林永茂，王興文，劉 斌

(中石化西南油氣分公司石油工程技術研究院)

國內(nèi)外普遍認為埋深超過3 500m的頁巖氣為深層頁巖氣，由于其埋深導致的壓裂施工難度及成本遠大于淺層頁巖氣，使得深層頁巖氣未實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)。中石化威榮頁巖氣田埋深3 600～3 900 m，縱向上發(fā)育9套頁巖氣儲層，優(yōu)質頁巖儲層為1～5號層，厚度35.5～46.6 m，儲層孔隙度為4%～6.6%，TOC為2.2%～4.0%，Ro為2.0%～2.6%，含氣量為2.56～4.88 t/m3，地壓系數(shù)為1.9 MPa/m3左右。與鄰區(qū)及焦石壩等投入開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊對比，該區(qū)的基本地質條件與之相當，但儲層埋深導致人工裂縫復雜程度低、縫長短、支撐裂縫有效性差，使得控制儲量較低，無法實現(xiàn)商業(yè)突破[1-5]。

針對該區(qū)塊改造難點，以控近擴遠、提高裂縫復雜性、有效性和分簇改造充分性為主體思路，配套針對性工藝技術措施，并在WY23-1HF等5口井中應用成功，實現(xiàn)了商業(yè)突破，為威榮頁巖氣田的開發(fā)打下了堅實的技術基礎。

一、威榮深層頁巖氣田工程地質特征

1.巖性特征

通過巖心室內(nèi)實驗分析，脆性礦物含量較高，介于55%～70%(表1)，與W204井區(qū)相當，但其碳酸鹽含量遠高于鄰區(qū)。

表1 威榮深層脆性礦物組成

表2 威榮深層頁巖氣巖石力學參數(shù)

2.力學特征

楊氏模量、泊松比、抗拉強度及三軸應力測試結果顯示(表2)，力學脆性指數(shù)為0.38～0.46，應力差異系數(shù)為0.08～0.12，與鄰區(qū)W204井區(qū)相當，但其最小水平主應力的絕對值高達80 MPa以上，應力差最大為16 MPa，意味著其施工難度及形成復雜縫網(wǎng)的難度遠高于淺層頁巖氣[6-8]。

3.裂縫特征

通過巖心觀察及測井解釋，威榮深層頁巖天然裂縫較發(fā)育，WY23-1井和WY29-1井頁理均發(fā)育，裂縫分別為138條和83條，平縫為主，立、斜縫分別為17條和23條，見表3。

表3 WY23-1及WY29-1井巖心觀察裂縫情況

二、威榮深層頁巖氣體積壓裂工藝技術研究

1.深層頁巖氣壓裂改造難點

(1)儲層兩向應力差大，難以形成復雜縫網(wǎng)。威榮頁巖氣兩向應力差異系數(shù)為0.08～0.12，雖然不大，但其絕對值相差較大，為6.7～16 MPa，打碎儲層形成復雜縫網(wǎng)的難度相對較大。

(2)受裝備能力限制，提高凈壓力手段有限。威榮頁巖氣儲層停泵壓力在64～69 MPa之間，限壓95 MPa下施工排量最高可提升至15～16 m3/min。采用瞬時停泵方法測定不同施工排量下、不同液體的井底壓力變化，以推斷凈壓力變化情況，現(xiàn)場測試表明，排量由8 m3/min提高至15 m3/min，膠液比降阻水凈壓力僅高2.14 MPa，主要是由于部分井區(qū)近井帶天然裂縫相對發(fā)育，凈壓力保持困難。通過提高排量及壓裂液黏度等措施提高縫內(nèi)凈壓力難度大[9-10]。

(3)水平層理發(fā)育，加砂難度大。儲層水平層理發(fā)育、垂向應力居中，形成水平裂縫的可能性較大，導致壓裂施工時壓裂液濾失大、縫寬窄，最終造成“進液不進砂”，加砂難度異常大。WY1HF井第6段施工時，在砂比僅6%時即發(fā)生砂堵。

2.深層頁巖氣壓裂工藝技術

(1)射孔段長度優(yōu)化。較短的射孔段長有利于保證多簇射孔中每個射孔段的均勻進液、減少近井多裂縫。但射孔段長的減少也不是無限的，射孔段長度減少太多會導致孔眼摩阻增加，使得施工排量無法滿足施工要求。因此在現(xiàn)場試驗的基礎上，射孔段長度由每段3 m減少到每段1.8 m，在不影響施工排量的同時利用限流壓裂原理，保證每個射孔段的均勻進液。

(2)變排量+多級粒徑段塞工藝。在施工初期，為控制多裂縫起裂保證主裂縫的有效延伸，采用變排量+多級粒徑段塞，在不同階段采用不同排量，同時加入不同粒徑的陶粒，分別填充在不同寬度的人工裂縫內(nèi)部。既可打磨近井裂縫復雜地帶，控制多裂縫利于主裂縫的形成，又可降低儲層的濾失，提高壓裂液效率。排量、粒徑大小及粒徑級數(shù)可根據(jù)測試壓裂解釋結果及天然裂縫開啟情況確定。

(3)超高壓、大排量工藝。采用國產(chǎn)配套140 MPa施工設備提高施工排量，在120 MPa限壓下可將排量提高至20 m3/min，以此提高裂縫內(nèi)的凈壓力，增加形成復雜縫網(wǎng)的可能性。

(4)縫口暫堵轉向壓裂技術。采用暫堵球對單段多簇射孔井段已壓裂段進行封堵，通過分流作用實現(xiàn)各射孔段的均勻充分改造，提高各射孔簇改造的有效性。

3.施工參數(shù)優(yōu)化

(1)人工裂縫導流能力優(yōu)化。以數(shù)值模擬為基礎，計算不同導流能力下的日產(chǎn)量及單井累計產(chǎn)量，以獲得最大產(chǎn)量為目標優(yōu)化該儲層所需的人工裂縫導流能力。計算結果顯示產(chǎn)量隨導流能力增加而增大，導流能力大于2 D·cm時累產(chǎn)量遞增減緩，見圖1。綜合考慮推薦最優(yōu)導流能力為2 D·cm,以此為基礎優(yōu)化單段加砂規(guī)模為65 m3。

圖1 不同導流能力的累計產(chǎn)量

(2)液量優(yōu)化。以數(shù)值模擬為基礎，計算不同半縫長的日產(chǎn)量及單井累計產(chǎn)量，以獲得最大產(chǎn)量為目標優(yōu)化該儲層所需的人工裂長度。結果顯示產(chǎn)量隨縫長增加而增大，縫長大于260 m累產(chǎn)量遞增減緩，見圖2。綜合考慮推薦最優(yōu)半縫長為260 m。以此為基礎優(yōu)化單段液體規(guī)模為1 800～1 900 m3。

三、現(xiàn)場應用情況及評價

1.總體應用及測試情況

形成的威榮深層頁巖氣體積壓裂技術已完成5口井施工(表4)，施工成功率100%，單井最大加砂規(guī)模1 428 m3、單井最大液量48 020 m3，其中WY23-1HF井及WY29-1HF中，壓后測試產(chǎn)量分別為26.01×104m3/d(35.4 MPa)、23.80×104m3/d(22.2MPa)，取得了威榮深層頁巖氣商業(yè)開發(fā)突破。

圖2 不同半縫長的日產(chǎn)量及累計產(chǎn)量

表4 威榮頁巖氣已壓裂井情況

2.壓后評價分析

(1)G函數(shù)分析對裂縫復雜性評價。對WY23-1HF及WY29-1HF井進行G函數(shù)分析。結果表明兩口井均形成了“主縫+分支縫+天然裂縫”的復雜裂縫形態(tài)，達到了體積壓裂的目的。

(2)裂縫改造體積。采用地面微地震裂縫監(jiān)測對WY23-1HF井改造體積計算，總改造體積為6 570×104m3。監(jiān)測結果顯示本井形成了較為復雜的體積裂縫，且裂縫的走向受天然裂縫影響較大。

(3)大排量對裂縫復雜性及改造體積影響。測試壓裂解釋結果表明在排量大于15 m3/min后，凈壓力得到較大的提升，見圖3。G函數(shù)顯示，隨著排量的增加G函數(shù)波動次數(shù)增加明顯，對于提高裂縫復雜程度及改造體積有較大的影響，見圖4。

四、結論

(1)室內(nèi)實驗及巖心分析表明，威榮深層頁巖儲層脆性礦物及力學脆性指數(shù)較高，達到0.6左右，天然裂縫發(fā)育，具備形成縫網(wǎng)的地質基礎，但兩向應力差值在6～16 MPa之間，對于提高裂縫復雜程度難度較大。

(2)深層頁巖氣體積壓裂的關鍵在于提高形成的人工裂縫的有效改造體積，針對不同的儲層特征應采取增加縫長、提高裂縫導流能力等措施。

(3)形成的針對威榮頁巖氣的“變排量+密集段塞+連續(xù)加砂”工藝成功應用于WY23-1HF及WY29-1HF井，壓后測試產(chǎn)量分別為26.01×104m3/d(35.4 MPa)、23.80×104m3/d(22.2 MPa)，取得了威榮深層頁巖氣商業(yè)開發(fā)突破。

圖3 排量對凈壓力的影響

圖4 排量對裂縫復雜程度的影響