常压页岩气低成本高效压裂技术对策

2020-09-18刘建坤蒋廷学卞晓冰苏瑗刘世华魏娟明

钻井液与完井液 2020年3期

刘建坤，蒋廷学，卞晓冰，苏瑗，刘世华，魏娟明

（1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

0 引言

美国是最早实现页岩气商业开发的国家，目前已陆续在7 个盆地中实现商业开发，其中既有以Haynesville、Woodford、Eagleford 等地区为代表的超压页岩气（单井产量9.0×104～20.3×104m3/d），又有Marcellus、Fayetteville、Barnett等地区为代表的常压页岩气（单井产量2.8×104～6.5×104m3/d）[1-3]。常压页岩气在我国渝东南地区广泛分布，主要分布在彭水、武隆、丁山及白涛等地区[4-5]，可采资源量达到9×1012m3以上，资源潜力巨大。与国外常压页岩气相比，渝东南常压页岩气具有TOC 低，杨氏模量高，水平应力差大等典型特征；与国内超压页岩气相比，渝东南常压页岩气含气性降低50%以上，吸附气比例明显增加，压后初期日产气量普遍低于6×104m3/d，稳产后日产气量小于3×104m3/d，大部分不具经济开发价值。近年来国内针对超压页岩气压裂，在可压性评价[6]、甜点优选评价[7-8]、水平井分段压裂优化设计[9-10]、裂缝复杂程度表征[11]、压后排采规律[12-13]、压裂评估方法[14]、新型液体体系研发[15]等方面进行了理论研究和现场实验，取得了较好的应用效果。何希鹏、方志雄等[4-5]对常压页岩气形成演化及富集主控因素进行了分析，卞晓冰等[12]对常压页岩气水平井压后排采控制参数进行了优化研究，而对常压页岩气压裂工程及低成本压裂方面的报道尚未见报道。从压裂工程角度出发，在对渝东南常压页岩气储层特征、开发特性分析以及国内超压页岩气压裂情况对比分析基础上，提出常压页岩气低成本高效压裂技术对策，以期最大限度地挖掘常压页岩储层的潜力，降低工程投入成本，实现常压页岩气的高效开发。

1 压裂改造难点分析及对策

常压页岩气由于其特殊的地质特性、储层条件及开发特征，决定了对其实现经济有效压裂，需要综合考虑多方面因素（见表1），对压裂改造的各个环节进行系统地评估及精细地优化，以提高改造效果为前提，以降低压裂工程成本为目标，达到压裂增产增效和综合降本双赢目的。

通过压裂增产增效，最大限度地挖掘页岩储层增产潜力；通过综合降本，最大限度地降低压裂工程投入成本（见表2）。

2 压裂增效技术

2.1 平面射孔技术

常压页岩气体积压裂中分段及分簇方式、裂缝的延伸扩展、压裂改造体积及压后增产效果都与所采用的射孔方式紧密相关。目前，采用较多的是螺旋式射孔方式，采用该射孔方式下实施压裂时，裂缝易多个孔眼处起裂，单簇内易形成多条不等长的裂缝，每簇内裂缝间诱导应力干扰严重，从而影响每簇内缝长的有效延伸及改造体积；另外，由于各簇裂缝延伸扩展情况层次不齐，导致每段的压裂改造体积及改造效率大打折扣，影响全井的增产改造效果。

表1 常压页岩气压裂改造难点分析

表2 常压页岩气高效压裂技术对策

平面射孔技术是在垂直于最小主应力的平面上进行射孔（图1），孔眼排布可形成沿井筒横向的应力集中，能够有效控制裂缝走向。采用平面射孔方式，可以增加单段内射孔簇数（脆性好，利于段内多簇设计），提高改造强度及有效改造体积。①平面射孔方式下每簇内只有一条裂缝起裂延伸，段内每簇裂缝都能得到充分延伸扩展（图2），且诱导应力只存在于簇间，提高了每簇的改造强度；数值模拟表明：在总液量1800 m3及排量12 m3/min 条件下，平面射孔方式比起螺旋射孔方式可使缝高增加6.3%，缝宽增加7.8%，缝长增加18.5%，SRV 提高18.6%；在总液量2200 m3及排量14 m3/min 条件下，可使缝高增加6.3%，缝宽增加4.6%，缝长增加7.2%，SRV 提高19.8%。②平面射孔方式下，每段内各簇裂缝都能得到充分扩展延伸，每段改造体积得到进一步提升，裂缝复杂程度得到有效提升；另外，平面射孔方式可有效提高诱导应力作用范围，且缝内净压力越高，这种作用效果越显著（图2）。③平面射孔方式可有效提高压后产量（图3），在按15 段分段，每段5 簇条件下，平面射孔方式稳产及累积产量明显高于螺旋射孔方式，三年累积产量提高28.5%。

图1 螺旋射孔与平面射孔裂缝延伸特征对比

图2 螺旋射孔与平面射孔诱导应力特征对比

图3 射孔方式与压后产量关系

2.2 多尺度压裂造缝技术

通过村规民约的进村入户，有效推动了基层治理的规范化。过去由于缺乏明确标准，一些村民为了申请村里的困难救助，经常到村委会“一哭二闹三上吊”，给村委会出难题。村规民约修订后，明确困难救助的范围和标准并严格执行，使得那些村民没有借口再来闹了，而让真正困难的村民能够得到及时帮助。村规民约的进村入户，还有效推动了基层治理的制度化。金山区金门村村规民约中制定了对丧事简办给予相关优惠的政策，鼓励村民破除丧葬陋俗，倡导文明风尚，现在村民基本都能做到丧事简办。张堰镇建农村广泛建立“民主议事堂”，让群众从“旁观者”变为治理的“讨论者”“参与者”“决策者”。有了村规民约的规范，基层治理中的诸多难题都得以有效化解。

压裂裂缝参数正交模拟表明，在前置液造缝阶段，当造缝液体注入量达到总液量的25%～30%，此时造缝缝长已达到设计总缝长的70%左右（图4），此后随着压裂液的持续注入，液体造缝效率下降；此时，可以通过提高注入排量等方式提高裂缝内的净压力，让更多的分支缝及天然裂缝系统张开并得到充分延伸扩展。由于裂缝的多尺度特征，若造缝液体黏度过大，则尺度较小的天然裂缝无法得到开启或有效延伸；所以在造缝过程中，在主裂缝得到充分延伸基础上，可分阶段泵注不同类型的造缝液体及采用不同的泵注工艺参数；如先注入黏度较低的低黏度滑溜水并提高排量来提高缝内静压力，让尺度较小裂缝得到开启和延伸，然后再注入黏度稍高的中黏度滑溜水并继续增大排量，使得尺度较大的微裂缝及分支缝系统得到开启和有效延伸。通过分阶段的造缝方式，既实现主裂缝的充分延伸扩展，又达到与主裂缝相连的次级裂缝及天然裂缝的开启及延伸，实现大面积的多尺度裂缝系统，提高压裂造缝体积。

引进来——让兼职导师走进学校、走进课堂，企业家、创业者、风险投资人、天使投资人、孵化机构、工商管理部门、税务部门等相关部门的负责人如果具有相应的教学能力、乐于创业教育的都可以经过考察聘为固定的兼职教师。他们的授课可以是讲座、专题报告、互动访谈或者与专任教师共同讲授某门课程，形式灵活多样。但这种形式一般师生接触时间较短，不能够形成系统的教学。

图4 压裂缝长延伸与施工参数关系

2.3 多级交替注酸技术

精细造缝工艺通过压裂裂缝参数正交模拟方法，模拟裂缝几何尺寸的变化规律并对裂缝变化情况进行精细划分，减少低效造缝或无效施工，减少造缝液体使用量，降低液体成本。模拟表明（图4）裂缝缝长延伸分为快速增加阶段（阶段缝长占设计总缝长的65%～75%）、稳步增加阶段（阶段缝长占设计总缝长的15%～23%）及缓慢增加阶段（阶段缝长占设计总缝长的10%～13%）；快速增加阶段液体造缝效率最高，设计总缝长的70%主要是在该阶段完成的；随压裂液持续注入，裂缝延伸速率明显减慢，设计总缝长的20%是在裂缝稳步增加阶段完成的；随后缝长延伸出现明显拐点进入缓慢增加阶段，此时缝长已达到设计缝长的90%左右。所以缝长快速增加阶段可作为最佳的前置液造缝阶段，裂缝稳步增加阶段结束后的压裂液量可作为最佳设计液量。

页岩多尺度裂缝系统中，微裂缝及分支缝系统由于缝宽较窄，只能与粒径较小的支撑剂优先匹配；而大粒径的支撑剂由于粒径大、运移阻力大等特点，很难进入小尺度的天然裂缝及分支缝系统，易进入并支撑裂缝宽度较大的主裂缝系统。压裂加砂初期缝宽较窄，随着压裂液持续注入，缝宽表现出逐渐增加的趋势。故在加砂过程中，根据压裂不同阶段裂缝延伸情况，依次加入与裂缝缝宽匹配的支撑剂，实现不同粒径的支撑剂充填于与其匹配的不同尺度裂缝中，达到饱充填加砂及降低施工风险的目的。

多级交替注酸技术首先可以降低岩石强度，利于岩石的破裂和延伸[17-19]；其次，可以提高缝壁岩石的孔隙度及渗透率，沟通并开启侧翼方向的潜在天然裂缝，扩展天然微裂缝及分支缝系统，进一步提高压裂有效改造体积及多尺度裂缝系统的复杂程度[9]；另外，还可以扩大应力的作用面积，避免地应力作用于单一主裂缝时导流能力快速降低的问题，使主裂缝导流能力维持更长时间。

高校内控是一项长期性、系统性工程，高校应顺应新形势，积极适应内外部环境变化，结合内部评价监督和外部监督检查结果，不断优化改进、动态调整，及时调整、补充、修订和改进内部控制体系，实现高校内控闭环的自我革新与完善，保持内部控制的长久生命力。同时，适时推动内控信息化，将高校内控体系嵌入信息系统，固化业务流程，构建责任网络体系，减少凌驾于内部控制之上的随意性，提升内部控制的刚性，借力互联网、运用大数据来巩固高校内控建设成效，努力构建高校内控长效机制。

以渝东南地区常压页岩气X 井（井深4740 m，水平段长1500 m，A 靶点垂深2957 m，B 靶点垂深3057 m）为例（表3），若按螺旋射孔方式分段分簇，该井每簇压裂节约22%的滑溜水，该井共节约7920 m3滑溜水，节约液体成本43.56 万元（每立方米滑溜水按55 元为准）；若按平面射孔方式分段分簇，该井每簇压裂节约20%的滑溜水，该井共节约6000 m3滑溜水，节约液体成本33 万元。

对于具有潜在天然裂缝或天然裂缝比较发育的页岩储层，压裂形成的裂缝一般具有多尺度特征，既有缝宽较宽的主裂缝系统，也有分支缝开启延伸后形成的多级次裂缝系统以及天然裂缝开启后形成的缝宽更窄的微裂缝系统。

图5 多级交替注酸后裂缝内酸液分布图

2.4 多元组合加砂技术

文中以国产存储阵列为基础，加入基于FPGA硬件加解密的安全存储模块和存储软件，从而实现对国产存储阵列中数据进行安全保护。基于国产平台的安全存储系统用户读写IO流程图如图2所示（黑双向箭头表示IO流向），FPGA硬件加解密模块与软件加解密模块（图2中虚框部分）位于同一位置层级，通过所设计的硬件加解密模块取代软件加解密模块完成对存储阵列中数据的加解密操作。

①液体配方优化升级，成本持续降低：从第一代滑溜水体系升级到第二代滑溜水体系，减少了一种添加剂类型，且在不影响液体性能基础上，滑溜水减阻剂的使用浓度降低50%以上，液体成本降低45%～57%。②液体性能指标不断提高：第二代滑溜水体系在降本基础上，液体的速溶性、减阻性、防膨性能及表面张力等关键技术指标方面得到不断优化，携砂性能良好，提升了液体的整体性能，满足了页岩气大型压裂现场应用要求。③液体体系升级实现一剂多效功能：第二代滑溜水体系通过配方优化，能实现2 种黏度（1～5 mPa·s 和7～15 mPa·s）快速可调，满足大型压裂不同储层及施工不同阶段压裂造缝及携砂的需要，这对多尺度造缝、多元加砂等新工艺的应用极其有利。④液体泵注参数持续优化，提高压裂改造效率：采用低黏滑溜水（1～5 mPa·s）、中黏滑溜水（7～15 mPa·s）与中黏度胶液（30～40 mPa·s）的液体组合方式，滑溜水量占总压裂液量的85%～90%（低黏滑溜水量占总滑溜水量的30%～40%，中黏滑溜水量占总滑溜水量的45%～55%），胶液占总压裂液量的10%～15%，可获得较好的造缝缝宽及提高SRV的效果，提高了施工成功率及改造效果。

3 压裂降本技术

3.1 精细造缝工艺技术

多级交替注酸技术[16]针对天然裂缝比较发育、天然裂缝开启压力较高以及碳酸盐岩或其他可溶蚀性矿物含量较多的页岩储层，通过充分利用酸液对岩石的溶蚀作用，在前置液阶段充分造缝基础上，多级交替注入酸液+顶替液（压裂液或滑溜水）复合段塞。通过对多级交替注酸模式、交替注入段塞液体类型组合（酸液与顶替液类型）、交替注入参数（液量、排量、级数）的优化，把酸液注入到已形成的多尺度裂缝中，并达到酸液在裂缝中均匀分布及提高波及范围的目的。

多级交替注酸实验及模拟研究表明：前置液造缝缝长达到总设计缝长的70%左右时，即可进行多级交替注酸工艺；交替注酸泵注过程中，每级顶替排量以阶梯递增式注入、每级顶替液量按递减式注入、增大顶替液黏度及增加交替注入级数等方式，都有利于提高酸液在裂缝中的波及范围及均匀分布程度（图5）。

表3 压裂精细造缝工艺对液体成本的影响

3.2 一剂多效压裂液体系

通过对滑溜水体系配方的升级优化，滑溜水性能指标得到进一步提高，实现一剂多效（黏度实时可调），满足了常压页岩气大型压裂及复杂工艺对于滑溜水的应用要求，并降低液体制造使用成本，提高施工成功率（表4）。

表4 高效滑溜水体系技术指标及成本

为了提高支撑剂在裂缝内的充填度及均匀铺置程度，实现裂缝系统的有效支撑，也可利用不同类型支撑剂沉降速度和不同压裂液携砂效率的差异，在压裂加砂不同阶段选用不同密度的支撑剂。在加砂初期采用高密度小粒径及中等粒径的支撑剂，使得最先进入裂缝内的支撑剂裂缝沉降铺置在裂缝底部，也有利于平衡砂堤的形成；当平衡砂堤形成后，先采用中密度中粒径的支撑剂进行加砂，使中密度的支撑剂铺置在储层中部，然后采用低密度中粒径支撑剂进行加砂，保证支撑剂运移到中远井裂缝地带，实现低密度支撑剂填满裂缝上部；最后采用高密度中粒径或高密度大粒径的支撑剂进行加砂，让支撑剂在近井裂缝地带充分填充，提高近井地带裂缝的导流能力。通过变密度多粒径加砂方式，大幅度提高支撑剂在不同尺度裂缝中纵向的充填度及横向的铺置广度，优化裂缝支撑剖面，提高裂缝内支撑剂的支撑效率和裂缝长期导流能力。

在4—6月整层水汽输送通量及其散度场差值场上(图6c、d),西太平洋地区上空有一个显著的反气旋式水汽通量距平矢量分布(图6c),将南海和菲律宾附近的暖湿气流源源不断地输送到江南地区,常越等(2007)也指出前汛期期间南方降水的水汽来源主要为西太平洋地区。在图6d中,菲律宾群岛以东洋面为显著的异常水汽辐散区,而江南地区以及黄海和东海海域为水汽异常辐合区。这种水汽通量及其散度场的异常分布型有利于江南地区水汽的聚集,表明冷水年对应着JRS降水异常偏多。

3.3 混合支撑剂加砂技术

陶粒支撑剂由于其优越的抗破碎及较好的导流能力保持性能，目前广泛应用于常压页岩气压裂中，但其成本也明显高于石英砂、覆膜砂等其他类型支撑剂。通过对压裂支撑剂组合类型及加砂模式的优化研究，提出了混合支撑剂加砂模式，即把不同成本及类型（陶粒与石英砂）的支撑剂按不同比例混合后进行加砂的模式，从而降低支撑剂材料成本。

实验研究表明：陶粒和石英砂2 种支撑剂按1∶1 的比例混合后进行混合加砂的模式既能兼顾导流能力，又能大幅度降低成本；在65 MPa 闭合压力下，同比单一陶粒支撑剂的加砂模式，混合加砂模式下压后导流能力损失率在30%左右（图6）；混合加砂模式导致的导流能力损失仅对压后初期产量有一定的影响，而对于压后长期稳产产量影响作用不明显（图7），但混合加砂模式下支撑剂的使用成本可显著降低27%（低密度陶粒按2600 元/m3，石英砂按1200 元/m3进行计算）。所以在压裂加砂阶段的初期，宜采用陶粒与石英砂1∶1 的混合加砂方式，在加砂阶段后期可采用单一陶粒支撑剂的加砂模式，既能保证压后长期导流能力不受影响，又可进一步降低材料投入成本。