页岩气水平井压裂细分段密分簇优化设计及应用

高东伟

(中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014)

页岩气水平井分段分簇优化是压裂设计的前提，为进一步提高页岩气水平井分段压裂的有效性，需要对页岩气水平井综合分段分簇方法进行优化[1]。水平井分簇射孔间距是页岩气藏体积压裂设计的关键参数，簇间距大小对页岩气藏压裂改造具有重要的影响。过小的簇间距设计将导致分簇主裂缝之间的改造区重叠，降低压裂改造效率；过大的簇间距设计则会在主裂缝之间产生未改造区，影响储层的动用程度[2]。合理的页岩气水平井压裂簇间距优化设计具有重要理论价值和矿场实际意义，能有效改善水平井分段射孔布簇的盲目性[3～5]。笔者提出了一种基于焦石坝区块地质和工程特征的“细分段密分簇”压裂优化设计方法，并进行了现场试验，取得了较好的压裂实施效果。

1 地质概况

焦页A井是针对上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组下部页岩气层部署的一口页岩气开发水平井，采用分段压裂的方式进行开发[6～8]。该井位于焦石坝区块平桥断背斜东翼，且水平段平行于平桥东1号断层，页岩储层泊松比低、弹性模量高、脆性指数高、可压性好，有利于实施体积压裂改造[9,10]。该区处于构造变形区，地应力宏观上表现为弱挤压性质，水平段曲率呈斑点状强曲率分布，微裂缝极为发育，可能会导致施工过程中裂缝延伸困难、压力抬升、砂比受限[11]。因此，需要针对该区块井进行分段压裂设计优化，达到提高单井产能的目标。

2 试验思路

图1 不同工艺改造体积模拟对比

图2 不同压裂井施工曲线对比图

焦页A井埋深较大、三向应力较高、构造变形强，强曲率带来了改造不充分的难题。在平桥区块已压裂井分析的基础上，通过射孔方式、泵注程序、压裂材料等优化压裂改造主体工艺，以促使主裂缝延伸，增加裂缝改造复杂程度，降低施工难度，增加有效改造体积。因此，优选焦页A井进行“细分段密分簇”压裂设计工艺试验。

2.1 压裂设计模拟

以焦页A井地质条件为基础，在Meyer软件中开展压裂设计模拟。采用“细分段密分簇”新工艺和常规工艺对比，其中常规段簇划分标准选取段间距40m，簇间距25m;新工艺段簇划分标准选取段间距35m，簇间距15m。在其他条件相同的情况下，新工艺的压裂改造体积较常规工艺提高了62%(见图1)。

2.2 压裂参数优化

焦页A井采用“细分段密分簇”设计，水平段长1626m，平均垂深3802.74m，段间距38～47m，簇间距15～21m。采用孔径为16mm 的大孔径射孔弹，控排降压，集中进液，促进裂缝延伸。

为配合新的设计思路，进一步优化压裂材料：①压裂前期采用高黏胶液封堵微裂缝，促进裂缝均匀起裂延伸；中黏减阻水，促进裂缝向缝长方向充分延伸，保障较大改造体积[12];②中后期采用低黏减阻水，提高裂缝复杂程度;③分阶段提升排量、补充净压力;④间隔加入粉陶段塞，控制压力上涨，促进裂缝延伸;⑤优选高导流能力的覆膜陶粒支撑剂。

3 现场试验效果评价及认识

3.1 施工井概况

焦页A井位于平桥断背斜构造东斜坡[13]，构造位置与焦页B井和焦页C井相同，3口井穿行层位基本一致，且应力场相近，井区曲率特征相似。目前，焦页A井压裂设计20段，61簇，平均段间距42.4m，平均簇间距17.8m；焦页B井压裂设计19段，47簇，平均段间距42m，平均簇间距22.5m；焦页C井16段，49簇，平均段间距43m，平均簇间距22m。焦页A井的段数和簇数明显高于焦页B井、焦页C井，相对较小的簇间距设计应尽可能满足各射孔簇位置能够同时起裂，以沟通更多的天然裂缝，增加压裂改造体积。

图2为3口试验井压裂施工曲线，可以看出排量不变，提高砂比，压力平稳上升。表明焦页A井压裂施工裂缝延伸较好，开启了较多的天然裂缝。

3.2 试验分析

3.2.1 裂缝面积以及缝宽

单段内多簇射孔的选择关系到压裂裂缝延伸形态、裂缝改造复杂度，进而影响整个裂缝覆盖区内的压裂改造体积。为了研究多簇射孔裂缝扩展体积，选取焦页A井压裂设计4簇为主，焦页B井2簇为主，焦页C井3簇为主，分析多簇裂缝扩展的面积以及缝宽。

采用页岩气水平井压后评价与决策平台软件，模拟了不同射孔簇数下压裂裂缝的扩展面积以及缝宽,结果见图3。从图3可以看出，不同簇裂缝扩展面积和扩展缝宽有明显差异，射孔4簇为主的焦页A井裂缝扩展面积和扩展缝宽明显大于射孔2簇的焦页B井以及射孔3簇的焦页C井。

图3 不同簇数下井的测试产量与裂缝面积以及平均缝宽对比图 图4 正常延伸占比与测试产量曲线

裂缝面积和平均缝宽与测试产量呈现正相关性，其中焦页A井的裂缝面积以及平均缝宽最大，说明其改造区域较大，“细分段密分簇”的压裂设计对于增大裂缝改造区域有促进作用[14,15]。

3.2.2 裂缝延伸

水平井压裂施工过程中，施工曲线可以认为是压裂液流动、裂缝扩展、支撑剂运移和储层特征的综合反映，因此通过研究施工曲线，可以了解裂缝的动态变化情况。主要采用压力导数分析方法，即采用净压力与时间的双对数曲线(Nolte-Smith 曲线)对施工状况进行综合判断[16]。 双对数曲线斜率在0.17～0.25(正常延伸)，说明裂缝正常扩展，缝长延伸>缝高延伸。统计焦页A井、焦页B井、焦页C井的Nolte-Smith 曲线，其斜率在0.17～0.25正常延伸所占比例与测试产量关系如图4所示。焦页A井正常延伸所占比例比邻井高，说明“细分段密分簇”的压裂设计对裂缝延伸有一定促进作用；另外，正常延伸所占比例与产气量呈正比关系，说明压裂过程中正常延伸的裂缝越多，产气量也越高。

3.2.3 缝网复杂度

压裂G函数曲线特征普遍表现出天然裂缝和多裂缝发育特征。参考文献[17]将G函数分为4类，如表1所示。

表1 G函数4类波动类型

统计3口试验井G函数曲线，如表2所示。焦页A井G函数Ⅰ、Ⅱ类占比超过50%，波动频率高且幅度大，说明“细分段密分簇”的压裂设计形成了较复杂的裂缝网络。焦页B井、焦页C井的Ⅰ、Ⅱ类G函数占比相近，但以3簇为主的焦页C井测试产量要明显好于2簇为主的焦页B井，进一步说明细分段密分簇的压裂设计有利于形成复杂程度高的裂缝网络，进而对测试产量有一定的提升作用。

表2 试验井G函数类型统计及测试产量

4 结论

1)针对涪陵焦石坝部分区块页岩储层埋深大、三向压力高、构造变形强等特点，通过气藏数值模拟和压裂设计模拟，提出了“细分段密分簇+大孔径射孔”的段簇划分设计方法。

2)基于细分段、密切割的段簇划分方法，配套“高黏胶液中黏减阻水”+“覆膜陶粒支撑剂”的工艺措施，形成新的压裂改造工艺，并在焦页A井上成功应用，与邻井相比，取得明显改善效果。

3)“细分段密分簇”压裂设计能够有效增加裂缝面积、压后平均缝宽以及缝网复杂度，同时促进裂缝的正常延伸。