王海濤 ，仲冠宇 ，衛(wèi)然 ，左羅

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

0 引言

國內深層頁巖氣資源量豐富，僅焦石壩南部、丁山、威遠、永川等區(qū)域深層頁巖氣（埋深大于3 500 m）資源量就達 7×1011m3［1-2］。 自 2013 年以來，中國石化先后開展了多口深層頁巖氣井壓裂先導試驗，最深頁巖氣井垂深達4 627 m，在地質、鉆完井及壓裂工藝技術上獲得了重要突破［3-7］。

與目前四川盆地已投入商業(yè)開發(fā)的3 500 m以淺的頁巖氣相比，隨著埋深增加，深層頁巖脆性指數(shù)、彈性模量、泊松比、水平應力降低，天然裂縫開啟壓力、閉合壓力和破裂壓力均明顯增加［8-9］，導致了壓裂泵壓的上升（85～113 MPa），施工壓力窗口極窄。高施工壓力條件下加砂困難，提凈壓受限，進而導致復雜縫占比低（20%～30%），導流能力和改造體積有限。因此，不少深層頁巖氣井產量低，遞減快，達不到商業(yè)開發(fā)要求，產量小于 5×104m3/d，半年遞減 50%以上［10-25］。

由此可見，制約深層頁巖氣壓裂改造效果的首要問題在于如何有效降低施工壓力，為壓裂工藝的實施提供足夠的壓力窗口，從而為合理提高排量、增加壓裂液黏度、提升凈壓力、增大縫寬和導流能力等各項工藝措施創(chuàng)造條件。針對此問題，本文分析了深層頁巖氣井壓裂施工高壓的形成機制及主控因素，在此基礎上，進一步提出了相應的降壓措施，從而為深層頁巖氣層的高效改造提供技術參考。

1 深層頁巖高壓裂施工壓力原因

1.1 巖石非線性變形的影響

采用川東南某深層頁巖氣井實際巖心，開展了不同圍壓下的單軸壓縮實驗（見圖1）。

圖1 不同圍壓下單軸壓縮應力與應變的關系

首先，隨著圍壓的增加，巖石開始出現(xiàn)部分塑性變形；然后，保持有效圍壓40 MPa，將系統(tǒng)加熱至140℃。對比常溫和高溫下巖石受壓縮狀態(tài)的應力-應變結果發(fā)現(xiàn)：常溫下達到峰值壓力時，頁巖瞬間破壞，顯現(xiàn)劈裂多縫特征，殘余應力高；高溫下達到峰值壓力前的塑性變形持續(xù)顯現(xiàn)，剪切縫破壞顯著，裂縫面單一（見圖2），殘余應力低。

圖2 常溫及140℃條件下單軸壓縮實驗前后巖心照片

實驗現(xiàn)象表明，高溫、高圍壓地層條件下的頁巖以非線性變形特征為主，即線彈性模量隨應變增加不斷減?。?1］。本文分別模擬了線彈性變形和非線性變形2種條件下射孔套管起裂的應力場特征（見圖3）。結果表明：頁巖非線性變形條件下井壁受張應力作用區(qū)域比線彈性模型明顯要小，張應力最大值比線彈性模型小近30%，造成較高的起裂壓力。由此可見，深層頁巖在高溫、高圍壓下的非線性變形導致破裂壓力升高，這是造成壓裂施工壓力高、縫寬窄的重要原因。

圖3 不同變形條件下井壁巖石張應力云圖

1.2 巖石力學參數(shù)變化的影響

根據Duncan非線性本構模型，任一應力（σ1，σ3）的切線彈性模量和泊松比的計算式［11］為

式中：Et為切線彈性模量，MPa；pa為大氣壓，MPa；K，n，Rf分別為材料不同的常數(shù)；G，F(xiàn)，D分別為實驗的不同常數(shù) （由對頁巖力學實驗測試數(shù)據擬合得到）；φ為內摩擦角，（°）；C 為黏聚力，MPa；σ1為最小主應力，MPa；σ3為圍壓，MPa；νt為切線泊松比。

根據式（1）和式（2）分別計算了圍壓為 0，30 MPa時4口深層頁巖氣井目的層頁巖的彈性模量和泊松比（見圖4）。 WY1，YY1，DY2，NY1 井目的層垂深分別為3 621，3 988，4 417，4 627 m。

由圖4可以看出，考慮圍壓條件下的彈性模量和泊松比都有不同程度增加，隨著不同區(qū)塊頁巖埋深的增加，泊松比提高幅度為1.7%～39.8%，塑性明顯增強。由此可見，高圍壓下頁巖彈性模量的增加意味著縫寬的減小［14］。 根據天然裂縫開啟壓裂計算式（式（3））［15］，泊松比增加，則天然裂縫開啟臨界凈壓力（pI）增加，這就要更高的壓裂泵壓輸出，以滿足裂縫的張開和延伸。這也是深層頁巖施工壓力高的原因之一。

圖4 考慮圍壓條件的彈性模量和泊松比

式中：σmax為最大水平主應力，MPa；σmin為最小水平主應力，MPa；ν 為泊松比。

1.3 地應力參數(shù)變化的影響

由于地質構造、板塊運動、地震活動等地殼動力學方面的原因所附加的構造應力作用，使得原地應力呈現(xiàn)各向異性特征。比如焦石壩南部和丁山區(qū)塊深層頁巖，受到齊岳山斷裂自南東向—北西向強烈逆沖，垂直主應力σv和2個水平主應力（σH，σh）之間的關系通常表現(xiàn)為走滑地應力類型（σH＞σv＞σh）。 局部構造內，構造擠壓作用越強烈，2個水平應力越接近，則越容易形成T形縫或由垂直縫向水平縫過渡的形態(tài)。此時，在壓裂施工初期（前置液不加砂階段），表現(xiàn)為縫內憋壓，施工壓力隨排量提升而急劇上升，破裂點不明顯；到裂縫延伸突破原始裂縫或微小斷層后，壓力才有所下降。

1.4 水平井筒方位的影響

理想情況下，水平井軌跡一般沿最小水平主應力方向鉆進，那么壓裂后容易形成與水平井筒垂直的橫切縫。根據文獻［16］提供的DY2HF井基礎資料，通過有限元方法模擬了井筒與最小水平主應力不同夾角下裂縫起裂規(guī)律。結果表明：盡管井筒軸線與最小水平主應力方向一致時會產生與井筒軸線方向垂直的裂縫面，但所對應的破裂壓力也相對較高（見圖5），這也是引起較高施工壓力的重要原因。

圖5 井筒與最小水平主應力不同夾角對應的破裂壓力

1.5 射孔參數(shù)的影響

施工壓力與射孔密度、射孔穿透深度呈負相關關系?？酌芎涂籽鄞┥畹脑黾樱鄳龃罅藟毫岩合虻貙拥臐B濾面積，孔周孔隙壓力增大，使張應力作用增大，因而有利于裂縫在射孔根部起裂后沿孔軸方向擴張，降低破裂壓力。深層頁巖氣井中，頁巖強度、圍壓與中深層相比明顯增大，該條件下射孔孔徑、穿深與中深層相比明顯減?。?7］，因此，近井壁巖石破壞難度增大，破裂壓力增加。

1.6 壓裂液黏度的影響

壓裂液黏度對施工壓力存在一定的影響。根據文獻［16］提供的DY2HF井基礎資料，在有限元模型中，通過改變滲透系數(shù)來分析壓裂液黏度對起裂壓力的影響。計算結果表明：隨著壓裂液黏度增大，起裂壓力增大趨勢明顯；壓裂液黏度小于150 mPa·s時，黏度每增加50 mPa·s，起裂壓力增加6～7 MPa；壓裂液黏度從150 mPa·s增至 200 mPa·s， 破裂壓力增加約 15 MPa（見圖6）。這是由于低黏液體在頁巖中滲透性更好，更容易滲濾至微裂縫、天然裂縫中而增大孔隙壓力，使張應力作用增大，從而降低破裂壓力。現(xiàn)場深頁巖氣井壓裂（深度4 000 m），通常在前置液造縫階段采用高黏滑溜水、膠液等高黏壓裂液，導致初期施工壓力較高。

圖6 不同壓裂液黏度對應的破裂壓力

2 降低施工壓力的技術對策

2.1 優(yōu)選深穿透定面射孔或多簇深穿透等孔徑射孔

研究及現(xiàn)場應用表明，采用傳統(tǒng)60°相位角螺旋式射孔方式往往無法避免近井彎曲摩阻［18-20］。在地層傾角較大且水平井筒與最小水平主應力夾角大于30°時，近井裂縫彎曲摩阻明顯增加，會引起異常高的施工壓力；因此，可以采用深穿透定面射孔來減小彎曲摩阻。定面射孔較傳統(tǒng)螺旋射孔總摩阻系數(shù)能降低約60%，其中近井摩阻系數(shù)降低75%。

定面射孔器射孔在套管同一扇面上形成多個孔眼應力集中帶，產生的應力最大。這樣巖石越容易破裂，所需要的施工泵壓就越小。同時，在相同改造半徑內，定面射孔產生的誘導應力也高于螺旋射孔（見圖7），這可為后續(xù)縫網改造創(chuàng)造條件。

圖7 不同射孔方式及凈壓力下誘導應力隨改造半徑的分布

頁巖氣井壓裂現(xiàn)場實際應用中，定面射孔較傳統(tǒng)螺旋式射孔，水力裂縫起裂壓力可降低3～5 MPa，但較傳統(tǒng)螺旋式射孔引起的套管承壓能力有所降低 （見表1）。在具體應用時，可通過降低定面射孔孔徑或者控制射孔間夾角在30°～60°，這樣就可達到與螺旋射孔相當?shù)奶坠軓姸取?/p>

表1 套管開孔后擠毀強度性能計算結果

頁巖氣井壓裂還可采用多簇深穿透等孔徑射孔技術（孔徑大于9.5 mm，穿深大于或等于800 mm），目的是減小無效孔眼占比，降低孔徑分布不均造成的孔眼非均勻集中進液程度，實現(xiàn)降低深層頁巖裂縫初始起裂壓力。

壓裂現(xiàn)場實際應用中，深穿透等孔徑射孔技術較傳統(tǒng)螺旋式射孔施工破裂壓力降低6～8 MPa，泵砂施工壓力可降低4～6 MPa。在遇到井軌跡穿行不同小層界面且不可避免劃分為同一壓裂段的情況時，可采取定向向下或向上多簇深穿透等孔徑射孔，這也可一定程度上降低施工壓力。

2.2 優(yōu)化預處理酸液類型及注酸工藝

酸對頁巖力學性質的影響主要表現(xiàn)為使其強度降低，對變形特征影響不是很大。這一影響將有利于降低巖石的破裂壓力。

目前國內90%以上的頁巖氣井在壓裂過程中都要進行全井段酸預處理，以降低初始起裂壓力。大多預處理酸液類型以質量分數(shù)10%～15%的鹽酸為主，且各區(qū)塊酸降壓效果差距較大。焦石壩、丁山區(qū)塊部分頁巖氣井酸降壓效果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（見圖8），酸降壓力隨頁巖埋深的增加呈降低趨勢，個別深層頁巖氣井全井壓裂施工酸降壓效果非常有限，甚至觀測不到明顯的酸降壓力［21］。因此，需要進一步優(yōu)化預處理酸液配方，對于黏土體積分數(shù)大（大于40%）的頁巖，建議采用15%HCl＋1.5%HF，注酸方式可在目前單一前置預處理酸基礎上增加中間交替注酸施工環(huán)節(jié)。

圖8 焦石壩及丁山區(qū)塊不同頁巖埋深對應的酸降壓效果

在采用酸液進行預處理時，由于井筒中灌滿了清水或滑溜水，在替酸過程中，清水更容易滲濾至靠近A靶點的射孔簇而引導酸液滲濾至其中，此時，靠近B靶點的射孔簇很難進行有效的酸預處理。對此，一方面，可通過增加主體酸、優(yōu)化酸液用量，直接提高預處理酸規(guī)模；另一方面，在施工時，替酸排量一般為4～6 m3/min，等酸到達靠近跟部的第1簇射孔位置后，再將排量降低至2～3 m3/min，以增加酸巖接觸時間和酸壓降效果，等進入第1簇孔眼的酸量達8～10 m3后，再將排量提高到6～7 m3/min，以確保剩余的酸液進入其他射孔簇，從而保證所有射孔簇均得到有效酸預處理。

2.3 降壓-促縫-穩(wěn)壓一體化施工工藝參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，壓裂液排量對復雜縫網的形成有較大影響。早期前置液階段排量提升過快且高排量，使得水力裂縫直接穿過原生天然裂縫，造成低破裂壓力射孔簇產生優(yōu)勢起裂延伸，加劇段內多簇裂縫擴展的非均衡特征，以致于先壓開縫對相鄰縫誘導應力作用增強而使得其破裂壓力也相應增加，施工難度加大［22］。考慮到深層頁巖本身縫網形成難度較大，應盡可能利用好天然裂縫。壓裂設計施工時，采用中、低排量有利于打開原生天然裂縫，同時還利于提高簇間裂縫延伸的均勻性。現(xiàn)場施工條件允許的情況下，可采取脈沖升排量模式+適當?shù)团帕浚源龠M縫網的形成。整個設計施工應當圍繞“降壓-促縫-穩(wěn)壓”這一目標。

1）采用低濾失變黏度滑溜水進行擴縫。這有效增大了裂縫波及范圍內的孔隙壓力，同時利用了裂縫前緣水化作用，降低了深部地層巖石強度，起到了降壓促縫的作用。

2）采用140～200目支撐劑進行前置液超前加砂。一方面，可以提高井筒靜液柱壓力，有利于降低井口施工壓力；另一方面，高排量下細粉砂呈懸浮狀態(tài)，更容易向地層深部和早期微小尺度裂縫內運移，起到降濾、打磨和支撐作用，減少彎曲裂縫、多裂縫等復雜情況，降低近井壁彎曲摩阻，避免天然裂縫過早開啟而影響主裂縫延伸能力。同時，還可在一定程度上防止小微縫閉合，進一步提高主-支縫的連通性（見圖9）。

圖9 不同加細粉砂時機下分支縫充填程度

3）主支撐劑加砂階段，采用穩(wěn)步小臺階升排量（每個加砂階段中頂液期，排量按照0.2～0.5 m3/min進行逐步提升）下的近線性加砂技術。排量總體逐段上升有利于保持縫內凈壓力，支撐劑以低砂比長段塞方式注入有利于在裂縫中呈連續(xù)鋪置且砂體積比穩(wěn)步提升，避免階梯式加砂體積比快速變化而導致壓力變化幅度過大而引起砂堵超壓的可能性。

2.4 其他配套降壓措施

1）優(yōu)化鉆井軌跡設計，盡可能減小井筒方位與最小水平主應力夾角。水平井偏離最小水平主應力方向以不超過40°為宜，以減少裂縫起裂過程中發(fā)生扭曲而增加近井彎曲摩阻，避免影響施工壓力。異常高壓地層考慮連續(xù)油管噴砂射孔，降低起裂壓力。低排量循環(huán)脈沖注入方式對頁巖層實施“軟壓裂”，以降低初始起裂壓力。

2）采用耐高溫、高密度的高降阻加重壓裂液體系，增加靜液柱壓力，降低井口壓力。

3）采用多簇極限限流射孔，提高裂縫均衡起裂與擴展，避免局部優(yōu)勢射孔簇過度改造導致誘導應力分布差異大而增加起裂壓力。

4）嘗試選用φ177.8 mm套管完井，降低沿程摩阻。

3 現(xiàn)場實例

DY4HF井位于四川盆地東南部，埋深超過4 000 m，是典型的深層頁巖氣井。前期在相鄰的深層頁巖氣井DY2HF井中采用常規(guī)頁巖氣井工藝，出現(xiàn)了施工壓力窗口窄、砂比敏感的情況，其壓裂難度極大。針對高施工壓力的技術難題，DY4HF井采用了多套降低施工壓力的工藝措施：1）射孔時采用了大孔徑深穿透射孔工藝（孔徑大于或等于13.9 mm）；2）優(yōu)化了酸液配方，單段酸液用量增加5～10 m3，采用變排量注酸工藝，促進了多射孔簇酸預處理的均勻程度；3）優(yōu)選高降阻、耐溫壓裂液；4）適當減小前置膠液用量，同時采用超前加粉砂壓裂工藝，降低了因濾失引起高施工壓力的同時，保證了小尺度裂縫的充填；5）加砂方式由前期低砂比短段塞轉變?yōu)榈蜕氨入A梯長段塞+中高砂比中等規(guī)模段塞。

采用上述措施后，施工難度大幅降低，在110 MPa施工限壓下，排量達15～17 m3/min，壓力為96～106 MPa，整井累計注入壓裂液量為42 070 m3，砂量為1 210 m3，設計符合率達96%。壓后獲得20.56×104m3/d的測試產量。與鄰井DY2HF井相比，施工效果明顯改善，單段加砂量提高1.6倍，綜合砂液比提高近1.7倍，測試產量提高51.4%。

4 結論

1）從深層頁巖氣鉆完井-壓裂一體化設計的角度出發(fā)，在鉆井方案設計時應當考慮井軌跡著陸位置、完井方式等對后期壓裂改造的影響，包括不同井斜角及方位角下地層破裂壓力的預測、不同完井方式及完井井眼尺寸下壓裂施工井口壓力的預測。

2）從壓裂地質評價-工程設計一體化角度出發(fā)，在進行壓裂方案與工藝參數(shù)優(yōu)化之前，就要考慮水平井穿行軌跡對應的巖石物理及力學性質對起裂壓力的影響；在精細分層、分段、分簇綜合可壓性評價的基礎上，再圍繞降低施工壓力的核心，進行射孔方式及參數(shù)優(yōu)化、壓裂工藝及參數(shù)設計、壓裂工作液及支撐劑優(yōu)選等針對性設計工作。

3）從壓裂施工-后評估一體化角度出發(fā)，在壓裂施工過程中，利用好微注診斷測試、小型壓裂測試及相鄰井/段壓裂施工數(shù)據等資料分析反演結果，實時調整酸預處理注入方式、前置液造縫方式、主壓裂加砂方式等；再結合實際應用降壓效果，進行工藝適應性后評估，形成學習-改進的閉環(huán)系統(tǒng)，以形成有針對性的綜合降低深層頁巖氣井壓裂施工壓力的現(xiàn)場實施與控制技術。