孫永豪 ，袁青松 ，李中明 ，代 磊 ，張 馳

（1. 河南省國土資源開發(fā)投資管理中心，河南鄭州 450006；2. 河南省地質(zhì)調(diào)查院；3. 河南省地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟）

頁巖儲(chǔ)層具有“低孔、低滲”特征，根據(jù)國內(nèi)外多年對頁巖氣田的壓裂改造實(shí)踐，大規(guī)模壓裂改造形成裂縫網(wǎng)絡(luò)是提高頁巖氣井產(chǎn)量的主要技術(shù)手段[1–2]。目前以四川盆地為代表的南方古生代海相頁巖，以及以鄂爾多斯盆地為代表的北方陸相頁巖均獲得較大突破，而在華北地區(qū)廣泛發(fā)育的晚古生代海陸過渡相泥頁巖尚未取得突破[3]。河南省牟頁1井鉆遇海陸過渡相地層，山西組、太原組發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)頁巖，含氣性較好，具有良好的勘探前景。為探索牟頁1井的產(chǎn)能以及區(qū)塊頁巖壓裂工程工藝特征，對山西組、太原組頁巖實(shí)施了直井分段壓裂改造，試氣后獲得穩(wěn)產(chǎn)頁巖氣流，取得了河南頁巖氣勘查的重大發(fā)現(xiàn)。

1 儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)

頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)的核心在于評(píng)價(jià)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的難易程度，分析儲(chǔ)層是否具備壓裂改造后形成復(fù)雜裂縫甚至縫網(wǎng)的條件[4–5]。頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：儲(chǔ)層地質(zhì)特征、巖石力學(xué)特征、地應(yīng)力特征等，根據(jù)以上評(píng)價(jià)指標(biāo)，對牟頁1井山西組、太原組頁巖層段進(jìn)行儲(chǔ)層可壓性綜合評(píng)價(jià)。

1.1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

含氣性特征。牟頁1井山西組、太原組發(fā)育高伽馬頁巖層段（130～160 API），山西組頁巖累計(jì)厚度49 m，太原組頁巖累計(jì)厚度46 m?？傆袡C(jī)碳含量1.0%～5.0%，平均有機(jī)碳含量為2.18%，其中約45%厚度總有機(jī)碳含量超過2.0%，平均含氣量1.93 m3/t，綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含氣性較好。

巖石學(xué)特征。巖石的脆性很大程度上由巖石的礦物成分決定，石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高，黏土礦物含量越低，巖石脆性越強(qiáng)，壓裂時(shí)越容易破碎形成復(fù)雜裂縫[6]。通過對牟頁1井頁巖X射線衍射分析，山西組、太原組頁巖礦物組成主要為石英、方解石、白云石、斜長石、菱鐵礦、黃鐵礦、黏土礦物等。脆性礦物以石英為主，石英含量為34%～56%，斜長石含量 3%～19%，黏土礦物含量19%～57%，含少量的菱鐵礦、黃鐵礦，儲(chǔ)層脆性較好。

天然裂縫發(fā)育情況。天然裂縫為巖石力學(xué)上的薄弱部位，可以顯著增強(qiáng)壓裂效果，甚至可以使巖石的破裂壓力降低50%[7]。牟頁1井頁巖儲(chǔ)層天然裂縫形態(tài)包含微觀裂縫和宏觀裂縫，宏觀裂縫除層理縫外還有垂直縫，裂縫多被方解石和黃鐵礦填充，總體評(píng)價(jià)天然裂縫較為發(fā)育。

1.2 巖石力學(xué)特征

楊氏模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)，能夠較好地反映頁巖在應(yīng)力作用和微裂縫形成時(shí)的破壞能力。頁巖楊氏模量越高泊松比越低，脆性越強(qiáng)[8]。根據(jù)測井解釋及三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，牟頁 1井山西組靜態(tài)楊氏模量 8～57 GPa，泊松比0.18～0.43；太原組頁巖楊氏模量9～36 GPa，泊松比0.18～0.39。從巖石力學(xué)角度計(jì)算脆性指數(shù)，山西組頁巖平均脆性指數(shù)39%，太原組頁巖平均脆性指數(shù)49%。

1.3 地應(yīng)力分析

本井最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)楸睎|東–南西西70°方向，與區(qū)域地應(yīng)力方向基本一致。根據(jù)縱向應(yīng)力剖面分析，頁巖層（圖1紅色區(qū)域）上下具有較好的灰?guī)r隔擋層（圖1藍(lán)色區(qū)域）。

圖1 太原組最小水平應(yīng)力分布

儲(chǔ)層兩向水平主應(yīng)力差值越小，越有利于形成縫網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0～0.13時(shí)，能夠形成復(fù)雜裂縫或網(wǎng)絡(luò)縫；當(dāng)差異系數(shù)為0.13～0.25，高凈壓力時(shí)能夠形成較為復(fù)雜的裂縫；當(dāng)差異系數(shù)大于0.5時(shí)，不能形成復(fù)雜縫[9]。山西組、太原組水平主應(yīng)力差在12 MPa左右，差異系數(shù)為0.24，高凈壓力時(shí)能夠形成復(fù)雜裂縫。

2 壓裂方案制定

2.1 壓裂模式

儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)分析表明，有利因素為牟頁1井頁巖品質(zhì)較好，天然裂縫發(fā)育，巖石力學(xué)參數(shù)適中，脆性指數(shù)較高；不利因素為兩向應(yīng)力差偏大。借鑒國內(nèi)外頁巖儲(chǔ)層壓裂改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本井儲(chǔ)層地質(zhì)、巖石力學(xué)及地應(yīng)力特征，采用大規(guī)模壓裂模式，提高縫內(nèi)凈壓力，以形成復(fù)雜裂縫、增大泄氣面積為目的進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造[10]。

2.2 射孔參數(shù)

采用多簇射孔的方式，充分改造小層，促使形成復(fù)雜裂縫。射孔位置選擇在脆性指數(shù)較高、天然微裂縫較發(fā)育、孔隙度和滲透率高、TOC與含氣量高、固井質(zhì)量好的部位。根據(jù)總排量、單孔排量、孔眼摩阻以及孔眼效率等因素設(shè)計(jì)，適當(dāng)控制射孔孔數(shù)，保證孔眼處能充分壓開。

2.3 支撐劑

在支撐劑選擇上，主要考慮孔眼與地層的磨蝕、施工成功率、天然裂縫和人工裂縫的支撐以及壓后長期穩(wěn)定的導(dǎo)流能力，同時(shí)該井頁巖楊氏模量高，壓裂裂縫寬度窄。采取組合小粒徑支撐劑方式：100目粉陶+ 40/70目陶粒砂 + 30/50目陶粒。前期采用100目粉陶主要用于前置液段塞及支撐微裂縫；中期選擇40/70目陶粒用于支撐主體裂縫及天然裂縫，確保裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成；后期加入 30/50目陶粒進(jìn)行尾追封堵。

2.4 壓裂液

牟頁1井頁巖存在中等偏強(qiáng)的水敏、酸敏和強(qiáng)堿敏，壓裂過程中要盡量降低壓裂液體系對儲(chǔ)層的傷害。壓裂前期采用自主研制的滑溜水壓裂液體系（降阻率65%～70%），該體系具有黏度低、減阻好、低殘?jiān)⒁追蹬?、低傷害等特點(diǎn)；在壓裂后期采用低傷害線性膠體系，提高攜砂能力，以增加主裂縫近井筒導(dǎo)流能力；同時(shí)壓前采取預(yù)處理酸，解除近井地帶污染、射孔壓實(shí)污染。

2.5 施工排量

頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造最終目的是產(chǎn)生復(fù)雜裂縫，根據(jù)理論計(jì)算和國內(nèi)外頁巖氣田射孔工藝，當(dāng)每孔排量達(dá)到0.16 m3/min時(shí)，或者每簇射孔段的最低排量為3.2m3/min時(shí)，所有炮眼才會(huì)進(jìn)液，出現(xiàn)真正的分流轉(zhuǎn)向。綜合井身結(jié)構(gòu)、套管抗壓強(qiáng)度、地應(yīng)力差，同時(shí)考慮儲(chǔ)層縫高控制，結(jié)合射孔參數(shù)選擇及以上排量優(yōu)選原則，采取變排量注入，在壓裂施工過程中根據(jù)施工壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.6 裂縫形態(tài)模擬

綜合上述壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)原則，采用壓裂設(shè)計(jì)軟件對山西組、太原組頁巖進(jìn)行壓裂數(shù)值模擬。根據(jù)目的層上下頂?shù)装鍘r性、縱向上應(yīng)力狀況分析，進(jìn)行不同排量的裂縫模擬，分析裂縫延伸形態(tài)，確定施工排量，8～12 m3/min時(shí)的裂縫縫長、縫高較為適宜，縫高基本覆蓋需要改造的層段。壓裂模擬結(jié)果顯示，山西組裂縫半長262.8 m、裂縫高度47.4 m、太原組裂縫半長254 m、裂縫高度17 m。

3 壓后分析

3.1 壓裂實(shí)施情況

在地質(zhì)、工程評(píng)價(jià)以及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對牟頁1井山西組、太原組頁巖實(shí)施了直井分段壓裂改造。山西組壓裂施工曲線可表明，施工壓力較為穩(wěn)定（50～58 MPa）。太原組實(shí)施了二次壓裂，第一次因射孔穿透率低，施工超壓（57～70 MPa），發(fā)生砂堵現(xiàn)象后采取補(bǔ)射孔重復(fù)壓裂，第二次壓裂施工壓力較為穩(wěn)定。

3.2 壓后效果分析

（1）微地震監(jiān)測結(jié)果。壓裂過程進(jìn)行了地面微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)果表明，山西組形成了一定范圍的裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫延伸方向與本區(qū)地應(yīng)力最大水平主應(yīng)力方向基本一致，太原組以形成雙翼長縫為主。經(jīng)計(jì)算，山西組改造體積為387.7×104m3，太原組改造體積313.3×104m3。

（2）壓力歷史擬合。對壓裂壓力進(jìn)行歷史擬合分析，山西組裂縫半長212.7～255.1 m，縫高44.9 m；太原組裂縫半長236.2～257.6 m、縫高62.2 m，壓力歷史擬合結(jié)果與設(shè)計(jì)裂縫幾何形態(tài)較吻合。

（3）壓后試氣效果。壓裂施工作業(yè)結(jié)束后，進(jìn)行放噴排液、測試求產(chǎn)，獲得1 256 m3日產(chǎn)量。通過對壓后試井測試分析，表皮系數(shù)–4.11，近井地層未受到污染，自主研發(fā)的滑溜水壓裂液與地層匹配性較好。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）通過牟頁1井直井分段壓裂改造實(shí)踐，對河南中牟頁巖氣區(qū)塊山西組、太原組頁巖層含氣性及壓裂工程特征有了初步認(rèn)識(shí)。試氣獲得了穩(wěn)定頁巖氣流，取得了河南省頁巖氣勘查的重大發(fā)現(xiàn)。

（2）采用變排量、小粒徑支撐劑、段塞式加砂壓裂工藝能夠滿足本井壓裂改造的要求；山西組頁巖形成了一定范圍的復(fù)雜裂縫。自主研發(fā)的滑溜水壓裂液體系對該套頁巖地層傷害性小，具有較好的適用性。

（3）后期需加強(qiáng)對區(qū)塊地應(yīng)力特征分析，建議加強(qiáng)國內(nèi)外該類型井壓裂工藝調(diào)研，在區(qū)塊以后壓裂施工中采用更加先進(jìn)的技術(shù)方法以克服區(qū)塊地應(yīng)力差異制約，增強(qiáng)太原組頁巖改造效果。

（4）太原組因射孔穿透率問題進(jìn)行了補(bǔ)射孔作業(yè)，建議在進(jìn)行頁巖氣井壓裂施工前，采取有效技術(shù)手段對射孔穿透率進(jìn)行檢測，保證施工成功率。