陳新安

(1.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408014;2.中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院,湖北 潛江 433111)

0 引言

大型水平井分段壓裂技術是頁巖氣開發(fā)的關鍵技術[1-2],不同地質條件下壓裂時裂縫的擴展會有明顯差異,曲率裂縫發(fā)育程度對頁巖氣壓裂裂縫的擴展影響大.涪陵頁巖氣田西南區(qū)曲率裂縫發(fā)育,曲率裂縫呈條帶狀,施工難度大,試氣效果不理想,地質特征、施工特征與主體區(qū)存在明顯差異,影響區(qū)塊的開發(fā),所以有必要研究條帶曲率裂縫對壓裂裂縫擴展的影響.目前學者針對頁巖氣裂縫擴展規(guī)律進行了大量研究.N.R.Warpinski等[3-5]利用不同的巖樣揭示了水力壓裂裂縫擴展的一些規(guī)律,潘林華等[6]利用數值模擬研究頁巖復雜裂縫擴展規(guī)律,李俊鍵等[7-8]]著重研究了天然裂縫對水力壓裂裂縫擴展的影響,但這些研究均僅限于室內實驗或模擬.

為弄清壓裂裂縫擴展規(guī)律,筆者選取了條帶曲率裂縫發(fā)育特征有明顯差異區(qū)域的焦頁A和焦頁B頁巖氣水平井,采用井中微地震監(jiān)測技術[9-11]對其壓裂裂縫擴展情況進行實時監(jiān)測.同時,結合壓裂施工特征及區(qū)域地質特征,對形成裂縫及其展布特征的原因進行綜合分析,對比研究條帶曲率裂縫對頁巖氣井壓裂裂縫擴展的影響,并有針對性地提出了壓裂改造施工對策.

1 壓裂概況及裂縫擴展規(guī)律

1.1 壓裂概況

焦頁A井和焦頁B井具體施工參數見表1.

表1 壓裂施工參數

1.2 裂縫擴展規(guī)律

1.2.1 微地震監(jiān)測結果

隨著壓裂液的注入,目的層不斷發(fā)生破裂,壓裂裂縫擴展延伸,微地震事件點不斷響應(見圖1、表2.圖中垂直彩色串點代表不同射孔簇).焦頁A井第18,21段和焦頁B井第11,16段整段壓裂液量分別為2 027,1 949,2 000,2 011 m3.

圖1 不同壓裂液量時對應的微地震事件點

表2 壓裂改造規(guī)模

由圖1、表2可以看出:

1)隨著壓裂液量的增加,微地震事件點不斷增多,人工壓裂裂縫規(guī)模、改造范圍不斷擴大,復雜程度不斷提高.壓裂過程大致可分為2個階段.第1階段,整體縫網輪廓形成,縫網長度及寬度逐步增加至最大,且縫網內部不斷變得復雜;第2階段,縫網長度及寬度不再明顯增加,在縫網輪廓范圍內裂縫改造進一步復雜化.

2)焦頁A井壓裂初期裂縫呈多縫發(fā)散特征,且發(fā)散程度高,注入壓裂液量400 m3時,事件點已突破近井地帶,半縫長和縫網寬度均大于150.0 m,橫向波及至鄰段甚至更遠.焦頁B井多縫發(fā)散程度較低,事件點從射孔孔眼處逐步橫向及徑向擴展,壓裂液量400 m3時,半縫長和縫網寬度均小于100.0 m,縫網寬度明顯小于焦頁A井,裂縫基本在本段內擴展延伸.

3)焦頁A井縫網基本輪廓在壓裂液量800～1 200 m3時形成,焦頁B井基本縫網輪廓的形成相對較慢,在壓裂液量1 200～1 600 m3時形成;焦頁A井相比于焦頁B井最終改造波及范圍更大,尤其是平均縫網寬度151.4 m,遠大于焦頁B井的104.6 m,且長寬比更小.考慮到目前壓裂設計平均段長約75 m,過大的波及縫網寬度會造成重復改造,同時對地層的改造相對分散,對本段的改造效果欠佳,乃至影響整體改造效果.

1.2.2 壓裂施工特征

圖2為焦頁A井、焦頁B井典型壓裂施工曲線.

圖2 典型壓裂施工曲線

焦頁A井所在區(qū)域壓裂施工主要特征有:

1)施工難度大,砂堵風險高.焦頁A井的第18段發(fā)生砂堵(見圖2a),第21段對砂比敏感,近乎砂堵(見圖2b).該井出現砂堵跡象(含砂堵)的施工段比例占整井段的47.6%;該區(qū)域的井出現砂堵跡象(含砂堵)段的比例平均超過50.0%.焦頁A井平均單段加砂量為40.30 m3,綜合砂比2.0%.焦頁B井的第11段和第16段無明顯砂堵跡象(見圖2c,2d).該井施工整體較順暢,有砂堵跡象的施工段僅占21.0%,平均單段加砂量56.10 m3,綜合砂比2.6%(見表1),明顯高于焦頁A井,施工難度較低,裂縫延伸較好.

2)破裂壓力梯度及延伸壓力梯度低.焦頁A井水平段平均垂深3 470.2 m,實際施工時破裂壓力為80.83 MPa,破裂壓力梯度為0.023 3 MPa/m,延伸壓力為59.90 MPa,延伸壓力梯度為0.017 3 MPa/m;焦頁B井水平段平均垂深3 082.5 m,破裂壓力為76.50 MPa,破裂壓力梯度為0.0250MPa/m,延伸壓力為62.00 MPa,延伸壓力梯度為0.020 1 MPa/m.對涪陵頁巖氣井壓裂情況統(tǒng)計發(fā)現,破裂壓力梯度主要分布在0.024 5～0.029 0 MPa/m,延伸壓力梯度在0.020 0～0.025 0 MPa/m.焦頁A井的破裂壓力梯度較低,延伸壓力梯度也明顯偏低,該井所在區(qū)域9口井的破裂壓力梯度及延伸壓力梯度平均值分別為0.022 8,0.018 0 MPa/m,表明該區(qū)域井壓裂的破裂壓力梯度及延伸壓力梯度均較低.

2 區(qū)域地質特征及綜合分析

2.1 構造及裂縫發(fā)育情況

曲率值反映的是層面彎曲程度,值越大,層面彎曲程度越大.曲率的計算是根據退火原理曲面尋優(yōu)[12].曲率值大于0.010 0為強,0.010 0～0.004 0為中,小于0.004 0為弱.

焦頁A井位于焦石壩區(qū)塊西南區(qū).該區(qū)域斷層發(fā)育,斷距小于50 m的斷層超過40條,曲率以條帶狀發(fā)育為主,呈多向性,曲率值平均大于0.002 5,鉆井水平段軌跡多與曲率條帶斜交,多口井水平段發(fā)生漏失,預測該區(qū)域裂縫發(fā)育且復雜.焦頁A井主力氣層曲率屬性剖面顯示,水平段軌跡穿行區(qū)域中-弱曲率條帶較發(fā)育,按曲率大小、連續(xù)情況分6段統(tǒng)計(見表3),第3段部分井段曲率值接近0.010 0,且該井水平段在鉆井過程中發(fā)生5次漏失,共漏失鉆井液194.2 m3,說明該井段天然裂縫發(fā)育[13-14].

表3 焦頁A井水平段裂縫曲率統(tǒng)計

焦頁B井位于主體區(qū)塊,沿江鞍部東側,斷層較少,曲率裂縫不發(fā)育,曲率值平均0.002 0,預測該區(qū)域曲率裂縫發(fā)育程度較焦頁A井所在區(qū)域偏低.該井主力氣層曲率屬性剖面顯示,水平段軌跡穿行區(qū)域裂縫曲率較弱,均小于0.004 0,在鉆井過程中水平段未發(fā)生漏失,也說明該井段天然裂縫發(fā)育程度較低.

2.2 頁巖可壓性

2.2.1 頁巖黏土及脆性礦物特征

焦頁x-2井為焦頁A井所處區(qū)塊一口導眼取心井.該井主力氣層黏土質量分數23.65%～37.31%,黏土加權平均質量分數30.32%.主力氣層脆性礦物質量分數高.其中:石英質量分數38.05%～61.10%,平均44.96%;碳酸鹽巖質量分數7.36%～16.74%,平均11.93%.焦頁y-4井為焦頁B井所處區(qū)塊一口導眼取心井.該井主力氣層黏土質量分數17.64%～25.60%,黏土加權平均質量分數21.50%.主力氣層脆性礦物質量分數高.其中:石英質量分數45.28%～60.35%,平均52.70%,碳酸鹽巖7.49%～14.98%,平均質量分數11.80%.2口井脆性礦物質量分數均較高,頁巖儲層可壓性好,有利于壓裂改造[1].

2.2.2 巖石力學特征

對比焦頁A井、B井所在區(qū)域巖石力學特征,二者整體比較接近(見表4).頁巖彈性模量高,泊松比低,儲層可壓性較好,利于壓裂改造.

表4 焦頁A井、B井所在區(qū)域巖石力學特征

2.3 綜合分析

綜合微地震監(jiān)測結果、施工特征及區(qū)域地質特征,認為造成焦頁A井、B井裂縫擴展及展布特征有明顯差異的原因是:焦頁A井所處區(qū)域天然裂縫發(fā)育,天然裂縫的存在造成人工壓裂裂縫易沿弱面快速延伸,破裂壓力梯度低,裂縫延伸呈多縫發(fā)散特征,且發(fā)散程度高,波及范圍大;相比于天然裂縫發(fā)育程度低的區(qū)域,具有更多泄壓通道,壓裂液濾失過大,裂縫縫寬小;壓裂中后期,隨著砂比的提高,支撐劑易在近井地帶發(fā)生沉積,造成施工難度增大,壓力突然抬升,甚至發(fā)生砂堵.另外,地層改造包括沿天然裂縫延伸溝通及本體破裂[15],焦頁A井壓裂改造時,由于該井所在區(qū)域壓裂裂縫易沿天然裂縫延伸,壓裂液被大量吸收[16],造成延伸壓力梯度過低、地層有效凈壓力過低、巖石本體破裂程度低,進而影響儲層改造復雜程度及最終試氣效果.

3 施工對策及應用

3.1 施工對策

條帶曲率裂縫發(fā)育區(qū)頁巖氣井壓裂施工,要采取降濾措施,降低初期裂縫的發(fā)散程度,同時增加裂縫寬度,促使主縫延伸,降低近井砂堵風險.

1)壓裂前置階段.采取階梯排量方式,將排量分別控制在8,10,12 m3/min,降低壓裂初期裂縫發(fā)散程度[17].采取"滑溜水攜粉陶+膠液+滑溜水攜粉陶+膠液"模式施工.具體措施為:提前加入一段粉陶段塞(滑溜水攜帶),對天然裂縫進行封堵,降低濾失;接著,前置膠液(150 m3)降低濾失,增加裂縫寬度,促使主縫延伸;之后加入4段粉陶段塞,繼而轉注膠液60～80 m3,利用粉陶封堵及膠液特性,進一步增加縫寬,促使主裂縫延伸.

2)加40/70目支撐劑階段(施工中后期).采取低砂比、小段塞加砂模式,主動轉粉陶段塞進行處理,減小砂堵概率,同時起到暫堵轉向作用,提高改造后裂縫的復雜程度.

3.2 應用效果

焦頁C井為焦頁A井的鄰井,該井平均垂深為3 050.0 m,水平段裂縫性液體漏失2處,共計液量105.1 m3,穿過2條中曲率條帶,預測水平段天然裂縫發(fā)育.該井前期施工困難,平均單段加砂量28.68 m3,采取3.1中提出的對策進行施工后,效果明顯改善(見圖5).由圖5可知,施工整體壓力可控,砂堵風險低,均未出現明顯砂堵,平均單段加砂量達到52.04 m3,鋪砂濃度大幅提高.該井100 m試氣長度的產量從0.23X104m3/d提高至0.70X104m3/d,增產近2倍,表明該對策可以有效降低條帶曲率裂縫發(fā)育區(qū)頁巖氣井壓裂施工加砂異常的概率,提高壓裂改造效果.

圖5 焦頁C井部分壓裂施工曲線

4 結論

1)通過微地震監(jiān)測,結合壓裂施工特征分析,可以摸清條帶曲率裂縫發(fā)育區(qū)頁巖氣井壓裂裂縫擴展規(guī)律,進而提出較為有效的對策以解決壓裂施工難題.

2)頁巖氣壓裂裂縫擴展包括縫網輪廓的形成及其進一步復雜化.縫網輪廓形成的條件因不同地層會有差異,條帶曲率裂縫發(fā)育區(qū)輪廓形成較快.該類區(qū)域頁巖氣井在壓裂過程中,受天然裂縫影響,初期破裂壓力梯度低,裂縫延伸呈多縫發(fā)散特征擴展,且發(fā)散程度更高,液體濾失嚴重,造成施工難度高,延伸壓力梯度小,砂堵概率大,影響整體改造效果.

3)針對條帶狀曲率裂縫發(fā)育區(qū)頁巖氣井壓裂提出的對策,可有效降低施工風險,提高壓裂改造效果.