威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣水平井壓裂套變?cè)蚍治?/h1>
2019-03-09 12:46:40李凡華喬磊田中蘭孫清華杜衛(wèi)強(qiáng)付盼
石油鉆采工藝 2019年6期
李凡華 喬磊 田中蘭 孫清華 杜衛(wèi)強(qiáng) 付盼
中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司
近年來(lái)，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)發(fā)展迅速，自2014 年進(jìn)入到規(guī)?；⑸虡I(yè)化的開(kāi)發(fā)階段，到2017 年已經(jīng)形成年產(chǎn)90 億m3頁(yè)巖氣的規(guī)模，說(shuō)明我國(guó)基本上形成一套比較成熟的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)［1-3]。目前頁(yè)巖氣產(chǎn)量只占我國(guó)氣產(chǎn)量的6%，未來(lái)幾年我國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的階段。大規(guī)模體積壓裂是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，在壓裂過(guò)程中由于總計(jì)高達(dá)40 000 m3的壓裂液和2 000 m3的壓裂砂進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層，導(dǎo)致壓裂過(guò)程中的水平井套管變形，影響后續(xù)的壓裂施工和生產(chǎn)，造成巨大的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失［4-6]。目前威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)的套變率在50%左右(套變率按照套變井?dāng)?shù)占總壓裂井?dāng)?shù)的百分比統(tǒng)計(jì))，如A 公司威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套變率高達(dá)84.2%，威遠(yuǎn)204 區(qū)塊的套變率為31.6%［7-8]。大規(guī)模體積壓裂過(guò)程中的套變?nèi)匀皇琼?yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)中未解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，研究重點(diǎn)在于從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性方面探討頁(yè)巖氣水平井壓裂過(guò)程中導(dǎo)致套變的主要因素和機(jī)理。
1 水平井壓裂工藝技術(shù)
目前國(guó)內(nèi)普遍采用的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方式是水平井平臺(tái)式開(kāi)發(fā)，由于受地形、征地、施工和生產(chǎn)等因素的制約，常規(guī)情況下一個(gè)平臺(tái)部署6～8 口水平井。水平井方向一般垂直于最大主應(yīng)力方向，壓裂后形成的裂縫垂直于水平井井筒，這樣可以破碎更多的頁(yè)巖儲(chǔ)層，開(kāi)發(fā)效果最好。目前水平井井距一般介于300～500 m 之間。頁(yè)巖氣水平井壓裂施工一般采用拉鏈?zhǔn)焦S化作業(yè)模式，分2 輪施工，每輪2～4 口井，壓裂和泵送射孔交叉進(jìn)行，作業(yè)時(shí)間短，施工效率高。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般超過(guò)1 500 m，壓裂設(shè)計(jì)段數(shù)超過(guò)20 段，段長(zhǎng)在60 m 左右，實(shí)際單段壓裂使用壓裂液在2 000 m3左右，加砂量在100 m3左右。
由于壓裂過(guò)程中大量的壓裂液和壓裂砂進(jìn)入地層，在壓裂過(guò)程中或壓裂后經(jīng)常出現(xiàn)套管變形的問(wèn)題。套變不僅影響正常的壓裂施工，耽誤工期，改變既定的施工次序和技術(shù)措施，降低后續(xù)的壓裂段數(shù)，最終影響產(chǎn)能，長(zhǎng)遠(yuǎn)看還會(huì)影響后期生產(chǎn)和作業(yè)，進(jìn)一步影響整體開(kāi)發(fā)效果。如A 公司某井施工過(guò)程中用連續(xù)油管帶?108 mm 通井規(guī)通井，至4 638 m遇阻，嘗試3 次未通過(guò)；然后用連續(xù)油管帶?96 mm通井規(guī)通井至4 643 m 遇阻；第2 天用連續(xù)油管帶?83 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡；第3 天用?83 mm 模擬射孔槍下井遇阻，換連續(xù)油管帶?73 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡，后用?73 mm 模擬射孔槍遇阻，鉛印顯示約10 cm 圓弧印痕；第4 天用連續(xù)油管帶?73 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無(wú)進(jìn)尺，上提遇卡；第5 天用連續(xù)油管帶?90 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無(wú)進(jìn)尺，上提遇卡，起油管，拆卸工具，發(fā)現(xiàn)磨痕集中在銑錐根部。之后根據(jù)該井套變情況重新優(yōu)化壓裂工藝并進(jìn)行后續(xù)的壓裂施工。目前頁(yè)巖氣水平井壓裂施工一般采用大通徑免鉆橋塞+觸發(fā)式滑套分段壓裂工藝，水力泵送射孔橋塞聯(lián)作，若套管變形或其他因素導(dǎo)致橋塞無(wú)法下到位，則采取高強(qiáng)度暫堵球?qū)嵤憾?、分壓?lái)補(bǔ)救，結(jié)合縫內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)盡可能提高改造體積，如果套變復(fù)雜或長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則采用復(fù)合暫堵分級(jí)轉(zhuǎn)向壓裂工藝，降低施工風(fēng)險(xiǎn)［9-11]?？傊?yè)巖氣水平井的壓裂過(guò)程中的套變對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的正常施工影響很大。
2 套變特點(diǎn)
A 公司在威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)的57 口壓裂水平井，套變28 口。其中威遠(yuǎn)202 區(qū)塊19 口壓裂水平井，套變16 口，套變率84.2%；威遠(yuǎn)204 區(qū)塊38 口井，套變12 口，套變率31.6%。B 公司在威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)也有50 余口壓裂水平井，2 個(gè)區(qū)塊的套變率與A 公司的數(shù)據(jù)相近。
通過(guò)分析100 余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料，包括套變井套變的井筒位置、地層情況、套變形狀、套變處固井質(zhì)量、套變處套管參數(shù)、壓裂參數(shù)、套變與時(shí)間的關(guān)系、套變與井間干擾的關(guān)系等，發(fā)現(xiàn)套變主要與壓裂液用量和加砂量有明顯的相關(guān)關(guān)系。套變多數(shù)是在壓裂過(guò)程中發(fā)生。套變處的套管固井質(zhì)量在壓裂前的檢測(cè)中一般較好，可以認(rèn)為套變處的固井水泥環(huán)是在壓裂過(guò)程中漸漸損壞的。另外，壓裂過(guò)程中的微地震監(jiān)測(cè)資料顯示，利用螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)的天然裂縫在壓裂過(guò)程中多有開(kāi)啟，但發(fā)生套變的位置位于天然裂縫發(fā)育帶的并不多。
A 公司和B 公司在威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的水平井壓裂采用的工藝技術(shù)指標(biāo)差別不大，但在這2 個(gè)區(qū)塊的套變率相差很大，不同公司在同一個(gè)區(qū)塊的套變率一致，因此認(rèn)為從分析2 個(gè)區(qū)塊的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性的差異應(yīng)該能夠找到影響套變的主要原因。
3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征
威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要位于志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組。龍馬溪組上部主要為綠灰色泥、頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、深灰色、灰黑色、黑色的頁(yè)巖。龍馬溪組厚度分布不均，沿威遠(yuǎn)地區(qū)的東南方向變厚；該組主力頁(yè)巖氣儲(chǔ)層位于底部的50～100 m 內(nèi)，最好的“甜點(diǎn)”位于最底部的龍一11。五峰組厚度在0.5～15 m，頂部為全區(qū)廣泛分布的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r，中、下部主要為泥巖、白云質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r。之下的寶塔組上部為蘭色灰?guī)r、生物灰?guī)r，質(zhì)純，巖性致密而脆，局部重結(jié)晶，向西則局部變?yōu)榱税自瀑|(zhì)頁(yè)巖。
威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的頁(yè)巖氣巖心差別明顯，如圖1，圖2 所示。202 區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層龍一11下部層理縫極為發(fā)育，是一段巖性特殊的粉砂質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，龍一11上部層理縫相對(duì)不發(fā)育。204 區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層龍一11下部、上部層理縫都較為發(fā)育，相對(duì)而言，下部比上部層理縫更為發(fā)育。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊取心井的測(cè)井綜合解釋得出龍一11下部硅質(zhì)含量最高，意味著含氣最豐富，五峰組頂部的生物灰?guī)r硅質(zhì)含量最低。表1 是威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井測(cè)井解釋有效孔隙度表，“甜點(diǎn)”區(qū)有效孔隙度為5.6%，五峰頂?shù)纳锘規(guī)r有效孔隙度僅有0.6%，各段的有效孔隙度的差別較大。該井測(cè)算的縱向上的儲(chǔ)層破裂壓力結(jié)果，五峰組頂部最高為85.4 MPa，龍一11下部最低為55.5 MPa，相差30 MPa。在水平井壓裂過(guò)程中，裂縫最先大規(guī)模開(kāi)啟的是龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)，大規(guī)模體積壓裂后將會(huì)形成以“甜點(diǎn)”區(qū)為主體的立體縫網(wǎng)。
4 套變?cè)蚍治?/h2>
圖 1 威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井巖心Fig. 1 The core of well A in Weiyuan block 202
圖 2 威遠(yuǎn)204 區(qū)塊B 井巖心Fig. 2 The core of well B in Weiyuan block 204
表 1 威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井測(cè)井解釋有效孔隙度表Table 1 Effective porosity from logging interpretation of well A in Weiyuan block 202
頁(yè)巖氣水平井壓裂的套變問(wèn)題從2014 年起就引起相關(guān)專(zhuān)家的重視。田中蘭［1]針對(duì)影響套管性能的溫度效應(yīng)、壓力效應(yīng)、彎曲效應(yīng)等因素，建立了多因素耦合套管損壞評(píng)價(jià)模型，對(duì)影響套管損壞的主要因素進(jìn)行了分析。如水泥環(huán)中存在虛空段，壓裂時(shí)溫度大幅下降引起虛空段內(nèi)的流體收縮，再耦合套管彎曲應(yīng)力、套管摩阻等載荷后，會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖氣井套變。于浩［3]認(rèn)為套變是壓裂過(guò)程中地層巖石性能降低、改造區(qū)域不對(duì)稱(chēng)、施工壓力大以及地應(yīng)力場(chǎng)重新分布等共同作用的綜合結(jié)果。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者從鉆完井、固井、套管、壓裂工藝設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)施工，從管柱力學(xué)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)到滲流力學(xué)分析壓裂過(guò)程中的套損機(jī)理，主要認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層抬升、頁(yè)巖層橫向滑移和裂縫滑移等破壞了固井的水泥環(huán)，套管剪切變形、錯(cuò)動(dòng)，最終導(dǎo)致套管變形。前期成果主要從工程技術(shù)的角度探索套變?cè)?，油田現(xiàn)場(chǎng)壓裂套變?nèi)匀焕^續(xù)發(fā)生。
筆者在前期大量研究的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)儲(chǔ)層的角度，結(jié)合工程技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析認(rèn)為威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套損率特別高的主要原因在于該區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層的特殊性。首先威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井的水平段設(shè)計(jì)軌跡位于龍一11，整體來(lái)看，前期完鉆的水平井段落在龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中的長(zhǎng)度比例并不高。在鉆井過(guò)程中部分井段進(jìn)入龍一11下邊的五峰組頂部的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r。一旦水平段鉆遇五峰組，在壓裂過(guò)程中，位于堅(jiān)硬的五峰組中的水平井段相對(duì)不動(dòng)，位于容易破碎的頁(yè)巖儲(chǔ)層中的水平井段由于壓裂導(dǎo)致的井段周?chē)?yè)巖破碎、固井水泥環(huán)破碎等，反復(fù)錯(cuò)動(dòng)，特別是靠近五峰組井段的兩側(cè)就是層理縫最發(fā)育的粉砂質(zhì)頁(yè)巖層段“甜點(diǎn)”，固井保護(hù)最先失效，導(dǎo)致套變。
A 公司威遠(yuǎn)202 區(qū)塊16 口套變頁(yè)巖氣水平井，套變點(diǎn)位于“甜點(diǎn)”區(qū)的有14 口，其中鉆遇五峰組的7 口井全部套變，其余7 口井的套變點(diǎn)位于A 靶點(diǎn)附近；另外2 口井的套變點(diǎn)認(rèn)為落在裂縫發(fā)育帶。204 區(qū)塊38 口頁(yè)巖氣水平井，12 口發(fā)生套變，其中9 口井的套變點(diǎn)落在“甜點(diǎn)”區(qū)，且主要發(fā)生在A 靶點(diǎn)附近的“甜點(diǎn)”區(qū)；另外3 口井的套變認(rèn)為可能和裂縫發(fā)育帶有關(guān)。204 區(qū)塊20 個(gè)套損井點(diǎn)中14 個(gè)位于A 靶點(diǎn)附近，占70%；202 區(qū)塊33 個(gè)套損井點(diǎn)中11 個(gè)位于A 靶點(diǎn)附近，占33%。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊除去與五峰組有關(guān)的套變井的套變率和204 區(qū)塊的套變率相近，且主要位于A 靶點(diǎn)附近。
威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層有所不同，主要區(qū)別在于“甜點(diǎn)”之下的堅(jiān)硬的五峰組頂部的生物灰?guī)r厚度不同，202 區(qū)塊的生物灰?guī)r厚度大于1 m，204 區(qū)塊的生物灰?guī)r小于0.2 m，五峰組在204 區(qū)塊明顯變薄。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井鉆入生物灰?guī)r的比例較高，較厚的生物灰?guī)r限制了壓裂過(guò)程中位于其中的部分水平井筒的錯(cuò)動(dòng)，而位于 “甜點(diǎn)”區(qū)中的固井水泥環(huán)容易失效，導(dǎo)致套變主要發(fā)生在“甜點(diǎn)”區(qū)中，這是2 個(gè)區(qū)塊的水平井套變率差別較大的主要原因。
分析威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井壓裂的微地震資料，發(fā)現(xiàn)在壓裂段的水平井軌跡位于“甜點(diǎn)”之上時(shí)，壓裂的起裂“事件點(diǎn)”主要位于軌跡之下的 “甜點(diǎn)”區(qū)中，因此認(rèn)為202 區(qū)塊的水平井壓裂形成的立體縫網(wǎng)主要分布在龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中，這樣壓裂時(shí)大量的壓裂液和壓裂砂分布于龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中，導(dǎo)致套變點(diǎn)絕大多數(shù)也位于“甜點(diǎn)”區(qū)中。威遠(yuǎn)204 區(qū)塊龍一11下部的 “甜點(diǎn)”之上的頁(yè)巖儲(chǔ)層的層理縫相比威遠(yuǎn)202 區(qū)塊更為發(fā)育，204 區(qū)塊壓裂時(shí)形成的立體縫的分布范圍廣得多，因此除去與五峰組有關(guān)的套變之外，威遠(yuǎn)204 區(qū)塊的套變率整體上比威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的稍低。至于套變的理論模式和機(jī)理，應(yīng)該是多種模式存在，是多種因素相互作用的過(guò)程。由于儲(chǔ)層的縱向和橫向上的非均質(zhì)性較為復(fù)雜，威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變也很復(fù)雜?？紤]到威遠(yuǎn)區(qū)塊大范圍的地應(yīng)力機(jī)制不同于其他已開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣區(qū)塊，另外威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊的層理縫發(fā)育也非常豐富，頁(yè)巖氣水平井壓裂時(shí)形成以“甜點(diǎn)”為主體的橫向縫為主的立體縫網(wǎng)，這些儲(chǔ)層因素和地應(yīng)力特點(diǎn)導(dǎo)致威遠(yuǎn)202 區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井壓裂時(shí)易套變。
5 結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)威遠(yuǎn)202 和204 頁(yè)巖氣區(qū)塊的100余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料分析研究，威遠(yuǎn)區(qū)塊壓裂水平井套變點(diǎn)多數(shù)位于層理縫發(fā)育的“甜點(diǎn)”區(qū)，套管外水泥環(huán)首先損壞。
(2)威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套變率高于204 區(qū)塊，因?yàn)?02 區(qū)塊的套變大部分與水平井段鉆穿堅(jiān)硬的五峰組有關(guān)，在壓裂過(guò)程中五峰組生物灰?guī)r中的套管保護(hù)較好，相近的“甜點(diǎn)”區(qū)中的一部分套管周?chē)乃喹h(huán)由于各種力反復(fù)作用容易破碎，致使在“甜點(diǎn)”區(qū)套變發(fā)生。
(3)儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)、壓裂設(shè)計(jì)和地應(yīng)力特殊性是威遠(yuǎn)區(qū)塊壓裂水平井套變的主要影響因素，其水平井壓裂套變特征清晰，規(guī)律明確，可以根據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)和測(cè)井資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，鉆前工程設(shè)計(jì)優(yōu)化和完鉆后進(jìn)一步優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)都可以預(yù)防套變。
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近年來(lái)，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)發(fā)展迅速，自2014 年進(jìn)入到規(guī)?；⑸虡I(yè)化的開(kāi)發(fā)階段，到2017 年已經(jīng)形成年產(chǎn)90 億m3頁(yè)巖氣的規(guī)模，說(shuō)明我國(guó)基本上形成一套比較成熟的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)［1-3]。目前頁(yè)巖氣產(chǎn)量只占我國(guó)氣產(chǎn)量的6%，未來(lái)幾年我國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的階段。大規(guī)模體積壓裂是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，在壓裂過(guò)程中由于總計(jì)高達(dá)40 000 m3的壓裂液和2 000 m3的壓裂砂進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層，導(dǎo)致壓裂過(guò)程中的水平井套管變形，影響后續(xù)的壓裂施工和生產(chǎn)，造成巨大的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失［4-6]。目前威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)的套變率在50%左右(套變率按照套變井?dāng)?shù)占總壓裂井?dāng)?shù)的百分比統(tǒng)計(jì))，如A 公司威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套變率高達(dá)84.2%，威遠(yuǎn)204 區(qū)塊的套變率為31.6%［7-8]。大規(guī)模體積壓裂過(guò)程中的套變?nèi)匀皇琼?yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)中未解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，研究重點(diǎn)在于從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性方面探討頁(yè)巖氣水平井壓裂過(guò)程中導(dǎo)致套變的主要因素和機(jī)理。
1 水平井壓裂工藝技術(shù)
目前國(guó)內(nèi)普遍采用的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方式是水平井平臺(tái)式開(kāi)發(fā)，由于受地形、征地、施工和生產(chǎn)等因素的制約，常規(guī)情況下一個(gè)平臺(tái)部署6～8 口水平井。水平井方向一般垂直于最大主應(yīng)力方向，壓裂后形成的裂縫垂直于水平井井筒，這樣可以破碎更多的頁(yè)巖儲(chǔ)層，開(kāi)發(fā)效果最好。目前水平井井距一般介于300～500 m 之間。頁(yè)巖氣水平井壓裂施工一般采用拉鏈?zhǔn)焦S化作業(yè)模式，分2 輪施工，每輪2～4 口井，壓裂和泵送射孔交叉進(jìn)行，作業(yè)時(shí)間短，施工效率高。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般超過(guò)1 500 m，壓裂設(shè)計(jì)段數(shù)超過(guò)20 段，段長(zhǎng)在60 m 左右，實(shí)際單段壓裂使用壓裂液在2 000 m3左右，加砂量在100 m3左右。
由于壓裂過(guò)程中大量的壓裂液和壓裂砂進(jìn)入地層，在壓裂過(guò)程中或壓裂后經(jīng)常出現(xiàn)套管變形的問(wèn)題。套變不僅影響正常的壓裂施工，耽誤工期，改變既定的施工次序和技術(shù)措施，降低后續(xù)的壓裂段數(shù)，最終影響產(chǎn)能，長(zhǎng)遠(yuǎn)看還會(huì)影響后期生產(chǎn)和作業(yè)，進(jìn)一步影響整體開(kāi)發(fā)效果。如A 公司某井施工過(guò)程中用連續(xù)油管帶?108 mm 通井規(guī)通井，至4 638 m遇阻，嘗試3 次未通過(guò)；然后用連續(xù)油管帶?96 mm通井規(guī)通井至4 643 m 遇阻；第2 天用連續(xù)油管帶?83 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡；第3 天用?83 mm 模擬射孔槍下井遇阻，換連續(xù)油管帶?73 mm 通井規(guī)通井至4 644 m 遇阻，上提遇卡，后用?73 mm 模擬射孔槍遇阻，鉛印顯示約10 cm 圓弧印痕；第4 天用連續(xù)油管帶?73 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無(wú)進(jìn)尺，上提遇卡；第5 天用連續(xù)油管帶?90 mm 銑錐，下至4 644 m 遇阻，磨銑無(wú)進(jìn)尺，上提遇卡，起油管，拆卸工具，發(fā)現(xiàn)磨痕集中在銑錐根部。之后根據(jù)該井套變情況重新優(yōu)化壓裂工藝并進(jìn)行后續(xù)的壓裂施工。目前頁(yè)巖氣水平井壓裂施工一般采用大通徑免鉆橋塞+觸發(fā)式滑套分段壓裂工藝，水力泵送射孔橋塞聯(lián)作，若套管變形或其他因素導(dǎo)致橋塞無(wú)法下到位，則采取高強(qiáng)度暫堵球?qū)嵤憾?、分壓?lái)補(bǔ)救，結(jié)合縫內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)盡可能提高改造體積，如果套變復(fù)雜或長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則采用復(fù)合暫堵分級(jí)轉(zhuǎn)向壓裂工藝，降低施工風(fēng)險(xiǎn)［9-11]?？傊?yè)巖氣水平井的壓裂過(guò)程中的套變對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的正常施工影響很大。
2 套變特點(diǎn)
A 公司在威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)的57 口壓裂水平井，套變28 口。其中威遠(yuǎn)202 區(qū)塊19 口壓裂水平井，套變16 口，套變率84.2%；威遠(yuǎn)204 區(qū)塊38 口井，套變12 口，套變率31.6%。B 公司在威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)也有50 余口壓裂水平井，2 個(gè)區(qū)塊的套變率與A 公司的數(shù)據(jù)相近。
通過(guò)分析100 余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料，包括套變井套變的井筒位置、地層情況、套變形狀、套變處固井質(zhì)量、套變處套管參數(shù)、壓裂參數(shù)、套變與時(shí)間的關(guān)系、套變與井間干擾的關(guān)系等，發(fā)現(xiàn)套變主要與壓裂液用量和加砂量有明顯的相關(guān)關(guān)系。套變多數(shù)是在壓裂過(guò)程中發(fā)生。套變處的套管固井質(zhì)量在壓裂前的檢測(cè)中一般較好，可以認(rèn)為套變處的固井水泥環(huán)是在壓裂過(guò)程中漸漸損壞的。另外，壓裂過(guò)程中的微地震監(jiān)測(cè)資料顯示，利用螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)的天然裂縫在壓裂過(guò)程中多有開(kāi)啟，但發(fā)生套變的位置位于天然裂縫發(fā)育帶的并不多。
A 公司和B 公司在威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的水平井壓裂采用的工藝技術(shù)指標(biāo)差別不大，但在這2 個(gè)區(qū)塊的套變率相差很大，不同公司在同一個(gè)區(qū)塊的套變率一致，因此認(rèn)為從分析2 個(gè)區(qū)塊的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性的差異應(yīng)該能夠找到影響套變的主要原因。
3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征
威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要位于志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組。龍馬溪組上部主要為綠灰色泥、頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、深灰色、灰黑色、黑色的頁(yè)巖。龍馬溪組厚度分布不均，沿威遠(yuǎn)地區(qū)的東南方向變厚；該組主力頁(yè)巖氣儲(chǔ)層位于底部的50～100 m 內(nèi)，最好的“甜點(diǎn)”位于最底部的龍一11。五峰組厚度在0.5～15 m，頂部為全區(qū)廣泛分布的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r，中、下部主要為泥巖、白云質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r。之下的寶塔組上部為蘭色灰?guī)r、生物灰?guī)r，質(zhì)純，巖性致密而脆，局部重結(jié)晶，向西則局部變?yōu)榱税自瀑|(zhì)頁(yè)巖。
威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的頁(yè)巖氣巖心差別明顯，如圖1，圖2 所示。202 區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層龍一11下部層理縫極為發(fā)育，是一段巖性特殊的粉砂質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，龍一11上部層理縫相對(duì)不發(fā)育。204 區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層龍一11下部、上部層理縫都較為發(fā)育，相對(duì)而言，下部比上部層理縫更為發(fā)育。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊取心井的測(cè)井綜合解釋得出龍一11下部硅質(zhì)含量最高，意味著含氣最豐富，五峰組頂部的生物灰?guī)r硅質(zhì)含量最低。表1 是威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井測(cè)井解釋有效孔隙度表，“甜點(diǎn)”區(qū)有效孔隙度為5.6%，五峰頂?shù)纳锘規(guī)r有效孔隙度僅有0.6%，各段的有效孔隙度的差別較大。該井測(cè)算的縱向上的儲(chǔ)層破裂壓力結(jié)果，五峰組頂部最高為85.4 MPa，龍一11下部最低為55.5 MPa，相差30 MPa。在水平井壓裂過(guò)程中，裂縫最先大規(guī)模開(kāi)啟的是龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)，大規(guī)模體積壓裂后將會(huì)形成以“甜點(diǎn)”區(qū)為主體的立體縫網(wǎng)。
4 套變?cè)蚍治?/h2>
圖 1 威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井巖心Fig. 1 The core of well A in Weiyuan block 202
圖 2 威遠(yuǎn)204 區(qū)塊B 井巖心Fig. 2 The core of well B in Weiyuan block 204
表 1 威遠(yuǎn)202 區(qū)塊A 井測(cè)井解釋有效孔隙度表Table 1 Effective porosity from logging interpretation of well A in Weiyuan block 202
頁(yè)巖氣水平井壓裂的套變問(wèn)題從2014 年起就引起相關(guān)專(zhuān)家的重視。田中蘭［1]針對(duì)影響套管性能的溫度效應(yīng)、壓力效應(yīng)、彎曲效應(yīng)等因素，建立了多因素耦合套管損壞評(píng)價(jià)模型，對(duì)影響套管損壞的主要因素進(jìn)行了分析。如水泥環(huán)中存在虛空段，壓裂時(shí)溫度大幅下降引起虛空段內(nèi)的流體收縮，再耦合套管彎曲應(yīng)力、套管摩阻等載荷后，會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖氣井套變。于浩［3]認(rèn)為套變是壓裂過(guò)程中地層巖石性能降低、改造區(qū)域不對(duì)稱(chēng)、施工壓力大以及地應(yīng)力場(chǎng)重新分布等共同作用的綜合結(jié)果。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者從鉆完井、固井、套管、壓裂工藝設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)施工，從管柱力學(xué)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)到滲流力學(xué)分析壓裂過(guò)程中的套損機(jī)理，主要認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層抬升、頁(yè)巖層橫向滑移和裂縫滑移等破壞了固井的水泥環(huán)，套管剪切變形、錯(cuò)動(dòng)，最終導(dǎo)致套管變形。前期成果主要從工程技術(shù)的角度探索套變?cè)?，油田現(xiàn)場(chǎng)壓裂套變?nèi)匀焕^續(xù)發(fā)生。
筆者在前期大量研究的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)儲(chǔ)層的角度，結(jié)合工程技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析認(rèn)為威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套損率特別高的主要原因在于該區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層的特殊性。首先威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井的水平段設(shè)計(jì)軌跡位于龍一11，整體來(lái)看，前期完鉆的水平井段落在龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中的長(zhǎng)度比例并不高。在鉆井過(guò)程中部分井段進(jìn)入龍一11下邊的五峰組頂部的堅(jiān)硬的生物灰?guī)r。一旦水平段鉆遇五峰組，在壓裂過(guò)程中，位于堅(jiān)硬的五峰組中的水平井段相對(duì)不動(dòng)，位于容易破碎的頁(yè)巖儲(chǔ)層中的水平井段由于壓裂導(dǎo)致的井段周?chē)?yè)巖破碎、固井水泥環(huán)破碎等，反復(fù)錯(cuò)動(dòng)，特別是靠近五峰組井段的兩側(cè)就是層理縫最發(fā)育的粉砂質(zhì)頁(yè)巖層段“甜點(diǎn)”，固井保護(hù)最先失效，導(dǎo)致套變。
A 公司威遠(yuǎn)202 區(qū)塊16 口套變頁(yè)巖氣水平井，套變點(diǎn)位于“甜點(diǎn)”區(qū)的有14 口，其中鉆遇五峰組的7 口井全部套變，其余7 口井的套變點(diǎn)位于A 靶點(diǎn)附近；另外2 口井的套變點(diǎn)認(rèn)為落在裂縫發(fā)育帶。204 區(qū)塊38 口頁(yè)巖氣水平井，12 口發(fā)生套變，其中9 口井的套變點(diǎn)落在“甜點(diǎn)”區(qū)，且主要發(fā)生在A 靶點(diǎn)附近的“甜點(diǎn)”區(qū)；另外3 口井的套變認(rèn)為可能和裂縫發(fā)育帶有關(guān)。204 區(qū)塊20 個(gè)套損井點(diǎn)中14 個(gè)位于A 靶點(diǎn)附近，占70%；202 區(qū)塊33 個(gè)套損井點(diǎn)中11 個(gè)位于A 靶點(diǎn)附近，占33%。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊除去與五峰組有關(guān)的套變井的套變率和204 區(qū)塊的套變率相近，且主要位于A 靶點(diǎn)附近。
威遠(yuǎn)202 區(qū)塊和204 區(qū)塊的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層有所不同，主要區(qū)別在于“甜點(diǎn)”之下的堅(jiān)硬的五峰組頂部的生物灰?guī)r厚度不同，202 區(qū)塊的生物灰?guī)r厚度大于1 m，204 區(qū)塊的生物灰?guī)r小于0.2 m，五峰組在204 區(qū)塊明顯變薄。威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井鉆入生物灰?guī)r的比例較高，較厚的生物灰?guī)r限制了壓裂過(guò)程中位于其中的部分水平井筒的錯(cuò)動(dòng)，而位于 “甜點(diǎn)”區(qū)中的固井水泥環(huán)容易失效，導(dǎo)致套變主要發(fā)生在“甜點(diǎn)”區(qū)中，這是2 個(gè)區(qū)塊的水平井套變率差別較大的主要原因。
分析威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的水平井壓裂的微地震資料，發(fā)現(xiàn)在壓裂段的水平井軌跡位于“甜點(diǎn)”之上時(shí)，壓裂的起裂“事件點(diǎn)”主要位于軌跡之下的 “甜點(diǎn)”區(qū)中，因此認(rèn)為202 區(qū)塊的水平井壓裂形成的立體縫網(wǎng)主要分布在龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中，這樣壓裂時(shí)大量的壓裂液和壓裂砂分布于龍一11下部的“甜點(diǎn)”區(qū)中，導(dǎo)致套變點(diǎn)絕大多數(shù)也位于“甜點(diǎn)”區(qū)中。威遠(yuǎn)204 區(qū)塊龍一11下部的 “甜點(diǎn)”之上的頁(yè)巖儲(chǔ)層的層理縫相比威遠(yuǎn)202 區(qū)塊更為發(fā)育，204 區(qū)塊壓裂時(shí)形成的立體縫的分布范圍廣得多，因此除去與五峰組有關(guān)的套變之外，威遠(yuǎn)204 區(qū)塊的套變率整體上比威遠(yuǎn)202 區(qū)塊的稍低。至于套變的理論模式和機(jī)理，應(yīng)該是多種模式存在，是多種因素相互作用的過(guò)程。由于儲(chǔ)層的縱向和橫向上的非均質(zhì)性較為復(fù)雜，威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變也很復(fù)雜?？紤]到威遠(yuǎn)區(qū)塊大范圍的地應(yīng)力機(jī)制不同于其他已開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣區(qū)塊，另外威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊的層理縫發(fā)育也非常豐富，頁(yè)巖氣水平井壓裂時(shí)形成以“甜點(diǎn)”為主體的橫向縫為主的立體縫網(wǎng)，這些儲(chǔ)層因素和地應(yīng)力特點(diǎn)導(dǎo)致威遠(yuǎn)202 區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井壓裂時(shí)易套變。
5 結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)威遠(yuǎn)202 和204 頁(yè)巖氣區(qū)塊的100余口壓裂水平井的基礎(chǔ)資料分析研究，威遠(yuǎn)區(qū)塊壓裂水平井套變點(diǎn)多數(shù)位于層理縫發(fā)育的“甜點(diǎn)”區(qū)，套管外水泥環(huán)首先損壞。
(2)威遠(yuǎn)202 區(qū)塊套變率高于204 區(qū)塊，因?yàn)?02 區(qū)塊的套變大部分與水平井段鉆穿堅(jiān)硬的五峰組有關(guān)，在壓裂過(guò)程中五峰組生物灰?guī)r中的套管保護(hù)較好，相近的“甜點(diǎn)”區(qū)中的一部分套管周?chē)乃喹h(huán)由于各種力反復(fù)作用容易破碎，致使在“甜點(diǎn)”區(qū)套變發(fā)生。
(3)儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)、壓裂設(shè)計(jì)和地應(yīng)力特殊性是威遠(yuǎn)區(qū)塊壓裂水平井套變的主要影響因素，其水平井壓裂套變特征清晰，規(guī)律明確，可以根據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)和測(cè)井資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，鉆前工程設(shè)計(jì)優(yōu)化和完鉆后進(jìn)一步優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)都可以預(yù)防套變。
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