涪陵页岩气田加密井压裂技术的实践与认识

张驰 ，周彤 ，肖佳林 ，韦琦 ，马文涛

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014；3.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；4.中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉 430035；5.中国石化中原石油工程有限公司工程服务管理中心，河南 濮阳 457001）

0 引言

在北美页岩气区块开发过程中，普遍采用早期部署大井距母井（即加密前的老井），后续在母井间合理部署加密井的开发模式，力求在较小的开发风险下实现整体区块的高效开发。Marcellus，Haynesville，Eagle Ford，Duvernay等多个页岩区块开发实践表明，当开发井距与压裂工艺匹配较好时，加密井压裂可以提高母井产量。反之，则有可能出现母井产量受加密井压裂影响不明显的问题，甚至加密井与相邻的母井产生负面的井间干扰现象，严重影响区块开发效果［1-2］。因此，设计合理开发井距，并优化形成与之配套的压裂工艺参数，一直是北美页岩气开发者重点关注的问题。

涪陵页岩气田是我国首个实现商业开发的页岩气田。其中，焦石坝区块自2018年起在国内率先开展了井网加密现场试验，在老井间以300 m井距部署加密井，并主体采用“单段9簇密切割+限流射孔+高强度加砂”的压裂工艺理念完成压裂改造。从开发实施效果来看，加密井产量普遍低于老井，且部分老井没有受到相邻加密井的正向井间干扰影响［3-5］。对于涪陵页岩气田焦石坝区块，在加密井已完成部署、井距确定的前提下，弄清前期加密井效果不佳的主要原因，并通过压裂工艺的优化提升区块开发效果，这已成为当前气田开发亟需解决的难题。

1 研究区概况

涪陵页岩气田焦石坝区块位于川东高陡褶皱带万县复向斜焦石坝背斜带焦石坝断背斜，储层埋深约为2 100～2 600 m，构造整体平缓，被大耳山西、石门、吊水岩、天台场等多条断层夹持。焦石坝区块主力目的层段为下志留统龙马溪组下段—上奥陶统五峰组页岩储层（厚度为89 m），总有机碳质量分数（TOC）介于1.04%～5.89%，孔隙度介于3.44%～5.27%，总含气量介于1.20～6.19 m3/t，黏土矿物质量分数介于30.27%～44.70%，地层压力系数达到1.55。储层整体品质较好，具有较大的开发潜力。焦石坝区块于2013年启动产能建设，一次井网采用600 m井距、山地丛式交叉布井模式。2017年起，在2口老井间以300 m井距部署加密井，进行加密开发。

2 加密井压裂改造难点分析及思路

2.1 难点分析

前期加密井压裂改造以提升近井带泄气面积为核心，设计单段9～10簇限流射孔，射孔簇间距为8～10 m。压裂液为黏度2～3 mPa·s的滑溜水，压裂液用量为1 600～1 800 m3，施工排量为13～14 m3/min，单段加砂量为160～170 t。考虑到多簇裂缝非均匀扩展问题，将单段射孔孔眼数由60孔减少至40孔，以便通过增大射孔摩阻大幅度降低应力干扰。加密井压裂施工整体较为顺利，但压裂后测试产量、压力分别为周边老井的69.55%，53.43%，且相邻老井并未出现明显的压裂受效，井组开发效果无明显提升。

本文充分利用加密井压裂施工前的测井解释、压裂过程中的微地震监测以及压裂施工后的产气剖面测试等资料，对加密井压裂改造效果进行了分析评价，认为造成其压裂改造效果不佳的主要原因有4个方面。

1）压裂段内多簇非均匀扩展严重。产气剖面结果显示，射孔簇数较多时，目前采用的限流射孔工艺效果有限，单段内仅有30%～40%的射孔簇有较高的产气贡献，段间仍存在各簇裂缝的不均匀扩展现象［6］。

2）井间储量未动用储层的压裂改造不充分。老井的生产会导致其周边地层压力系数降低。微地震监测结果显示，加密井压裂过程中水力裂缝由于充满高压液体，更容易受到老井低压区的诱导，向地层压力更低的区域延伸［7-9］，导致井筒周边储量未动用储层的压裂改造不充分（见图1。图中：蓝线为焦页C-3HF井井轨迹，该井累计产气4 930×104m3；绿线为焦页C-4HF井井轨迹，该井累计产气5 897×104m3；黄线为加密井焦页D-5HF井井轨迹，井轨迹上的彩色短线段均为不同段的射孔段簇；彩色散点为微地震监测信号）。

图1 焦页D-5HF井压裂微地震监测结果示意

3）裂缝复杂程度有限。老井生产会改变加密井周边的地应力条件［10-11］。在焦石坝区块加密井中，虽然最大（最小）水平主应力出现小幅度的降低，但是水平主应力差有所增大，增加了水力裂缝转向的难度，不利于裂缝复杂化［12］（见表 1）。

表1 加密井焦页D-5HF井与相邻老井储层参数对比

4）裂缝缝长较短，未能与开发井距匹配。与加密井相邻的老井并未出现明显增产效果，一定程度上说明现阶段水力裂缝的缝长可能较短，未能波及到老井改造的范围，起不到提高井组开发效果的作用。

2.2 压裂改造思路

针对难点分析结果，将加密井压裂改造思路优化为：促进水力裂缝向储量未动用区域延伸，在此基础上，控制水力裂缝缝长与开发井距相匹配，并尽可能地提高近井带水力裂缝复杂程度。具体从4个方面优化。

1）射孔簇间距。考虑到水平主应力差的增大，可以通过优化簇间距，进一步强化各簇裂缝间的诱导应力、近井带水力裂缝的复杂程度［13］，以及提升改造强度。

2）单段簇数。虽然继续减少射孔孔眼数量可以进一步提升多簇裂缝扩展的均匀性，但射孔摩阻的大幅增加将导致压裂施工压力的升高，不利于排量及砂比的提高。因此，需考虑适当降低单段射孔簇数，尽可能使得各簇裂缝都有更好的延伸扩展。

3）中途暂堵。现阶段暂堵转向技术主要有2种：一是投加暂堵球，以便封堵炮眼，促使未开启射孔簇的开启［13-14］；二是投加缝内暂堵剂，促使水力裂缝转向［15-16］。由于射孔孔眼不规则，可能会影响到暂堵剂对缝口的封堵，在优化设计中暂不考虑投球暂堵转向，而是采用中途投加暂堵剂的方式改变裂缝延伸趋势。

4）施工规模。单段压裂施工规模直接决定了水力裂缝的缝长，必须综合考虑井距、射孔簇数等因素，对单段施工规模进行合理设计［17-18］。

3 加密井压裂参数优化设计

3.1 射孔簇间距

结合加密井地质概况，建立裂缝诱导应力计算模型。设定净压力为9 MPa，裂缝高度为30 m，模拟2个相邻射孔簇在不同间距条件下的应力变化（见图2）。

图2 射孔簇间距对最大（最小）水平主应力的影响

水力裂缝产生的诱导应力会使得最大（最小）水平主应力在一定程度上的增大；在最小水平主应力方向上的影响大于最大水平主应力，两者变化的差异性也直接影响到水平主应力差的变化。由图2可知：当射孔簇间距大于15 m时，水平主应力差随簇间距的增大而减小；当簇间距小于10 m时，水平主应力差随簇间距的减小而大幅增加。这不利于提高裂缝系统的复杂程度，因此实际施工簇间距应控制在10～15 m。

3.2 单段射孔簇数

根据研究区地质参数，建立平面及三维“井筒-多裂缝扩展”全耦合计算模型［19］，设定单段压裂液用量为1 800 m3，簇间距为 12 m，压裂液黏度为 3 mPa·s，施工排量为16 m3/min，并模拟单段射孔簇数对裂缝扩展的影响（见图3）。

图3 单段射孔簇数对裂缝扩展的影响

由图3可以看出：在相同用液强度条件下，压裂段内射孔簇数越多，水力裂缝密集程度越大，段内裂缝总面积明显增加，但各簇进液量差异系数也逐渐增大，表明裂缝的非均匀扩展现象更加严重。当单段射孔簇数大于7簇时，各簇裂缝进液量差异系数明显增大。综合考虑段内裂缝总面积和裂缝非均匀性，选择单段5～7簇射孔，既能保证一定的裂缝总面积，也能避免更为严重的非均匀扩展现象发生。

3.3 压裂施工规模

利用“井筒-多裂缝扩展”全耦合计算模型，分别进行老井及加密井水力裂缝缝长的模拟。其中：老井按照实际压裂施工参数，设定单段段长80 m，簇间距22 m，单段3簇，压裂液黏度6 mPa·s，施工排量14 m3/min，单段压裂液用量1 900 m3进行模拟；加密井则基于以上设计优化结果，设定单段段长70 m，簇间距12 m，压裂液黏度3 mPa·s，施工排量16 m3/min，分别开展单段5，6，7 簇、压裂液用量规模 1 200，1 300，1 400，1 500，1 600，1 700 m3条件下的水力裂缝扩展模拟。模拟结果显示：1）早期老井单段压裂液用量高，射孔簇数少，液体黏度大，且簇间距较大，簇间干扰降低；水力裂缝缝长延伸顺利，平均半缝长达到173 m。2）对于加密井，强调提升压裂改造裂缝面积，水力裂缝缝长明显更短。在施工规模相同的条件下，射孔簇数越多，水力裂缝缝长越短；在射孔簇数一定的条件下，随着施工规模的增大，水力裂缝的缝长呈逐渐增加的趋势。

考虑300 m井距以及老井的水力裂缝缝长，不同簇数条件下应采用不同的压裂施工规模（即压裂液用量）。由图4可知，在单段5，6，7簇射孔条件下，压裂液用量分别控制在1 300～1 400，1 400～1 500，1 500～1 600 m3，可以获得较好的压裂改造效果。

图4 不同压裂液用量对加密井裂缝扩展的影响

4 现场试验情况及效果

焦页A-6HF井为焦石坝主体区加密井，其西侧300 m有老井焦页A-4HF井，东侧270 m部署了加密井焦页A-7HF井。3口井垂深均在2000～2 600 m，且各项地质参数大体相当。焦页A-6HF井压裂施工前，焦页A-4HF井已累计生产1 200×104m3；而焦页A-7HF井刚完成压裂施工，未投产。因此，焦页A-6HF井东西两侧地层压力存在较大的差异（见表2）。

表2 焦页A-6HF与邻井储层参数对比

根据优化结果，对焦页A-6HF井进行了压裂施工设计［20-22］并完成施工。该井水平段长1 319 m，共分19段，采用单段射孔簇7簇、簇间距10.8 m的射孔方式。该井设计单段施工压裂液用量控制在1 536.12 m3，在单段施工压裂液用量达到设计值50%左右时，以2 m3/min排量投加暂堵剂150～200 kg。该井共泵入压裂液29 186.32 m3，支撑剂 1 412.4 m3，施工排量稳定在 14～16 m3/min，最大砂比达18.00%，平均砂比8.35%。

在焦页A-6HF井压裂过程中，采用邻井井中微地震监测的方式，监测该井水力裂缝的扩展延伸效果。监测结果显示，受西侧焦页A-4HF井采出程度的影响，在压裂施工早期焦页A-6HF井微地震事件点主要出现在其井筒西侧，但在投加暂堵剂后，微地震事件点更多地出现在其井筒东侧，暂堵转向效果明显（见图5。图中红色、黄色散点分别为暂堵前、后微地震监测信号，红线为井轨迹，井轨迹上彩色短线段为不同段内的射孔段簇）。该井水平段平均半缝长控制在123～135 m，整体改造体积达到1 822.4×104m3，相比于同区块加密井提升了7.30%。分析认为，优化后的工艺，对该井改造更加均匀、充分。

图5 焦页A-6HF井分段暂堵转向工艺微地震监测结果示意

焦页A-6HF井压裂后采用φ8 mm油嘴测试求产，在井口套压25.18 MPa下测得稳定产气量19.83×104m3/d，相比于同区块其他加密井测试产量提升了10.13%。相邻的老井焦页A-4HF井在焦页A-6HF井压裂前以6.00×104m3/d左右产量稳定生产（井口油压5.65 MPa）；在该井压裂过程中，焦页A-4HF井关井，复产后，焦页A-4HF井继续以6.00×104m3/d左右产量生产，井口油压升高至19.00 MPa左右（见图6），生产效果提升明显。

图6 焦页A-4HF井生产曲线

5 结论

1）老井的压裂和生产会增加储层水平主应力差，降低地层压力。这不仅增大了加密井形成复杂缝网的难度，同时也容易诱导加密井的水力裂缝向采出程度更高的区域扩展，对加密井的压裂改造带来挑战。

2）通过应用暂堵转向工艺，以及针对性优化射孔间距、施工规模等压裂参数，可增强加密井对储量未动用储层的压裂改造，同时也提升老井生产效果。

3）老井采出程度越高，其储量动用区域内地层压力越低，对加密井水力裂缝扩展的诱导作用越大。在本文现场试验实例中，加密井周边老井采出程度相对较低，两侧地层压力差异有限，应用暂堵转向工艺可一定程度改变裂缝扩展趋势，提升井筒两侧改造的均匀性。但是如果加密井两侧地层压力差异较大，现有的暂堵转向工艺可能难以取得理想的效果。因此，在今后的加密井部署过程中，应充分考虑加密井周边老井采出程度，通过差异化设计井距提升区块开发效果。