李 龍，陳顯舉，彭安鈺，吳 松，遲煥鵬

（1.貴州頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083）

0 引言

我國(guó)常壓頁(yè)巖氣主要分布在四川盆地邊緣和盆外的彭水、武隆、丁山等地區(qū)［1-3］，可采資源量豐富，資源潛力巨大。近些年來(lái)，隨著在四川盆地外圍頁(yè)巖氣勘探的不斷投入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，貴州正安、湖北宜昌相繼取得頁(yè)巖氣勘查突破［4-5］。其中2015—2016年貴州正安地區(qū)通過(guò)AY1井的鉆探，發(fā)現(xiàn)五峰—龍馬溪組現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量為1.00～2.36 m3/t，I類頁(yè)巖氣厚度達(dá)18 m［6］，拉開(kāi)了正安地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的序幕。隨后，貴州頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司鉆探的AY2井、AY3井相繼成功取得點(diǎn)火試氣［7］。目前正安地區(qū)已完成約20口井的壓裂試氣工作，取得了良好的勘探開(kāi)發(fā)效果。

本文從正安地區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征出發(fā)，分析了頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)近年來(lái)該地區(qū)的壓裂工程實(shí)踐，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井壓裂技術(shù)，形成了正安地區(qū)常壓頁(yè)巖氣壓裂關(guān)鍵技術(shù)，以支撐頁(yè)巖氣有效開(kāi)發(fā)。

1 地質(zhì)特征及壓裂改造技術(shù)難點(diǎn)

正安地區(qū)位于貴州省北部，北鄰武隆、道真，西部為丁山，構(gòu)造上為南緩北陡的安場(chǎng)向斜，位于中上揚(yáng)子地臺(tái)武陵坳陷隔槽式褶皺帶中［8-9］，如圖1所示。正安地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)目的層為五峰—龍馬溪組，深度在1500～3500 m之間，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度在20 m左右。通過(guò)在該地區(qū)的勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，正安地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓力系數(shù)1.0～1.1，為常壓儲(chǔ)層；儲(chǔ)層TOC為3%～5%，孔隙度平均為3.4%，總含氣量為3～5 m3/t。通過(guò)礦物組分分析，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層石英含量平均為54.6%，粘土含量平均為17.3%；粘土以伊蒙混層為主，其次為伊利石。對(duì)所獲取的目的層巖心進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖裂縫主要為水平層理縫，整體天然裂縫發(fā)育程度不高。頁(yè)巖層位具有高楊氏模量、低泊松比的特點(diǎn)，水平主應(yīng)力差較大，為9～17 MPa，差異系數(shù)為24.5%～35.5%。與相鄰的幾大常壓頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)相比，正安地區(qū)的五峰-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度偏薄，有機(jī)質(zhì)成熟度略低，而在含氣量、TOC、儲(chǔ)層壓力系數(shù)等地質(zhì)參數(shù)方面相當(dāng)［10］。與國(guó)內(nèi)涪陵、長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)等頁(yè)巖氣區(qū)塊相比，除壓力系數(shù)明顯偏低外，水平主應(yīng)力差異較大［11-13］，制約了壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的程度。

圖1 四川盆地和正安地區(qū)五峰—龍馬溪組構(gòu)造簡(jiǎn)圖[7]Fig.1 Structural map of the Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and the Zheng’an area

由于以上儲(chǔ)層物性、礦物組分、巖石力學(xué)及裂縫發(fā)育等特征，分析正安地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造主要面臨3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：（1）儲(chǔ)層為常壓，且優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度偏薄，需要盡可能形成波及范圍大的復(fù)雜縫網(wǎng)，以最大限度釋放頁(yè)巖產(chǎn)能；（2）雖然脆性礦物含量高，具備復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂的條件，但是水平主應(yīng)力差異較大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂面臨較大難度；（3）頁(yè)巖儲(chǔ)層平面及縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，存在多個(gè)應(yīng)力隔層，精細(xì)化復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)要求高。

2 關(guān)鍵壓裂技術(shù)

面對(duì)正安地區(qū)五峰—龍馬溪組常壓頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂的需要，針對(duì)該地區(qū)地質(zhì)條件和工程技術(shù)難點(diǎn)，為了最大限度地形成復(fù)雜縫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)正安地區(qū)常壓頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)，通過(guò)近幾年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了以水平井段內(nèi)多簇密切割壓裂、水平井精細(xì)化壓裂設(shè)計(jì)、減阻可變粘度壓裂液體系、投球暫堵轉(zhuǎn)向、返排液重復(fù)利用等技術(shù)為主的壓裂技術(shù)體系，并取得了良好的改造和生產(chǎn)效果。

2.1 水平井段內(nèi)多簇密切割壓裂技術(shù)

國(guó)內(nèi)外致密儲(chǔ)層壓裂實(shí)踐表明，水平井壓裂簇間距越小，可以盡可能地“壓碎”儲(chǔ)層，使裂縫更密集（如圖2所示），儲(chǔ)層改造就越徹底，就越有利于提高井筒周圍裂縫系統(tǒng)的滲透率［14-15］。通過(guò)近幾年大量水平井的壓裂實(shí)踐，正安地區(qū)逐漸由簡(jiǎn)單的追求壓裂波及體積轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟邢薜牟皟?nèi)盡可能提高體積裂縫的密度，由井控儲(chǔ)量模式轉(zhuǎn)變?yōu)榭p控儲(chǔ)量模式，徹底釋放頁(yè)巖氣產(chǎn)能，逐漸形成了密切割壓裂技術(shù)理念。在分段分簇參數(shù)設(shè)計(jì)方面，已由常規(guī)分段分簇轉(zhuǎn)向多簇密切割設(shè)計(jì)（如圖3所示），單段分簇?cái)?shù)由開(kāi)始的2～4簇增加到現(xiàn)在的5～7簇，段間距和簇間距分別由開(kāi)始的25～30 m和15～20 m減少至目前的15～20 m和8～13 m。通過(guò)密切割壓裂，最終使得壓裂裂縫密度由3條/100 m提高至7條/100 m，較大地提升了體積壓裂改造效果。

圖2 縫網(wǎng)壓裂裂縫模擬Fig.2 Simulated fractures for network hydraulic fracturing

圖3 多簇密切割壓裂分段設(shè)計(jì)示意Fig.3 Schematic diagram of tight spacing with multiple clusters

2.2 水平井精細(xì)化壓裂設(shè)計(jì)技術(shù)

正安地區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖在平面上非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)性質(zhì)、裂縫發(fā)育程度等參數(shù)具有一定差異。因此，需要根據(jù)實(shí)際鉆遇的儲(chǔ)層位置、礦物含量、脆性指數(shù)、天然裂縫發(fā)育情況等參數(shù)，結(jié)合實(shí)鉆井眼軌跡對(duì)水平井各段進(jìn)行分類，進(jìn)行差異化分段分簇，根據(jù)分析及以往壓裂實(shí)踐，針對(duì)性進(jìn)行“一井一策、一段一策”的精細(xì)化壓裂設(shè)計(jì)［16-17］。經(jīng)過(guò)近幾年的摸索，形成了正安地區(qū)水平井精細(xì)化壓裂設(shè)計(jì)方法，即天然裂縫不發(fā)育、物性差、楊氏模量低等井段需要設(shè)計(jì)更小的簇間距，泵注排量和液量受限、壓裂液粘度高的情況下也需要設(shè)計(jì)更小的簇間距，而天然裂縫較為發(fā)育、井眼軌跡較差的井段可適當(dāng)增加簇間距，裂縫發(fā)育儲(chǔ)層壓裂采用前置膠液提高凈壓力與緩提砂比相結(jié)合的工藝。綜合儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)性質(zhì)以及天然裂縫發(fā)育情況，綜合確定正安地區(qū)水平井壓裂最優(yōu)簇間距為8～13 m，變化過(guò)程如圖4所示。目前，根據(jù)各井的地質(zhì)和工程條件，壓裂設(shè)計(jì)排量一般為16～20 m3/min，最高砂比為12%～18%，平均加砂強(qiáng)度為3.3 t/m。

圖4 簇間距變化情況Fig.4 Changes of spacing between clusters

2.3 減阻可變粘度壓裂液體系

正安地區(qū)采用可變粘乳液滑溜水體系實(shí)施壓裂，通過(guò)調(diào)整稠化劑的添加濃度，實(shí)現(xiàn)了一劑多能，實(shí)現(xiàn)滑溜水、線性膠和膠液的隨時(shí)轉(zhuǎn)化（如表1所示），壓裂液粘度可調(diào)節(jié)范圍為1～150 mPa·s，減阻率可達(dá)70%以上。AY1-xHF井全程采用返排水進(jìn)行配液，滑溜水減阻劑平均加量0.07%；稠化劑在中粘滑溜水平均加量為0.06%，在線性膠中的平均加量為0.25%，實(shí)現(xiàn)了較好的減阻（如圖5所示）、增粘效果，并表現(xiàn)出較好耐鹽性，為壓裂的順利施工提供了可靠保障。

表1 不同稠化劑濃度下壓裂液粘度情況Table 1 Viscosity of fracturing fluids at differentthickening agent concentrations

圖5 AY1-xHF井返排液壓裂過(guò)程中各段的減阻率統(tǒng)計(jì)Fig.5 Drag reducing rates of the fracturing fluid made by flowback fluid in Well AY1-xHF

2.4 投球暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)

壓裂過(guò)程中，每段各簇之間的進(jìn)液量差異會(huì)導(dǎo)致壓裂改造不充分及壓后生產(chǎn)剖面不均勻，因此需要在壓裂過(guò)程中對(duì)射孔孔眼進(jìn)行暫堵，在段內(nèi)實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，從而提高射孔孔眼開(kāi)啟效率和段內(nèi)改造均勻程度，實(shí)現(xiàn)段間各簇的均衡改造［18］。在壓裂作業(yè)過(guò)程中投入一定數(shù)量的可溶性暫堵球后，根據(jù)伯努利方程，流速越快，壓力越小，暫堵球就隨壓裂液流向進(jìn)液量高的射孔孔眼處，利用暫堵球直徑＞射孔孔眼直徑的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)射孔孔眼的暫堵，使壓裂液流向進(jìn)液量低的其他射孔孔眼，開(kāi)啟新裂縫，從而實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向的作用。射孔孔眼直徑一般為9.5 mm，考慮到壓裂過(guò)程中支撐劑對(duì)孔眼的打磨會(huì)使孔眼增大，正安地區(qū)一般采用15～22 mm的可溶性暫堵球，在投球后，施工壓力最高提高20 MPa以上，有效促進(jìn)了段間各簇的均衡改造，取得了良好效果。

2.5 返排液重復(fù)利用技術(shù)

按照井區(qū)及平臺(tái)間相互轉(zhuǎn)換的原則，在正安地區(qū)對(duì)返排液再利用系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，采用“平臺(tái)蓄水、區(qū)域儲(chǔ)水、管網(wǎng)供水”模式，每個(gè)鉆井平臺(tái)都建有“平臺(tái)蓄水池”，壓裂液返排至蓄水池中，實(shí)現(xiàn)了井區(qū)間、平臺(tái)間以及同平臺(tái)水平井之間的返排液的重復(fù)利用。初步統(tǒng)計(jì)，正安地區(qū)頁(yè)巖氣水平井累計(jì)返排液超過(guò)11萬(wàn)m3，返排液重復(fù)利用率超過(guò)80%，大大降低了環(huán)保壓力和作業(yè)成本，節(jié)約了水資源。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

AY2-xHF井是正安地區(qū)近2年內(nèi)完成壓裂試氣的一口水平井，該井水平段長(zhǎng)1500 m，根據(jù)密切割壓裂設(shè)計(jì)思路，共設(shè)計(jì)22段壓裂，平均段長(zhǎng)為68.2 m，每段平均簇?cái)?shù)為5.4簇，平均簇間距為12.7 m。該井利用返排液配置的以低粘滑溜水為主的變粘度壓裂液體系，采用了“高強(qiáng)度連續(xù)加砂、大排量泵注、中間投球暫堵”等壓裂技術(shù)，平均每段液量1790 m3，加砂量147 m3，投球后施工壓力最高上升24 MPa（如圖6所示），取得了良好的促均衡改造效果。通過(guò)壓裂裂縫監(jiān)測(cè)分析，1～4段改造后裂縫長(zhǎng)度可達(dá)120 m，10～23段壓后縫長(zhǎng)均大于100 m，最大可達(dá)150 m以上，整體反映出了良好的壓裂效果。壓后通過(guò)自然排液，返排率達(dá)到16%以上，通過(guò)返排測(cè)試，最高獲得了4.5×104m3/d的頁(yè)巖氣產(chǎn)量。

圖6 AY2-xHF井第14段壓裂施工曲線Fig.6 Fracturing operation curves of the 14th stage in Well AY2-XHF

4 結(jié)論與建議

（1）正安地區(qū)常壓頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層厚度較薄、水平主應(yīng)力差異系數(shù)大、縱向非均質(zhì)性強(qiáng)、存在多個(gè)應(yīng)力隔層的特點(diǎn)，需要大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂才能充分改造儲(chǔ)層來(lái)獲得高產(chǎn)。

（2）水平井段內(nèi)多簇密切割壓裂、水平井精細(xì)化壓裂設(shè)計(jì)、減阻可變粘度壓裂液體系、投球暫堵轉(zhuǎn)向、返排液重復(fù)利用等技術(shù)可提高壓裂規(guī)模，實(shí)現(xiàn)大排量高強(qiáng)度加砂壓裂，是正安地區(qū)常壓頁(yè)巖氣壓裂關(guān)鍵技術(shù)。

（3）為了進(jìn)一步提高裂縫復(fù)雜程度，在壓裂技術(shù)方面，建議繼續(xù)開(kāi)展暫堵球粒徑優(yōu)化、壓裂縱向穿層技術(shù)、儲(chǔ)層橫向應(yīng)力條件對(duì)壓裂效果的影響等研究。