袁燦明， 龔 蔚， 李雪飛

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

頁巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于頁巖地層中的天然氣，既是烴源巖又是儲(chǔ)集層，屬于典型的自生自儲(chǔ)型氣藏，頁巖氣主要以基質(zhì)吸附氣和裂縫、孔隙中的游離氣存在。頁巖開發(fā)主要表現(xiàn)為常規(guī)試氣產(chǎn)能低或無產(chǎn)能，需大規(guī)模體積改造才能獲得工業(yè)氣流[1-3]。通過“十二五”期間的探索和發(fā)展，形成了以水平井橋塞分段體積壓裂為主體的改造技術(shù)[4]。實(shí)踐表明威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖氣加砂壓裂存在不同程度的加砂困難，部分井段存在低排量、高泵壓、加砂敏感等一系列工程技術(shù)難題。

一、影響壓裂困難因素分析

1.巖性特征

威遠(yuǎn)龍馬溪組主要包括碳質(zhì)頁巖相、粉砂質(zhì)泥頁巖相和泥灰?guī)r相，微含鈣質(zhì)。巖性組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖為主，黏土礦物中主要以伊利石和伊蒙混層為主，含有少量綠泥石[5]。

2.天然裂縫發(fā)育

2.1 天然裂縫分析

頁巖天然裂縫分為：構(gòu)造縫、層理滑脫縫、層間頁理縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫[6-7]，微觀結(jié)構(gòu)可以觀察大量頁理結(jié)構(gòu)和天然裂縫。

頁巖壓裂所用壓裂液中低黏液體占比高，低黏液體更容易將頁巖中的微裂隙和天然裂縫壓開，導(dǎo)致液體濾失增大。隨著人工裂縫的擴(kuò)展，裂紋面積增大，液體總濾失率增加，增長速率逐漸降低[8]，這與現(xiàn)場頁巖氣壓裂過程微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合。

2.2 裂縫夾角

當(dāng)水力裂縫與天然裂縫弱面相遇時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種情況，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)穿越界面的裂紋擴(kuò)展問題進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為當(dāng)水力裂縫尖端應(yīng)力場能滿足在天然裂縫另一側(cè)形成新的裂縫，而同時(shí)又不使天然裂縫面發(fā)生滑動(dòng)的條件時(shí)，則認(rèn)為水力裂縫能夠穿過天然裂縫擴(kuò)展。界面裂縫穿越問題涉及到相遇夾角、界面膠結(jié)和界面摩擦等多個(gè)因素[9-10]。

2.3 層理結(jié)構(gòu)

由于頁巖層理滑移所導(dǎo)致的縫寬窄，支撐劑在裂縫內(nèi)沉降時(shí)，裂縫壁面對(duì)支撐劑顆粒產(chǎn)生拉拽效應(yīng)，裂縫壁面效應(yīng)對(duì)支撐劑沉降速度的影響更加明顯[11]。支撐劑粒徑與縫寬比值對(duì)支撐劑沉降速度的影響很大，進(jìn)一步影響加砂過程砂濃度的提高。根據(jù)支撐劑粒徑與頁巖層理縫寬關(guān)系模型計(jì)算(表1)，假設(shè)頁巖為規(guī)則層理，按施工排量10～12 m3/min、縫高75 m計(jì)算，層理縫縫寬在0.42～0.98 mm之間，對(duì)應(yīng)在12 m3/min排量下允許支撐劑通過的砂濃度范圍在60～140 kg/m3。

表1 不同砂濃度條件下允許支撐劑通過裂縫縫寬表

3.地應(yīng)力特征

頁巖壓裂以改造體積大小為目標(biāo)，合理的縫內(nèi)凈壓力是形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵。如果施工前期凈壓力控制不好，天然裂縫過早張開，液體大量濾失造成凈壓力快速下降，則人工裂縫縫寬擴(kuò)展受限，極易造成加砂敏感，砂比提升受限影響總加砂量。

4.射孔孔眼

射孔的目的是使每段各簇的巖石破碎應(yīng)力的差異最小化，確保各個(gè)射孔簇具有相等的斷裂初始?jí)毫?，從而使各簇等壓力傳輸，但由于射孔孔眼直徑、孔眼深度差異等因素的影?圖1)，導(dǎo)致巖石破碎應(yīng)力的差異化(圖2)，這使得在近井地帶容易發(fā)生裂縫扭曲和變形，限制了人工裂縫的拓展。

圖1 頁巖氣射孔示意圖

除上述影響因素之外，井筒清潔性也是需要考慮的一個(gè)重要因素。在完井過程中出現(xiàn)近井地帶鉆井液濾失傷害、井壁附著鉆井液、井筒異物、孔眼不完善等問題，導(dǎo)致部分孔眼進(jìn)液困難，甚至未加砂就出現(xiàn)低排量高泵壓，整體施工壓力遠(yuǎn)高于同井后續(xù)的壓裂改造段。

綜上所述，影響頁巖氣藏壓裂改造難易程度的主控因素包括天然裂縫發(fā)育情況、裂縫夾角和頁巖頁理層理結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力特征和孔眼完善性等。

圖2 射孔簇間應(yīng)力干擾

二、加砂困難統(tǒng)計(jì)分類

統(tǒng)計(jì)2015～2017年威遠(yuǎn)龍馬溪頁巖加砂壓裂施工數(shù)據(jù)，其中73段出現(xiàn)了不同程度的加砂困難(圖3)，結(jié)合單段儲(chǔ)層特點(diǎn)、壓力響應(yīng)特征、加砂量、加砂濃度、加砂難易程度等加砂特征將加砂困難井進(jìn)行影響因素分類(表2)，即天然裂縫破碎帶、縫寬不足、裂縫凈壓力、巖性成分、其他工程因素等，為加砂困難井原因分析提供數(shù)據(jù)支撐。

統(tǒng)計(jì)分析表明，影響頁巖加砂壓裂施工困難的主要因素是天然裂縫破碎帶發(fā)育、縫寬不足、凈壓力控制不當(dāng)，分別占比31.6%、34.2%、10.5%。

三、典型井例分析

結(jié)合影響因素和統(tǒng)計(jì)分析，頁巖的層理結(jié)構(gòu)是影響加砂困難的重要因素之一，層理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頁巖壓裂普遍為剪切走滑破壞，縫寬窄。以W204H11-2井為例，該井位于威遠(yuǎn)構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼，螞蟻體追蹤顯示該井第2～12段附近無裂縫帶發(fā)育。

圖3 2015～2017年威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖氣加砂困難井統(tǒng)計(jì)圖表2 加砂困難井施工特征分類

序號(hào)壓力響應(yīng)特征分類段數(shù)典型井(段)加砂困難原因簡析1壓裂初期建立排量困難,粉砂砂濃度低,加砂量在50～70 t之間,粉砂占比95%以上Ⅰ類12204H11-1(5)204H9-1(16/20/25)204H9-2(11)204H9-3(19/22/23/24/25)204H9-4(7/19)204H9-6(9)地質(zhì)資料顯示為天然裂縫破碎帶,裂縫非常發(fā)育,部分井段在鉆井期間表現(xiàn)出漏失、卡鉆等現(xiàn)象,近井摩阻大,綜合分析表現(xiàn)為天然裂縫集中響應(yīng)2全程砂敏感,粉砂壓力波動(dòng)4.0～7.0 MPa,砂濃度超過160 kg/m3后更明顯;后期表現(xiàn)為陶粒加砂困難,砂濃度一般在120 kg/m3以內(nèi),粉砂占比70%～95%Ⅱ類13204H11-1(6)204H11-2(6/12/13/23)204H11-3(3/4/24/25)204H9-2(4/8)204H9-6(8)地質(zhì)資料顯示無天然裂縫,段塞打磨效果較好,濾失較嚴(yán)重,人工裂縫縫寬不足,小粒徑支撐劑可以在適當(dāng)砂濃度條件下加入,但40/70陶粒加入困難,分析與頁巖層理結(jié)構(gòu)相關(guān)3粉砂段塞階段施工壓力下降速率快,下降10～15 MPa,下降速率0.12～ 0.22 MPa/min,加砂量70 t以內(nèi)Ⅲ類4202H1-1(11)204H11-3(26)204H9-1(4/5)天然裂縫過早張開,液體大量濾失造成凈壓力快速持續(xù)下降,人工裂縫在長度和寬度上擴(kuò)展都受限,是引起后期加砂困難的主要原因4排量建立困難,甚至未加砂就高泵壓,整體施工壓力遠(yuǎn)高于本井后續(xù)改造段,加砂施工壓力波動(dòng)在6～8 MPa,總加砂量不超過40 t,最低僅8.1 t粉砂Ⅳ類5202H1-3(1)204H1-2(1)204H1-3(1)204H5-1(1)204H9-1(1)完井階段各種工程引起的近井地帶鉆井液濾失傷害、井壁附著鉆井液、井筒異物、孔眼不完善等問題,導(dǎo)致部分孔眼進(jìn)液困難甚至完全不進(jìn)液5前期加砂正常,中途停泵,二次起泵后建立大排量困難,被迫停止加砂,未完成設(shè)計(jì)加砂量Ⅴ類2H11-2(15)H9-1(19)停泵時(shí)間過長,裂縫閉合,第一次加入的支撐劑已將裂縫網(wǎng)絡(luò)鋪置且裂縫閉合,二次起泵濾失加重,再次形成人工裂縫困難;同時(shí)近井筒沉砂易造成縫內(nèi)砂堵并形成砂橋6壓裂過程中易出現(xiàn)壓力異常升高,上升斜率大,曲線波動(dòng)不受砂濃度影響,摩阻下降后壓力即可恢復(fù)正常Ⅵ類2202H10-6(8/9)為節(jié)約淡水資源,目前現(xiàn)場普遍采用返排液混合清水進(jìn)行施工,返排液摩阻變化較大

壓裂施工曲線表明，粉砂段塞進(jìn)入地層后壓力波動(dòng)幅度平均4.5 MPa，40～70目陶粒進(jìn)入地層后出現(xiàn)縫內(nèi)砂堵跡象，施工壓力陡升，陶粒在層理縫內(nèi)運(yùn)移受阻，加砂量與壓力波動(dòng)幅度存在明顯相關(guān)性(圖4)，壓后統(tǒng)計(jì)粉砂占比70%～95%，加砂量低于設(shè)計(jì)量。

在壓裂措施方面，針對(duì)頁巖加砂壓裂困難井段，可采用密集低砂濃度段塞泵注模式，縮短段塞長度、加大沖洗液量和注入高黏液體提高凈壓力等降低裂縫扭曲程度，提高加砂量；根據(jù)支撐劑粒徑與頁巖層理縫寬關(guān)系模型可預(yù)測層理縫寬值，針對(duì)層理發(fā)育的頁巖，加砂壓裂粉砂段塞階段若出現(xiàn)施工壓力波動(dòng)幅度大的異常情況，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，控制陶粒砂濃度。

圖4 W204H11-2井加砂量與壓力波動(dòng)幅度關(guān)系圖

四、結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)影響頁巖氣藏壓裂改造的因素包括天然裂縫、裂縫夾角和頁理層理結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力特征和孔眼完善性；統(tǒng)計(jì)學(xué)分析主控因素是天然裂縫破碎帶、縫寬不足、凈壓力控制和首段破裂壓力高。

(2)頁巖壓裂低黏液體更容易將頁巖中的微裂隙和天然裂縫壓開，導(dǎo)致液體濾失增大，易造成砂堵、砂比和加砂規(guī)模受限。壓裂初期井筒周圍產(chǎn)生地應(yīng)力集中，地應(yīng)力對(duì)裂紋影響顯著，裂紋轉(zhuǎn)向最小地應(yīng)力法向；遠(yuǎn)離井筒后地應(yīng)力集中消失，裂縫轉(zhuǎn)向?qū)永矸较?。頁理層理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致加砂壓裂縫寬窄，支撐劑在裂縫內(nèi)沉降時(shí)，裂縫壁面對(duì)支撐劑顆粒產(chǎn)生拉拽效應(yīng)，隨著支撐劑粒徑與縫寬比值的不斷減小，支撐劑的運(yùn)移通道越來越窄，支撐劑與裂縫壁面的碰撞更加頻繁，導(dǎo)致水平運(yùn)移速度急劇下降，支撐劑迅速沉降。

(3)對(duì)于頁理層理發(fā)育的頁巖，螞蟻體追蹤解釋天然裂縫不發(fā)育但加砂困難的井，加砂量與施工壓力波動(dòng)幅度之間存在較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)合施工曲線分析認(rèn)為螞蟻體追蹤的解釋精度對(duì)頁理層理發(fā)育的頁巖存在局限性。

(4)水力裂縫與天然裂縫弱面相遇，相遇夾角和水平主應(yīng)力差是天然裂縫開啟與否的主控因素。合理的縫內(nèi)凈壓力是形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵，凈壓力控制不好，會(huì)導(dǎo)致天然裂縫過早張開，人工裂縫縫寬擴(kuò)展受限，極易造成加砂敏感，砂比提升受限影響總加砂量。