林景禹，邱慶倫，丁建鎖，袁青松，馮彩琴

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河南省中牟區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)初探

林景禹1，邱慶倫2，丁建鎖1，袁青松2，馮彩琴1

（1．深圳市百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳 518054；2．河南省地質(zhì)調(diào)查院）

為評(píng)價(jià)南華北地區(qū)上古生界二疊系海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的資源量，對(duì)河南省中牟區(qū)塊太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)展了壓裂技術(shù)研究。根據(jù)牟區(qū)塊M1井、Z2井太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖性、孔滲、天然裂縫、脆性礦物、含氣量、有機(jī)碳含量、巖石力學(xué)性質(zhì)等，開(kāi)展了頁(yè)巖氣大規(guī)模的體積壓裂，技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，包括射孔位置優(yōu)選、射孔方式確定、壓裂液選擇、支撐劑選擇、壓裂排量?jī)?yōu)化、壓裂縫長(zhǎng)優(yōu)化等。兩口井壓裂后最高日產(chǎn)氣4 000 m3，南華北盆地太原組頁(yè)巖氣勘探由此獲得突破。

南華北地區(qū)；中牟區(qū)塊；太原組；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層；縫網(wǎng)壓裂

1 太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)

中牟區(qū)塊太原組為海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，埋藏深、厚度大，縱向巖性復(fù)雜，泥巖、泥頁(yè)巖、灰?guī)r互層分布，小層多，層間差異大，非均質(zhì)性較強(qiáng)。太原組儲(chǔ)層孔隙度為1.9%～3.2%，滲透率為（0.002～0.02）×10–3μm2，屬于特低孔特低滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層硅質(zhì)礦物含量為34%～37%，黏土礦物含量為50%～56%，脆性指數(shù)低。泥頁(yè)巖致密，壓裂加砂改造難度大，要求壓裂液防膨性能好、黏度高。儲(chǔ)層楊氏模量20～45 GPa，泊松比0.29～0.35，破裂壓力59～64 MPa，可壓指數(shù)29%～43%，儲(chǔ)層可壓性一般[1]。太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力42～65 MPa，最大水平主應(yīng)力58～77 MPa，兩向水平主應(yīng)力差偏大，差異系數(shù)大于10%，壓裂時(shí)不易于形成體積縫網(wǎng)[2]。太原組多發(fā)育水平層理，灰?guī)r中高導(dǎo)縫、充填縫較發(fā)育。

2 太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)優(yōu)化

2.1 射孔位置優(yōu)選

依據(jù)M1井、Z2井太原組鉆井、錄井、測(cè)井解釋成果，以頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的脆性特征、TOC含量、含氣性、巖性、電性特征為基礎(chǔ)優(yōu)選射孔層位，優(yōu)選原則如下：

（1）TOC含量與含氣量較高；

（2）脆性指數(shù)較高、天然微裂縫較發(fā)育；

（3）地應(yīng)力差異相對(duì)較小部位；

（4）高楊氏模量低泊松比；

（5）孔隙度、滲透率較高；

（6）固井質(zhì)量好，避開(kāi)套管接箍；

2.2 射孔方式與參數(shù)優(yōu)化

由于相同孔密和孔徑下，孔眼摩阻隨排量增大而增大。相同排量下，射孔孔眼摩阻隨射孔孔密增加、孔徑的增大而減小，因此綜合考慮，為滿足頁(yè)巖氣壓裂施工大排量要求，采取多簇射孔，優(yōu)化射孔厚度3.0～3.5 m，孔密16孔/m，射孔直徑10 mm，能滿足頁(yè)巖氣壓裂施工裂縫起裂與擴(kuò)展所需要的最低單孔排量。

2.3 壓裂液選擇

根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)、脆性礦物含量等因素計(jì)算儲(chǔ)層壓裂指數(shù)，選取合適的壓裂液與支撐劑體系。目的層楊氏模量高、脆性指數(shù)低，頁(yè)巖氣段采取滑溜水 + 線性膠混合壓裂液體系，利用滑溜水段塞式加砂工藝促進(jìn)體積縫形成，利用線形膠提高施工砂比，從而有效提高裂縫的導(dǎo)流能力。

（1）根據(jù)地層特點(diǎn)，選擇滑溜水壓裂液體系進(jìn)行體積壓裂。該體系具有低摩阻、易返排等特點(diǎn)，表觀黏度1.5～2.5 mPa·s，具有一定的攜砂性，降阻效率大于70%，可實(shí)現(xiàn)在線混配。

（2）壓裂后期，采用對(duì)地層傷害低的線性膠體系，以增加主裂縫近井筒導(dǎo)流能力，保持產(chǎn)量穩(wěn)定。線性膠表觀黏度25～30 mPa·s，可實(shí)現(xiàn)在線混配。

2.4 支撐劑選擇

選擇100目 + 40/70目粒徑組合，100目粉陶可以打磨孔眼，降低近井彎曲摩阻，用于支撐和充填微裂隙、降低濾失、增加主裂縫凈壓力，有利于開(kāi)啟更多次生裂縫形成體積裂縫。選擇40/70目低密度陶粒，相較30/50目陶?？梢愿菀走M(jìn)入目的層，確保施工成功率。根據(jù)地層閉合壓力梯度2.25 MPa/100 m，計(jì)算太原組目的層地層閉合應(yīng)力65.0 MPa左右，優(yōu)選69 MPa壓力下破碎率小于10%的低密陶粒作為支撐劑。

2.5 排量?jī)?yōu)化

（1）壓裂目的層底部灰?guī)r隔層中夾有煤層，為避免壓竄煤層，造成煤屑污染儲(chǔ)層，需要控制施工排量，避免人工裂縫在縱向上延伸至煤層。

（2）為保證頁(yè)巖氣縫網(wǎng)壓裂裂縫起裂與延伸所需的單孔流量，施工排量要大于10 m3/min。

（3）在10～12 m3/min排量下，應(yīng)用Meyer軟件進(jìn)行壓裂裂縫模擬，單簇（簇長(zhǎng)1 m，共16 孔）施工排量3.0 m3/min左右時(shí)，裂縫長(zhǎng)度和高度的延伸出現(xiàn)變緩的拐點(diǎn)（圖1）。 在射孔長(zhǎng)度共3.5 m情況下，當(dāng)施工排量10.5 m3/min以上，縫長(zhǎng)和縫高的增長(zhǎng)將變緩（圖2），優(yōu)化設(shè)計(jì)排量為 10～12 m3/min。

2.6 壓裂縫長(zhǎng)優(yōu)選

利用Meyer壓裂軟件頁(yè)巖氣模塊，分別模擬不同壓裂裂縫半長(zhǎng)情況下，日產(chǎn)氣量的變化，結(jié)果表明，縫長(zhǎng)超過(guò)200 m后產(chǎn)量提升幅度逐漸變小，因此優(yōu)選縫長(zhǎng)為190～220 m[3–6]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 壓裂井基本情況

中牟區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深2 800～2 900 m，原始地層壓力系數(shù)0.9～1.0，鉆探兩口井M1井、Z2井，采用簇式射孔對(duì)氣層進(jìn)行壓裂求產(chǎn)（表2）。

圖 1 單簇排量與縫長(zhǎng)的關(guān)系

圖 2 單簇排量與縫高的關(guān)系

3.2 現(xiàn)場(chǎng)壓裂實(shí)施及效果

在中牟區(qū)塊實(shí)施了兩口探井頁(yè)巖氣縫網(wǎng)大規(guī)模壓裂施工，壓裂液體系采用滑溜水 + 線性膠體系，M1井采用100目粉陶 + 40/70目陶粒 + 30/50目陶粒組合支撐劑，Z2井支撐劑采用100目粉陶 + 40/70目陶粒組合支撐劑。壓后M1井、Z2井均獲得日產(chǎn)氣千方以上（表3）[7–8]。

表2 兩口頁(yè)巖氣井地質(zhì)參數(shù)

表3 兩口頁(yè)巖氣井壓裂參數(shù)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）南華北盆地二疊系太原組頁(yè)巖氣層具有埋藏深、天然裂縫發(fā)育不一、地層復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這增大了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂的改造難度。

（2）針對(duì)中牟區(qū)塊太原組頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層特點(diǎn)和壓裂難點(diǎn)，采用大規(guī)?？p網(wǎng)壓裂技術(shù)[9]，壓后最高日產(chǎn)氣4 000 m3，南華北盆地太原組頁(yè)巖氣勘探獲得突破。

（3）兩口井壓后產(chǎn)量下降快、地層壓力低、地層能量不足，難以持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。

[1] 徐兵詳，李相方. 頁(yè)巖氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析方法及產(chǎn)能預(yù)測(cè)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，37（3）：199–124.

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編輯：張 凡

2017–11–21

林景禹，高級(jí)工程師，1973年生，1996年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事儲(chǔ)層壓裂、酸化改造技術(shù)研究工作。

河南省重大科技專項(xiàng)“河南頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)及示范應(yīng)用研究”（151100311000）。

1673–8217（2018）04–0109–03

TE375

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