郭　慶，張軍濤，申　峰，張鋒三，趙　逸，高　萌

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心 )

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水平井分段壓裂工藝在延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用

郭慶1，張軍濤1，申峰1，張鋒三1，趙逸2，高萌2

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心 )

鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有埋藏深度淺、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高、孔隙度和基質(zhì)滲透率極低等特點(diǎn)，水平井體積壓裂技術(shù)是延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣高效開發(fā)的必要手段。結(jié)合延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)，通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步優(yōu)化形成了適合延長(zhǎng)陸相頁巖氣水平井的分簇射孔、橋塞隔離分段壓裂工藝技術(shù)以及液態(tài)CO2壓裂液、滑溜水線性膠壓裂液體系等技術(shù)，并在4口頁巖氣水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，均取得了試驗(yàn)成功，為延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣高效開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

陸相頁巖氣；水平井；分段壓裂；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；延長(zhǎng)油田

鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有分布廣、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高等特點(diǎn)[1-2]，由于其生成機(jī)理和所處環(huán)境的特點(diǎn)，一般常規(guī)壓裂改造方式只能形成單一裂縫,很難獲得好的增產(chǎn)效果，所以必須經(jīng)過大型壓裂形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通盡可能多的天然裂縫，才能大幅度提高頁巖氣單井產(chǎn)能。美國開發(fā)頁巖氣的已有的成功經(jīng)驗(yàn)表明，水平井技術(shù)、壓裂技術(shù)的突破是頁巖氣規(guī)模開發(fā)的關(guān)鍵[3-6]。近年來在借鑒北美頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國頁巖氣勘探開發(fā)不斷取得重大突破，在四川盆地涪陵和宜賓等地區(qū)連續(xù)獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，涪陵地區(qū)焦石壩龍馬溪組海相頁巖水平井在大型壓裂后增產(chǎn)效果比較顯著[7-10]。延長(zhǎng)油田近年來致力于陸相頁巖氣的勘探開發(fā)，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，頁巖氣水平井壓裂工藝技術(shù)也取得了較大的突破。

1　陸相頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征[11]

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7、長(zhǎng)9頁巖儲(chǔ)集層埋藏深度一般小于2 000 m，巖相為黑色頁巖相、深灰色-灰黑色泥巖相、灰色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖相，非均質(zhì)性強(qiáng)。長(zhǎng)7段頁巖石英含量偏低，平均含量為27.75%，長(zhǎng)石和黏土礦物含量偏高，平均含量分別達(dá)26.28%和42.11%，方解石平均含量1.31%，鐵白云石平均含量0.75%，黃鐵礦含量為1.31%。脆性礦物含量(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽和黃鐵礦含量之和)為36%～77%，平均57.2%，脆性礦物含量較低，有利于頁巖氣壓裂開發(fā)。頁巖儲(chǔ)層孔隙類型以微孔為主，其次為粒間孔、自生礦物的晶間孔、溶蝕孔隙。實(shí)驗(yàn)室?guī)r心物性分析表明，頁巖孔隙度為1.69%～6.83%，平均值為3.83%；滲透率主要為(0.01～0.43)×10-3μm2，平均值為0.068×10-3μm2。鄂爾多斯盆地相頁巖氣儲(chǔ)層黏土水敏性強(qiáng)、儲(chǔ)層壓力低、物性差，這些因素都不同程度增加了壓裂施工難度。為了達(dá)到高效開發(fā)的目的，需要對(duì)鄂爾多斯盆地的頁巖氣水平井采用大型體積壓裂技術(shù)。

2　水平井分段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1壓裂設(shè)計(jì)思路

(1)該區(qū)域天然裂縫發(fā)育，兩相水平主應(yīng)力相差不大，為形成復(fù)雜的裂縫形態(tài)提供了有利條件，有利于增大裂縫與儲(chǔ)層的接觸面積。

(2)各級(jí)的多個(gè)射孔簇對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)基本一樣，以保證兩條或三條裂縫同時(shí)延伸，各級(jí)的每個(gè)射孔簇對(duì)應(yīng)物性相對(duì)較好的位置。

(3)延長(zhǎng)陸相泥頁巖儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育，前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術(shù)，打磨裂縫壁面消除彎曲效應(yīng)，同時(shí)還具有降低濾失的作用，保證主裂縫起裂和延伸。

(4)頁巖氣水平井體積壓裂施工用液量大、進(jìn)入地層滯留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)地層潛在傷害大，對(duì)后期試氣液體返排及產(chǎn)量存在較大影響。為此將液態(tài)CO2壓裂工藝技術(shù)引入頁巖氣水平井儲(chǔ)層改造。液態(tài)CO2氣化后能提高壓裂液返排能力，降低液體表面張力，有助于壓裂液的迅速返排；同時(shí)CO2與壓裂液形成的泡沫能有效降低液體濾失，提高壓裂液效率。

(5)支撐劑主體類型選用低密度陶粒，選擇3種粒徑支撐劑組合。前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術(shù)，70～100目陶粒有利于充填開啟的次生微裂縫的作用， 40/70目陶粒支撐主裂縫，30/50目陶粒用于封口，提高近井裂縫導(dǎo)流能力。

2.2壓裂材料優(yōu)選

2.2.1壓裂液體系

針對(duì)延長(zhǎng)陸相頁巖儲(chǔ)層微裂縫較發(fā)育會(huì)造成壓裂液在儲(chǔ)層中易濾失的問題，延長(zhǎng)油田借鑒國內(nèi)外頁巖氣選擇壓裂液的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化出適應(yīng)陸相頁巖氣水平井儲(chǔ)層的滑溜水+線性膠混合壓裂液體系。該體系為低/無固相體系，可以減少固相顆粒侵入儲(chǔ)層造成堵塞；具有較低的表界面張力，進(jìn)入儲(chǔ)層后易返排，對(duì)儲(chǔ)層水鎖傷害??；還具備較強(qiáng)的黏土防膨能力，避免進(jìn)入儲(chǔ)層造成水敏傷害[17]。該體系在相同作業(yè)規(guī)模下成本較低，比常規(guī)凝膠壓裂成本降低50%左右。滑溜水配方為清水+0.075%降阻劑+0.1%防水鎖劑(含助排劑和表面活性劑)+1.0%KCl+0.08%殺菌劑；線性膠配方為清水+0.4%瓜膠+0.5%助排劑+1.0%KCl+0.1%殺菌劑+0.12%Na2CO3。該壓裂液體系黏土防膨率大于80%，降阻率大于50%，儲(chǔ)層巖心傷害率小于15%，具有溶解快、配制方便、易破膠水化、可連續(xù)混配的特點(diǎn)[18]。

2.2.2支撐劑選擇

國內(nèi)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(diǎn)，通常選用低密度支撐劑。當(dāng)儲(chǔ)集層閉合壓力大于20 MPa時(shí)，天然石英砂會(huì)被壓碎，易在裂縫中運(yùn)移堵塞孔喉，降低儲(chǔ)層滲透率，故選用耐壓性能更優(yōu)越的人造陶粒砂。延長(zhǎng)陸相頁巖儲(chǔ)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(yuǎn)端，選用了三種不同粒徑的低密度陶粒作為支撐劑，密度為1.43～1.60 g/cm3，并進(jìn)行多粒徑組合(70～100目+40～70目+20～40目陶粒)加砂壓裂，其中，粉陶主要作用是對(duì)天然裂縫進(jìn)行封堵和降慮失，并對(duì)彎曲裂縫進(jìn)行逐級(jí)打磨，減小彎曲摩阻，進(jìn)一步降低施工壓力[5，15-16]。延長(zhǎng)油田還將超低密度支撐劑(40～70目、密度為0.65 g/cm3)引入水平井壓裂施工，以能更好地優(yōu)化支撐劑對(duì)裂縫的支撐效果。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)及微地震裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dá)到改善裂縫上部支撐的目的。

2.3水平井射孔參數(shù)優(yōu)化

頁巖氣水平井的射孔方式不同于直井，合理的射孔段或者壓裂間距可增大產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾率。頁巖氣水平井射孔采用簇射孔的方式，即在每一級(jí)壓裂井段中多點(diǎn)射孔。

通過輸入陸相頁巖儲(chǔ)層相應(yīng)的儲(chǔ)層參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。輸入?yún)?shù)為：頁巖厚度60 m，凈壓力擬合有效滲透率0.005×10-3μm2，平均孔隙度4%，含水飽和度50%，井底流壓2 MPa。數(shù)值模擬分析表明，儲(chǔ)層射孔15，18，21，24，27，30簇，縫長(zhǎng)300 m，導(dǎo)流能力10×10-3μm2·m時(shí)，日產(chǎn)氣量與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖1，隨著射孔簇?cái)?shù)的增加，日產(chǎn)氣量呈增加的趨勢(shì)，但超過24簇后產(chǎn)量增幅變小。

圖1　射孔簇?cái)?shù)對(duì)增產(chǎn)效果的影響

通過孔眼摩阻公式計(jì)算，孔數(shù)、排量與孔眼摩阻關(guān)系見表1。前期陸相頁巖儲(chǔ)層降排量測(cè)試分析結(jié)果表明，排量9.59 m3/min時(shí)，近井摩阻16.76 MPa，射孔孔眼摩阻為0，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

2.4水平井裂縫間距優(yōu)化

頁巖氣水平井分段壓裂過程中，通過減小裂縫間距可以使得井筒周圍儲(chǔ)層壓力下降速度加快，有利于氣體的解吸附，提高開采速度。但裂縫間距過小會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力干擾，應(yīng)力干擾從幾十米到幾百米不等，主要取決于水力裂縫的高度和長(zhǎng)度。分析表明：離裂縫越近，應(yīng)力干擾越嚴(yán)重，當(dāng)裂縫的距離超過裂縫高度的1.5倍以上時(shí)，應(yīng)力干擾基本可以忽略。

為了確保壓裂段內(nèi)各射孔簇之間裂縫相互作用形成網(wǎng)絡(luò)，避免段與段之間縫間干擾，射孔數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合測(cè)試壓裂及測(cè)井解釋成果確定。

表1　孔數(shù)、排量、摩阻之間的關(guān)系

2.5水平井裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

裂縫長(zhǎng)度是影響頁巖氣水平井產(chǎn)能的一個(gè)重要因素，模擬結(jié)果顯示(圖2)，裂縫越長(zhǎng)產(chǎn)量越高，隨著裂縫的增長(zhǎng)，增產(chǎn)幅度逐漸變小，但施工難度和投資都隨之增加，對(duì)于特定的地層存在一個(gè)最佳值。

圖2　裂縫長(zhǎng)度對(duì)增產(chǎn)效果的影響

3　水平井壓裂工藝技術(shù)

為了獲取更好的頁巖氣產(chǎn)能，延長(zhǎng)油田在直井壓裂工藝基礎(chǔ)上開展了水平井分段壓裂工藝研究。根據(jù)陸相頁巖水平井地質(zhì)條件，主要進(jìn)行了分段壓裂工具優(yōu)選、壓裂裂縫參數(shù)(段數(shù)、段長(zhǎng)、加砂規(guī)模及射孔簇等)優(yōu)化、施工參數(shù)(排量、砂比及泵注程序等)優(yōu)化及配套工藝技術(shù)，采用先進(jìn)的水平井分簇射孔+多級(jí)可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)。該工藝?yán)脡毫驯密嚤盟碗娎|下入水力橋塞+射孔槍的方式，一次完成橋塞封隔前一級(jí)壓裂段，對(duì)下級(jí)層段射孔作業(yè)，完成下級(jí)壓裂準(zhǔn)備。通過循環(huán)該過程，實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓裂的目的。第一級(jí)使用連續(xù)油管/油管、爬行器帶電纜等方式進(jìn)行射孔，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)與儲(chǔ)層連通。在進(jìn)行第一級(jí)壓裂以后，通過水力泵入(或者爬行器或連續(xù)油管)，將一個(gè)由復(fù)合橋塞、射孔槍和點(diǎn)火器的井下工具串送到設(shè)計(jì)位置，并通過第一次電子點(diǎn)火將復(fù)合橋塞座封。將射孔槍脫手并上移到下一級(jí)射孔位置進(jìn)行第二次點(diǎn)火射孔，然后將電纜提出井筒，進(jìn)行下一級(jí)的壓裂施工。通過不斷重復(fù)這個(gè)過程可以實(shí)現(xiàn)無限級(jí)的分級(jí)壓裂改造。每級(jí)通常包括2～5個(gè)射孔簇，以增加施工效率和降低施工總體費(fèi)用。在完成所有分級(jí)壓裂施工后，下入連續(xù)油管將井下的橋塞全部磨除，恢復(fù)整個(gè)井筒并進(jìn)行生產(chǎn)。

頁巖氣水平井壓裂規(guī)模大，進(jìn)入儲(chǔ)層的壓裂液對(duì)儲(chǔ)層潛在傷害大。為了提高壓裂液返排速度，延長(zhǎng)油田還首次將CO2混合壓裂工藝應(yīng)用于頁巖氣水平井分段壓裂施工中。CO2混合壓裂技術(shù)可以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。目前，此項(xiàng)技術(shù)所需的配套設(shè)備、施工工藝業(yè)已具備，已在陸相頁巖氣井開展相應(yīng)的試驗(yàn)推廣工作。另外，結(jié)合了延長(zhǎng)陸相頁巖氣儲(chǔ)層特征參數(shù)，如壓力系數(shù)等，優(yōu)化計(jì)算出了CO2的最佳注入量，達(dá)到既降低成本、又提高壓裂液返排率的目的。

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(以YYP-1井為例)

2011年-2014年，延長(zhǎng)油田先后進(jìn)行了4口陸相頁巖氣水平井大型壓裂施工。第1段均采用油管輸送射孔，從第2段開始全部采用泵送可鉆式橋塞分層+電纜射孔槍聯(lián)作技術(shù)逐段進(jìn)行射孔、壓裂和分層作業(yè)。其中YYP-1井為國內(nèi)首口采用CO2+滑溜水混合壓裂工藝技術(shù)施工的頁巖氣水平井，該井進(jìn)行了10段大型壓裂，施工排量12 m3/min，施工壓力33.1～68.9 MPa，總施工液量20 447.5 m3，液態(tài)CO2712.8 m3，累計(jì)砂量600 m3。YYP-1井具體參數(shù)見表2。

由于延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣地層壓力系數(shù)低，地層能量不足，壓裂液體返排速度較慢。經(jīng)過半年時(shí)間的排液，YYP-1井產(chǎn)氣穩(wěn)定在工業(yè)氣流范圍，實(shí)現(xiàn)了陸相頁巖氣水平井產(chǎn)量的突破，達(dá)到了陸相頁巖儲(chǔ)層壓裂改造的設(shè)計(jì)預(yù)期。

5　結(jié)論與建議

(1)經(jīng)過近年不斷研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化，延長(zhǎng)油田在陸相頁巖氣水平井儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)方面取得突破，逐步形成了一套適合鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣水平井壓裂工藝技術(shù)體系。

(2)多井次水平井壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，滑溜水、線性膠壓裂液體系結(jié)合水平井分簇射孔+多級(jí)可鉆式橋塞分段壓裂工藝對(duì)延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造是適用的；YYP-1井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了成功并取得了較好產(chǎn)量的工業(yè)氣流。建議下階段繼續(xù)開展頁巖氣水平井CO2壓裂工藝技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

表2　YYP-1井壓裂施工參數(shù)匯總

(3)延長(zhǎng)油田陸相頁巖氣水平井壓裂工藝技術(shù)相對(duì)成熟，但是水平井儲(chǔ)層改造裂縫起裂、延伸等增產(chǎn)機(jī)理方面的研究相對(duì)滯后，一定程度影響儲(chǔ)層改造效果。建議下一步開展陸相頁巖壓裂裂縫開啟及延伸機(jī)理研究，為頁巖氣水平井壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0120-04

2016-02-25

郭慶，工程師，1982年生，2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事儲(chǔ)層壓裂改造方面的研究工作。

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程“陸相頁巖氣資源地質(zhì)研究與勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”(2012KTZB03-03)。

TE357

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