涪陵焦石壩頁巖氣水平井分段壓裂改造技術

通過對武陵焦石水庫地區1hf井的壓裂試驗，獲得了高產20.3.04m3。d.高，是中國第一口具有商業價值的沿海天然氣井。但在該井壓裂過程中,個別層段加砂異常,壓裂液濾失嚴重,裂縫發育特征明顯,調整設計參數后才得以順利施工,反應出水平井段頁巖地層的非均質性較強,所以有必要針對不同頁巖地層采取差異化設計研究。截止到2014年5月,焦石壩區塊已實施分段壓裂水平井26口,取得了較好的效果。在壓裂改造試驗過程中,開展了以水平井分段壓裂優化設計為主體的技術研究,優化了水平段長度、簇間距、段數、規模等參數,優選了壓裂材料和施工工藝［1－4］,確定了主導壓裂工藝技術。1優質頁巖段劃分涪陵焦石壩地區位于川東褶皺帶東南部,萬縣復向斜的南翼。焦石壩構造為是一個被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等斷層所夾持的斷背斜構造。涪陵焦石壩地區泥頁巖主要發育在上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組,主要為灰黑色碳質泥巖、灰黑色粉砂質泥巖、灰黑色泥巖,發育穩定,孔隙度平均值為4.61%,滲透率平均值為23.63×10－3μm2?？傆袡C碳含量(TOC)自上而下逐漸增加,為0.55%~5.89%,平均為2.54%(圖1)。頁巖厚度80~114m,是涪陵焦石壩地區頁巖氣開發的目的層段。焦石壩龍馬溪組底部38.0m為優質頁巖氣層段(孔隙度較高、裂縫發育)。依據巖性、物性特征,將38.0m頁巖段劃分為5段(圖2);其中第②段為斑脫巖,厚度0.8m,其他①、③、④、⑤段均為碳質頁巖層;③段中上部和⑤段物性好,裂縫和層理均比較發育,利于改造;④段滲透率低,鉆時高,軌跡要避免穿行;①、③段底部滲透率低,壓裂時要注意泵注程序調整;②段為斑脫巖,層理不發育,固結成巖差,壓裂時要注意加砂強度。2層壓的評估和重建模式2.1目的層儲層巖性礦物含量對龍馬溪組主要含氣頁巖的87塊(表1)全巖樣品進行了X-射線分析,粘土礦物平均含量為40.89%,長石、石英質平均含量為46.62%,碳酸鹽巖平均含量為9.91%,其他為2.58%。其中下部38m目的層(2377.5~2415.5m)長石、石英質等脆性礦物含量明顯較高,通過對51塊巖樣分析,平均含量為61.3%,石英含量占總樣品的44.42%。頁巖儲層脆性礦物含量為40%~60%,儲層中壓性好。另從焦頁1井巖石力學參數測試獲得楊氏模量為23~37GPa,泊松比為0.11~0.29,脆性指數為41%~73%,平均為54.1%。頁巖楊氏模量高,泊松比低,儲層脆性強,有利于壓裂改造過程中形成復雜裂縫系統［5］。從焦頁1井巖心測試的地應力結果分析,最大主應力為52.2~55.5MPa,最小主應力為48.6~49.9MPa,水平地應力差異系數為0.11~0.34,也有利于形成復雜裂縫。2.2縫網壓裂模式選擇頁巖儲層壓裂是以地層產生網狀裂縫,實現體積改造為目標的［6］。網絡裂縫形成與地應力分布和巖石的脆性密切相關,脆性特征同時也決定了頁巖壓裂設計中液體體系與支撐劑用量選擇。根據北美頁巖壓裂實踐經驗,涪陵地區頁巖脆性指數大于50%,形成縫網的可能性較大。由此確定以“復雜網縫+支撐主縫”為主的壓裂模式,以形成有效支撐的縫網體系。參考國外頁巖氣壓裂選材模式(圖3),縫網壓裂多采用低粘度減阻水,充分溝通和擴展天然裂縫,并促使頁巖層理剪切、滑移,形成復雜網縫系統。為提高裂縫的導流能力,后期采用中粘線性膠延伸擴展主裂縫,并攜帶大粒徑支撐劑形成高導流能力主支撐裂縫,提高主裂縫滲流能力。3水平井多段壓裂設計3.1層理縫封閉系統在吸取焦頁1HF和國外類似地層成功經驗的基礎上,本著形成“復雜網縫+支撐主縫”的目標,確定了壓裂設計思路。①綜合地質和工程因素,優化射孔簇數、簇間距和段間距。采用高排量注入,提高凈壓力,促進層理縫剪切、滑移,實現裂縫網絡化,提升改造體積。②采取前置鹽酸預處理技術,降低施工壓力。前置液階段添加100目粉陶,打磨孔眼、暫堵降濾,促進裂縫延伸。③采用減阻水+線性膠的混合壓裂液體系,促進裂縫系統復雜化。采用低密度支撐劑組合,段塞式加砂,提高裂縫導流能力。3.2壓裂分段設置考慮水平段地層巖性特征、巖石礦物組成、油氣顯示、電性特征等地質因素,兼顧巖石力學參數、固井質量等工程因素進行綜合壓裂分段。按照優化結果,水平段軌跡穿行于龍馬溪組時,水平井按照75~85m/段進行分段;水平段軌跡穿行于龍馬溪組底部及五峰組,考慮到誘導應力的作用［6］,適當加大段長,以85~95m/段為宜。3.2.1儲層下段間距簇間距和段間距的優化以產能預測為基礎,通過數值模擬確定經濟效益最大情況下簇間距和段間距。根據模擬結果,儲層下部處于頁理縫極發育區,易形成較復雜的網絡裂縫,簇間距為30~35m、段間距為35~40m。水平段軌跡穿行于龍馬溪組中部及以上層段時,簇間距為20~30m較為適宜。3.2.2幾何參數選取應用頁巖儲層縫網壓裂模式,針對龍馬溪組和五峰組進行優化設計,分單段3簇模擬1400,1600,1800,2000m3壓裂規模的支撐裂縫幾何參數(表2)。結果表明,龍馬溪組以形成復雜裂縫為主,層理開啟較少,縫和縫長為延伸較為順暢;五峰組以形成網絡裂縫為主,層理開啟較多,縫長延伸相對受限?？紤]到目前井間距為600m,為有效避免兩井間產生干擾,裂縫半長控制在300m以內。根據Meyer壓裂設計軟件模擬結果,液量在1400~1800m3時,裂縫半縫長為260~290m,支撐半縫長為195~210m,確定單段砂量為50~70m3,滿足壓裂改造需求。3.2.3減阻水體系配方及性能評價借鑒北美頁巖氣壓裂經驗,選用減阻水體系和線性膠體系。減阻水能有效提高裂縫改造體積［9］,中粘線性膠有利于提高縫內凈壓力,攜帶高濃度支撐劑,形成高導流能力主支撐裂縫。減阻水配方為0.1%~0.2%減阻劑JC-J10或SRFR-1+0.3%防膨劑+0.1%復合增效劑+0.02%消泡劑,兩種減阻水體系表界面張力低,粘度3~12mPa·s,減阻率50%~70%,水化時間短,滿足連續混配需求。線性膠配方為0.3%SRFR-CH3+0.3%流變助劑+0.15%復合增效劑+0.05%粘度調節劑+0.02%消泡劑,配置好的液體表觀粘度為30~35mPa·s,懸砂能力強,易于水化,無殘渣。涪陵頁巖儲層閉合應力為52MPa,要求支撐劑抗破碎能力高,并要滿足減阻水加砂壓裂工藝的需求,因此選擇密度為1.6g/cm3的樹脂覆膜砂。經性能評價,在閉合應力52MPa條件下,破碎率低于5%,導流能力在20μm2·cm以上,支撐裂縫的滲流能力強。選擇粒徑100目支撐劑+40/70目支撐劑+30/50目支撐劑組合,能有效提高裂縫支撐效果。3.2.5工藝特點的分析根據國內外頁巖氣壓裂經驗,套管固井完井多采用橋塞分段壓裂施工［10］,該工藝具有成本低、成功率高的特點。涪陵焦石壩地區頁巖氣水平井分段壓裂選用橋塞分段方式,施工采用電纜射孔-橋塞聯作工藝保證各個壓裂層段的有效封隔和長時間大排量的注入,壓裂結束后采用連續油管進行一次性鉆塞,確保了壓后井筒的暢通。4水平井多段壓裂技術的實踐4.1施工參數選取截止2014年5月,涪陵焦石壩地區頁巖氣水平井壓裂試氣26口井。試驗井組采用“K”字型井網部署,單井水平段長度1000~1500m,采用縫網壓裂模式和組合加砂、混合壓裂方式,實現長水平段橋塞多級壓裂。對于水平段1000m長的井,單井平均液量24288m3,單井平均砂量為830m3,單段平均砂量為58.5m3,單段平均液量為1712m3;對于水平段1500m長的井,單井平均液量為31347m3,單井平均砂量為947.6m3,單段平均砂量為52.3m3,單段平均液量為1760m3,具體施工參數見表3。已完成試氣的26口井投入試采后均獲得較高產能,單井無阻流量10.1×104~155.8×104m3/d,單井產量5×104~35×104m3/d,區域井組日產氣量達308.66×104m3/d。4.2壓裂施工曲線分析26口井壓裂共計422段,結合不同頁巖地層,按照施工曲線特征及施工參數分析,可分為3類。1龍溪組各施工段裂縫發生及分布此類曲線表現為在施工過程中,壓力緩慢下降或保持平穩(圖4a),共計269層,占總施工段數的58.7%,主要分布于龍馬溪組中部以上層段,說明施工過程中裂縫能夠正常起裂延伸,并在行成主縫后不斷向遠處延伸。2施工段砂比降處理此類曲線主要特征為前期加砂正常,當中高砂比段塞進入地層后,壓力出現上升(圖4b),統計共153層,占總施工段數的33.4%。處理對策為降低砂比,加大隔離液用量。一般在進入龍馬溪組底部和五峰組時多出現該種情況,原因可能是頁理縫極發育,液體濾失量大,縫寬有限,裂縫延伸困難,對砂比提升較敏感。3砂比較大的情況此類曲線主要特點為從替酸開始施工壓力就居高不降,酸蝕壓降后壓力又會迅速爬回高點,地層對砂比非常敏感,加砂極為困難(圖4c)。統計共36層,占總施工段數的7.9%。遇到該類情況時,主要對策為二次替酸,以降低施工壓力,并高擠膠液促進裂縫延伸、擴展。該種情況多出現在龍馬溪和五峰組界面的凝灰巖,其塑性強,裂縫延伸極困難,不具備加砂條件。5縫網的有利條件1)涪陵焦石壩地區五峰組-龍馬溪組地