条带曲率裂缝发育区页岩气井裂缝扩展规律——以涪陵页岩气田焦石坝西南区块为例

陈新安

(1.中国石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司,重庆 408014;2.中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院,湖北 潜江 433111)

0 引言

大型水平井分段压裂技术是页岩气开发的关键技术[1-2],不同地质条件下压裂时裂缝的扩展会有明显差异,曲率裂缝发育程度对页岩气压裂裂缝的扩展影响大.涪陵页岩气田西南区曲率裂缝发育,曲率裂缝呈条带状,施工难度大,试气效果不理想,地质特征、施工特征与主体区存在明显差异,影响区块的开发,所以有必要研究条带曲率裂缝对压裂裂缝扩展的影响.目前学者针对页岩气裂缝扩展规律进行了大量研究.N.R.Warpinski等[3-5]利用不同的岩样揭示了水力压裂裂缝扩展的一些规律,潘林华等[6]利用数值模拟研究页岩复杂裂缝扩展规律,李俊键等[7-8]]着重研究了天然裂缝对水力压裂裂缝扩展的影响,但这些研究均仅限于室内实验或模拟.

为弄清压裂裂缝扩展规律,笔者选取了条带曲率裂缝发育特征有明显差异区域的焦页A和焦页B页岩气水平井,采用井中微地震监测技术[9-11]对其压裂裂缝扩展情况进行实时监测.同时,结合压裂施工特征及区域地质特征,对形成裂缝及其展布特征的原因进行综合分析,对比研究条带曲率裂缝对页岩气井压裂裂缝扩展的影响,并有针对性地提出了压裂改造施工对策.

1 压裂概况及裂缝扩展规律

1.1 压裂概况

焦页A井和焦页B井具体施工参数见表1.

表1 压裂施工参数

1.2 裂缝扩展规律

1.2.1 微地震监测结果

随着压裂液的注入,目的层不断发生破裂,压裂裂缝扩展延伸,微地震事件点不断响应(见图1、表2.图中垂直彩色串点代表不同射孔簇).焦页A井第18,21段和焦页B井第11,16段整段压裂液量分别为2 027,1 949,2 000,2 011 m3.

图1 不同压裂液量时对应的微地震事件点

表2 压裂改造规模

由图1、表2可以看出:

1)随着压裂液量的增加,微地震事件点不断增多,人工压裂裂缝规模、改造范围不断扩大,复杂程度不断提高.压裂过程大致可分为2个阶段.第1阶段,整体缝网轮廓形成,缝网长度及宽度逐步增加至最大,且缝网内部不断变得复杂;第2阶段,缝网长度及宽度不再明显增加,在缝网轮廓范围内裂缝改造进一步复杂化.

2)焦页A井压裂初期裂缝呈多缝发散特征,且发散程度高,注入压裂液量400 m3时,事件点已突破近井地带,半缝长和缝网宽度均大于150.0 m,横向波及至邻段甚至更远.焦页B井多缝发散程度较低,事件点从射孔孔眼处逐步横向及径向扩展,压裂液量400 m3时,半缝长和缝网宽度均小于100.0 m,缝网宽度明显小于焦页A井,裂缝基本在本段内扩展延伸.

3)焦页A井缝网基本轮廓在压裂液量800～1 200 m3时形成,焦页B井基本缝网轮廓的形成相对较慢,在压裂液量1 200～1 600 m3时形成;焦页A井相比于焦页B井最终改造波及范围更大,尤其是平均缝网宽度151.4 m,远大于焦页B井的104.6 m,且长宽比更小.考虑到目前压裂设计平均段长约75 m,过大的波及缝网宽度会造成重复改造,同时对地层的改造相对分散,对本段的改造效果欠佳,乃至影响整体改造效果.

1.2.2 压裂施工特征

图2为焦页A井、焦页B井典型压裂施工曲线.

图2 典型压裂施工曲线

焦页A井所在区域压裂施工主要特征有:

1)施工难度大,砂堵风险高.焦页A井的第18段发生砂堵(见图2a),第21段对砂比敏感,近乎砂堵(见图2b).该井出现砂堵迹象(含砂堵)的施工段比例占整井段的47.6%;该区域的井出现砂堵迹象(含砂堵)段的比例平均超过50.0%.焦页A井平均单段加砂量为40.30 m3,综合砂比2.0%.焦页B井的第11段和第16段无明显砂堵迹象(见图2c,2d).该井施工整体较顺畅,有砂堵迹象的施工段仅占21.0%,平均单段加砂量56.10 m3,综合砂比2.6%(见表1),明显高于焦页A井,施工难度较低,裂缝延伸较好.

2)破裂压力梯度及延伸压力梯度低.焦页A井水平段平均垂深3 470.2 m,实际施工时破裂压力为80.83 MPa,破裂压力梯度为0.023 3 MPa/m,延伸压力为59.90 MPa,延伸压力梯度为0.017 3 MPa/m;焦页B井水平段平均垂深3 082.5 m,破裂压力为76.50 MPa,破裂压力梯度为0.0250MPa/m,延伸压力为62.00 MPa,延伸压力梯度为0.020 1 MPa/m.对涪陵页岩气井压裂情况统计发现,破裂压力梯度主要分布在0.024 5～0.029 0 MPa/m,延伸压力梯度在0.020 0～0.025 0 MPa/m.焦页A井的破裂压力梯度较低,延伸压力梯度也明显偏低,该井所在区域9口井的破裂压力梯度及延伸压力梯度平均值分别为0.022 8,0.018 0 MPa/m,表明该区域井压裂的破裂压力梯度及延伸压力梯度均较低.

2 区域地质特征及综合分析

2.1 构造及裂缝发育情况

曲率值反映的是层面弯曲程度,值越大,层面弯曲程度越大.曲率的计算是根据退火原理曲面寻优[12].曲率值大于0.010 0为强,0.010 0～0.004 0为中,小于0.004 0为弱.

焦页A井位于焦石坝区块西南区.该区域断层发育,断距小于50 m的断层超过40条,曲率以条带状发育为主,呈多向性,曲率值平均大于0.002 5,钻井水平段轨迹多与曲率条带斜交,多口井水平段发生漏失,预测该区域裂缝发育且复杂.焦页A井主力气层曲率属性剖面显示,水平段轨迹穿行区域中-弱曲率条带较发育,按曲率大小、连续情况分6段统计(见表3),第3段部分井段曲率值接近0.010 0,且该井水平段在钻井过程中发生5次漏失,共漏失钻井液194.2 m3,说明该井段天然裂缝发育[13-14].

表3 焦页A井水平段裂缝曲率统计

焦页B井位于主体区块,沿江鞍部东侧,断层较少,曲率裂缝不发育,曲率值平均0.002 0,预测该区域曲率裂缝发育程度较焦页A井所在区域偏低.该井主力气层曲率属性剖面显示,水平段轨迹穿行区域裂缝曲率较弱,均小于0.004 0,在钻井过程中水平段未发生漏失,也说明该井段天然裂缝发育程度较低.

2.2 页岩可压性

2.2.1 页岩黏土及脆性矿物特征

焦页x-2井为焦页A井所处区块一口导眼取心井.该井主力气层黏土质量分数23.65%～37.31%,黏土加权平均质量分数30.32%.主力气层脆性矿物质量分数高.其中:石英质量分数38.05%～61.10%,平均44.96%;碳酸盐岩质量分数7.36%～16.74%,平均11.93%.焦页y-4井为焦页B井所处区块一口导眼取心井.该井主力气层黏土质量分数17.64%～25.60%,黏土加权平均质量分数21.50%.主力气层脆性矿物质量分数高.其中:石英质量分数45.28%～60.35%,平均52.70%,碳酸盐岩7.49%～14.98%,平均质量分数11.80%.2口井脆性矿物质量分数均较高,页岩储层可压性好,有利于压裂改造[1].

2.2.2 岩石力学特征

对比焦页A井、B井所在区域岩石力学特征,二者整体比较接近(见表4).页岩弹性模量高,泊松比低,储层可压性较好,利于压裂改造.

表4 焦页A井、B井所在区域岩石力学特征

2.3 综合分析

综合微地震监测结果、施工特征及区域地质特征,认为造成焦页A井、B井裂缝扩展及展布特征有明显差异的原因是:焦页A井所处区域天然裂缝发育,天然裂缝的存在造成人工压裂裂缝易沿弱面快速延伸,破裂压力梯度低,裂缝延伸呈多缝发散特征,且发散程度高,波及范围大;相比于天然裂缝发育程度低的区域,具有更多泄压通道,压裂液滤失过大,裂缝缝宽小;压裂中后期,随着砂比的提高,支撑剂易在近井地带发生沉积,造成施工难度增大,压力突然抬升,甚至发生砂堵.另外,地层改造包括沿天然裂缝延伸沟通及本体破裂[15],焦页A井压裂改造时,由于该井所在区域压裂裂缝易沿天然裂缝延伸,压裂液被大量吸收[16],造成延伸压力梯度过低、地层有效净压力过低、岩石本体破裂程度低,进而影响储层改造复杂程度及最终试气效果.

3 施工对策及应用

3.1 施工对策

条带曲率裂缝发育区页岩气井压裂施工,要采取降滤措施,降低初期裂缝的发散程度,同时增加裂缝宽度,促使主缝延伸,降低近井砂堵风险.

1)压裂前置阶段.采取阶梯排量方式,将排量分别控制在8,10,12 m3/min,降低压裂初期裂缝发散程度[17].采取"滑溜水携粉陶+胶液+滑溜水携粉陶+胶液"模式施工.具体措施为:提前加入一段粉陶段塞(滑溜水携带),对天然裂缝进行封堵,降低滤失;接着,前置胶液(150 m3)降低滤失,增加裂缝宽度,促使主缝延伸;之后加入4段粉陶段塞,继而转注胶液60～80 m3,利用粉陶封堵及胶液特性,进一步增加缝宽,促使主裂缝延伸.

2)加40/70目支撑剂阶段(施工中后期).采取低砂比、小段塞加砂模式,主动转粉陶段塞进行处理,减小砂堵概率,同时起到暂堵转向作用,提高改造后裂缝的复杂程度.

3.2 应用效果

焦页C井为焦页A井的邻井,该井平均垂深为3 050.0 m,水平段裂缝性液体漏失2处,共计液量105.1 m3,穿过2条中曲率条带,预测水平段天然裂缝发育.该井前期施工困难,平均单段加砂量28.68 m3,采取3.1中提出的对策进行施工后,效果明显改善(见图5).由图5可知,施工整体压力可控,砂堵风险低,均未出现明显砂堵,平均单段加砂量达到52.04 m3,铺砂浓度大幅提高.该井100 m试气长度的产量从0.23X104m3/d提高至0.70X104m3/d,增产近2倍,表明该对策可以有效降低条带曲率裂缝发育区页岩气井压裂施工加砂异常的概率,提高压裂改造效果.

图5 焦页C井部分压裂施工曲线

4 结论

1)通过微地震监测,结合压裂施工特征分析,可以摸清条带曲率裂缝发育区页岩气井压裂裂缝扩展规律,进而提出较为有效的对策以解决压裂施工难题.

2)页岩气压裂裂缝扩展包括缝网轮廓的形成及其进一步复杂化.缝网轮廓形成的条件因不同地层会有差异,条带曲率裂缝发育区轮廓形成较快.该类区域页岩气井在压裂过程中,受天然裂缝影响,初期破裂压力梯度低,裂缝延伸呈多缝发散特征扩展,且发散程度更高,液体滤失严重,造成施工难度高,延伸压力梯度小,砂堵概率大,影响整体改造效果.

3)针对条带状曲率裂缝发育区页岩气井压裂提出的对策,可有效降低施工风险,提高压裂改造效果.