摘 要：涪陵區(qū)塊深層頁(yè)巖埋藏深、地應(yīng)力高，壓裂改造時(shí)存在施工壓力高、縫寬窄，改造體積偏小、壓后初產(chǎn)效果差等問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展深層頁(yè)巖地質(zhì)特征參數(shù)和綜合評(píng)價(jià)可壓性研究，分析壓裂改造面臨的技術(shù)難點(diǎn)并提出了技術(shù)對(duì)策。通過(guò)采用“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復(fù)雜度、長(zhǎng)段塞加砂”等工藝措施達(dá)到“增大改造體積，提高加砂強(qiáng)度”改造目標(biāo)，試驗(yàn)井壓后初期產(chǎn)量達(dá)到11×104m3/d，為深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造提供了技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：深層頁(yè)巖；水平井；壓裂工藝；改造體積

1 前言

涪陵區(qū)塊深層頁(yè)巖相較淺層地質(zhì)條件更加復(fù)雜，表現(xiàn)為分屬多個(gè)構(gòu)造帶，構(gòu)造形態(tài)多樣，斷裂發(fā)育，斷裂周圍及構(gòu)造翼部地層傾角25-60°。同時(shí)由此造成造成地應(yīng)力大小、方位復(fù)雜多變、天然裂縫發(fā)育程度差異。深層頁(yè)巖氣的地質(zhì)特征及其對(duì)壓裂的影響也發(fā)生了較大變化，壓裂改造中存在施工壓力高、縫寬窄、加砂困難，形成復(fù)雜縫和增大改造體積難度大等問(wèn)題，同時(shí)壓后效果不理想。因此，有必要開(kāi)展深層綜合評(píng)價(jià)可壓性研究，進(jìn)一步優(yōu)化壓裂施工工藝。

2 涪陵深層頁(yè)巖壓裂改造難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

涪陵P(guān)J區(qū)塊深層頁(yè)巖，位于逆斷層下盤(pán)擠壓應(yīng)力環(huán)境，埋深3800-4000m，地層傾角大于30°，TOC含量為2-3.5%，孔隙度3%，石英含量46-55%，巖心及成像測(cè)井顯示裂縫發(fā)育程度變低。與淺層相比相比儲(chǔ)層物性變差，同時(shí)應(yīng)力增加以及地層傾角增大帶來(lái)的三向應(yīng)力狀態(tài)變化，都對(duì)壓裂改造造成影響，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

①井筒沿程摩阻增加，由此造成井口施工壓力高和注入排量受限，同時(shí)地應(yīng)力增加，裂縫延伸難度增大導(dǎo)致造縫寬度窄。

對(duì)于深部頁(yè)巖儲(chǔ)層，由垂向應(yīng)力、最大和最小水平主應(yīng)力組成的原巖應(yīng)力和孔隙壓力與淺部巖層差異較大。水力壓裂時(shí)巖層的起裂壓力與原始最大最小主應(yīng)力、孔隙壓力、抗張強(qiáng)度等密切相關(guān)，具體關(guān)系式如下式：

（式1-1）

其中Pb為巖層破裂時(shí)的起裂壓力，Pp為孔隙壓力，T0為巖層抗拉強(qiáng)度，、為地層原始最小和最大水平主應(yīng)力。

隨埋深增加，最小水平主應(yīng)力明顯增加，反映巖層的起裂難度加大，地層閉合壓力增大，對(duì)壓裂支撐劑的抗破碎強(qiáng)度和長(zhǎng)期導(dǎo)流能力提出了更高的要求；隨深度增加，水平應(yīng)力差增加，壓裂施工中需要較高的凈壓力來(lái)促使裂縫轉(zhuǎn)向。

②埋深增大，巖石塑性特征增強(qiáng)，巖石破壞峰值強(qiáng)度和殘余應(yīng)力增大，裂縫起裂與延伸的難度逐漸增加。

深層頁(yè)巖不同圍壓下巖心測(cè)試結(jié)果表明，低閉合壓力時(shí)，裂縫成線性破裂特征，隨圍壓增加，非線性破裂特征越來(lái)越明顯，達(dá)到峰值壓力前的塑性變形持續(xù)顯現(xiàn)。同時(shí)，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后殘余應(yīng)力逐步增大，較高的殘余應(yīng)力意味著層理剪切滑移更加困難，發(fā)生破壞需消耗更多能量。另一方面低圍壓下，層理間的孔隙、微裂隙等使頁(yè)巖破裂模式較復(fù)雜，易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；高圍壓下，層理間的孔隙、微裂隙等被束縛，破裂模式較單一，剪切滑移面由粗糙變得光滑平整，復(fù)雜度降低。同時(shí)自支撐效應(yīng)減弱，導(dǎo)流能力的保持能力降低

③高陡構(gòu)造易形成順層縫，沿井筒兩側(cè)延伸，橫向波及體積變大，縫寬變窄，對(duì)砂比及支撐劑粒徑敏感。

④由于地層傾角的存在，減少了上覆巖層壓力對(duì)地層的壓實(shí)程度。當(dāng)?shù)貙觾A角增大至30°時(shí)，作用于層理面的垂向應(yīng)力減小15MPa。由于同時(shí)水平主應(yīng)力增大，裂縫整體延伸壓力高；同時(shí)垂向應(yīng)力減小，層理的剪切相對(duì)容易。因此，在高陡構(gòu)造條件下，形成“主裂縫+順層縫”裂縫形態(tài)。層理的瀉流面積大，主裂縫分流嚴(yán)重，因此整體縫寬窄，表現(xiàn)為砂比受限的特征。

3 涪陵深層頁(yè)巖壓裂改造技術(shù)對(duì)策及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

深層頁(yè)巖氣壓裂改造需要解決的核心問(wèn)題是如何增大改造體積和提高加砂強(qiáng)度，圍繞此開(kāi)展了針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)化：

①針對(duì)埋深增加，擠壓應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)采用140MPa裝備。深層頁(yè)巖壓裂施工壓力高、105MPa裝備施工壓力窗口有限，實(shí)際排量提高空間有限。采用140MPa裝備，施工排量可達(dá)到14-16m3/min，大排量高凈壓力有利于增大改造體積，提高復(fù)雜度。同排量下，射孔簇?cái)?shù)越多，所形成的有效凈壓力就越小。反之簇?cái)?shù)越少，形成的有效凈壓力則越大；采用2簇射孔，集中進(jìn)液，促進(jìn)裂縫延伸，同時(shí)前置膠液，快速提排量，促進(jìn)裂縫延伸。

②針對(duì)埋深增加，巖石破壞模式趨于單一，導(dǎo)流能力的保持能力降低，設(shè)計(jì)降低減阻水粘度。流體粘度對(duì)裂縫擴(kuò)展復(fù)雜度具有重要影響，低黏壓裂液穿透和溝通小微裂隙的能力強(qiáng)，而中高黏壓裂液因粘滯阻力高難以進(jìn)入小微裂隙，粘度越高，裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜度將顯著降低。同時(shí)采用長(zhǎng)段塞加砂模式，提高綜合砂液比，提高導(dǎo)流能力。

③針對(duì)地層傾角增大，易形成順層縫，對(duì)砂比及支撐劑粒徑敏感的問(wèn)題，設(shè)計(jì)增加分選性較好的小粒徑支撐劑用量。目前的研究證明，對(duì)既有主裂縫（一級(jí)縫）又有分支縫（二級(jí)縫）和更次級(jí)裂縫（三級(jí)及四級(jí)等）的復(fù)雜裂縫系統(tǒng)而言，70-140目支撐劑能夠進(jìn)入二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)縫，20-40目支撐劑則較難進(jìn)入二級(jí)縫及以下級(jí)的裂縫系統(tǒng)中。采用多尺度小粒徑支撐劑，可以進(jìn)入不同分支裂縫封堵、降濾和支撐。而且，當(dāng)支撐劑粒徑降低一個(gè)級(jí)別后，其沉降速度可降低1/3-～-1/2，有利于提高小微裂縫系統(tǒng)的遠(yuǎn)井縱向支撐效率。另外，隨閉合壓力的增加，小粒徑支撐劑與大粒徑支撐劑導(dǎo)流能力的差異趨于減少，考慮到小粒徑支撐劑在現(xiàn)場(chǎng)的鋪砂濃度增加，則可能獲得比大粒徑支撐劑更大的導(dǎo)流能力。

根據(jù)上述研究成果，在PJ-2HF井優(yōu)化形成“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復(fù)雜度、長(zhǎng)段塞加砂”等工藝措施，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。PJ-2HF井采用140MPa裝備，1500米水平段分19段進(jìn)行壓裂施工，施工壓力95-112MPa，排量14-16m3/min，入井總液量36973m3，總砂量1259.7m3，單段液量1946m3，單段砂量66.3m3，綜合砂液比3.4%。現(xiàn)有工藝在施工規(guī)模，加砂強(qiáng)度，排量上優(yōu)于國(guó)內(nèi)其他區(qū)塊。該井壓裂后獲得測(cè)試產(chǎn)量11萬(wàn)方/天，測(cè)試壓力12MPa。

4 結(jié)論及建議

①埋深增大，巖石塑性特征增強(qiáng)，巖石破壞峰值強(qiáng)度和殘余應(yīng)力增大，裂縫起裂與延伸的難度逐漸增加；同時(shí)巖石破壞模式趨于單一，剪切滑移面由粗糙變得光滑平整，復(fù)雜度降低，同時(shí)自支撐效應(yīng)減弱，導(dǎo)流能力的保持能力降低因此深層頁(yè)巖壓裂改造一方面需要增加用液規(guī)模、加大排量保證壓裂改造泄氣面積同時(shí)提高加砂強(qiáng)度以提高裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力。

②以“增大儲(chǔ)層改造體積+提高裂縫導(dǎo)流能力”為核心，研究形成的“少簇多段，前置高粘液體促縫、低粘減阻水提高復(fù)雜度、長(zhǎng)段塞加砂”等工藝措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明一定程度上能夠提高深層頁(yè)巖壓裂效果。

③后續(xù)需進(jìn)一步研究埋深、構(gòu)造、曲率、傾角、巖石力學(xué)參數(shù)等因素對(duì)深層巖石破裂與裂縫延伸規(guī)律的影響，指導(dǎo)深層壓裂工藝、設(shè)計(jì)優(yōu)化方法、核心參數(shù)體系。

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作者簡(jiǎn)介：

高婷（1986- ），女，漢族，河北省邢臺(tái)市，長(zhǎng)江大學(xué)工程碩士在讀、工程師，目前主要從事非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造工藝研究。