龍章亮，鐘敬敏，胡永章，溫真桃，李 輝，曾賢薇

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610000；3.中國石化西南油氣分公司頁巖氣項目部，重慶402160；4.四川省煤田地質(zhì)局一四一地質(zhì)隊，四川德陽618000）

在國家頁巖氣發(fā)展戰(zhàn)略的政策指導下，2010年至今，通過持續(xù)頁巖氣技術攻關，國內(nèi)針對中淺層頁巖氣高效開發(fā)已經(jīng)擁有了較成熟的技術手段及開發(fā)策略，但深層頁巖氣開發(fā)仍然面臨很多困難。郭新江[1-3]等認為針對頁巖氣高效開發(fā)的主流認識主要在于“地質(zhì)工程一體化”應進行綜合性研究，作為地質(zhì)與工程間的橋梁，系統(tǒng)的地質(zhì)力學研究是快速、高效開發(fā)頁巖氣的必由之路。在全國頁巖氣勘探開發(fā)進程和對地質(zhì)工程一體化研究認識的不斷積累中，地質(zhì)力學研究的重要性逐漸凸顯[4]。

地質(zhì)力學研究成本高，費時費力，目前多數(shù)頁巖氣開發(fā)區(qū)相關研究成果較少，然而地質(zhì)力學成果在工區(qū)鉆井優(yōu)化和壓裂設計中又起到關鍵作用。因此，地質(zhì)力學研究人員需要對頁巖氣工區(qū)主體工程工藝和面臨的復雜問題有充分的認識，以問題為導向，有針對性地進行研究工作，從而為工程工藝優(yōu)化和方案調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。下面以永川工區(qū)為例，簡單介紹地質(zhì)力學參數(shù)在永川鉆井和壓裂工藝中的應用情況。

1 永川工區(qū)頁巖氣藏地質(zhì)力學特征及面臨問題

永川區(qū)塊位于華鎣山褶皺帶向南呈帚狀撒開的低背斜群，構造褶皺強烈，斷層發(fā)育，向南逐漸減弱。工區(qū)內(nèi)的新店子背斜為北東向的長軸背斜，背斜軸部依次出露下三疊統(tǒng)飛仙關組、嘉陵江組和上三疊統(tǒng)地層。工區(qū)整體表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的構造格局，儲層地質(zhì)參數(shù)信息見表1。

目前，永川工區(qū)開發(fā)過程中，面臨的問題主要有以下幾點：

1）工區(qū)構造復雜，埋藏深度差異大，陸相地層石英含量高，研磨性強，海相地層含燧石和鮞?；?guī)r，可鉆性差。

2）龍?zhí)督M—石牛欄組地層易井壁失穩(wěn)，鉆速慢，施工周期長。

3）工區(qū)斷層發(fā)育，不同井區(qū)地應力方向變化大，水平段部署方位需優(yōu)化。

4）工區(qū)地應力值高，水平應力差異大，壓裂難以形成網(wǎng)絡裂縫。

針對以上問題，地質(zhì)力學研究人員開展了有針對性的巖石力學、可鉆性、地應力、地層壓力、坍塌壓力、破裂壓力模型建立及預測，進而指導一系列工程工藝優(yōu)化措施，促進鉆井提速和壓裂增產(chǎn)。

表1 永川不同井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層地質(zhì)力學參數(shù)Table1 Geomechanical parameters of high quality shale reservoirs in Longmaxi formation of different well areas in Yongchuan

2 地質(zhì)力學促進鉆井提速降本

2.1 鉆頭優(yōu)選

針對永川工區(qū)陸、海相地層可鉆性差的問題，分別進行了可鉆性、硬度、研磨性等室內(nèi)實驗，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行了可鉆性剖面建立，從而可以更科學地選擇鉆頭型號[5-8]。

1）可鉆性實驗

由于地面及地層條件下巖石的可鉆性級值相差較大，以往使用地面條件下巖石的可鉆性級值優(yōu)選鉆頭、確定鉆井參數(shù)、預測鉆井效率的做法顯然是不合適的[7]。因此，進行了20 組可鉆性實驗（地面條件11 組、地層條件9 組），在實驗過程中充分考慮了難鉆地層深度、鉆井液密度、地層壓力以及地應力影響；徑向采用液壓油加圍壓模擬應力環(huán)境，軸向加液柱壓力模擬鉆井過程，同一塊巖心正面采用牙輪微鉆頭，反面采用PDC（聚晶金剛石復合片）微鉆頭（圖1），避免因巖心差異產(chǎn)生誤差。

圖1 牙輪鉆頭（左）、PDC鉆頭（右）可鉆性實驗樣品Fig.1 Drillability test sample of cone bit（left）and PDC bit（right）

從表2看，地面條件下PDC 比牙輪可鉆性差，PDC鉆頭平均微鉆時約為牙輪鉆頭的5倍。地層條件下PDC 明顯比牙輪鉆頭可鉆性好，牙輪鉆頭平均微鉆時約為PDC鉆頭的6倍。兩種實驗條件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異主要受液柱壓力的影響，圍壓和溫度影響不明顯。根據(jù)實驗結果，PDC鉆頭較牙輪鉆頭更適合用于永川工區(qū)井底壓力較大的地層巖石。

表2 牙輪鉆頭與PDC鉆頭平均微鉆時對比Table2 Comparison of average micro drilling time between cone bit and PDC bit s

2）可鉆性剖面建立

根據(jù)可鉆性實驗數(shù)據(jù)擬合可鉆性級值計算模型，結合工區(qū)巖石強度實驗和單井測井資料，預測井區(qū)PDC可鉆性級值、研磨性、硬度、抗壓強度、抗剪強度及其標準偏差，通過建立縱向巖石可鉆性剖面將鉆遇地層進行分級[9-10]。根據(jù)永川地層可鉆性、研磨性、硬度、抗壓強度、抗剪強度及其標準偏差縱向剖面（圖2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，地層屬于中軟—中硬地層。其中，中軟地層為龍?zhí)督M；中硬地層有自流井組、須家河組、嘉陵江組、飛仙關組、長興組、茅口組、棲霞組；中等地層有石牛欄組、龍馬溪組。

3）鉆頭優(yōu)選

陸相地層：抗壓強度、硬度值表明為中硬地層，推薦胎體鉆頭；巖石研磨性級別為5～7，推薦冠部輪廓以中冠形為主、切削齒數(shù)為40～50個、齒徑為13～16 mm的鉆頭，降低地層磨損；可鉆性級值為4～5，推薦使用5～6刀翼鉆頭；根據(jù)IADC（鉆頭國際標準）編碼，推薦M323或M423鉆頭。

海相地層：抗剪標準偏差較小表明縱向非均質(zhì)性不強，夾層影響較弱，沖擊載荷??；研磨性較陸相地層弱，部分難鉆地層可鉆性級值較陸相地層強；根據(jù)IADC 編碼，中軟地層推薦M223鉆頭，中硬地層推薦M323或M423鉆頭，水平段鉆進推薦M323或M322鉆頭，可采用短冠形鉆頭增加水平段鉆進穩(wěn)定性。

圖2 陸相須家河組地層PDC可鉆性剖面預測Fig.2 Prediction of PDC drillability profile of continental Xujiahe Formation

分層鉆頭選型推薦見表3。

2.2 安全鉆井液密度窗口的確定

針對永川南區(qū)海相地層易失穩(wěn)、鉆速慢、施工周期長的問題，分別對不同井斜不同鉆井方位條件下的坍塌壓力、原始地層孔隙壓力、破裂壓力等參數(shù)進行了模擬預測，在此基礎上提出了安全鉆井液密度窗口[11-14]。

1）原始地層孔隙壓力確定

大規(guī)模水力壓裂后地層孔隙壓力增加導致實測數(shù)據(jù)偏大，因此分別采用了Eaton 法、定容封閉氣藏物質(zhì)平衡法分析低滲頁巖孔隙壓力的壓裂增壓機制、考慮滲透率影響的井壁圍巖孔隙壓力等求取方法得到了該地區(qū)壓裂前原始地層孔隙壓力。分析結果認為：永川南區(qū)鉆井時考慮鉆遇裂縫的情況下原始地層孔隙壓力當量鉆井液密度為1.35～1.60 g/cm3。

2）地層坍塌壓力確定

永川南區(qū)龍馬溪組坍塌壓力系數(shù)為1.60～1.80，水平段沿著水平最小主應力方向鉆進，井壁相對最不穩(wěn)定，坍塌壓力系數(shù)最高可達1.80；永川南區(qū)新部署井水平段軌跡方向主體沿斷層方向，與水平最小主應力方向有一定夾角，井壁穩(wěn)定性良好，坍塌壓力系數(shù)為1.60左右，見圖3。因此，考慮坍塌壓力，水平段鉆井液密度下限為1.60 g/cm3。

3）安全鉆井液密度窗口推薦

由于工區(qū)破裂壓力系數(shù)總體較高，鉆井液當量密度為2.50～3.20 g/cm3，目前使用的鉆井液密度范圍不會壓破地層導致井漏。因此，綜合地層坍塌壓力、破裂壓力、頁巖地層原始孔隙壓力和鉆遇裂縫時頁巖地層動態(tài)孔隙壓力的分析結果，以及氣井的鉆井液密度設計要求，即氣井附加值（0.07～0.15 g/cm3），確定了儲層的鉆井液密度窗口，詳見表4。

表3 永川地層巖石可鉆性特征參數(shù)Table3 Rock drillability characteristic parameters in Yongchuan formation

圖3 永川南區(qū)頁巖地層30°，60°，90°井斜不同方位坍塌壓力餅狀圖對比Fig.3 Comparison of collapse pressure at different directions of 30°,60°and 90°well deviation in shale formation of southern Yongchuan

2.3 井身結構優(yōu)化

永川中部背斜區(qū)嘉陵江組、飛仙關組地層鉆遇斷層和裂縫幾率較大，地層壓力相對較小，為預防井漏復雜，使用鉆井液密度相對較?。积?zhí)督M、茅口組氣顯示活躍，龍?zhí)督M主要巖性為煤層與頁巖互層，茅口組主要為灰?guī)r地層，龍?zhí)督M易發(fā)生井壁失穩(wěn)，使用鉆井液密度相對較高。結合井區(qū)地層坍塌壓力、孔隙壓力、破裂壓力剖面（圖4）認識，龍?zhí)督M以上地層的地層壓力差異不大，且坍塌壓力總體小于地層壓力，以地層壓力為下限設計鉆井液密度能夠滿足井壁穩(wěn)定需求，一開必封點有上提空間。通過上移必封點以及下移造斜點，可以減少大尺寸井眼鉆進及定向井段和斜井段段長，從而減少鉆井進尺，提高鉆井效率，降低鉆井成本。

圖4 永川中部背斜區(qū)地層坍塌壓力、地層孔隙壓力、地層破裂壓力剖面Fig.4 Profile of collapse pressure,pore pressure and fracture pressure in anticline area of central Yongchuan

3 地質(zhì)力學助力壓裂增產(chǎn)增效

3.1 區(qū)域地應力有限元模擬

針對永川工區(qū)斷層發(fā)育、不同井區(qū)地應力方向變化大、水平井部署方位有待優(yōu)化等問題，進行了工區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域地應力大小和方向有限元模擬[15]。根據(jù)模擬結果（圖5），建議永川不同井區(qū)水平井主體部署方位。若考慮斷層，建議部署水平段方位與最小水平主應力方向夾角不超過40°。

表4 永川南區(qū)新部署水平井安全鉆井液密度窗口推薦范圍Table4 Recommended range of safe drilling fluid density window for newly deployed horizontal wells in southern Yongchuan

3.2 裂縫擴展影響因素分析

針對工區(qū)地應力值高、水平應力差異大，壓裂難以形成網(wǎng)絡裂縫的問題，進行水力裂縫與天然裂縫相互作用的仿真模擬[16-17]。通過模擬結果（圖6）認識到：

1）當均勻地層不存在天然裂縫或裂縫膠結強度過大時，水力裂縫通常不會發(fā)生轉向，主要形成雙翼對稱主裂縫。

2）當?shù)貙哟嬖谀z結強度低的天然裂縫時，不同應力差作用下形成縫網(wǎng)的復雜度也不一樣。應力差是影響縫網(wǎng)復雜度的重要因素：當σH＜1.05σh時，縫網(wǎng)更傾向于向天然裂縫方向擴展；當σH＞1.15σh時，縫網(wǎng)更傾向于向主裂縫方向擴展；當σH＝（1.05～1.15）σh時，縫網(wǎng)交錯最為復雜。

3）永川南區(qū)應力差模式主體為σH＝（1.09～1.12）σh，背斜區(qū)應力差模式主體為σH＝（1.10～1.23）σh，北區(qū)應力差模式主體為σH＝（1.13～1.25）σh，永川南區(qū)具有形成網(wǎng)狀復雜縫的條件，北區(qū)縫網(wǎng)更傾向于向主裂縫方向擴展。永川北區(qū)已壓裂井G函數(shù)分析認為人工裂縫主要以單一裂縫為主，裂縫復雜程度低，該結論驗證了此次仿真模擬的結果。

圖5 永川工區(qū)地應力大小及方向三維有限元模擬Fig.5 3D finite element simulation of stress magnitude and direction in Yongchuan work area

圖6 永川工區(qū)不同水平應力差模式下水力裂縫與天然裂縫作用關系仿真模擬Fig.6 Simulation of interaction between hydraulic fracture and natural fracture under different horizontal stress difference modes in Yongchuan work area

根據(jù)以上模擬結果提出了永川不同井區(qū)工程工藝對策建議：南區(qū)水平應力差較小，有利于形成復雜縫網(wǎng)，建議開展“少段多簇、密切割”、粉砂替代粉陶、提高小粒徑支撐劑比例等現(xiàn)場工藝試驗，提產(chǎn)降本；北區(qū)斷裂不發(fā)育，水平應力差較大，壓裂縫以單一主縫為主要形態(tài)，開展單段單簇壓裂試驗，提高單井產(chǎn)量；背斜區(qū)通過水力壓裂具有形成較復雜縫網(wǎng)的條件，斷層發(fā)育導致軌跡調(diào)整頻繁，保證優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率是關鍵。

3.3 水平井地質(zhì)-工程雙甜點指導分簇分段

地質(zhì)-工程雙甜點預測是地質(zhì)工程一體化的最好表現(xiàn)形式，其通過對水平主應力、應力差、巖石力學、脆性指數(shù)等參數(shù)分析預測（圖7），最終結合地質(zhì)甜點優(yōu)選出水平應力和應力差相對較小、脆性指數(shù)較大的井段作為水平井分簇分段的主要依據(jù)[18-21]。另外，永川頁巖氣水平井分簇分段設計還需考慮以下幾點：

1）分段時，段內(nèi)盡量不跨小層和裂縫發(fā)育段，射孔盡量避開巖性變化處，避免層間差異影響不同簇間裂縫起裂延伸。

2）選擇錄井顯示較好、含氣性好、脆性較高的點射孔，單段射孔點最小主應力要盡量相似，射孔位置相對均勻；另外，射孔井段應避開套管接箍，且保證與橋塞距離安全。

3）水平井固井質(zhì)量好的井段，不考慮固井質(zhì)量對分段的影響；針對固井質(zhì)量差的井段，應盡量分在單段內(nèi)，并可適當增加段簇距離。

綜上，以A井為例，劃分為24段146簇改造。

4 應用效果

通過以地質(zhì)力學研究成果為基礎的鉆頭選型、井身結構、鉆井液密度等參數(shù)優(yōu)化，并且探索降密度施工和減小井底壓差等提速工藝技術。2019年開發(fā)階段與之前評價階段相比，已實施水平井的平均機械鉆速提高60.55%，鉆完井周期縮短16.03%，單井節(jié)省一開固井套管、水泥等物資約40萬元；壓裂方案優(yōu)化后同平臺水平井產(chǎn)量提升幅度大，增產(chǎn)效果明顯。比如：永頁5-2HF井三開水平段油基鉆井液密度控制在1.77 g/cm3（優(yōu)化前鄰井永頁5-1HF井鉆井液密度為1.85 g/cm3），未出現(xiàn)工程復雜情況，三開平均鉆時為9.51 min/m（相比鄰井平均鉆時下降36.39%），該井I 類儲層鉆遇率為93.6%，采用密切割工藝，獲得無阻流量37.4×104m3/d，較鄰井永頁5-1HF井提高了2.2倍。

圖7 A井地質(zhì)-工程甜點預測及分段分簇方案Fig.7 Prediction of geological engineering sweet spot and segmented clustering scheme of Well-A

5 結論

永川地區(qū)構造復雜，埋藏深度差異大,分井區(qū)進行了龍馬溪組優(yōu)質(zhì)儲層精細描述，建立了不同井區(qū)巖石力學、地層壓力、地應力、坍塌壓力、破裂壓力等地質(zhì)力學模型。有針對性的工程工藝對策依托于精確的、不斷更新的地質(zhì)力學模型建立，研究人員可適時結合地質(zhì)最新認識，將最新成果耦合進入一維、三維以及四維地質(zhì)力學模型中，從而為工程工藝設計優(yōu)化和措施調(diào)整提供服務。

1）針對工區(qū)可鉆性差的問題，通過可鉆性實驗明確了永川工區(qū)地層條件下PDC鉆頭優(yōu)于牙輪鉆頭，利用建立的可鉆性剖面將地層進行參數(shù)分級，從而根據(jù)鉆頭適應性分地層進行了推薦。陸相地層主推M323 或M423鉆頭，海相地層主推M323、M322 或M423鉆頭。

2）針對工區(qū)海相地層易坍塌、鉆時慢的問題，對不同井斜不同鉆井方位條件下的坍塌壓力、原始地層孔隙壓力、破裂壓力等參數(shù)進行了模擬預測，在此基礎上建議三開開鉆鉆井液密度為1.60 g/cm3，水平段使用鉆井液密度不超過1.80 g/cm3。

3）針對工區(qū)地應力方向認識不清的問題，開展了三維地應力場有限元模擬，模擬結果顯示工區(qū)主體方位為近東西向，由于斷層發(fā)育，部分井區(qū)應力方向有明顯偏轉，在水平井部署時應兼顧斷層走向，水平段方位與最小水平主應力方向夾角不超過40°。

4）針對地應力值高、水平應力差異大、壓裂難以形成網(wǎng)絡裂縫的問題，分井區(qū)進行了不同水平應力差模式下的裂縫擴展仿真模擬，明確了永川南區(qū)具備形成復雜縫網(wǎng)的條件，建議開展“少段多簇、密切割”工藝，提產(chǎn)降本；北區(qū)水力壓裂縫以單一主縫為主要形態(tài)，建議開展單段單簇壓裂工藝提高單井產(chǎn)量。

5）在分區(qū)優(yōu)化壓裂方案的基礎上，通過對單井進行水平段地質(zhì)-工程雙甜點預測，結合地質(zhì)甜點優(yōu)選出水平應力和應力差相對較小、脆性指數(shù)較大的井段，有針對性地開展分段、分簇、射孔方案優(yōu)化和壓裂參數(shù)調(diào)整，從而真正實現(xiàn)“地質(zhì)工程一體化”，利用地質(zhì)力學促進增產(chǎn)增效。