深层页岩气水平井储层压裂改造技术

四川盆地南部深层页岩气资源量大,但由于埋藏深、构造复杂,适于3 500 m以浅页岩气储层的分段体积压裂主体工艺技术在3 500 m以深页岩气储层的压裂改造中出现了不适应性,难以形成复杂缝网。为此,借鉴埋深为3 500 m以浅的页岩气实现规模效益开发的压裂工艺技术,结合深层页岩的构造与储层特征,形成了一套适合于深层复杂构造页岩气水平井的储层改造技术,并在渝西地区深层页岩气井的压裂改造中进行了现场实践。研究结果表明:①天然裂缝综合预测技术实现了对天然裂缝带的精细刻画及天然裂缝发育强度的定量预测,为后续压裂施工优化提供了依据;②在页岩储层可压性评价参数中,脆性指数、缝网扩展能力指数及含气性指数越大,储层可改造潜力越大、气井增产效果越好;③采用大规模前置液工艺,"高强度注液、低孔数、低浓度段塞式加砂"工艺,以及实施暂堵转向的缝网复杂度提升工艺,单井储层增产改造体积(SRV)与产能得到了有效提升。结论认为,所形成的储层改造技术适用于深层页岩气储层的压裂改造作业,可以为同类型页岩气井的压裂施工提供借鉴。     

深层页岩气水平井体积压裂技术

深层(深度超过3 500 m)页岩气储层地应力高、水平两向应力差异大、层理和天然裂隙分布复杂、岩石塑性特征强,导致水力裂缝破裂延伸困难、裂缝复杂性程度及改造体积低、导流能力低且递减快,极大制约了深层页岩气的经济有效开发。为此提出了针对性与现场可操作性均强的深层页岩气水平井体积压裂技术方案,即以平面射孔、多尺度造缝、全尺度裂缝充填及高角度天然裂缝延伸控制为核心,配套形成了多级交替注入模式(酸、滑溜水、胶液)以及以变黏度、变排量、混合粒径及小粒径支撑剂为主体的工艺方法,最大限度地提高了深层页岩气的有效改造体积(ESRV)。在四川盆地永川、威远及焦石坝南部等深层页岩气井的压裂中,部分成果获得应用,实施效果显著。其中,永页1HF及威页1HF压后初产分别为14.1×10~4 m~3/d和17.5×10~4 m~3/d。深层页岩气水平井体积压裂技术的突破,对确保涪陵二期深层3 500~4 000 m深度范围内50×10~8 m~3页岩气产能建设目标的实现、垂深不超过6 000 m以内的巨大页岩气资源量的经济开发动用,都具有十分重要的现实指导意义。     

四川盆地威荣区块深层页岩气水平井压裂改造工艺

四川盆地南部威荣区块由于地质条件复杂、最大水平主应力和垂向主应力差异小、水平应力差值大、施工泵压高、敏感砂比低等原因,页岩气水平井的压裂施工面临诸多难题。为此,通过剖析该区深层页岩气水平井的工程地质特征及压裂改造难点,借鉴国内外页岩气水平井体积压裂的技术思路,确定了对该区页岩气水平井实施压裂改造的主体思路及技术对策,并在后续页岩气水平井的压裂改造中加以应用。研究结果表明:(1)威荣区块页岩气水平井采用常规压裂工艺形成的裂缝复杂程度低、整体改造体积偏小,射孔簇有效性难以保证,加砂强度低导致压裂后气井的稳产能力较差,并且难以应对套管变形井的压裂改造;(2)针对该区深层页岩气水平井的压裂改造难点,形成了"超高压、大排量、大液量、缝内暂堵转向、变排量"工艺、"分段多簇射孔优化+大排量"及"缝口暂堵转向"技术、"大排量、高黏度、低砂比、低密度、小粒径连续加砂"工艺和"连续油管快速处理+小直径桥塞、射孔枪分体泵送"的套管变形井压裂改造技术;(3)将所形成的压裂工艺应用于该区块5口页岩气水平井,压裂后获得的页岩气无阻流量平均值为26.11×104 m3/d,改造效果较好。结论认为,该研究成果可以为深层页岩气水平井的压裂施工作业提供借鉴。     

密切割分段压裂工艺在深层页岩气Zi2井的应用

深层页岩储集层高温、高地应力、高水平应力差特征明显,常规分段压裂后,储集层改造体积偏低,裂缝复杂程度偏低,气井测试产量偏低。主要原因是,深层页岩气井压裂施工期间高泵注压力、低施工排量在常规分段参数条件下不利于提高裂缝复杂程度,导致簇间储量动用不充分。为提高工艺技术适用性及储集层改造效果,开展了深层页岩气压裂工艺优化研究,结果表明,密切割分段压裂工艺有利于增加簇间应力干扰,提高裂缝复杂程度,提升簇间资源动用效率。Zi2井初期采用常规分段压裂工艺,在压裂设计指标执行率较低的情况下,开展了密切割分段压裂工艺现场试验,裂缝复杂程度及单井储集层改造体积提升明显,证明了密切割分段压裂工艺在研究区深层页岩气井中的适用性。     

深层页岩裂缝形态影响因素

我国深层页岩气资源量丰富,但深井压裂施工压力高、加砂难度大、压后效果不理想,如何利用水力压裂措施形成有效的裂缝系统仍是亟待解决的难题。鉴于此,基于室内实验及微地震监测数据,应用Meyer软件离散裂缝网络模型模拟川东南某深层页岩气区块裂缝扩展规律（模拟精度可达85%以上）。通过正交设计及方差分析明确了压裂液黏度是影响深层页岩压裂裂缝形态中缝宽和SRV的主控因素,并将裂缝扩展分为前1/5~1/4时间段内的快速生成期和之后的缓慢增长期2个阶段。提出了目标区块深层页岩气井"大排量适度规模现场精细调控、变黏度混合压裂液充分造缝、小粒径低砂比连续加砂有效支撑"的技术思路,确定了单井液量、砂量、排量等最优参数范围。指导了一口3 900 m深水平井的压裂施工,综合砂液比为3.51%,单段最高砂量为80.6 m₃,压后获得了11.4万m₃的测试产量。该研究为类似深层页岩气井压裂设计提供了依据。     

川东南深层页岩气分段压裂技术的突破与认识

四川盆地东南部深层(垂深超过2 800 m)页岩气藏受地质背景和成岩作用的影响,储层矿物成分及孔隙结构特征复杂多变,岩石塑性与非线性破裂特征明显增强,最大与最小主应力差异绝对值加大,导致分段压裂施工破裂压力与延伸压力高、裂缝宽度小、砂液比与裂缝导流能力低、体积裂缝难以形成,严重影响了压后页岩气的产能。基于对深层岩石力学性质、地应力特征、破裂特征及裂缝形态特征的分析研究,提出了"预处理酸+胶液+滑溜水+胶液"混合压裂施工新模式及配套技术。现场应用效果表明:丁页2HF井下志留统龙马溪组压后获得页岩气无阻流量10.5×10~4 m~3/d,取得了地质突破;金页1HF井下寒武统笻竹寺组压后获得页岩气无阻流量10.5×10~4 m~3/d,有望获得商业突破。结论认为:①深层页岩复杂缝难以形成,其压裂技术应有别于中深层;②所建立的破裂压力模型可为深层破裂压力的预测提供有效手段;③降低施工压力是确保深层压裂施工安全的关键之一;④深层页岩压裂除了储层应具有良好的物质基础外,增加压裂裂缝复杂性与形成高导流裂缝也非常关键。     

深层页岩气井压裂工艺探索与实践

深层页岩(埋深3500 m)具有储层埋深大、物性差、应力高等特点,压裂改造存在施工压力高、加砂困难、改造难度大等难题,已形成的浅页岩储层压裂配套工艺技术及经验成果,难以完全满足深层页岩气高效开发需求。针对深层页岩气井压裂技术难题,将在升级、完善配套装备的同时,提出有针对性的深层页岩气井压裂技术思路与对策,主要包括:综合降压技术(前置酸预处理、粉砂打磨、射孔参数优化);液体粘度、施工参数优化技术(变粘度、变排量);提高SRV技术(提高净压力措施、暂堵转向);施工控制技术(优化加砂程序)等。通过现场实践,对不同区块深层页岩气压裂施工工艺技术进行了探索,并取得了一些成功经验,为国内深层页岩气储层的压裂改造提供了技术借鉴。     

裂缝宽度对页岩气开发的影响研究

长水平井体积压裂作为页岩气藏开发的主要技术手段,裂缝网络的有效性影响着开发效果。文中基于离散裂缝模型(DFM),综合考虑页岩气藏多尺度渗流机理,利用有限元分析方法进行数值求解,通过典型模型研究裂缝宽度对近井地带压力分布和生产井动态响应特征的影响。结果表明:对于特定页岩气藏,压裂裂缝宽度和天然裂缝宽度只有满足一定条件才能高效开发,当压裂裂缝超过一定限度时,由于裂缝的高导流能力使得压力波迅速传播到边界,不利于赋存在微纳尺度孔隙中页岩气的渗流,从而降低了页岩气的开发效果;在控制压力波传播到边界时间的同时,适当改善天然裂缝宽度,可以有效增加基质-裂缝接触面积,提高页岩气产量。针对不同页岩气藏天然裂缝实际发育状况和地质特征,利用数值模拟结果可以指导压裂施工,实现页岩气藏的高效开发。     

降低深层页岩气井压裂施工压力技术探讨

我国深层页岩气资源量丰富,目前已在川渝地区取得了单井产量突破.从施工效果上看,受埋藏深和闭合压力高的影响,多数深层页岩气井表现为施工难度大、砂液比敏感、加砂强度偏低、压后产量低且递减快,多数仍达不到商业开发价值.研究发现,施工压力偏高是普遍制约压裂设计和施工效果的关键.对比国外相同埋深页岩气井,国内深层页岩气井压裂施工压力普遍高出15～20MPa.施工压力窗口窄,导致多簇密切割、暂堵转向、连续加砂等主流工艺根本无法正常实施.鉴于此,基于室内岩石力学实验和数值模拟,分析了引起深层页岩气井高施工压力的主控因素,进一步探讨了降低施工压力的技术对策.从钻完井-压裂一体化、压裂地质评价-工程设计一体化、压裂施工-后评估一体化3个不同角度提出了深层页岩气井压裂技术发展建议,为实现深层页岩气井压裂有效降压-促缝-稳压一体化现场实施与控制提供了依据.     

页岩气藏水平井分段压裂渗流特征数值模拟

页岩气藏具有独特的存储和低渗透特征,其开采技术也有别于常规气藏的开采技术,水平井完井技术和分段压裂技术是成功开发页岩气藏的两大关键技术。水平井完井和分段压裂后形成的复杂裂缝网络体系以及吸附气的解吸作用等因素,都给页岩气井的渗流机理研究带来极大挑战。研究表明,利用数值模拟软件来模拟页岩气井的裂缝网络系统,不仅能模拟页岩气的渗流机理,也能为编制页岩气藏开发方案提供可靠的理论依据。因此以Eclipse2010.1数值模拟软件为研究平台,建立了３种考虑吸附气解吸的页岩气分段压裂水平井数值模型,能够模拟页岩气藏水平井的生产动态,对体积压裂后形成的裂缝参数进行优化模拟。结论认为：只有通过增加水平井的数量和储层改造体积（SRV）、选取异常高压区钻井和压裂出具有充分导流能力的裂缝,才能有效提高页岩气藏的采收率,实现页岩气藏的有效开发。     

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??Deep shale gas reservoirs buried underground with depth being more than 3 500 m are characterized by high in-situ stress, large horizontal stress difference, complex distribution of bedding and natural cracks, and strong rock plasticity. Thus, during hydraulic fracturing, these reservoirs often reveal difficult fracture extension, low fracture complexity, low stimulated reservoir volume (SRV), low conductivity and fast decline, which hinder greatly the economic and effective development of deep shale gas. In this paper, a specific and feasible technique of volume fracturing of deep shale gas horizontal wells is presented. In addition to planar perforation, multi-scale fracturing, full-scale fracture filling, and control over extension of high-angle natural fractures, some supporting techniques are proposed, including multi-stage alternate injection (of acid fluid, slick water and gel) and the mixed- and small-grained proppant to be injected with variable viscosity and displacement. These techniques help to increase the effective stimulated reservoir volume (ESRV) for deep gas production. Some of the techniques have been successfully used in the fracturing of deep shale gas horizontal wells in Yongchuan, Weiyuan and southern Jiaoshiba blocks in the Sichuan Basin. As a result, Wells YY1HF and WY1HF yielded initially 14.1×104 m3/d and 17.5×104 m3/d after fracturing. The volume fracturing of deep shale gas horizontal well is meaningful in achieving the productivity of 50×108 m3 gas from the interval of 3 500–4 000 m in Phase II development of Fuling and also in commercial production of huge shale gas resources at a vertical depth of less than 6 000 m.     

页岩气水平井泵送桥塞射孔联作常见问题及对策

泵送桥塞+射孔联作分段压裂近年来在国内外页岩气藏及致密气藏开发中广泛应用。在页岩气水平井泵送桥塞射孔联作分段压裂实践中遇到了泵送桥塞因压力高而不能泵送、桥塞坐封不丢手、桥塞坐封时电缆不点火、电缆点火后桥塞不坐封、射孔枪不响或2簇射孔只射1簇、连续油管射孔意外丢手等各种问题。针对所出现的问题进行原因分析,制定了防范措施和解决方案,现场实施后各页岩气井水平井段的压裂改造施工得以完成,所取得的经验和教训可供今后同类井施工借鉴和参考。     

深层页岩气水平井“增净压、促缝网、保充填”压裂改造模式——以四川盆地东南部丁山地区为例

由于埋藏深、地质特征复杂,致使针对中浅层页岩气藏的压裂工艺不能完全满足四川盆地东南部丁山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组深层页岩气储层改造的需要。为此,将地质与工程研究紧密结合,优选页岩气"地质与工程双甜点"区,开展深层页岩气水平井压裂技术攻关研究,对以往仅适用于中浅层页岩气储层的压裂模式进行改进,并将改进后的压裂模式与工艺应用于丁山地区3口深层页岩气井。研究结果表明:①该区西北部深层页岩气储层具备地质、工程"双甜点"特性,天然裂缝、层理缝发育为压裂后复杂缝网的形成创造了有利条件;②基于"双甜点"区域,研究形成了"前置酸+胶液+滑溜水+胶液"混合压裂模式,采用高黏滑溜水以提高液体携砂能力及造缝效果、"控近扩远"压裂工艺以提高远井地带有效改造体积、超高压装置以提高施工排量和缝内净压力;③3口深层页岩气井经过储层改造后,增产效果显著,测试页岩气产量介于10.50×10~4～20.56×10~4 m~3/d。结论认为,改进后的压裂模式与工艺可以为该区深层页岩气储层改造提供技术途径,为深层页岩气勘探开发取得突破提供支持。     

DY2HF深层页岩气水平井分段压裂技术

DY2HF井是位于川东南丁山构造、目的层为龙马溪组海相页岩气的重点探井,具有高温、超高应力的特点。为解决该井压裂作业存在的施工压力高和加砂困难等难题,开展了深层页岩气水平井分段压裂技术研究。根据丁山页岩特征和地应力状态,进行了井口施工压力预测和排量优化,建立了水平井段多裂缝覆盖率计算模型,并结合诱导应力场计算结果进行了段簇优化。根据页岩气网络压裂技术的特点及该井的具体情况,确定采用高减阻低伤害滑溜水和活性胶液进行混合压裂,采用低密度高强度覆膜支撑剂进行组合加砂,并对压裂参数进行了模拟优化。DY2HF井分段压裂井口限压95 MPa,施工总液量29 516 m3,总砂量319 m3,最高排量13.6 m3/min,滑溜水减阻率达78%,胶液完全水化,压裂后获得高产工业气流,实现了深层页岩气水平井压裂技术突破。该井分段压裂结果表明,丁山等深层页岩气已经具备了有效勘探开发的技术基础。      

四川省宜宾地区龙马溪组页岩水力裂缝形态实验研究

水力压裂技术是页岩储层开发中的关键技术之一,如何实现储层改造体积的最大化,是制约当前页岩储层高效开发的技术难题。通过开展水力压裂物理模拟实验,直接观察水力压裂裂缝扩展形态,有助于准确认识裂缝扩展机理。通过对762mm×762mm×914mm四川盆地龙马溪组页岩露头和人工样品开展针对性实验研究,分别考察了天然裂缝,泵注参数(排量、黏度)对该龙马溪组页岩水力压裂裂缝形态的影响,同时采用声发射监测技术,对页岩储层声发射事件分布规律进行分析。结果表明,天然裂缝的存在是实现储层复杂裂缝形态的必要条件之一,其分布形态又决定了水力裂缝形态的复杂程度;对水力裂缝形态的评估需要将施工净压力、排量、黏度三者结合考虑,提高施工净压力有利于形成复杂裂缝,随着施工排量或黏度的增长,净压力呈现先增大后减小的规律,即当排量或黏度过高时,裂缝形态又趋于单一化;声发射监测结果能够客观反映裂缝在三维空间内的扩展趋势,声发射率和振幅与泵注压力曲线趋势一致,出现多个峰值,表明页岩水力裂缝扩展具有明显的非连续特征。本工作为页岩压裂机理研究探索了实验方法,为该区块现场体积压裂工艺设计、改造后评估提供实验依据。     

川南深层页岩气水平井体积压裂关键技术

针对川南深层页岩气水平井压裂技术不成熟、关键参数不合理和压裂后单井产量低的问题,在综合分析已压裂井压裂效果的基础上,结合川南深层页岩储层地质工程特点,以提高缝网复杂程度、增大裂缝改造体积、维持裂缝长期导流能力为核心,采用室内试验与数值模拟相结合的方式,优化了压裂工艺和关键参数,形成了以“密切割分段+短簇距布缝、大孔径等孔径射孔、大排量低黏滑溜水加砂、高强度小粒径组合支撑剂、大规模高强度改造”为主的深层页岩气水平井体积压裂关键技术。Z3井应用该技术后,获得了21.3×104 m3/d的产气量,较同区块未用该技术的井提高1倍以上;川南地区多口深层页岩气水平井应用该技术后获得高产,说明该技术有较好的适应性,可推广应用。川南深层页岩气水平井体积压裂关键技术为3 500～4 500 m页岩气资源的有效动用奠定了基础。      

深层页岩气开发关键技术难点与攻关方向

为了实现深层页岩气的规模效益开发,通过对比四川盆地川南地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组龙一1亚段深层与中浅层页岩储层地质工程特征的差异,梳理了其高效开发面临的难题:较之于中浅层,我国深层页岩气储层的工程特征参数总体上呈现"五高"特点(泊松比和弹性模量高、地层温度高、水平应力差值高、破裂压力高、闭合压力高)。虽然深层页岩气在近期取得了战略突破,但其开发关键技术还欠成熟,表现在以下方面:①抗高温的旋转导向工具未实现国内商业化生产,地质导向技术对储层的预测精度低,"一趟钻"技术尚未形成,满足地层防塌与防漏需求的钻井液性能还不成熟;②深层页岩气井压裂后难以形成复杂缝网,同时裂缝起裂和延伸困难,而且加注支撑剂的难度也大,导致不易获得具有高导流能力的裂缝;③深层页岩储层孔隙中CH4相态仍不清楚,导致深层页岩气多尺度流动规律及开发技术对策不明确。为此,需要针对钻井工程、压裂工程、开发技术对策等方面开展技术攻关:①构建多源信息融合三维地质导向技术,实施"高转速、大排量、长循环"井眼强净化工艺技术,加强对油基钻井液高效微纳米封堵材料、专用堵漏材料的研发,实现水平井钻得更好更长更快;②建立深层页岩应力应变本构关系和Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ型断裂韧性模型、考虑层理弱面力学性质的流—固—热多场耦合人工裂缝扩展模型,以及考虑页岩蠕变的支撑剂嵌入力学模型与评价方法,保障储层压得更碎更充分;③深入研究页岩储层中气体微观流动能力和产出机理,优化水平井关键参数,制订合理的返排制度和生产制度,进而优化立体开发模式,以实现深层页岩气的规模高效开发。     

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超深井压裂的施工泵压、温度很高,压裂工程师如果不能准确地预测施工泵压和裂缝中温度剖面状况,就很难做出适合超深地层的压裂设计,最终导致施工失败。文章针对塔里木ＤＨ 油田超深井特点,应用全三维压裂设计软件（Ｔｅｒｒａ Ｆｒａｃ） ,准确预测施工泵压,了解裂缝中温度剖面状况,掌握裂缝延伸规律,结合油藏模拟结果,进行了三口注水井的压裂优化设计,利用增压泵压裂车组,采用适合超深地层的优质、低伤害有机压裂液新体系,现场施工取得圆满成功,增注效果显著。