楊立峰 田助紅 朱仲義 嚴星明 易新斌 段貴府 蒙傳幼 鄒雨時

1.中國石油天然氣集團有限公司油氣藏改造重點實驗室 2.中國石油勘探開發(fā)研究院3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 4.中國石油大學（北京）

0 引言

水力裂縫的導流能力是影響頁巖氣單井壓后的產(chǎn)量重要因素之一[1-4]。四川長寧—威遠地區(qū)頁巖氣儲層壓裂由于其閉合壓力較高[5]（儲層埋深2 000～3 500 m、44～68 MPa），以往使用可在高閉合壓力下保持高導流能力的40/70目陶粒作為主要的支撐劑，達到保持裂縫通道長期有效的作用[6-8]，實現(xiàn)單井增產(chǎn)。但由于用量大，單井的材料成本較高。

國外致密油氣為了進一步降低支撐劑的成本，開始大量使用石英砂。但論述為何可以采用石英砂作為支撐劑替代陶粒在頁巖氣較高應力的儲層論證石英砂的應用可行性未見相關報道。

筆者提出了論證在非常規(guī)高應力儲層應用石英砂的適應性的方法。并利用氣藏數(shù)值模擬方法，論證了儲層所需的支撐裂縫導流，利用頁巖氣井生產(chǎn)歷史統(tǒng)計分析結果和人工裂縫擴展模擬結果，明確了儲層作用在支撐劑上的有效應力、有效應力加載在支撐劑上的加載速度和縫網(wǎng)內的支撐劑的鋪置濃度，認識到常規(guī)的支撐劑評價方法無法直接應用于頁巖氣應用支撐劑的優(yōu)選。提出了新的適合長寧—威遠地區(qū)頁巖氣現(xiàn)場選用支撐劑導流的實驗方法，并利用該方法進行了支撐劑的篩選，優(yōu)選了試驗井，開展了大規(guī)模應用石英砂礦場實驗，論證了在該地區(qū)3 500 m以淺儲層應用石英砂作為支撐劑的可行性和適應性。

1 頁巖氣用石英砂適應性論證流程

由于以往石英砂多用于埋深較淺、閉合壓力多小于30 MPa的常規(guī)儲層，在這種情況下，石英砂可以提供較高的導流能力，滿足生產(chǎn)對導流能力的需求。

對于長寧—威遠地區(qū)的儲層埋深2000～3500 m而言，閉合壓力較高（44～68 MPa），明顯已經(jīng)大于常規(guī)儲層，在生產(chǎn)后期，作用在支撐劑上的力會遠大于30 MPa，在這種條件下石英砂的破碎率明顯增加，保持導流能力的水平也會顯著降低，是否能夠滿足生產(chǎn)需求，需要新的實驗流程和論證過程。

圖1 論證支撐劑適應性的流程圖

筆者提出了研究石英砂在高閉合應力儲層應用的論證過程如圖1所示。即：①采用數(shù)值模擬方式結合基質滲透率，論證生產(chǎn)中所需裂縫的導流能力；②通過儲層應力狀態(tài)、裂縫擴展模擬及以往井生產(chǎn)歷史，確定加載支撐劑上的最高載荷、支撐劑的鋪置濃度、實驗中的應力加載速度3個條件，并結合室內實驗條件，制定實驗方法，進行樣品的導流能力測試篩選實驗；③利用初選出來的實驗樣品，進行長期導流能力的實驗或者估算，然后進行初步壓裂設計，并進行經(jīng)濟評價，進行再次篩選；④進行現(xiàn)場實驗，并觀察效果，如果與可對比井對比結果可以接受，則進行推廣應用，如果不滿足生產(chǎn)需求，則再重新調整實驗方案，調整實驗樣品（這里即包括石英砂，也包陶?；旌鲜⑸皹悠罚俅沃貜秃Y選合格樣品，直到篩選出滿足生產(chǎn)需求的樣品。

2 頁巖儲層人工裂縫導流能力需求

2.1 儲層基質滲透率

頁巖氣水力壓裂所需的人工裂縫導流能力取決于頁巖基質的滲透率。由于頁巖基質的孔滲極低，在含天然裂縫的儲層壓后多形成復雜裂縫，因此尚無法采用較為精確的礦場方式獲取基質滲透率。筆者采用巖心測試結果。作為論證人工裂縫導流能力的基礎參數(shù)，長寧區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質段頁巖基質滲透率為0.7×10－4～1.5×10－4mD，平均 1.0×10－4mD；威遠區(qū)塊優(yōu)質段頁巖基質滲透率為1.0×10－4～6.0×10－4mD，平均2.4×10－4mD。

2.2 頁巖縫網(wǎng)所需裂縫導流能力

利用數(shù)值模擬方法，對生產(chǎn)所需的人工裂縫導流能力進行了分析，結果表明，人工裂縫導流能力需求較低，且分支裂縫導流對產(chǎn)量的影響小于主裂縫導流。這里給出某個計算實例進行說明，模擬假設裂縫形態(tài)呈現(xiàn)縫網(wǎng)狀態(tài)，主裂縫間距25 m，分支裂縫間距25 m，水平段長度1 500 m，儲層厚度40 m，主裂縫長度100 m，壓力系數(shù)2.0，基質滲透率分別為 1.0×10－4mD、2.4×10－4mD、6.0×10－4mD。

模擬結果表明，裂縫導流能力增加到一定值后，當主裂縫導流能力為0.8～1.0 D·cm（圖2），分支裂縫導流能力為0.05～0.10 D·cm（圖3），累計產(chǎn)氣量增幅變緩。

圖2 單井不同主裂縫導流3年末的累計產(chǎn)氣量圖

圖3 單井不同分支裂縫導流3年末的累計產(chǎn)氣量圖

3 現(xiàn)場用支撐劑評價實驗新方法

3.1 支撐劑上的有效應力

加載在支撐劑上的力與應力的狀態(tài)和孔隙壓力有關，對于主裂縫垂直于最小主應力方向的情況，生產(chǎn)初期加載在主裂縫支撐劑上的力為閉合壓力（此時該值理論上與最小主應力相等）與孔隙壓力的差值，生產(chǎn)過程中孔隙壓力逐漸降低，應力也隨之降低[9]。即

式中σe表示作用在支撐劑上的有效閉合壓力，MPa；t表示生產(chǎn)時間，d；σc表示儲層原始閉合壓力，MPa；v表示泊松比，無因次；σnow表示儲層縫內閉合壓力，MPa；po表示原始孔隙壓力，MPa； pnow(t)表示生產(chǎn)到t時刻對應的縫內某點的壓力，MPa。

長寧區(qū)塊的泊松比為0.158～0.331，平均0.225；威遠區(qū)塊的泊松比為0.115～0.258，平均值為0.22。以此可以估算，當深度為3 500 m時的壓力系數(shù)為1.6、閉合壓力為68 MPa時，其井底壓力降低到3 MPa（假設廢棄壓力為3 MPa），最高作用在支撐劑上的力約為50 MPa；當壓力系數(shù)較低時取1.2，應力較高情況取68 MPa，廢棄壓力取3 MPa，則最高作用在支撐劑上的力約為54 MPa。

長寧—威遠地區(qū)測井計算得到最大主應力比最小主應力高10～15 MPa，則分支裂縫內最高作用在支撐劑上的力約為69 MPa。

3.2 支撐劑上的有效應力加載速率

裂縫閉合后作用在支撐劑上的有效應力會隨著生產(chǎn)壓差的增加而增加，其增加的速率與井底壓力降低的速率是同步的。通過對長寧—威遠地區(qū)頁巖氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析（表1），認識到生產(chǎn)過程中有效應力加載在近井支撐劑上的速率為0.013～0.270 MPa/d（考慮因孔隙壓力降低導致的閉合壓力降低影響加載速度會更低）。

表1 長寧—威遠地區(qū)作用在支撐劑上的壓力加載速度表

3.3 支撐裂縫有效寬度和支撐劑鋪置濃度

裂縫擴展模擬表明，典型施工參數(shù)（施工排量12 m3/min、4簇、滑溜水黏度2 mPa·s）和儲層條件下，水力壓裂中人工裂縫寬度為0.4～2.0 mm，折算后支撐劑鋪置濃度為1.0～2.5 kg/m2（圖4）。

3.4 現(xiàn)場用支撐劑優(yōu)選實驗方法

圖4 威遠區(qū)塊某井壓裂過程中的裂縫剖面模擬結果圖

國內常規(guī)的支撐劑導流能力評價標準是采用約3.5 MPa/min的應力加載速度加載，支撐劑鋪置濃度為5 kg/m2、10 kg/m2。這2個參數(shù)與長寧—威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣現(xiàn)場實際生產(chǎn)時候的值差別較大，為了更符合現(xiàn)場實際情況，對實驗方法進行了調整，將鋪置濃度調整到2.5 kg/m2，將加載速率調整到1 MPa/min，依據(jù)儲層的閉合壓力情況，結合實際生產(chǎn)過程中井底壓力，將最高加載應力設置在70 MPa。

3.5 室內支撐劑檢測結果

利用筆者提出的實驗方法，對8組70/140目的石英砂樣品進行了篩選，優(yōu)選出來2組能夠滿足生產(chǎn)需求的石英砂樣品（圖5）。根據(jù)測試結果推測，在最高加載壓力50 MPa時，2組70/140目石英砂樣品氣測長期導流能力為1.01～1.09 D·cm（根據(jù)以往測試結果，一般情況下氣測為液測導流能力的3倍，而短期導流能力相當于長期導流能力的1/3[10-11]）。

圖5 70/140目石英砂導流能力測試結果圖

對于分支裂縫情況，按最大值估算，則作用在支撐劑上的有效應力約為69 MPa，此時鋪置濃度為2.5 kg/m2時的導流能力為0.53～0.56 D·cm（圖5），根據(jù)模擬結果最小裂縫寬度可能為0.4 mm，相當于最大縫寬2 mm的20%，如果采用本方法獲得的支撐劑進行支撐，則此時分支裂縫的導流能力也會大于0.10 D·cm（單層或者非均勻鋪置的導流能力會高于多層鋪置）。

3.6 應用石英砂對產(chǎn)能的影響

為了論證實驗篩選的石英砂能否滿足現(xiàn)場實際需求，利用該石英砂的測試結果進行外推獲得長導數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬方法對考慮長導條件下的陶粒和本次篩選的石英砂的產(chǎn)能進行了模擬計算和對比分析（不考慮因為70/140目替換原有的40/70目陶粒，粒徑變小導致的裂縫長度增加的影響），模擬結果表明（圖6），采用全部70/140目石英砂“替換”陶粒后，產(chǎn)能幾乎沒有變化。因此篩選的70/140目石英砂能夠滿足需求。

圖6 基質滲透率為6.0×10－4 mD時的模擬結果圖

4 石英砂試驗礦場應用效果

4.1 長寧區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣典型試驗井效果

長寧區(qū)塊某A平臺2口井，儲層埋深2 579～2 980 m，優(yōu)質儲層鉆遇率長寧A-1井99.5%，長寧A-2井95%，脆性指數(shù)57%，總有機碳含量3.2%～3.7%，孔隙度介于5.1%～6.4%。

設計時，提高2口井的石英砂比例至70%～80%（質量比）。實際實施后，長寧A-1井70/140目石英砂占比67%、40/70目陶粒占比33%；長寧A-2井70/140目石英砂占比31%、40/70目陶粒占比79%（表2）。施工過程中砂濃度介于120～160 kg/m3。2口井均采用橋塞分段分簇射孔方式進行施工，施工排量12～14 m3/min，單段液量1 860～1 900 m3。其中長寧A-1井，由于施工中部分井段套變，因此僅壓裂18段。

表2 長寧A區(qū)塊2口井的地質和施工基本參數(shù)表

試驗結果表明，長寧A-2井的井口壓力為17.23 MPa，測試產(chǎn)量為30.6×104m3/d，平均單段產(chǎn)氣量1.3×104m3/d。長寧A-1井的井口壓力為18.24 MPa，測試產(chǎn)量為40.0×104m3/d，平均單段產(chǎn)氣量為2.2×104m3/d。對比結果說明，增加石英砂的比例并未影響產(chǎn)量。而且試驗井通過增加單段石英砂用量為58%，測試產(chǎn)量單段提高了67%，兩個月末的累計產(chǎn)氣量單段提高了50%（圖7）。

4.2 威遠區(qū)塊龍馬溪組頁巖典型試驗井效果

威遠區(qū)塊某A平臺2口井，儲層埋深3 120～3 510 m，優(yōu)質儲層鉆遇率100%，脆性指數(shù)54%，孔隙度7.6%，巖心滲透率0.000 095～0.000 600 mD，其他地質參數(shù)相當。

圖7 長寧區(qū)塊2口水平井單段平均累計產(chǎn)氣量對比圖

設計時提高70/140目石英砂比例70%～80%，2口井均采用橋塞分段分簇射孔方式進行施工，施工排量12～14 m3/min，單段液量1 840～1 900 m3，單段砂量89～105 m3（表3） 。

表3 威遠A區(qū)塊2口井的地質和施工基本參數(shù)表

產(chǎn)量統(tǒng)計結果表明（表4），壓后2口井180 日末的累計產(chǎn)量相差不大（圖8）。180日末的井口壓力相近情況下，簇數(shù)僅增加3%，液量增加了2%，砂量提高18%，日產(chǎn)氣量卻提高約47%，證明增加70/140目石英砂用量、降低40/70目陶粒用量在深層也可行。

表4 威遠A區(qū)塊2口井日產(chǎn)氣量情況表

5 結論

1）依據(jù)長寧—威遠地區(qū)頁巖氣生產(chǎn)過程分析，提出了在篩選支撐劑時，為了更接近現(xiàn)場實際情況，應降低篩選實驗的有效應力加載速率，改變鋪置濃度，加載到最高有效閉合應力。

圖8 威遠區(qū)塊2口水平井累計產(chǎn)氣量對比圖

2）數(shù)值模擬表明，對于長寧、威遠區(qū)塊的儲層，其基質滲透率小于6.0×10－4mD時，主裂縫導流能力介于0.8～1.0 D·cm、分支裂縫導流能力0.05～0.10 D·cm即可滿足生產(chǎn)需求。

3）當主裂縫垂直最小主應力方向，分支裂縫垂直主裂縫時，對于長寧—威遠地區(qū)埋深2 000～3 500 m的儲層，作用在主裂縫內支撐劑上的最大有效應力低于54 MPa，作用在分支裂縫內支撐劑上的最大有效應力約為69 MPa（測井解釋最大水平主應力結果）。

4）通過室內實驗篩選出能夠滿足長寧—威遠地區(qū)需求的70/140目石英砂，并開展了現(xiàn)場實驗。結果表明該地區(qū)兩個平臺的典型井，將石英砂比例從約30%提高為70%～80%，單段產(chǎn)氣量無明顯變化，證明在頁巖氣深層，采用提高石英砂比例“替換”陶?？尚小?/p>

5）由于石英砂成本較低，預計通過石英砂“替換”陶粒方法，1 500 m水平段，分壓20段，單段砂量150 t，采用替換方式將石英砂比例提高到70%～100%，則單井可以節(jié)約支撐劑成本60萬元～100萬元（石英砂按800元/t計算，陶粒按1 300元/t），按建產(chǎn)100×108m3、1 000口水平井計算，通過該方法可節(jié)約6億元～10億元，如果石英砂本地化，則成本進一步降低，經(jīng)濟效益會更好，具有較大的推廣和應用價值。

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