肖佳林

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院，湖北武漢430035）

地質條件變化對涪陵頁巖氣井壓裂的影響及對策

肖佳林

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院，湖北武漢430035）

由于埋深、構造等地質條件發(fā)生改變，頁巖氣井壓裂面臨新的問題和挑戰(zhàn)。涪陵區(qū)塊平面及縱向上地質力學條件、深度和構造位置等變化，給水平井分段壓裂工藝實施及壓后效果帶來一系列影響。文中分析總結本區(qū)域儲層地質條件的具體變化，評估了各因素變化對壓裂改造的影響，特別是埋深增加、復雜構造環(huán)境等對壓裂工藝實施的綜合影響；明確了由于深度、構造等變化，導致地應力、閉合應力及內聚力增加。另外，巖石塑性破壞影響，使得凈壓力消耗增加、有效凈壓力降低、剪切區(qū)面積減小、人工裂縫帶層理剪切區(qū)域擴展受限，進而可能影響儲層有效改造體積及壓后效果。最后從分段分簇、壓裂配套材料及泵注程序等方面提出了頁巖氣井壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化的總體策略和具體方向。

地質條件；力學參數(shù)；派生應力；層理；改造體積；深井

涪陵焦石壩頁巖氣田位于重慶涪陵，屬川東高陡褶皺帶萬縣復向斜焦石壩構造帶，目前探明儲量3 805.98×108m3，含氣面積383.54 km2，為全球除北美之外最大的頁巖氣田。在2013年井組開發(fā)試驗基礎上，經過2014—2015年一期產能建設階段進一步優(yōu)化壓裂工藝及參數(shù)，完成164口井3 037段的壓裂施工，形成了“復雜縫/網縫+主縫”的壓裂改造思路以及“混合壓裂、組合加砂”的壓裂模式，現(xiàn)場取得了顯著效果。

伴隨勘探開發(fā)由主體區(qū)域逐漸南移，相比一期產建主體區(qū)域，外擴區(qū)域構造更為復雜，埋深顯著增加，目的層垂深由2 400 m增加至3 800 m，穿行層位跨度增大。由于壓裂地質條件發(fā)生變化，現(xiàn)場施工反映施工壓力高、壓力窗口小、加砂難度大、復雜縫網形成難度增大等問題。需深入分析這些變化對壓裂工藝實施及壓后效果的潛在影響，以指導不同區(qū)域不同單井、不同小層工藝參數(shù)的針對性優(yōu)化設計。筆者選取本區(qū)塊不同區(qū)域及構造位置具有代表性的部分單井，綜合對比分析不同地質、力學等參數(shù)變化，評估了儲層地質及構造條件變化對頁巖儲層改造的具體影響，并針對頁巖氣深井壓裂提出了下一步工藝優(yōu)化調整的具體策略及方向。

1　地質力學條件變化的影響

涪陵焦石壩區(qū)塊目的層段上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組地層三分性特征明顯，其中下部以碳質、硅質泥頁巖為主，中部為濁積砂巖段，上部為含粉砂質泥巖段。下部含氣泥頁巖段是焦石壩地區(qū)頁巖氣開發(fā)的目的層段，富有機質泥頁巖的厚度較大、分布穩(wěn)定，厚度在80～114 m。綜合巖性、電性、物性、地化、含氣性等特征將五峰—龍馬溪組含氣頁巖段縱向上劃分為3段5個亞段9個小層，其中下部38 m優(yōu)質氣層段可劃分為5小層，巖性以黑色、灰黑色含碳質、硅質頁巖夾粉砂質頁巖為主。選取本區(qū)塊不同埋深、不同區(qū)域及不同構造位置的8口導眼井主力層段相關數(shù)據(jù)進行對比分析（見表1），8口井構造背景呈現(xiàn)背斜、向斜等多樣性變化。

表1　不同單井地質力學參數(shù)對比

1.1彈性模量及泊松比

彈性模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學參數(shù)，頁巖彈性模量高、泊松比低，表示儲層脆性高。脆性是材料的綜合特性，是在自身天然非均質性和外在特定加載條件下產生內部非均勻應力，并導致局部破壞，進而形成多維破裂面的能力。頁巖彈性模量一般為10～80 GPa，泊松比一般為0.20～0.40。隨著深度的增加，不同單井儲層彈性模量整體變化較小，而泊松比隨區(qū)域位置、深度等變化整體增大，反映出儲層巖石塑性增強的變化趨勢，可能使得壓裂裂縫擴展延伸難度增加。隨著井深的增加，巖石的斷裂韌性增大，也反映壓裂過程中裂縫的延伸可能更加困難。

1.2最小水平主應力及水平兩向應力差

對于深部頁巖儲層，由垂向應力、最大和最小水平主應力組成的原巖應力和孔隙壓力與淺部巖層差異較大。水力壓裂時巖層的起裂壓力與原始最大最小主應力、孔隙壓力、抗張強度等密切相關，具體關系為［1］

式中：pb為巖層破裂時的起裂壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；T0為巖層抗拉強度，MPa；σmin，σmax分別為地層原始最小和最大水平主應力，MPa。

當水平最小主應力較低時需要的巖石起裂壓力也較小，巖層更易起裂進而延伸擴展。水平應力差異系數(shù)是復雜縫網能否實現(xiàn)的關鍵因素，當最大與最小水平主應力差異較小時，壓裂改造易形成復雜的方向性較差的裂縫系統(tǒng)。

基于室內試驗及測井數(shù)據(jù)對各井的地應力參數(shù)進行了分析計算。隨埋深增加，地應力明顯增加，由51 MPa增加至77 MPa，反映巖層的起裂難度加大，地層閉合壓力增大，對壓裂支撐劑的抗破碎強度和長期導流能力也提出了更高的要求；兩向水平應力差異系數(shù)差異較小（0.11～0.15），有利于裂縫轉向復雜化；隨深度增加，水平應力差由7.6 MPa增至8.3 MPa，壓裂施工中需要較高的凈壓力來促使裂縫轉向。

1.3內聚力變化

內聚力反映了同種物質內部相鄰各部分之間的相互吸引力，主要與巖石的密度、黏土含量、上覆巖層壓力、泊松比等有關。對于頁巖儲層而言，剪應力克服使材料顆粒脫落間聯(lián)系的內聚力和與正應力、摩擦角有關的摩擦力，促使巖體內部發(fā)生滑移而形成剪切破壞。內聚力和內摩擦角一般根據(jù)三軸壓縮試驗得到的數(shù)據(jù)并通過Mohr-Coulomb破壞準則來計算獲取?；谏皫r儲層測井資料計算內聚力和內摩擦角的經驗公式進行推導，得出計算內聚力的關系為

式中：C為內聚力，MPa；α為與上覆巖層壓力相關的系數(shù)；ρ為巖性密度，g/cm3；Vp為測井聲波時差的倒數(shù)，m/ μs；μ為動態(tài)泊松比；VSH為頁巖的泥質體積分數(shù)，%。

應用式（2）對Z1，W2，W4，W5等井的內聚力進行分析，計算得到的內聚力分別為9.0，12.7，15.2，16.5 MPa。伴隨深度增加，內聚力明顯增加，一方面可能使得發(fā)生層理剪切破壞的難度高于主體區(qū)域，另一方面考慮層理面黏聚力與剪切區(qū)長度變化關系，內聚力每增加1.0 MPa，會使得水力裂縫剪切區(qū)長度有所減小［2］，亦可能對頁巖壓裂改造過程中人工裂縫剪切區(qū)域的擴展產生負面影響。

2　埋深增加的影響

2.1不同深度頁巖脆塑性破壞特征

不同破壞模式下具有不同的應力一應變特征，頁巖變形破壞過程中的應力一應變特征，對于理解頁巖脆塑性破壞過程以及復雜破裂模式的形成機制具有重要意義。實驗獲取了不同深度Z1，W1，W2三口井不同層位巖心試樣在相同及不同圍壓下破壞特征及應力一應變曲線，如圖1所示。

圖1　不同單井、不同層位應力-應變曲線

由圖可以看出，在相同圍壓20 MPa條件下，由于深度增加導致原巖應力增加，3口井相同層位的巖石破壞特征由脆性向偏塑性轉變。三軸條件下Z1井①—④號層表現(xiàn)出較強的脆性特征，W2井反映出明顯的塑性特征。峰值應變大于在峰值前軸向應力-應變曲線表現(xiàn)為直線段，反映本區(qū)域頁巖內部異常致密。

2.2埋深對人工裂縫延伸擴展影響

涪陵焦石壩區(qū)塊五峰—龍馬溪組主力層段層理縫發(fā)育，膠結強度弱，應力差異系數(shù)為0.10～0.15，脆性指數(shù)50%～60%。從裂縫延伸機理分析，認為水力裂縫易沿最大水平主應力方向和層理弱面同時起裂，同時液體的橫向波及傳遞壓力，層理縫發(fā)生張性破裂，受上覆巖層壓力的影響，橫向波及產生一定的作用距離，發(fā)生層理面的剪切滑移。與此同時，頁巖發(fā)生偏離最大主應力方向發(fā)生張性破壞，在此過程，遇到弱面或天然裂縫開啟，壓裂裂縫會發(fā)生多縫的共軛剪切破壞。橫向波及范圍較大，縫高擴展受到抑制，形成較復雜的縫網。

在主裂縫靠近層理面的過程中，層理面的張開區(qū)長度非常小，剪切區(qū)相對于張開區(qū)長度要大很多，剪切區(qū)提供主要的導流通道，由于水力壓裂中張開區(qū)在壓裂完成后經過一段時間會閉合，因此剪切區(qū)相對于張開區(qū)提供更穩(wěn)定的導流通道［2-11］。由于深度增加，導致地應力、閉合應力及黏聚力增加，加之巖石塑性破壞影響，凈壓力消耗增加，使得有效凈壓力降低、剪切區(qū)面積減小。塑性增強、層理黏聚力增大，人工裂縫帶層理剪切區(qū)域擴展受限，使得壓裂過程中儲層有效改造統(tǒng)計受限，進而可能影響壓后效果。

3　復雜構造帶附加應力的影響

焦石壩區(qū)塊及周緣由東向西可劃分為齊岳山復背斜、石柱復向斜、方斗山復背斜、萬縣復向斜及大天池復背斜5個三級構造單元。鑒于本區(qū)江南—雪峰板緣由東南向北西強烈遞進擠壓的力學背景，東傾斷裂為主控斷裂。其中包括北東向的齊岳山、平橋、石門、山窩、梓里場斷層，北西向的烏江、大耳山西斷層。整體來看，隨開發(fā)南移及外擴，區(qū)域構造分布及形態(tài)愈加復雜，復雜構造帶的水平井沿井眼軌跡應力環(huán)境存在多樣性，可能對人工裂縫延伸擴展產生重要影響。構造應力作用使得背斜、向斜等不同構造位置由于巖層彎曲而產生的派生應力（附加應力）存在明顯差異，在中性面以上派生拉張應力，中性面以下為擠壓應力區(qū)，應力大小與巖層彎曲程度有關，一般用曲率作為評價巖層彎曲程度的指標。關于派生應力的疊加問題，就背斜區(qū)而言可能派生拉張應力，拉張應力疊加在最小水平主應力上，拉張應力為負值，會抵消一部分現(xiàn)今最小水平主應力；向斜區(qū)則派生正應力，派生正應力的疊加，可能使得原始最小水平主應力增大［3］。由于構造派生應力影響使得水平兩向應力差值發(fā)生變化，進而對裂縫擴展形態(tài)和壓裂施工造成影響。考慮地層的塑性情況，曲率與派生應力關系式為

式中：σp為彎曲派生應力，MPa；E為彈性模量，GPa；er為巖石彈塑性系數(shù)；h為變形層厚度，為最大變形曲率，1/km。

結合涪陵區(qū)塊儲層特征，分析計算了構造派生應力隨不同變形曲率、不同彈性模量變化情況，對應于本區(qū)域變形曲率0.02，彈性模量35～40 GPa的情況下可能產生5～7 MPa的派生應力，因而背斜區(qū)域，派生應力的負向疊加于最小水平主應力，增大兩向水平應力差異系數(shù)，不利于裂縫轉向和復雜化；向斜區(qū)域派生應力則正向疊加于最小水平主應力，造成施工壓力增加，加砂難度加大。

以W3井為例，該井位于石門向斜西翼斜坡，水平段長1 742.00 m，垂深跨度較大（3 200.00～3 800.00 m），A，B靶點垂深差584.35 m。A靶點東邊發(fā)育一斷層，直線距離300.00 m，本井水平段中后段裂縫相對發(fā)育。不同井段施工壓力、曲線特征存在明顯差異（見圖2）。其中第1—8段施工壓力在80～92 MPa的高位區(qū)間運行，第21—25段施工壓力則降低至45～60 MPa。這也間接反映出在復雜構造帶沿水平井段軌跡應力多樣性條件下，人工裂縫擴展受應力影響大，裂縫形態(tài)差異大，導致施工曲線響應特征也存在較大差異。

圖2　W3井第1—25段施工曲線

4　頁巖氣深井壓裂工藝優(yōu)化

頁巖儲層壓裂的目標在于有效改造體積最大化，改造體積內裂縫復雜程度最大化。對于涪陵焦石壩區(qū)塊埋深適中、構造平緩的主體區(qū)域，儲層總體上脆性好、地應力差異小，一方面選擇減阻水壓裂液，可提高裂縫轉向、剪切的概率，溝通更多的天然裂縫和頁巖層理，增大泄氣面積；另一方面采用黏度相對較高的膠液，擴展裂縫寬度、提高支撐劑濃度和粒徑，增強液體在局部應力差異大、泥質含量較高層段的造縫能力，形成主縫，提高裂縫導流能力。采用2種液體組合，減阻水造復雜網縫、擴大改造體積；膠液造主縫、提高裂縫導流能力，利用各自優(yōu)勢，以實現(xiàn)“復雜網縫+高導流能力主縫”的壓裂改造目的。壓裂注入初期，裂縫彎曲大、縫寬小，選擇低濃度、小粒徑支撐劑；然后，利用中等粒徑支撐劑，對裂縫系統(tǒng)形成主要支撐；后期，采用膠液攜帶高濃度、大粒徑支撐劑，形成主導縫，采取“混合壓裂+組合加砂”方式。該工藝的主要目的在于對不同裂縫系統(tǒng)的分級支撐，進一步滿足形成復雜縫網的工藝要求。

區(qū)域平面、縱向上壓裂地質條件的變化：一方面，由于埋深增加，使得塑性增強、溫度升高、閉合應力、地應力及施工壓力明顯增加；另一方面，深井多分布在陡坡帶、構造高部位，構造類型（向斜、背斜）多樣化，地層傾角、地應力方位及大小發(fā)生較大變化，近井彎曲摩阻增大。縱向不同層段物性、天然裂縫發(fā)育情況等差異，給本區(qū)塊頁巖氣深井壓裂工藝實施帶來一系列變化和挑戰(zhàn)，需結合壓裂工藝需求對工藝參數(shù)進行調整。

4.1分段分簇

隨埋深增加，地層塑性增強，相同間距下裂縫尖端剪應力減小，可能使得剪切破裂區(qū)域變小。通過優(yōu)化段簇間距參數(shù)（如減少段、簇間距、簇數(shù)等），以合理利用誘導應力影響，提高裂縫復雜度。分段分簇總體上應以多段少簇為原則，以優(yōu)化裂縫參數(shù)、增加有效裂縫條數(shù)為目的，以實現(xiàn)水平段充分改造，提高泄氣面積。

4.2壓裂配套材料

針對深層頁巖氣儲層高溫、高壓等特點，優(yōu)化包括前置酸液、壓裂液及支撐劑等配套材料以滿足深層頁巖氣層改造的工藝需求。目的層段儲層塑性增強，裂縫延伸相對困難，同時上覆巖層壓實作用增加，酸液與天然裂縫、層理接觸面積減小，一定程度上限制了酸化效果，考慮優(yōu)化前置酸液體系，比如采用土酸，加入抑制二次沉淀酸液添加劑，提高酸液的處理效果，降低施工壓力。壓裂液體系需綜合考慮耐溫、抗剪切、降阻性能、攜砂、破膠等性能。通過優(yōu)化減阻水及膠液配方，適當提高液體黏度，促進主縫延伸，同時提高防膨劑用量，減小壓裂液對儲層的傷害。支撐劑應選擇高強度、低嵌入、高導流的系列支撐劑和組合。

4.3施工參數(shù)

深井頁巖儲層黏土礦物含量增加，儲層塑性增強，閉合應力增大，對裂縫導流能力要求更高。為實現(xiàn)有效的裂縫改造體積，一方面可調整前置液階段類型、用量及排量變化，優(yōu)化造縫時機及造縫效果；另一方面適當增加用液規(guī)模，泵注程序設計應盡可能提高綜合施工砂液比，延緩導流能力遞減，提升高閉合應力下低鋪砂濃度下裂縫導流能力。如采用低起步小增幅、段塞式、中長段塞連續(xù)加砂、增加中低砂比段塞數(shù)量和攜砂液量等模式的加砂程序設計；考慮多粒徑支撐劑與多尺度裂縫寬度匹配，適當增加小粒徑的比例；改善支撐剖面，避免形成點或不連續(xù)的小面積支撐，采用大段塞或連續(xù)加砂模式，以形成連續(xù)支撐剖面為目標；針對天然裂縫發(fā)育儲層，為增加裂縫復雜度，從暫堵轉向考慮優(yōu)化泵注程序，施工后期可采取中間加入“減阻水+粉陶”或“膠液+粉陶”主動性粉陶段塞、中途轉換膠液等措施，提高凈壓力，促使天然裂縫/次生縫開啟，促進裂縫復雜化。

5　結論

1）伴隨埋深、構造形態(tài)、裂縫發(fā)育狀況、穿行層位等一系列地質及構造條件變化，形成復雜縫網的基礎地質條件發(fā)生了一定的變化。由于深度增加、塑性增強、層理黏聚力增大，凈壓力消耗增加，使得有效凈壓力降低、剪切區(qū)面積減小，人工裂縫帶層理剪切區(qū)域擴展受限，可能造成壓裂過程中儲層有效改造體積受限，進而影響壓后效果。

2）復雜構造帶存在的應力多變環(huán)境及大尺度天然裂縫，會間接影響壓裂裂縫延伸擴展，導致各區(qū)域人工裂縫形態(tài)存在明顯差異。不同構造位置（背斜、向斜、斷層）派生應力差別較大，使得水平兩向應力差值發(fā)生變化，會對涪陵區(qū)塊頁巖氣水平井現(xiàn)場壓裂施工造成一定影響。

3）針對頁巖氣深井及復雜構造帶單井，在充分認識巖性、應力、天然裂縫產狀變化的基礎上，可以從分段分簇、壓裂液配方體系及泵注程序優(yōu)化等幾個方面完善工藝參數(shù)，以實現(xiàn)增加儲層有效改造體積和裂縫復雜程度的目標。

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（編輯楊會朋）

Influence of geological condition change on shale gas well fracturing in Fuling and its strategy

XIAO Jialin
（Research Institute of Petroleum Engineering，Jianghan Oilfield Company，SINOPEC，Wuhan 430035，China）

Because of the change of the geological conditions such as the buried depth and geological structure，the hydraulic fracturing for shale-gas wells is facing new problems and challenges.The change of geological mechanics condition，depth and structure position of the Fuling Block both in the plane and vertical directions has brought about a series of effects on the fracturing technique for horizontal well.Analyzing and summarizing the specific change of reservoir geological conditions，the influence of various factors on the fracturing transformation is evaluated，especially the influence of the buried depth and complex structure environment on the fracturing process.Due to the depth and structure changes，there is a significant increase in in-situ stress，closure stress and cohesion.The plasticity damage of rock results in the net pressure consumption increase，the effective net pressure reduction，shear area decrease，and limited bedding shear zone expansion of hydraulic fracture，which may affect the storage layer effective transformation volume and pressure effect.The overall strategy and the specific direction of optimizing fracturing techniques for shale-gas wells are presented from the following aspects，the cluster space，the matching material of fracturing，and the pumping program.

geological condition；mechanical parameter；derived stress；bedding；stimulated reservoir volume；deep well

中國石化集團公司科技項目“涪陵區(qū)塊頁巖氣層改造技術研究”（P14092）、“涪陵地區(qū)深井高壓頁巖氣壓裂方式研究”（P15138）

TE375

A

10.6056/dkyqt201605028

2016-03-01；改回日期：2016-07-12。

肖佳林，男，1984年生，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于長江大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)。E-mail：799071660@qq.com。

引用格式：肖佳林.地質條件變化對涪陵頁巖氣井壓裂的影響及對策［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：668-672.

XIAO Jialin.Influence of geological condition change on shale gas well fracturing in Fuling and its strategy［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：668-672.