深层页岩压裂工艺优化与现场应用

摘 要：涪陵区块深层页岩埋藏深、地应力高，压裂改造时存在施工压力高、缝宽窄，改造体积偏小、压后初产效果差等问题。通过开展深层页岩地质特征参数和综合评价可压性研究，分析压裂改造面临的技术难点并提出了技术对策。通过采用“少簇多段，前置高粘液体促缝、低粘减阻水提高复杂度、长段塞加砂”等工艺措施达到“增大改造体积，提高加砂强度”改造目标，试验井压后初期产量达到11×104m3/d，为深层页岩气储层压裂改造提供了技术借鉴。

关键词：深层页岩；水平井；压裂工艺；改造体积

1 前言

涪陵区块深层页岩相较浅层地质条件更加复杂，表现为分属多个构造带，构造形态多样，断裂发育，断裂周围及构造翼部地层倾角25-60°。同时由此造成造成地应力大小、方位复杂多变、天然裂缝发育程度差异。深层页岩气的地质特征及其对压裂的影响也发生了较大变化，压裂改造中存在施工压力高、缝宽窄、加砂困难，形成复杂缝和增大改造体积难度大等问题，同时压后效果不理想。因此，有必要开展深层综合评价可压性研究，进一步优化压裂施工工艺。

2 涪陵深层页岩压裂改造难点及技术对策

涪陵PJ区块深层页岩，位于逆断层下盘挤压应力环境，埋深3800-4000m，地层倾角大于30°，TOC含量为2-3.5%，孔隙度3%，石英含量46-55%，岩心及成像测井显示裂缝发育程度变低。与浅层相比相比储层物性变差，同时应力增加以及地层倾角增大带来的三向应力状态变化，都对压裂改造造成影响，主要表现在以下四个方面：

①井筒沿程摩阻增加，由此造成井口施工压力高和注入排量受限，同时地应力增加，裂缝延伸难度增大导致造缝宽度窄。

对于深部页岩储层，由垂向应力、最大和最小水平主应力组成的原岩应力和孔隙压力与浅部岩层差异较大。水力压裂时岩层的起裂压力与原始最大最小主应力、孔隙压力、抗张强度等密切相关，具体关系式如下式：

（式1-1）

其中Pb为岩层破裂时的起裂压力，Pp为孔隙压力，T0为岩层抗拉强度，、为地层原始最小和最大水平主应力。

随埋深增加，最小水平主应力明显增加，反映岩层的起裂难度加大，地层闭合压力增大，对压裂支撑剂的抗破碎强度和长期导流能力提出了更高的要求；随深度增加，水平应力差增加，压裂施工中需要较高的净压力来促使裂缝转向。

②埋深增大，岩石塑性特征增强，岩石破坏峰值强度和残余应力增大，裂缝起裂与延伸的难度逐渐增加。

深层页岩不同围压下岩心测试结果表明，低闭合压力时，裂缝成线性破裂特征，随围压增加，非线性破裂特征越来越明显，达到峰值压力前的塑性变形持续显现。同时，全应力-应变曲线峰后残余应力逐步增大，較高的残余应力意味着层理剪切滑移更加困难，发生破坏需消耗更多能量。另一方面低围压下，层理间的孔隙、微裂隙等使页岩破裂模式较复杂，易形成复杂的裂缝网络；高围压下，层理间的孔隙、微裂隙等被束缚，破裂模式较单一，剪切滑移面由粗糙变得光滑平整，复杂度降低。同时自支撑效应减弱，导流能力的保持能力降低

③高陡构造易形成顺层缝，沿井筒两侧延伸，横向波及体积变大，缝宽变窄，对砂比及支撑剂粒径敏感。

④由于地层倾角的存在，减少了上覆岩层压力对地层的压实程度。当地层倾角增大至30°时，作用于层理面的垂向应力减小15MPa。由于同时水平主应力增大，裂缝整体延伸压力高；同时垂向应力减小，层理的剪切相对容易。因此，在高陡构造条件下，形成“主裂缝+顺层缝”裂缝形态。层理的泻流面积大，主裂缝分流严重，因此整体缝宽窄，表现为砂比受限的特征。

3 涪陵深层页岩压裂改造技术对策及现场应用

深层页岩气压裂改造需要解决的核心问题是如何增大改造体积和提高加砂强度，围绕此开展了针对性设计优化：

①针对埋深增加，挤压应力状态，设计采用140MPa装备。深层页岩压裂施工压力高、105MPa装备施工压力窗口有限，实际排量提高空间有限。采用140MPa装备，施工排量可达到14-16m3/min，大排量高净压力有利于增大改造体积，提高复杂度。同排量下，射孔簇数越多，所形成的有效净压力就越小。反之簇数越少，形成的有效净压力则越大；采用2簇射孔，集中进液，促进裂缝延伸，同时前置胶液，快速提排量，促进裂缝延伸。

②针对埋深增加，岩石破坏模式趋于单一，导流能力的保持能力降低，设计降低减阻水粘度。流体粘度对裂缝扩展复杂度具有重要影响，低黏压裂液穿透和沟通小微裂隙的能力强，而中高黏压裂液因粘滞阻力高难以进入小微裂隙，粘度越高，裂缝扩展的复杂度将显著降低。同时采用长段塞加砂模式，提高综合砂液比，提高导流能力。

③针对地层倾角增大，易形成顺层缝，对砂比及支撑剂粒径敏感的问题，设计增加分选性较好的小粒径支撑剂用量。目前的研究证明，对既有主裂缝（一级缝）又有分支缝（二级缝）和更次级裂缝（三级及四级等）的复杂裂缝系统而言，70-140目支撑剂能够进入二级、三级和四级缝，20-40目支撑剂则较难进入二级缝及以下级的裂缝系统中。采用多尺度小粒径支撑剂，可以进入不同分支裂缝封堵、降滤和支撑。而且，当支撑剂粒径降低一个级别后，其沉降速度可降低1/3-～-1/2，有利于提高小微裂缝系统的远井纵向支撑效率。另外，随闭合压力的增加，小粒径支撑剂与大粒径支撑剂导流能力的差异趋于减少，考虑到小粒径支撑剂在现场的铺砂浓度增加，则可能获得比大粒径支撑剂更大的导流能力。

根据上述研究成果，在PJ-2HF井优化形成“少簇多段，前置高粘液体促缝、低粘减阻水提高复杂度、长段塞加砂”等工艺措施，并开展现场试验。PJ-2HF井采用140MPa装备，1500米水平段分19段进行压裂施工，施工压力95-112MPa，排量14-16m3/min，入井总液量36973m3，总砂量1259.7m3，单段液量1946m3，单段砂量66.3m3，综合砂液比3.4%。现有工艺在施工规模，加砂强度，排量上优于国内其他区块。该井压裂后获得测试产量11万方/天，测试压力12MPa。

4 结论及建议

①埋深增大，岩石塑性特征增强，岩石破坏峰值强度和残余应力增大，裂缝起裂与延伸的难度逐渐增加；同时岩石破坏模式趋于单一，剪切滑移面由粗糙变得光滑平整，复杂度降低，同时自支撑效应减弱，导流能力的保持能力降低因此深层页岩压裂改造一方面需要增加用液规模、加大排量保证压裂改造泄气面积同时提高加砂强度以提高裂缝长期导流能力。

②以“增大储层改造体积+提高裂缝导流能力”为核心，研究形成的“少簇多段，前置高粘液体促缝、低粘减阻水提高复杂度、长段塞加砂”等工艺措施，现场实践证明一定程度上能够提高深层页岩压裂效果。

③后续需进一步研究埋深、构造、曲率、倾角、岩石力学参数等因素对深层岩石破裂与裂缝延伸规律的影响，指导深层压裂工艺、设计优化方法、核心参数体系。

参考文献：

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作者简介：

高婷（1986- ），女，汉族，河北省邢台市，长江大学工程硕士在读、工程师，目前主要从事非常规储层压裂改造工艺研究。