摘 要

摘　要：四川盆地元壩地區(qū)處于強(qiáng)應(yīng)力場環(huán)境中，其陸相儲層破裂壓力梯度為0.026～0.037MPa／m，已成為制約該區(qū)完井、儲層壓裂改造效果的主要技術(shù)難題。為此，在深入研究儲層高破裂壓力的

摘　要：四川盆地元壩地區(qū)處于強(qiáng)應(yīng)力場環(huán)境中，其陸相儲層破裂壓力梯度為0.026～0.037MPa／m，已成為制約該區(qū)完井、儲層壓裂改造效果的主要技術(shù)難題。為此，在深入研究儲層高破裂壓力的地質(zhì)成因和工程作用對破裂壓力影響的基礎(chǔ)上，探索試驗了降低施工作業(yè)井口壓力的技術(shù)措施和方法：以近最大水平主應(yīng)力方向作為射孔方位，同時采用長井段、大孔徑、高孔密、深穿透射孔(含噴砂射孔、補(bǔ)充射孔)來降低壓裂造縫壓力；采用酸損傷(酸泡、酸洗)技術(shù)來解除儲層污染和降低巖石強(qiáng)度；采用加重酸液增加液柱壓力和大內(nèi)徑管柱配合低阻性酸液或壓裂液體系以降低施工摩阻?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，單獨或組合采用這些工藝技術(shù)措施，就能有效地降低施工作業(yè)的井口壓力，實現(xiàn)儲層酸壓或加砂壓裂改造作業(yè)。該試驗研究成果可供類似地區(qū)借鑒。

關(guān)鍵詞：四川盆地  元壩地區(qū)  陸相儲集層  高破裂壓力  裂縫  污染  射孔參數(shù)  技術(shù)對策

Technological strategies for and causes of high fracture pressure of continental reservoirs in the Yuanba Gas Field，Sichuan Basin

Abstract：Because the Yuanba Gas Field in the Sichuan Basin is situated in a strong stress field，the fracture pressure gradient of continental reservoir is as high as up to 0.026-0.037MPa／m，technically restricting the completion and reservoir fracturing quality．On the basis of an intensive study of geological causes of high fracture pressure and the impact of engineering work on fracture pressure，the following technical measures and methods were developed and tested to reduce wellhead pressure in operation：take nearly maximum horizontal Drincipal stress direction as perforation orientation and adopt long interval，large bore diameter，high shooting density．and deep-penetrating perforating(including abrasive perforating and supplementary perforating)to reduce the width generation Dressure：use the acidic inj ury(acid sinking and pickling)technology to eliminate reservoir pollution and reduce rock strength；addacid fluid to increase liquid column pressure，and use bigger string plus low resistance acid fluid or fracturing fluid to reduce operating friction．Field application showed that the wellhead pressure can be effectively reduced by individual or combined aforementioned measures to achieve the acid fracturing or sand fracturing of the reservoir．The test results are also applicable to similar areas．

Keywords：Sichuan Basin，Yuanba Gas Field，continental reservoir，high fracture pressure，fracture，pollution，perforating parameter．technical strategies

四川盆地川東北元壩地區(qū)陸相天然氣資源豐富，是中國石化在川東北地區(qū)天然氣立體勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域^[1]。元壩地區(qū)陸相天然氣主要包括侏羅系自流井組和上三疊統(tǒng)須家河組，儲層埋深3800～5200m，巖石致密化程度很高，孔隙度低(3％～6％)，滲流條件和連通性因裂縫發(fā)育的非均質(zhì)性而差異很大。目前部署的30多口陸相井中，很多井雖然在自流井組和須家河組發(fā)現(xiàn)了重要的油氣顯示，但射孔完井后的產(chǎn)能很低，只有通過酸化或加砂壓裂改造才能獲得工業(yè)氣流。但是川東北地區(qū)西近龍門山、北鄰米倉山、東靠秦嶺  大巴山，南接川中古隆起，處于強(qiáng)構(gòu)造作用的應(yīng)力場環(huán)境中，致使元壩陸相儲層與海相儲層一樣，所受的三軸應(yīng)力大，巖石破裂壓力高；而且，強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力部位或靠近斷層附近，儲層天然裂縫發(fā)育，鉆井過程中鉆井液漏失量大，裂縫污染嚴(yán)重，儲層破裂壓力顯著升高；部分井目的層泥質(zhì)含量高(黏土礦物含量高)和井斜度大等也對巖石破裂壓力的升高產(chǎn)生正面影響。這些因素綜合影響的結(jié)果，使得元壩地區(qū)陸相儲層破裂壓力普遍偏高，破裂壓力梯度為0.026～0.037MPa／m，使得儲層酸壓或加砂壓裂改造難度很大，必須采用降低地層破裂壓力的針對性工藝技術(shù)措施^[2]，才能有效提高元壩地區(qū)陸相儲層酸壓或加砂壓裂改造的成功率，實現(xiàn)儲層的有效改造，進(jìn)而實現(xiàn)元壩地區(qū)陸相氣藏的有效開發(fā)。

1　元壩地區(qū)陸相儲層高破裂壓力成因

1．1　構(gòu)造應(yīng)力作用

川東北地處西北龍門山、北邊米倉山、北東秦嶺大巴山3個構(gòu)造帶的前緣，受到的構(gòu)造作用強(qiáng)烈。元壩地區(qū)又處于川中古隆起的北斜坡，也受川中古隆起時的應(yīng)力作用。因此，夾持其間的元壩構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，巖石致密化程度高，儲層天然裂縫發(fā)育。強(qiáng)烈的構(gòu)造作用和裂縫在鉆井過程中的污染等，導(dǎo)致了地層破裂壓力的異常偏高(破裂壓力梯度介于0.026～0.037MPa／m)。

儲層破裂壓力大小主要取決于3個主應(yīng)力的大小。其中，垂向地應(yīng)力是由上覆巖層重力產(chǎn)生的，而水平地應(yīng)力由2個部分組成：一部分是在上覆巖層重力作用下引起的，它是巖層泊松比的函數(shù)；另一部分是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，它與巖層泊松比無關(guān)。二者在兩個水平方向上一般都不相等，分別為最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。

壓裂井地層破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的，水力裂縫在井壁起裂是井璧上有效切向應(yīng)力超過巖層抗張強(qiáng)度所致。利用彈性理論中關(guān)于無限平板中小圓孔周應(yīng)力解，考慮存在地層孔隙壓力的情況，可以得到破裂壓力的表達(dá)式^[3-5]：

 

式中pf為破裂壓力，MPa；K為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，K＝3b-a(b、a為2個水平方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù))；m為泊松比，無量綱；S為上覆巖層壓力(垂向主應(yīng)力)，MPa；x為Biot系數(shù)；pp為孔隙壓力，MPa；st為巖石抗張強(qiáng)度，MPa。

圖1是構(gòu)造應(yīng)力與破裂壓力的關(guān)系。由圖1可見，隨著構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)增加，破裂壓力呈線性增加。當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)從0增加到0.4時，破裂壓力從55MPa增加到67MPa，增幅達(dá)21.8％。元壩地區(qū)構(gòu)造處于強(qiáng)應(yīng)力作用區(qū)，地層破裂壓力普遍偏高，如位于九龍山構(gòu)造帶南翼，毗鄰西北龍門山構(gòu)造帶強(qiáng)應(yīng)力區(qū)的YL2井須四段、YB6井須三段、YL6井須二段、YL10井須三段等，地層破裂壓力梯度為0.030～0.035MPa／m。其中，YL2井、YB6井在破裂壓力梯度大于0.030MPa／m下未能壓開地層。

 

1．2　巖石非均質(zhì)性(含黏土礦物)影響

數(shù)值模擬研究表明^[6]，如果巖石中存在顯微結(jié)構(gòu)異向性，那么壓裂過程中會出現(xiàn)應(yīng)變軟化和變形局部化，這種軟化效應(yīng)主要是先前異向性的再組織弱粒子沿著高應(yīng)變面聚集分布。在應(yīng)變過程中，初始粒度變化促進(jìn)應(yīng)變的局部化，細(xì)粒帶作為巖石異向性的存在，制約著剪切帶的定位與規(guī)模。這種現(xiàn)象會增加巖石塑性而增加其抗壓能力，使破裂壓力增大。

地層中若黏土含量較高，在壓裂過程中，也會存在類似的情況。即粒度減小將引起巖石變形機(jī)制從位錯蠕變向擴(kuò)散蠕變轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，可塑性增強(qiáng)。尤其是巖石強(qiáng)度變化，決定著應(yīng)變發(fā)育情況，巖石強(qiáng)度降低，則易產(chǎn)生塑性變形，增加了地層破裂難度，從而使破裂壓力增加。元壩陸相儲層砂泥巖互層頻繁，局部高含黏土礦物的泥質(zhì)含量高，如YB2-側(cè)平1井須二段上層、YB4井須四段、YL704H井須三段下層、YB101井珍珠沖組等，泥質(zhì)含量在12.6％～55.18％，使得巖石塑性增強(qiáng)或抗破裂能力增強(qiáng)。因此，破裂壓力明顯升高，破裂壓力梯度為0.029～0.036MPa／m。

1．3　井斜因素影響

在鉆井過程中，若井眼方向與地層垂向應(yīng)力方向不平行，會導(dǎo)致壓裂施工時破裂壓力偏高(圖2)。由圖2可見，隨著井斜角增加，破裂壓力相應(yīng)增加。元壩陸相有些井是斜井或水平井，也是引起儲層高破裂壓力的原因之一。如YB2-側(cè)1井珍珠沖組一須二段下層、YL6井須二段、YL10井珍珠沖組和須二段、YL601H井須二段、YL701井須三段上層等，這些井都是斜井或水平井，井斜也引起破裂壓力明顯升高，破裂壓力梯度為0.027～0.037MPa／m。

 

1．4　裂縫污染影響

地層條件下，鉆井液浸泡對巖石三軸力學(xué)參數(shù)有較大影響(圖3、4)。由圖3、4可以看出，在50MPa壓力下，巖樣經(jīng)過5d、10d的鉆井液浸泡后，巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量顯著下降，而泊松比增大(CHl37井鉆井液浸泡前泊松比為0.28；鉆井液浸泡后泊松比為0.67)，使得巖石破裂時橫向變形和軸向變形增加，增加了巖石抵抗破裂的能力。表明泊松比增加，巖石破裂壓力增加。

 

 

另一方面，元壩地區(qū)陸相儲層裂縫發(fā)育，鉆井過程中鉆井液漏失嚴(yán)重，對儲層滲流通道堵塞污染嚴(yán)重，也增大巖石塑性或泊松比，致使儲層巖石破裂壓力顯著升高。如YL3井須四段，裂縫局部發(fā)育，鉆井中鉆井液漏失量258.8m³，地層污染大，破裂壓力梯度達(dá)0.028MPa／m；而更深層的須二段，裂縫欠發(fā)育，鉆井液污染輕，地層破裂壓力梯度只有0.025MPa／m；YL7井須三段裂縫發(fā)育，鉆井液漏失量114.5m³，地層污染大，破裂壓力梯度高達(dá)0.033MPa／m；YL20井，須二段裂縫發(fā)育，鉆井液漏失量394m³，地層污染嚴(yán)重，破裂壓力梯度也高達(dá)0.028MPa／m。

2　降低地層破裂壓力技術(shù)對策

2．1　噴砂射孔預(yù)處理

噴砂射孔是根據(jù)水動力學(xué)動量沖量原理，利用地面壓裂車將混有一定濃度石英砂的水漿加壓，通過油管泵送至井下，水砂漿通過井下射孔工具的噴嘴噴射出高速射流，射穿套管和近井地層，形成一定直徑和深度的射孔孔眼。水力噴砂射孔的介質(zhì)是水砂漿，其中水流是攜帶／JHN_砂粒、傳輸能量的載體，水流的動量傳遞給固體砂粒后，砂粒被加速，當(dāng)這些砂粒沖擊靶物時，對靶物產(chǎn)生剝蝕破壞，在套管、水泥環(huán)介質(zhì)中產(chǎn)生沖蝕磨損。它為常規(guī)依靠射孔彈或聚能彈穿透套管而進(jìn)入地層的射孔和割縫處理工藝補(bǔ)充了一種新的手段。現(xiàn)場施工應(yīng)用實踐表明，噴砂射孔能在目的層噴出30～70cm的清潔滲流通道，能夠降低破裂壓力5～10MPa。如YL10井須三段(4144～4155m)井段，采用常規(guī)射孔時未能壓開地層，實施噴砂射孔后，雖因該井處于高應(yīng)力區(qū)，裂縫發(fā)育而地層污染大，致使地層破裂壓力梯度高達(dá)0.032MPa／m，但仍然壓開了地層。

2．2　優(yōu)化射孔參數(shù)

射孔孔眼是溝通井筒和地層的通道，影響破裂壓力的射孔參數(shù)主要有射孔方位、射孔密度、射孔孔徑和射孔深度等。

2．2．1射孔方位角優(yōu)化

根據(jù)彈性力學(xué)理論∽，裂縫總是沿垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸，因此孔眼方向與最小主應(yīng)力的夾角為90°時，就是最佳孔眼方向，垂直于最小水平主應(yīng)力的平面稱為最佳平面。

當(dāng)孔眼與最佳平面有一定夾角時，夾角越大，破裂壓力越高，裂縫從孔眼處起裂的機(jī)會就越小，若裂縫不從孔眼處起裂，將出現(xiàn)圖5的情況而顯著增加破裂壓力。

 

可見，射孔方位選擇合理可以避免裂縫彎曲，降低破裂壓力，確保裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸。研究表明，當(dāng)射孔方位角為0°或180°時(沿最大水平主應(yīng)力方向)，可有效降低破裂壓力和預(yù)防油氣井出砂。川東北地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向大致在北東方向(直角坐標(biāo)系的1、3象限)，因此，射孔相位角多選擇在45°～60°范圍，以盡可能保持孔眼方向與最大水平主應(yīng)力方向一致。

2．2．2射孔密度優(yōu)化

根據(jù)射孔密度與起裂壓力的關(guān)系(圖6) ^[7-8]，隨著射孔密度的增加，裂縫起裂(破裂)壓力呈降低趨勢。當(dāng)孔密從6～16孔／m變化時，起裂壓力降低不明顯，但從16～20孔／m變化時，起裂壓力顯著降低。在考慮套管強(qiáng)度條件下，元壩陸相井目的層射孔密度都選擇為16孔／m。

 

2．2．3射孔孔眼直徑優(yōu)化

根據(jù)裂縫起裂壓力與射孔孔徑的關(guān)系(圖7) ^[7]，裂縫起裂(破裂)壓力隨孔眼直徑的增加呈下降趨勢。因此，射孔時應(yīng)盡可能選擇較大直徑的射孔彈進(jìn)行射孔。但在相同的射孑L條件下，射孔孔徑越大，則射孔深度越小，為了兼顧射孔孔眼深度，元壩陸相井目的層射孔孔眼直徑多選擇在12～16mm范圍。

 

2．2．4射孔深度優(yōu)化

根據(jù)裂縫起裂壓力與射孔深度的關(guān)系(圖8) ^[7]，從射孔根部起裂時，隨著孔深增加，起裂壓力先減小后增加，射孔深度為0.5m時，起裂壓力最低。因為孔深較小時，鉆井引起的近井筒應(yīng)力變化沒消除，限制了裂縫起裂，所以起裂壓力增加；當(dāng)孔深增大時，孔眼尖端不受近井筒應(yīng)力的影響，所以孔眼根部起裂壓力降低。當(dāng)射孔深度超過0.5m時，孔眼尖端與根部的應(yīng)力區(qū)相互影響較小，起裂壓力增加；但當(dāng)孔眼深度達(dá)到0.8m后，起裂壓力增加不明顯。表明孔深達(dá)到一定深度以后，孔眼尖端與根部應(yīng)力相互影響消失，起裂壓力小再隨孔深增加而增加或增加不明顯。

 

從射孔尖端起裂時，隨著孔深增加起裂壓力先是降低，當(dāng)孔深大于0.5m后，起裂壓力幾乎不再減小。表明，隨著孔道長度增加，液體壓力在孔壁上有效作用面積增大，用于破裂地層的液體能量增大，使得孔眼的周向應(yīng)力增加而地層破裂壓力降低。當(dāng)孔深突破近井筒應(yīng)力集中帶后，井壁應(yīng)力集中已最大限度地釋放，近井筒應(yīng)力對孔眼尖端影響很小，破裂壓力主要受到遠(yuǎn)場地應(yīng)力的影響。因此，破裂壓力不再隨孔深的增加而明顯減小。

綜上可知，無論裂縫是從射孔孔眼根部起裂，還是從射孔孔眼尖端起裂，其射孔深度以控制在0.3～0.5m為宜，川東北元壩地區(qū)陸相井目的層射孔深度多保持在這一最佳范圍。

2．3　加重酸壓技術(shù)

加重酸壓技術(shù)是在酸液中加入加重劑無機(jī)鹽，形成最高密度達(dá)1.85g／cm³的加重酸液，達(dá)到增加液柱壓力，降低井口壓力，進(jìn)而降低井口作業(yè)壓力的目的。如YB2-側(cè)1井位于元壩地區(qū)巖性圈閉兩翼高應(yīng)力區(qū)，其須二段上部(井深4512～4535m)裂縫發(fā)育，地層污染嚴(yán)重，致使地層破裂壓力梯度高達(dá)0.036MPa／m，采用常規(guī)酸壓時，在井口限壓條件下壓不開地層。改用密度1.85g／cm³加重酸液體系后，順利地壓開地層，實現(xiàn)了該層的加重酸壓改造。

2．4　酸損傷技術(shù)

酸損傷技術(shù)是通過酸液對目的層巖石進(jìn)行酸液浸泡(或酸洗)，使得酸液通過井壁上的薄弱部位，與井壁處的鉆井液濾餅、鉆井液固體顆粒、儲層巖石骨架、膠結(jié)物顆粒等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使巖石顆粒排列方式和孔隙度等發(fā)生變化，降低巖石強(qiáng)度和改善巖石滲透性，進(jìn)而降低巖石破裂壓力。該技術(shù)在現(xiàn)場實施時不需要增加其他額外設(shè)備，操作簡單方便，目前在元壩陸相儲層改造中得到廣泛應(yīng)用(表1)。

 

2．5　降低施工摩阻

降低施工摩阻雖然不能直接降低井底破裂壓力，但能夠降低施工作業(yè)的井口壓力，進(jìn)而降低施工作業(yè)難度，這相當(dāng)于降低了地層破裂壓力。主要措施就是采用大內(nèi)徑的施工注入管柱和采用降阻性能良好的酸液或壓裂液體系。元壩陸相儲層酸壓或加砂施工中，多采用Æ88.9mm油管或Æ88.9mm+Æ114.3 mm組合大油管注入管柱，且在酸液或壓裂液中加入降阻劑或滑溜水，以降低施工摩阻，進(jìn)而降低井口壓力(表1)。

3　現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

表1是元壩地區(qū)陸相已改造井破裂壓力及其成因和降低地層破裂壓力技術(shù)措施現(xiàn)場應(yīng)用效果的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表。由表1可見，儲層破裂壓力梯度普遍偏高，大多在0.026～0.037MPa/m范圍。

由表l還可看出，有效降低元壩陸相儲層破裂壓力的技術(shù)對策主要包括射孔參數(shù)優(yōu)化(長井段、大孔徑、高孔密)、深穿透射孔(含水力噴砂射孔和補(bǔ)充射孔)、加重酸壓、酸損傷(酸液浸泡與酸洗)、降低摩阻施工(大內(nèi)徑管柱注入和降阻性好的酸液或壓裂液體系)等工藝技術(shù)措施。表1中的現(xiàn)場應(yīng)用實例表明，只要單獨或組合采用這些工藝技術(shù)措施，就能有效降低地層破裂壓力，實現(xiàn)元壩陸相高破裂壓力儲層的有效改造，如果不采用針對性較強(qiáng)的降低破裂壓力技術(shù)措施或降破裂壓力措施不到位，就難以壓開地層或壓開地層后也會因降低破裂壓力效果差而不能完成設(shè)計加砂量或設(shè)計注酸量。

4　認(rèn)識與結(jié)論

1)元壩地區(qū)處于強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用的應(yīng)力場環(huán)境中，儲層三軸應(yīng)力大，破裂壓力普遍偏高；儲層局部高含黏土礦物的泥質(zhì)含量，巖石可塑性增加，抗應(yīng)變能力增強(qiáng)，使巖石破裂壓力增高；有的井屬斜井或水平井，井筒與垂向應(yīng)力方向不平行，裂縫起裂壓力增加，使得地層破裂壓力增加；很多井目的層天然裂縫發(fā)育，鉆井過程中鉆井液漏失量大，儲層污染嚴(yán)重，巖石泊松比增加，抗破裂能力增強(qiáng)，巖石破裂力顯著增加。這些多因素的影響結(jié)果，導(dǎo)致了元壩地區(qū)陸相儲層巖石破裂壓力普遍在0.026～0.037MPa／m范圍。

2)理論和現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，優(yōu)化射孔參數(shù)而采用長井段、大孔徑、高孔密、近最大水平主應(yīng)力方向、深穿透射孔、采用酸損傷與加重酸壓及采用降摩阻施工等工藝技術(shù)措施，能有效降低元壩地區(qū)陸相儲層的破裂壓力，實現(xiàn)儲層酸壓或加砂壓裂改造，進(jìn)而實現(xiàn)元壩地區(qū)陸相氣藏的有效開發(fā)。

 

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本文作者：蒲洪江  何興貴  黃霞

作者單位：中國石化西南油氣分公司

  中國石化西南石油工程有限公司