摘要：四川盆地南部的古生界頁(yè)巖發(fā)育，儲(chǔ)集了豐富的天然氣資源。由于頁(yè)巖氣藏滲透率極低，通常都需要水力壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采。為此，針對(duì)區(qū)塊內(nèi)某一口頁(yè)巖氣井志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組儲(chǔ)層特征和技術(shù)改造難點(diǎn)，分別從工藝優(yōu)化、設(shè)備配套、供液配套、高低壓連接到質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將整體配套技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)并取得了成功，證實(shí)了采用大型水力壓裂作業(yè)技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣藏實(shí)施增產(chǎn)改造是可行的，為下一步頁(yè)巖氣藏的規(guī)?；?、效益化開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；開(kāi)發(fā)；水力壓裂；先導(dǎo)性試驗(yàn)；四川盆地；南；志留紀(jì)；寒武紀(jì)

    頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)天然氣^[1]，在一定地質(zhì)條件下可聚集成藏并達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值^[2～3]。頁(yè)巖氣藏因其儲(chǔ)層物性差、孔隙度和滲透率低，需要應(yīng)用水力壓裂技術(shù)才能獲得經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采。

    四川盆地南部古生界頁(yè)巖氣藏資源豐富，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在2006年初步評(píng)估該區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源量為6.8×10¹²～8.4×10¹²m^3[4～5]。Wx井是威遠(yuǎn)地區(qū)部署的一口頁(yè)巖氣井，該井古生界頁(yè)巖地層為一套淺海相碎屑巖沉積，其中龍馬溪組埋藏深度為1503.6～1543.3m，主要巖性為灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖，沉積厚度分布不均，一般分布在0～200m。筇竹寺組埋藏深度介于2619.0～2821.0m，主要巖性為深灰、灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖，其厚度在該區(qū)分布較穩(wěn)定，厚度為400～600m，往威遠(yuǎn)的東南方向變厚。兩個(gè)層位頁(yè)巖氣藏內(nèi)裂縫不發(fā)育，基質(zhì)平均滲透率0.00018mD，總孔隙度為3%～4%，儲(chǔ)層的孔隙度較低，儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間主要是吸附氣為主，游離氣以裂縫性游離氣為主，孔隙性游離氣次之。

    2010年，分別對(duì)Wx井的龍馬溪組和筇竹寺組實(shí)施了大型水力壓裂作業(yè)，試驗(yàn)獲得了成功。

    由于頁(yè)巖氣藏巖性特別致密，對(duì)作業(yè)井的壓裂特征參數(shù)不清楚，試驗(yàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，加上頁(yè)巖氣藏壓裂作業(yè)井規(guī)模大、排量高，需要?jiǎng)佑玫脑O(shè)備也多，在工藝設(shè)計(jì)、地面配套等方面需要進(jìn)行難點(diǎn)與對(duì)策分析。

    由于頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂時(shí)易產(chǎn)生多裂縫，液體濾失嚴(yán)重，人工裂縫寬度受限，支撐劑進(jìn)入地層難度大；加之頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度、基質(zhì)滲透率極低，外來(lái)液體的侵入容易引發(fā)二次傷害，對(duì)壓裂裂縫導(dǎo)流能力有較大影響。為了有效補(bǔ)償液體濾失，并確?？p寬適度，采用大排量施工、小粒徑、低密度、低砂比、段塞式加砂模式；為了減少壓裂液對(duì)地層的二次傷害，選用低成本、低含水不溶物的滑溜水液體體系。針對(duì)首次試驗(yàn)對(duì)地層壓裂特征參數(shù)不清楚的情況，主壓裂前進(jìn)行小型測(cè)試壓裂，并輔以連續(xù)油管帶井下壓力計(jì)實(shí)測(cè)井底處理壓力，求取準(zhǔn)確的地層壓裂參數(shù)以指導(dǎo)優(yōu)化主壓裂。針對(duì)潛在的頁(yè)巖氣藏高破裂壓力難題，結(jié)合室內(nèi)對(duì)地層礦物成分的分析和酸溶蝕實(shí)驗(yàn)，利用連續(xù)油管進(jìn)行小型的酸化處理，可以適當(dāng)?shù)慕獬貐^(qū)的濾餅堵塞，緩解井附近的應(yīng)力集中，有效地降低地層的破裂壓力。

   與常規(guī)水力壓裂相比，頁(yè)巖氣藏壓裂作業(yè)屬于高排量(大于10m³/min)、超大規(guī)模(大于2000m³)，常規(guī)供液模式已不適用，需要有針對(duì)性地進(jìn)行配套優(yōu)化。

1.2.1 供液管匯

   為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工排量12m³/min，在低壓管匯連接上，液罐之間采用Φ304.8mm管匯和同尺寸分配器連接(常規(guī)作業(yè)用的是Φ244.5mm)，液罐和Φ304.8mm主分配器之間采用Φ152.4mm管匯連接，其中靠近混砂車(chē)的8個(gè)液罐采用叉管線(xiàn)連接，并將其固定為主供液罐，以確保施工后期高排量下的順利供液。

1.2.2 供液方案

    在供液上，總體原則采用遠(yuǎn)近搭配供液方式。提前對(duì)液罐進(jìn)行編號(hào)規(guī)劃，施工時(shí)供液采取由遠(yuǎn)到近的方式，逐步向主供液罐靠攏，所有液罐采用自身泵供液方式。如果自身泵出現(xiàn)故障，則立即用備用潛水泵向相鄰液罐轉(zhuǎn)液。

1.2.3 混砂車(chē)吸入及排出管匯

    混砂車(chē)吸入采用Φ101.6mm管線(xiàn)與Φ304.8mm分配器連接，排出采用Φ101.6mm管線(xiàn)與高低壓分配器連接?？傮w為“12進(jìn)6出”。

    從壓裂車(chē)到井口處高壓流體通道要滿(mǎn)足高排量的需求，還要考慮超大規(guī)模帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間對(duì)管路沖刷影響，另外，常規(guī)的井口裝置無(wú)法滿(mǎn)足高排量的注入，會(huì)帶來(lái)較大的節(jié)流效應(yīng)，需要對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行重新配套優(yōu)化。

    1) 為滿(mǎn)足高排量注入，采用4根Φ76.2mm高壓管線(xiàn)注入，目的是降低單根管線(xiàn)流速，減少攜砂液對(duì)高壓管線(xiàn)及閥件的沖蝕，同時(shí)能較好地防止高壓流程震動(dòng)，保證流程安全。

    2) 為保證長(zhǎng)時(shí)間、大排量加砂井控安全，設(shè)計(jì)加工了一套與原井口配套的、適用于套管注入的壓裂專(zhuān)用特殊六通，既能滿(mǎn)足壓裂作業(yè)時(shí)大排量的注入需求，有效減小井口的節(jié)流，又能在作業(yè)后不動(dòng)井口條件下直接排液生產(chǎn)。

    3) 高壓注入主管線(xiàn)旋塞閥采用Φ76.2mm大通徑旋塞閥，減少節(jié)流壓力和沖蝕。

    4) 施工采用2套高壓密度計(jì)、2套壓力傳感器對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證施工數(shù)據(jù)的有效連續(xù)性。

    5) 通過(guò)優(yōu)化配置水馬力，整個(gè)注入系統(tǒng)共采用總計(jì)26000馬力(1馬力=735.499W)的HQ 2000型壓裂車(chē)組13臺(tái)。

    6) 配備儀表車(chē)和混砂車(chē)各2臺(tái)，2臺(tái)儀表車(chē)同時(shí)采集和處理，混砂車(chē)1臺(tái)用于施工，1臺(tái)備用，以確保整個(gè)作業(yè)流程的連續(xù)性。

    Wx井壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

    為確保頁(yè)巖氣藏首次壓裂施工嚴(yán)格受控，特制定了一套近乎苛刻的QA/QC^[6]工藝方法。包括：配液罐清潔情況查驗(yàn)、配液用水質(zhì)量分析、添加劑材料復(fù)核、配液前實(shí)驗(yàn)小樣的配制、配液過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量控制、施工前液體質(zhì)量檢查、施丁過(guò)程中液體切換的監(jiān)控等。

2.2.1 配液設(shè)備的質(zhì)量控制

    配液前對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查(車(chē)輛、管線(xiàn)潔凈情況)，要求配液設(shè)備工況良好，無(wú)殘酸、殘堿、殘菌、鐵銹、油污及其他機(jī)械雜質(zhì)，確認(rèn)所有閥門(mén)操作靈活并無(wú)滲漏，確認(rèn)罐上攪拌器是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，檢查合格后方可使用。

2.2.2 入井材料的質(zhì)量控制

    配液用水檢測(cè)(數(shù)量、外觀(guān)、機(jī)械雜質(zhì)、pH值)，要求配液用水達(dá)到注入水標(biāo)準(zhǔn)。配液前對(duì)入井添加劑材料的品名、數(shù)量、包裝、生產(chǎn)批次進(jìn)行檢查，要求現(xiàn)場(chǎng)添加劑材料必須與室內(nèi)抽樣試驗(yàn)的添加劑材料相吻合。對(duì)支撐劑同樣要進(jìn)行抽檢和產(chǎn)品取樣保存，現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)材料包裝信息與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)批號(hào)一致等。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行狀況

    在井場(chǎng)設(shè)立了臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行預(yù)混合測(cè)試、壓裂液混合期間的質(zhì)量檢測(cè)測(cè)試；配液期間專(zhuān)業(yè)人員對(duì)配液過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，嚴(yán)格控制配液程序的規(guī)范化；施工期間，嚴(yán)格控制不同液體之間的有序切換。

    2010年7—9月，在Wx井標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，分別對(duì)筇竹寺組、龍馬溪組頁(yè)巖氣層成功實(shí)施了水力壓裂作業(yè)(圖1)。作業(yè)期間，供液流暢有序，多種支撐劑的轉(zhuǎn)換有條不紊，壓裂車(chē)長(zhǎng)時(shí)間泵注依然保持平穩(wěn)，2臺(tái)儀表車(chē)監(jiān)控與采集正常，整個(gè)作業(yè)流程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了圓滿(mǎn)成功。

2.3.1 筇竹寺組頁(yè)巖氣層壓裂

    施工曲線(xiàn)如圖2所示。注入地層總液量1800.51m³，支撐劑16.7m³(26.55t)。其中100目石英砂3.4m³(5.38t)，40～70目陶粒13.3m³(21.17t)。泵注壓力63.5～64.4MPa，施工排量6.4m³/min，最高砂濃度58kg/m³，平均砂濃度35kg/m³(段塞式加砂模式)。

 

2.3.2 龍馬溪組頁(yè)巖層壓裂

    施工曲線(xiàn)如圖3所示。施工泵注壓力36.1～40MPa，施工排量10.1～10.2m³/min，平均砂濃度115kg/m³。注入地層總液量2036m³，支撐劑163.4t。

 

   1) 四川盆地頁(yè)巖氣藏壓裂施工的成功，標(biāo)志著采用大型水力壓裂作業(yè)技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣藏實(shí)施增產(chǎn)改造是可行的。通過(guò)對(duì)Wx井2次作業(yè)的先導(dǎo)性試驗(yàn)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，包括施工組織、地面配套、質(zhì)量控制等，初步形成了頁(yè)巖氣藏大型水力壓裂作業(yè)的配套技術(shù)，為下一步頁(yè)巖氣藏的水力壓裂作業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    2) Wx井頁(yè)巖氣藏水力壓裂先導(dǎo)性試驗(yàn)只是一個(gè)開(kāi)始，還需要對(duì)大型水力壓裂整體配套技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化、完善，在未來(lái)的作業(yè)中針對(duì)大型水力壓裂作業(yè)的環(huán)保問(wèn)題也要引起重視。另外，頁(yè)巖氣藏的壓裂機(jī)理、效果預(yù)測(cè)、壓裂模擬、支撐劑優(yōu)化鋪置等研究國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段，還需要更加深入地開(kāi)展研究工作。

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(本文作者：葉登勝 尹叢彬 蔣海 方澤本李建忠 川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)