王炯

摘要：隨著埋深、構(gòu)造、地質(zhì)條件的巨大變化，適用于淺層的頁巖氣壓裂工藝技術(shù)，不能有效解決深層頁巖所面臨的問題。因此，需要弄清深層頁巖改造與中淺層壓裂機(jī)理、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)之間的具體差異;同時(shí)，深層頁巖多處于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，應(yīng)力環(huán)境多變、復(fù)雜縫形成規(guī)律變化大、施工壓力高，針對(duì)性工藝、材料、裝備及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)迫切需要開展攻關(guān)研究。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，筆者進(jìn)行三個(gè)方面問題研究：從壓裂難點(diǎn)到技術(shù)對(duì)策以及針對(duì)性的壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化，以此來實(shí)現(xiàn)形成大體積復(fù)雜裂縫針對(duì)性的壓裂工藝技術(shù)，為涪陵地區(qū)深層頁巖氣壓裂開發(fā)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵字：壓裂技術(shù)，頁巖氣，涪陵地區(qū)，深層

隨著涪陵地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的深入，3500m-4500m以深頁巖氣儲(chǔ)層已經(jīng)成為資源的必要補(bǔ)充，成為新的工作對(duì)象。3500-4500m儲(chǔ)層在江東、平橋、白濤、白馬等區(qū)塊廣泛分布，資源量大、開發(fā)前景廣闊，是氣田未來重要的產(chǎn)能接替陣地[1-3]，也是本文的研究對(duì)象。

但不同于淺層頁巖的已有認(rèn)識(shí)，深層頁巖地質(zhì)、構(gòu)造發(fā)生巨大變化，具體表現(xiàn)在：（1）平面分布相對(duì)分散，不同區(qū)域物性參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造均變化較大;（2）縱向變化大，隨深度增加，最小水平主應(yīng)力、斷裂韌性、楊氏模量、泊松比等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)增大;（3）溫度增加，閉合應(yīng)力增大，壓裂材料尚需配套完善。因此針對(duì)深層頁巖壓裂改造以“大體積+復(fù)雜度”為目標(biāo)，需要實(shí)現(xiàn)以改造體積、有效支撐的綜合優(yōu)化理念。

1壓裂難點(diǎn)

1.1埋深增加，圍壓增大，塑性增強(qiáng)，導(dǎo)致施工壓力增加

目前二期儲(chǔ)層的垂深在2900-4000m，較一期的2500-3000m增加400-1000m，平均增加700m。按照上覆壓力梯度0.023MPa/m計(jì)算，上覆壓力增加16.1MPa，相應(yīng)的最大、最小水平主應(yīng)力也在增加，如焦頁A井最小水平主應(yīng)力為49MPa（2408m，壓力梯度0.02MPa/m），而焦頁B井最小水平主應(yīng)力則為70MPa（3431m，壓力梯度0.0204MPa/m），焦頁C井則為71MPa（3500m，壓力梯度0.0203MPa/m），焦頁D井為77MPa（3675m，壓力梯度0.0209MPa/m），焦頁E井為65MPa（3400m，壓力梯度0.019MPa/m）。因此擴(kuò)展裂縫需要的延伸壓力需要增加，按縫內(nèi)凈壓力5-7MPa計(jì)算，焦頁F井延伸壓力為75-77MPa，反推地面施工壓力在80MPa，而焦頁H井地面施工壓力90MPa以上（按14m3/min排量計(jì)算）。埋深的增加導(dǎo)致的圍壓增加，使巖石呈現(xiàn)出塑性的變化特征，即脆性斷裂減少，破裂巖石的難度增加。因此二期施工壓力增加10-15MPa以上，甚至更多，對(duì)地面設(shè)備、壓裂參數(shù)優(yōu)化均提出了較高要求。

1.2物性變差，泥質(zhì)增加，主裂縫擴(kuò)展難度大，存在“Z”型縫

對(duì)比一期的石英、碳酸鹽及粘土含量，二期物性有所變差。焦頁A井脆性礦物含量為54.2%，粘土含量為31.5%，二期井中如焦頁D井脆性礦物含量為47.19%，粘土含量增加為35.4%，焦頁C井脆性礦物含量為51.4%，粘土含量32%。由于泥質(zhì)的增加，壓裂時(shí)易形成多裂縫，壓裂液濾失增大，難以擴(kuò)展，圍繞在近井筒附近，無法形成長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)主裂縫。由于壓裂液效率低，縫寬窄，所以存在臨界砂比，超過臨界砂比后支撐劑則難以通過，反映在壓力上就是上升，形成脫砂。由于頁巖存在層理，當(dāng)壓裂裂縫沿層理擴(kuò)展時(shí)，則存在水平縫與垂直縫相互共生的現(xiàn)象，由于水平縫的延伸需要克服上覆壓力的作用，因此當(dāng)施工壓力梯度達(dá)到或超過0.023MPa/m時(shí)，則可判斷存在水平縫，導(dǎo)致復(fù)雜裂縫形態(tài)的產(chǎn)生，使得加砂困難和壓力升高。

1.3儲(chǔ)層條件改變，適用于早期的壓裂工藝需要優(yōu)化調(diào)整

一期的壓裂工藝針對(duì)區(qū)塊的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化完善，取得了明顯的效果。形成的單段少簇（2-3簇）、滑溜水+線性膠、分段加砂的工藝技術(shù)在一期的實(shí)踐中增產(chǎn)明顯。但二期由于水平應(yīng)力差增加（8MPa）、脆性含量降低、物性變差，形成擴(kuò)展明顯的長(zhǎng)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的難度增加，同時(shí)2-3簇射孔的改造效果差異明顯，因此需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化二期壓裂工藝技術(shù)。首先如何降低和控制施工壓力，二是如何提高單段內(nèi)各簇的均衡改造程度，并擴(kuò)展有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)大裂縫體積，三是如何在目前壓裂液體系上進(jìn)一步改進(jìn)，提高壓裂液前期造縫的能力，從而形成有效延伸的長(zhǎng)裂縫，提高改造效果。

2技術(shù)對(duì)策

2.1酸液配方和酸量?jī)?yōu)化，盡可能擴(kuò)大酸作用半徑，從而將起始裂縫從近井筒有效延伸

酸進(jìn)入儲(chǔ)層后，壓力降可達(dá)20-40MPa，但一般集中在近井地帶，當(dāng)裂縫延伸后，遇到物性差的儲(chǔ)層時(shí)壓力仍會(huì)升高，因此適當(dāng)擴(kuò)大酸液作用半徑，盡可能使壓裂主裂縫延伸，這樣可擴(kuò)大裂縫體積，并從一定程度上控制壓力。

另外，可考慮采用加重的壓裂液體系，作為前置液進(jìn)行破裂和延伸裂縫，控制初始的高破裂壓力。

2.2分析儲(chǔ)層的垂向和水平向巖石力學(xué)特性，認(rèn)識(shí)其非均質(zhì)性差異，開展針對(duì)性的射孔優(yōu)化

頁巖由于層理存在，使得其非均質(zhì)性差異大。垂向和水平向的巖石力學(xué)參數(shù)（楊氏模量和泊松比）有著明顯的差異，和砂巖儲(chǔ)層均質(zhì)性巖石力學(xué)性質(zhì)不同。由于垂向和水平向的差異，使得垂向應(yīng)力的大小存在差異（與均質(zhì)方法計(jì)算的），因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這個(gè)差異性帶來的應(yīng)力差異，考慮應(yīng)力差異對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，可有效指導(dǎo)射孔、裂縫延伸的分析。

2.3優(yōu)選射孔位置，采用限流工藝，嘗試單段多簇，有效延伸初始裂縫

針對(duì)各段的物性特征，進(jìn)行射孔段的精細(xì)選擇。如100m的射孔段內(nèi)，優(yōu)選脆性含量高、泥質(zhì)低的段優(yōu)先射孔，并采用多簇的方式，每簇的距離在0.3-0.6m，射5-9簇，每簇射4-6孔，針對(duì)物性好進(jìn)行點(diǎn)射。這樣可以控制起始裂縫的位置，并實(shí)現(xiàn)單段內(nèi)多條裂縫的延伸。這樣對(duì)控制起始的壓力非常有利，并可控制初始復(fù)雜裂縫的形成。目前國(guó)外主要采用這種限流工藝，特別是更長(zhǎng)的井段200m也采用這種方式，施工中間加入暫堵劑進(jìn)行轉(zhuǎn)向壓裂。同時(shí)考慮采用深穿透的射孔彈，并結(jié)合水平段的位置和層理的情況，優(yōu)化射孔方位，確保起始裂縫有效延伸。

3.壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化

3.1裂縫參數(shù)優(yōu)化

深層頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行分段措施改造的目的在于擴(kuò)大改造體積、提高裂縫復(fù)雜程度。對(duì)水平井進(jìn)行分段、分簇設(shè)計(jì)，利用壓裂過程中造成的地應(yīng)力變化促使裂縫轉(zhuǎn)向，是能否形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵。在這一過程中主要從應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律、優(yōu)選射孔簇?cái)?shù)和優(yōu)化施工規(guī)模入手，實(shí)現(xiàn)體積改造。

優(yōu)化段簇間距，能夠?qū)崿F(xiàn)全水平井筒體積改造的覆蓋，達(dá)到最大化裂縫復(fù)雜程度的目的，當(dāng)水平井簇間距過大，水平井筒存在未改造井段，適當(dāng)縮短段簇間距能夠?qū)崿F(xiàn)全水平井筒體積改造的覆蓋。

另外由于深層頁巖各小層硅質(zhì)含量較一期產(chǎn)建區(qū)北部井整體降低，粘土含量整體增大，①小層粘土含量增加3-5%，③-⑤小層增加明顯（5-10%）儲(chǔ)層的脆性降低，形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度增加，壓裂裂縫的形態(tài)逐漸由縫網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈健翱p網(wǎng)與多縫過渡區(qū)”。因此，針對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)所需的凈壓力、誘導(dǎo)應(yīng)力進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，通過對(duì)不同裂縫間距條件下的誘導(dǎo)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。隨圍壓大，誘導(dǎo)應(yīng)力作用距離減小，適當(dāng)縮短段簇間距，提高全井段SRV。淺井簇間距在25m時(shí)，模擬誘導(dǎo)應(yīng)力為10.8MPa，能夠滿足裂縫轉(zhuǎn)向、裂縫復(fù)雜化要求。而隨著圍壓增大簇間距由淺井的25-30m縮短至18-20m，簇間距20m時(shí)，模擬誘導(dǎo)應(yīng)力9.6MPa。

綜上所述，針對(duì)深井壓裂主體壓裂參數(shù)液量1800-2000方、砂量55-65方，縫長(zhǎng)230-250m、縫高46-54m;線性膠壓裂液（40-50mP·s）+減阻水壓裂液（6-9mPa·s），縫寬滿足支撐劑運(yùn)移要求;二種壓裂液比例1：7和1：9時(shí)，前置線性膠用量250-300m3，能夠獲得較好的改造體積 。

3.2連續(xù)鋪砂

涪陵頁巖氣淺井加砂模式主要采用段塞式加砂，但是隨著圍壓增大，閉合壓力相應(yīng)增大，段塞式加砂在深井壓裂存在一定缺陷。段塞式加砂在裂縫延伸方向存在無支撐劑支撐界面，在高閉合壓力條件下，這些無支撐界面容易閉合，連續(xù)導(dǎo)流通道中斷，導(dǎo)致氣體逸出受阻，不能完全釋放儲(chǔ)層產(chǎn)能。深井壓裂采取中長(zhǎng)段塞加砂模式（100-120m3），形成連續(xù)支撐剖面、提高加砂強(qiáng)度，以連續(xù)穩(wěn)定的鋪砂剖面來保證裂縫的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力。

同時(shí)增加小粒徑支撐劑用量（25-28m3），控制微裂縫濾失，實(shí)現(xiàn)微裂縫的理想堵塞，提高深井壓裂整體施工穩(wěn)定性。當(dāng)支撐劑顆粒過小時(shí)，支撐劑大量進(jìn)入裂縫趾部，液體易在前端空間造成濾失。當(dāng)支撐劑顆粒過大時(shí)，支撐劑在縫口發(fā)生堵塞，液體通過支撐劑間隙，依然容易造成濾失。理想的堵塞狀態(tài)為支撐劑封堵微裂縫中部，避免濾失的同時(shí)對(duì)微裂縫起到良好的支撐效果。有文獻(xiàn)表明，支撐劑粒徑降低一個(gè)級(jí)別，沉降速度降低1/3-1/2，有利于遠(yuǎn)端裂縫支撐。這種連續(xù)鋪砂模式配合小粒徑支撐劑使用，對(duì)于深井，可以延緩壓力上漲，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證裂縫的復(fù)雜程度，達(dá)到對(duì)儲(chǔ)層充分改造的目的。

4結(jié)論

（1）深層頁巖氣壓裂的難點(diǎn)在于埋深增加，圍壓增大，塑性增強(qiáng)，導(dǎo)致施工壓力增加;物性變差，泥質(zhì)增加，主裂縫擴(kuò)展難度大，存在“Z”型縫;儲(chǔ)層條件改變，適用于早期的壓裂工藝需要優(yōu)化調(diào)整。

（2）針對(duì)深層壓裂難點(diǎn)提出了對(duì)應(yīng)技術(shù)對(duì)策：酸液配方和酸量?jī)?yōu)化，盡可能擴(kuò)大酸作用半徑，從而將起始裂縫從近井筒有效延伸;分析儲(chǔ)層的垂向和水平向巖石力學(xué)特性，認(rèn)識(shí)其非均質(zhì)性差異，開展針對(duì)性的射孔優(yōu)化;優(yōu)選射孔位置，采用限流工藝，嘗試單段多簇，有效延伸初始裂縫。

（3）壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化：深井壓裂主體壓裂參數(shù)液量1800-2000方、砂量55-65方，縫長(zhǎng)230-250m、縫高46-54m;線性膠壓裂液（40-50mP·s）+減阻水壓裂液（6-9mPa·s），縫寬滿足支撐劑運(yùn)移要求，能夠獲得較好的改造體積。

參考文獻(xiàn)

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中石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院? 湖北? 武漢? 430035