導(dǎo)流能力和分段分簇改造充分性為思路，配套針對(duì)性體積壓裂工藝技術(shù)措施[4-6]，在2 口井中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)突破，為瀘州陽101 井區(qū)頁巖氣田的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 物性及含氣性分析

川南瀘州陽101 井區(qū)深層頁巖氣目的儲(chǔ)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(chǔ)層厚度大，其中Ⅰ+Ⅱ類儲(chǔ)層厚度為35～40 m，巖性主要為黑色泥頁巖、灰黑色碳質(zhì)泥頁巖。測(cè)井解釋孔隙度在4.5%～5.9%，平均4.9%；有機(jī)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(qū)域具有良好的資源前景，具備較大的勘探開發(fā)潛力。

1.2 巖石礦物分析

采用全巖礦物X 射線衍射對(duì)五峰組-龍馬溪組目的層取心巖石進(jìn)行分析，優(yōu)質(zhì)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(xué)特征分析

對(duì)目的層取心并進(jìn)行楊氏模量、泊松比及三軸應(yīng)力測(cè)試。結(jié)果（表2）表明，優(yōu)質(zhì)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(yīng)力在87.0～89.2 MPa，最大水平主應(yīng)力在99.9～102.1 MPa，水平主應(yīng)力差為12.6～12.9 MPa，差異系數(shù)0.14。由于其最小水平主應(yīng)力絕對(duì)值就高達(dá)88.0 MPa，再加上壓裂時(shí)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(fù)雜裂縫的難度極大。

表2 Y101H1-2 井深層頁巖力學(xué)特征

1.4 裂縫發(fā)育特征分析

通過對(duì)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(fā)育，1 120 m 距離天然裂縫較近，說明瀘州區(qū)塊深層頁巖天然裂縫相對(duì)發(fā)育。

2 壓裂改造難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

2.1 壓裂改造難點(diǎn)

（1）儲(chǔ)層兩向水平應(yīng)力差異較大，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度較大。水平主應(yīng)力差為12.6～12.9 MPa，差異系數(shù)0.14，在較高的裂縫延伸下，再進(jìn)一步提高較高的施工凈壓力很難，會(huì)導(dǎo)致天然裂縫開啟難，裂縫的復(fù)雜程度低。

（2）瀘州區(qū)塊頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深，具有“三高一變”的儲(chǔ)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(qiáng)。因此，導(dǎo)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(xiàn)多次砂堵，地層對(duì)砂比敏感，整個(gè)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(dǎo)流能力。

（3）增加套管變形的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重耽誤工期，減少壓裂改造段數(shù)，影響產(chǎn)能。初步統(tǒng)計(jì)表明，套管變形及破損問題在瀘州區(qū)塊較為普遍，已進(jìn)行壓裂施工的井中，發(fā)生明顯套管變形的井有7 口，套管變形率為78.5%，如何預(yù)防在壓裂施工中套管變形是亟待解決的問題。

2.2 技術(shù)對(duì)策

針對(duì)前述壓裂改造面臨的難點(diǎn)，并借鑒國(guó)內(nèi)外頁巖氣水平井的壓裂經(jīng)驗(yàn)和最新發(fā)展趨勢(shì)，以提高裂縫的復(fù)雜性和增大裂縫導(dǎo)流能力為核心目標(biāo)。通過采用“密切割分段分簇+暫堵轉(zhuǎn)向”等技術(shù)來提高裂縫的復(fù)雜性，采用低砂比連續(xù)加砂增加加砂強(qiáng)度，提高裂縫導(dǎo)流能力，提升壓裂改造效果。具體為：

（1）加強(qiáng)地質(zhì)和工程甜點(diǎn)結(jié)合優(yōu)化分段分簇和射孔參數(shù)，采用“密切割分段分簇+暫堵轉(zhuǎn)向”壓裂工藝并采用投球縫口暫堵+暫堵劑縫內(nèi)暫堵復(fù)合轉(zhuǎn)向工藝，保障各段簇的充分改造。

（2）采用多粒徑支撐劑適當(dāng)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(zhǎng)段塞加砂模式，盡量提高加砂強(qiáng)度至2.0～2.5 t/m。

（3）優(yōu)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(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yīng)力差形成復(fù)雜裂縫，須采用大排量施工以提高裂縫內(nèi)凈壓力。Y101H1-2 井140 MPa 的套管、壓裂井口及大功率電動(dòng)壓裂泵車，施工限壓達(dá)到120 MPa、施工排量達(dá)到16～18 m3/min。

3.2 暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)

暫堵轉(zhuǎn)向可分為投球縫口暫堵和暫堵劑縫內(nèi)暫堵。

投球縫口暫堵是通過一次或多次向井段內(nèi)投送可溶性暫堵球，封堵射孔炮眼，迫使后續(xù)壓裂液進(jìn)入未壓開的射孔簇，促使新縫的產(chǎn)生，最終提高改造段的縫覆蓋率。通過投球?qū)崿F(xiàn)簇口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，并將壓裂一段1 級(jí)提升為一段2～3 級(jí)。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(shù)量：暫堵球數(shù)量為射孔孔數(shù)的50%～60%。

暫堵球加入時(shí)機(jī)：在施工的中間時(shí)段投球，促使投球前后2 級(jí)裂縫均有效及充分延伸。

暫堵劑縫內(nèi)暫堵是采取添加暫堵劑顆粒對(duì)縫內(nèi)進(jìn)行暫堵，提高縫內(nèi)凈壓力，從而開啟新裂縫或轉(zhuǎn)向裂縫，增加整體改造體積，主要是針對(duì)頁巖氣天然裂縫發(fā)育的井段。

暫堵劑顆粒粒徑：2.0～3.0 mm。

暫堵劑數(shù)量：300～400 kg。

暫堵劑加入時(shí)機(jī)：在施工的中間時(shí)段加入，促使加入前后2 級(jí)裂縫均有效及充分延伸。

3.3 分段分簇射孔優(yōu)化

一般射孔位置的優(yōu)選原則有：（1）優(yōu)選脆性高、含氣量高、破裂壓力低的甜點(diǎn)區(qū)進(jìn)行射孔；（2）將物性參數(shù)、地應(yīng)力差異小、固井質(zhì)量相當(dāng)?shù)木蝿潪橐欢芜M(jìn)行壓裂改造；（3）對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)較好的井段，適當(dāng)減少段間距，加密段數(shù)，增加改造規(guī)模。在射孔參數(shù)優(yōu)化方面，可增加射孔簇?cái)?shù)（射孔簇?cái)?shù)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(zhǎng)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(fù)雜程度。而且在針對(duì)深層頁巖氣應(yīng)力差異大，不利于縫網(wǎng)形成的客觀條件下，可增加裂縫條數(shù)，同樣提升改造體積。

3.4 防止套管變形施工對(duì)策

易誘發(fā)套管變形井段（螞蟻體裂縫追蹤顯示裂縫相對(duì)發(fā)育）控制施工規(guī)模和施工排量；采用階梯降排量停泵模式，緩解局部應(yīng)力加載。若發(fā)生套管變形，根據(jù)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(xù)油管對(duì)套管變形影響段進(jìn)行射孔，射孔完畢后采用投球暫堵轉(zhuǎn)向壓裂。

3.5 降低加砂難度，增加改造體積和導(dǎo)流能力

采用等孔徑射孔、加強(qiáng)酸預(yù)處理、加強(qiáng)粉陶段塞等技術(shù)措施降低破裂壓力和近井效應(yīng)，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(dāng)增加小粒徑支撐劑用量，保障分支縫的有效支撐；優(yōu)化泵注程序，采用長(zhǎng)段塞連續(xù)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(dǎo)流能力。

4 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 裂縫參數(shù)優(yōu)化

4.1.1 裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化 采用Meyer 壓裂軟件，輸入地質(zhì)參數(shù)，模擬了裂縫半長(zhǎng)220、240、260、280、300 m 時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖1），累計(jì)產(chǎn)氣量隨裂縫半長(zhǎng)增加而增大。當(dāng)裂縫半長(zhǎng)大于280 m 時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量增長(zhǎng)速度減緩，綜合考慮最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)為280 m 左右[5]。

圖1 不同裂縫半長(zhǎng)對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的影響圖

4.1.2 裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化 在設(shè)定裂縫半長(zhǎng)為280 m時(shí)，模擬了裂縫導(dǎo)流能力在2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 D·cm 時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖2），累計(jì)產(chǎn)氣量隨裂縫導(dǎo)流能力增加而增大。當(dāng)導(dǎo)流能力大于6.00 D·cm 時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量增長(zhǎng)速度減緩，綜合考慮最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力為6.00 D·cm 左右[7]。

圖2 不同裂縫導(dǎo)流能力對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的影響圖

4.2 施工參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 規(guī)模優(yōu)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(shí)裂縫半長(zhǎng)，結(jié)果表明，隨著施工液量的增加，裂縫半長(zhǎng)不斷增加，但增加的趨勢(shì)逐漸減緩，當(dāng)施工液量為2 200 m3時(shí)，裂縫半長(zhǎng)為285 m，滿足最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)的要求。綜合考慮單段壓裂最優(yōu)施工液量為2 200 m3左右。

4.2.2 加砂量?jī)?yōu)化 采用Meyer 壓裂軟件模擬支撐劑規(guī)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(shí)裂縫導(dǎo)流能力，當(dāng)支撐劑規(guī)模在100～120 m3時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力在5.70～7.16 D·cm，即能獲得最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總體情況

形成的川南瀘州區(qū)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(cè)試產(chǎn)量分別為46.80×104m3/d、35.60×104m3/d（表3），在瀘州陽101 井區(qū)取得重大商業(yè)突破。

表3 瀘州陽101 井區(qū)頁巖氣井壓裂測(cè)試參數(shù)表

5.2 壓后效果評(píng)價(jià)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(shí)現(xiàn)“全”可采，不留死區(qū)。Y101H1-2 井、Y101H4-5 井2 口井的簇間距較常規(guī)的25～30 m 縮短至12～20 m，應(yīng)用G 函數(shù)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(dá)到40%～50%），在更好地溝通微裂縫/微裂隙的基礎(chǔ)上，又能夠起到縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的目的，提高裂縫復(fù)雜程度[9]。

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

（4）采取加入暫堵球、暫堵劑轉(zhuǎn)向技術(shù)，促使形成復(fù)雜縫網(wǎng)，確保儲(chǔ)層有效改造體積。由Y101H1-2 井第5 段壓裂裂縫監(jiān)測(cè)可知，暫堵前事件點(diǎn)集中在井筒西側(cè)連續(xù)響應(yīng)，添加暫堵劑后，微地震事件點(diǎn)集中在井筒東側(cè)響應(yīng)，暫堵效果明顯。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）瀘州陽101 井區(qū)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(yīng)力高、水平主應(yīng)力差異大、天然裂縫發(fā)育一般，裂縫起裂及延伸壓力高，導(dǎo)致施工泵壓高，加砂困難，難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

（2）針對(duì)瀘州陽101 井區(qū)深層頁巖氣井壓裂改造的難點(diǎn)，形成了“多段多簇密切割+高強(qiáng)度長(zhǎng)段塞連續(xù)加砂+暫堵轉(zhuǎn)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(dǎo)流能力。

（3）該壓裂工藝在目標(biāo)區(qū)塊2 口頁巖井得到成功應(yīng)用，壓后測(cè)試均得到高產(chǎn)工業(yè)氣流，拉開了瀘州區(qū)塊深層頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的序幕。