一种页岩气水平井均匀压裂改造工艺技术的应用与分析

曾 凌 翔

中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司

开发北美页岩油气主要以水平井多级压裂与工厂化作业模式为核心，工厂化生产使美国天然气产量大幅度增加，2011年页岩气产量高达1 800h108m3，据预测我国页岩气资源量为31 mD，基本与美国页岩气资源量相当[1-3]。

页岩储层孔隙度一般为4%～6%，未经改造的页岩基质渗透率一般为10－4～10－9[4]。页岩储层必须经过压裂改造才能获得工业油气流。是否能够形成具有导流能力的复杂裂缝是页岩高效开发生产的关键[5-7]。复杂的裂缝增加了接触面积，同时提高了储层渗透率，使页岩气从不同路径流向井筒，最终提高储层动用率，实现经济有效开采。为提高单井产量，水平井均匀压裂改造对于高效开发页岩气资源至关重要。

1 页岩储层非均质性分析

页岩储层的重要特点之一为非均质性强，同层位压裂改造过程中压力显示差异大，同层位产量贡献率也存在较大差异。从页岩储层地质与压裂工程两方面对非均质性进行分析评价。

1）页岩储层物性非均质性强。

页岩气综合地质评价通常包括：有机质丰度、热成熟度、矿物组分、物性和含气量等［8-11］。页岩储层非均质性强，即使矿物含量相同的页岩储层，其内部矿物分布特征也存在差异[12-13]。

基于单井地质特征认识与分析，储层非均质性强，其中包含地应力、TOC、孔隙度、裂缝等不同，井间、段间也存在较大差异，对后期改造效果具有重要的影响。如某井TOC含量3%～6%，孔隙度3%～6.5%，伽马值160～300，脆性指数40%～70%。

（2）压裂施工表征参数差异大。

不同井同层位施工参数存在差异性（表1）：最高施工压力82 MPa，施工压力61～81 MPa，停泵压力43.0～55.4 MPa，砂量64.3～100.2 t；同井同层位施工参数也存在一定的差异（表2、图1）：最高施工压力83 MPa，施工压力51～74 MPa，停泵压力43～50 MPa，砂量96.4～120.1 t；压降速率最大值2 MPa/min，最小值0.04 MPa/min。

表1 不同井同层位施工参数对照表

表2 同井同层位施工参数对照表

图1 同平台3口井压降速率统计图

3）基于生产测井发现：有效射孔较少；同一层位产量贡献率不一样；裂缝延伸不均匀。

Barnett某页岩气井的射孔簇无效比例占50%、贡献了70%产量的射孔簇占21%、贡献低产量的射孔簇占29%。基于100多口页岩气水平井生产测井得出有效射孔簇占比为20%～40%[14-15]。

国内某区块通过多井生产测井解释成果分析，分簇射孔后压裂改造，不同的改造段产量差异大，且在纵向上有效裂缝延伸受限。其中一口井的生产测井，Ⅰ小层不同段产量贡献率为4.5%～9.8%；Ⅱ小层不同段产量贡献率为3.8%～7.6%,Ⅲ小层不同段产量贡献率为2.9%～11.3%。

地质数据与工程数据证明页岩储层具有强的非均质性，亟须可靠有效的辅助技术进行均匀改造，增加人造裂缝复杂程度，提高单井EUR，减小产量递减速率。

2 页岩水平井均匀改造工艺技术

1）工艺原理

由于储层矿物组分、孔隙度、TOC、地应力等方面的差异，导致体积压裂改造过程中始终存在优先扩展低应力区域，以及水平层理缝延伸，裂缝复杂程度与扩展区域受到一定程度的限制。采用可降解暂堵材料对低应力区域进行有效封堵，突破高应力区域，并对其进行体积压裂改造，提高储层接触面积，达到均匀改造目的，有效提高水平段储层的动用程度。可降解暂堵材料分为：暂堵剂与暂堵球（表3）。暂堵颗粒与暂堵粉末对近井区域进行有效封堵；暂堵球对射孔孔眼进行封堵。此类工艺适用于水平段改造，也可结合桥塞进行部分水平段改造。

表3 暂堵材料明细表

通过页岩压裂模拟软件进行相同规模模拟分析：3簇射孔，平均缝长180 m，平均逢高46 m，平均缝网宽度85 m；模拟施工期间投放暂堵材料，提高改造均匀程度，有效SRV体积提高20%以上。5簇射孔，虽然缝长延伸受限制，但缝高与缝宽得到了提高；平均缝长150 m，平均逢高52 m，平均缝网宽度91 m；模拟施工期间投放暂堵材料，提高改造均匀程度，有效SRV体积提高25%以上。

2）关键参数设计及优化

暂堵颗粒与暂堵粉末的用量计算模型：

暂堵颗粒：暂堵粉末=1∶5

可溶球与孔眼的直径关系以及用量计算模型：

式中M表示暂堵颗粒用量，kg；k表示经验系数；D表示可溶球直径，cm；r表示射孔孔眼半径，m；R表示射孔孔眼直径，cm；L表示射孔深度，m；N表示可溶球的个数；n表示孔眼数。

由于页岩储层的非均质性，不同区块具有不同的特性，施工具体参数需进一步结合现场进行优化（表 4）。

表4 射孔孔径与暂堵球直径对应关系表

3）三类均匀改造工艺模式

段内均匀改造：在设计改造段内（图2），根据前期地应力剖面，并结合微地震事件响应，择机投放暂堵材料，封堵本段内低应力区域或已改造区域，对高应力区域或未改造区域进行改造，提高段内缝网覆盖面积和宽度，实现均匀储层改造。

图2 段内均匀改造示意图

多段均匀改造：多段（2段及以上）一起完成射孔作业，无须坐封桥塞（图3）。根据微地震实时监控响应，择机多次投放暂堵材料，有效封堵已压裂层位，开启新的裂缝，提高纵向与横向改造程度。本工艺可同时完成多段压裂施工，提高了作业时效，同时也适应于井筒复杂情况作业，能够实现微地震监测覆盖率100%。

图3 多段均匀改造示意图

加密射孔均匀改造：对不同应力区域处进行射孔，增加射孔孔数（图4）。适时投放暂堵材料，迫使压裂液进入高应力区域。施工规模相同情况下，可使水力裂缝延伸受控，减小对邻井的影响；充分改造近井地带，形成复杂裂缝，增加接触面积，提高单井产量。本工艺适用于段内地应力存在较大差异，井间距较小等情况。

图4 加密射孔均匀改造示意图

不同暂堵材料投放方式不同。暂堵球采用主注入管线加旋塞方式；暂堵颗粒采用井口投放方式（关闭1号总闸，打开7号总闸，从7号总闸之上投入暂堵剂，暂堵剂沉降于1-7号总闸之间）；暂堵粉末采用混砂车投放方式。

3种工艺具有操作简单、时效高、改造段全通径、不受井深影响等特点，最终实现页岩水平井储层均匀改造的目的。

3 现场应用及分析

3.1 施工概况

A井第5、6段每段5簇射孔（加密射孔），共计80孔，采用13.5 mm＋5.5 mm组合暂堵球进行加密射孔均匀改造工艺。 B井第14段3簇射孔，共计48孔，采用13.5 mm＋5.5 mm组合暂堵球进行段内均匀改造工艺。13.5 mm暂堵球∶孔眼数=1∶1，5.5 mm暂堵球∶孔眼数=0.5∶1。

A井第7～9段9簇射孔，共计144孔，分两次施工；B井第23～24段6簇射孔，共计96孔，分两次施工；采用11 mm暂堵球＋暂堵剂（300 kg）进行多段均匀改造工艺。暂堵球∶孔眼数=1.2∶1。

B井第13段3簇射孔，共计48孔，采用暂堵颗粒（51 kg）＋暂堵粉末（13 kg）进行段内均匀改造工艺。

3.2 压后分析

1）压力响应与排量优化

压裂施工中低应力区域被封堵后，净压力上涨，延伸新裂缝。暂堵压力响应：暂堵球＞暂堵剂；投放前后施工压差：暂堵剂＞暂堵球，最高压差值9 MPa；投放前后停泵压力值不同。不同泵送排量对比，暂堵粉末压力响应不明显，暂堵颗粒+暂堵粉末压力响应明显,优化排量为3 m3；随排量增加,暂堵球响应程度逐渐提升,优化排量为4 m3。总体来说，能实现有效封堵，并加大均匀改造力度（图5）。

图5 均匀改造压力响应图

2）均匀改造效果

封堵作用显著，确保均匀改造效果。采用暂堵材料封堵虚线处（已改造井段），微地震未监测到任何事件响应点（图6）。

图6 暂堵封堵效果图

图7 均匀改造工艺施工曲线

基于压裂施工曲线显示，高/低应力区得到有效均匀改造（图7-a），相同排量13 m3/min，前期施工压力61～63 MPa，投入暂堵材料后施工压力63～67.7 MPa（图7-b），国外某井压裂施工，分阶段泵注暂堵材料，相同条件下压力显著上升，说明开启了新的裂缝，均匀压裂效果好[16-20]。两者对比，效果相当。

基于微地震监测显示，均匀改造效果明显，增加了有效SRV。

A井7～9段每段3簇，微地震监测事件点根据应力大小，由上至下逐渐覆盖改造井段，最终事件响应点覆盖率100%（图8）。

图8 A井7～9段微地震监测图

加密射孔均匀改造缩短人造裂缝半长，减小邻井应力干扰，提高裂缝复杂程度，增加裂缝接触面积，为提高单井产量奠定了基础（图9）。

图9 A井6段微地震监测图

3种均匀改造工艺提高单段SRV体积40.2%～44.8%，微地震事件数量增长30.4%～53.6%。

3）对比分析（表5）

多段均匀改造工艺模式，能够有效控制缝长，微地震监测事件个数微涨；段间无须下桥塞，提高作业时效。

表5 不同材料对比

段内均匀改造工艺模式较常规改造，改造SRV体积提高40.2%；采用暂堵剂比暂堵球形成的缝长长12.9%。

加密射孔均匀改造工艺模式较段内均匀改造工艺模式，微地震监测事件数提升18%，改造SRV体积提高3.3%，并且缝长得到有效控制。

4）存在的问题分析

针对最小水平主应力高的储层，施工压力高，压力波动区间受限，加砂难度增加。某井投放暂堵材料后施工压力上涨至84 MPa，未完成设计加砂量。

由于页岩储层的差异性大，不同区域、不同井需进行差异化设计，结合现场施工情况进一步优化。

4 结论及建议

1）针对页岩储层非均质性，此压裂改造工艺是一种简单、可靠的技术手段。该技术实现了均匀改造，增加了裂缝复杂程度，微地震监测事件响应点覆盖率100%。

2）形成了3种不同的页岩储层均匀改造工艺模式：段内均匀改造工艺模式、多段均匀改造工艺模式、加密射孔均匀改造工艺模式。组合粒径暂堵球、暂堵球+暂堵剂等多种技术手段保证施工效果的顺利实施。

3）暂堵球到位响应明显，停泵后会出现部分封堵失效；某些暂堵剂到位响应不明显，停泵后不影响封堵效果；两类材料都具有较好效果。压力响应值最高达9MPa。

4）采用均匀改造工艺技术后单段SRV体积提高40.2%～44.8%，微地震事件数量增长30.4%-53.6%。

5）基于页岩储层特征，结合现场施工情况与微地震监测，优化暂堵材料用量与施工排量，避免压力波动空间受限，提高有效支撑体积，保证均匀改造效果。排量与封堵效果无直接关系。