CN107780913B

CN107780913B - 一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法

Info

Publication number: CN107780913B
Application number: CN201610737334.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋廷学; 刘红磊; 路保平; 周林波; 李洪春; 刘建坤; 王世栋; 曲海; 周珺
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: CN107780913A

Abstract

本发明公开了一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法。包括：(1)压前储层评价；(2)裂缝三向延伸规模模拟分析；(3)水力喷射射孔参数设计；水力喷嘴分布在一个平面内；对裂缝向上或向下延伸无特殊要求的在一个平面内均匀分布；裂缝需要向上或向下过度延伸的，水力喷射管串的横切剖面上，在上半圆周或下半圆周位置采用非均匀布孔方式；(4)注入模式设计；注入模式采用高黏度胶液；前置注入方式，配合设计最大排量进行；(5)变密度支撑剂优选；(6)实时提升主裂缝净压力的施工参数设计及调整。本发明的方法能最大限度挖掘页岩气藏增产潜力，提高压裂成功率。满足页岩油气藏体积压裂的需要，有利于水力压裂工艺的推广应用。

Description

一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探和开发技术领域，进一步地说，是涉及一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法。

背景技术

在常压页岩气的钻井中，尤其是水平井筒钻进时，虽然目标层是某个确定的页岩气层，如龙马溪组的3号小层，但由于地层倾角的变化或随钻资料的缺乏，有时会发生井筒偏离目的层的情况，发现后再调回原来的目的层。或者，有时由于担心某个固定的页岩气层位的钻进，会把裂缝高度限制在某个范围内，有时也有意识在多个页岩气层位钻进。换言之，水平井筒穿行多个页岩气层位的情况是时常发生的。针对这种水平井筒轨迹穿越多层的页岩气压裂，目前国内外还没有针对性的压裂技术和解决方案。如何最大限度地提高有效裂缝改造体积，难度较大，主要体现在以下几个方面：

1)以往的螺旋式射孔技术不能兼顾裂缝向上延伸或向下延伸的技术要求。如水平井筒在目的层的上方，需要裂缝向下更多地延伸，反之，则需要裂缝向上更多地延伸。常规的螺旋式射孔在水平井筒的上下都是均匀布孔，无法满足上述要求。

2)常规的压裂支撑剂密度都是一种，对需要向上更多延伸和支撑情况而言，常规密度支撑剂由于重力作用，裂缝中上部难以获得有效的支撑，使有效的改造体积大幅度降低，从而影响压后产能的充分挖掘。

3)通过压裂施工参数调整控制裂缝向上延伸或向下延伸的难度较大。尤其是要求裂缝向下延伸穿透到底部水平层理/纹理缝相对发育的层位时，要想真正穿越此类地层，难度极大。

鉴此，需要研究提出一种新的针对性的页岩气水平井筒穿越多层的体积压裂技术，以解决上述难题。

发明内容

为解决现有技术中水平井筒轨迹穿越多层的页岩气压裂没有针对性的压裂技术和解决方案的问题，本发明提出了一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，常压页岩气体积压裂新技术能最大限度挖掘页岩气藏增产潜力，提高压裂成功率。满足页岩油气藏体积压裂的需要，有利于水力压裂工艺的推广应用。

本发明的目的是提供一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法。

所述方法包括：

(1)压前储层评价

(2)裂缝三向延伸规模模拟分析

(3)水力喷射射孔参数设计

水力喷嘴分布在一个平面内；对裂缝向上或向下延伸无特殊要求的在一个平面内均匀分布；裂缝需要向上或向下过度延伸的，水力喷射管串的横切剖面上，在上半圆周或下半圆周位置采用非均匀布孔方式；

(4)注入模式设计

注入模式采用高黏度胶液，黏度大于100mPa·s；前置注入方式，配合设计最大排量进行；

(5)变密度支撑剂优选

需要裂缝向下更多延伸和支撑的，采用常规密度支撑剂利用其重力作用实现；对于裂缝需要向上更多延伸和支撑的，采用超低密度支撑剂或自悬浮支撑剂；

(6)实时提升主裂缝净压力的施工参数设计及调整

在经过常规的2-3个单段式的支撑剂段塞程序后，逐步尝试不等台阶的板凳式加砂模式，以逐步探索在施工的不同阶段既保证施工安全又最大限度提升主裂缝净压力的施工参数。

其中，优选：

步骤(3)中，需要裂缝向上延伸更多时，水力喷射管串的横切剖面上，在上半圆周内增加孔数或孔径；需要裂缝向下延伸更多时，则在下半圆周内增加孔数或孔径。

对于垂深相对较浅的页岩地层，如允许的最大排量超过基于喷射速度计算的排量2倍以上，采用水力喷射串联的方法。

喷射管串在运送中的定向，采用重力定位的方式，方位角度定位0°、90°、180°、和270°，误差在±15°以内。

步骤(5)中，超低密度支撑剂的密度为1.05g/cm³～1.25g/cm³。

在闭合应力超过40MPa后采用自悬浮支撑剂。

步骤(6)中，施工早期可设计保守式板凳式加砂；施工中后期可逐步采用激进式板凳式加砂程序。

前期施工阶段的压力上述速度设定为0.5MPa/min，中后期压力上升速度设定为1MPa/min。

本发明的总体技术思路：

(1)采用各种技术措施，实现裂缝高度向预期方向的充分延伸。如果裂缝高度没有达到预期要求，即使实现了体积压裂的技术目标，也只是部分层位得到了充分改造，而缝高未延伸部分的裂缝改造体积仍为0。

(2)可采用水力喷射的周向集中射孔技术，即每段改造的水力喷嘴在水平井筒的圆周平面内均匀分布，便于所有的孔眼都向一个裂缝内进液，从而可集中能量充分延伸主裂缝，避免了以往螺旋式射孔的分散性进液方式造成的多裂缝竞争压裂液的不利局面的发生。

但本专利也在水力喷射的基础上做出改进，即只在上边的半个圆周或下边的半个圆周分布水力喷嘴，此时，为了增加裂缝的改造强度，半个圆周的布孔数不能简单地将原先的周向布孔数减半，而应适当增加1-2个喷嘴，或者如增加喷嘴造成半个圆周排布不开或者造成套管强度的严重降低，则不增加孔数，但可通过适当增加孔径(设计更高的水力喷射速度)的方式实现同样的目的。

(3)为了实现裂缝高度向上或向下的有效延伸和支撑，即使同一种粒径的支撑剂，也采用不同的密度：对向下延伸的情况，可采用常规密度支撑剂，利用支撑剂的重力作用实现裂缝向下的充分支撑；而对于需要裂缝更多地向上延伸和支撑的情况，需要应用超低密度支撑剂(视密度1.05g/cm³～1.25g/cm³)，但超低密度支撑剂对于地层闭合应力超过40MPa后就很快被压碎而失去导流能力，因此，在闭合应力超过40MPa后要采用自悬浮支撑剂，压裂液运移到哪里，支撑剂就同步运移到哪里。

(4)如果要穿越的层位水平层理缝/纹理缝发育，可采用高黏度胶液前置注入的方法，并配合相对较大的排量(限压不限排量，在压力未达到井口限压时，尽可能快速提升施工排量)，使井筒内压力集聚速度最大化，从而在短时间内积聚起足够高的压力，才能使裂缝高度充分延展。

(5)在裂缝延伸过程中，为了随时保证在施工安全的前提下尽可能提升缝内净压力，促使缝高和其它尺度裂缝的充分延伸，可应用板凳式加砂模式，确保施工参数尤其是施工砂液比在接近砂堵的临界状态下施工。

本发明具体可采用以下步骤：

(1)压前储层评价

重点包括可压性评价等内容。评价方法包括常规测井、录井、岩心实验及利用压裂施工数据反演储层部分关键信息(脆性、天然裂缝等)等，前边都是常规方法，在此不赘。关于利用压裂施工参数反演储层信息方面，目前也有相关的模型和专利。

尤其是水平井筒穿行轨迹遇到的不同层位地层的特性参数及其沿水平井筒的分布特征，可结合随钻资料和水平井筒的测井数据，如GR测井、密度测井等进行综合分析。特别要注重与导眼井测井数据的对比分析。

(2)裂缝三向延伸规模模拟分析

可结合特定地层的露头岩样进行地应力加载条件下的裂缝起裂扩展物理模拟研究，结合相应的数值模拟方法(如目前常用的页岩气裂缝扩展模拟软件MEYER)，精细分析裂缝三维扩展规律，尤其是缝高的延伸规律，对于缝高延伸没有达到预期目标的，应进行参数模拟，直至缝高向上或向下延伸情况达到预期为止。

值得指出的是，上述模拟有时效果不一定明显，如通过提高黏度的方式，可能缝高延伸的程度不一定符合实际情况，有时可能软件本身还未能考虑到某些情况设置，如射孔只在圆周上部射孔情况下的裂缝扩展模拟等。

(3)水力喷射射孔参数设计

射孔方式可将水力喷嘴分布在一个平面内，对裂缝向上或向下延伸无特殊要求的可以在一个平面内均匀分布孔眼，孔数、孔径等的设计，要结合具体的井深、闭合应力、井口限压条件等进行计算，首先确定在该地层条件及施工条件限制下，能达到的最大排量，然后根据最大排量再计算喷射速度能否达到设计要求(一般大于130m/s)，如达不到，则调整孔径与孔数等参数，直至满足要求为止。

对于垂深相对较浅的页岩地层而言，如上述允许的最大排量远远满足上述喷射速度的要求(超过基于喷射速度计算的排量2倍以上)，则可考虑将上述水力喷射串联的方法，实现2个以上的喷射裂缝，从而改变以往单一水力喷射的局限性，实现相邻多个裂缝在扩展过程中的应力干扰效应和裂缝复杂性程度的提升，对提高压裂效果大有裨益。

至于两个相邻喷射管串的距离设计，要结合渗流干扰(基于目前成熟的带吸附气模块的ECLIPSE软件进行模拟)和诱导应力干扰效应模拟(目前可基于ABAQUS进行模拟)确定的簇间距进行设计。

对于需要向上或向下过度延伸的情况而言，可以水力喷射管串的横切剖面上，在上半圆周或下半圆周位置采用非均匀布孔方式，需要裂缝向上延伸更多的情况，可在上半圆周内增加孔数或孔径，反之，则在下半圆周内增加孔数或孔径。尤其是对于向下水平层理/纹理缝相对发育的情况，则上述参数变化的力度还要加大。

至于上述喷射管串在运送中的定向，可采用重力定位的方式，方位角度可定位0°、90°、180°、和270°，误差在±15°以内。

(4)注入模式设计

为了达到水力裂缝最大限度动态延伸缝高的目的，注入模式采用高黏度胶液前置注入方式，配合以相对高的设计最大排量进行。前置胶液用量的设计，要根据水平井筒穿行轨迹及预期的缝高延伸情况，根据上述的MEYER软件进行模拟确定。

确定完上述胶液用量及排量后，后续按照常规的页岩气注入模式进行施工，如滑溜水+胶液的一段或多段交替注入模式，具体设计方法已较为常规，在此不赘。

(5)变密度支撑剂优选

根据1)的思路要求，需要向下更多延伸和支撑的，采用常规密度支撑剂即可利用其重力作用实现之。对于需要向上更多延伸和支撑的，需要采用超低密度支撑剂或自悬浮支撑剂，具体选择哪种支撑剂，按思路1)之(3)的闭合压力界限确定。

(6)实时提升主裂缝净压力的施工参数设计及调整

按思路1)-(5)的要求，对于板凳式加砂程序设计，关键在实时调整。在经过常规的2-3个单段式的支撑剂段塞程序后，可逐步尝试不等台阶的板凳式加砂模式，以逐步探索在施工的不同阶段既保证施工安全又最大限度提升主裂缝净压力的施工参数。如施工早期可设计保守式板凳式加砂，如3％～4％～5％、4％～5％～6％、5％～6％～7％，施工中后期可逐步采用激进式板凳式加砂程序，如6％～7％～8％、8％～9％～10％、10％～11％～12％、12％～14％～16％～18％，等。具体每个施工砂液比的注入量，开始可为半个井筒容积，后来可逐步过渡到一个甚至超过一个井筒容积。在具体施工时，以井口压力在该砂液比混砂浆进入地层时的上述速度作为判断其是否达到临界砂堵砂液比的指标，一般要求井口压力上述速度小于1MPa/min，否则就极有可能发生裂缝内部砂堵，这是非常危险的。

为稳妥起见，前期施工阶段的压力上述速度可设定为0.5MPa/min，中后期可设定为1MPa/min。

(7)其它施工步骤，包括压后返排求产等步骤，可参照常规的页岩气压裂施工步骤，都是常规的成熟技术，在此不赘。

本发明解决了水平井筒轨迹穿越多层的页岩气压裂没有针对性的压裂技术和解决方案的问题，提出的一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂新技术不仅能够有效的压开储层、还能够大大提高储层改造体积，充分挖掘储层的生产潜力。该发明的应用，使水平井页岩气的经济有效开发成为了可能，是页岩气工艺技术领域的重要突破，对提高非常规油气藏的开发技术水平和经济效益具有重要意义。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

以下实施例仅用于进一步说明本发明，但不限制本发明。

实施例

A井，目的层压裂井段为3263m～3520m，垂直层厚257.0m/5层；目的层段岩性为全段为黑色页岩。岩心孔隙度4.2％～4.9％，平均4.73％，渗透率91.5nd～139.8nd，平均117.5nd，属低孔特低渗储层；目的层压力系数为1.0，地层温度118℃，属于常温常压气藏。根据应力剖面解释情况，本井目的层最小主应力均值44.1MPa，目的层上部隔层最小主应力数均值47.5MPa，下部隔层最小主应力均值49.7MPa。

为了评价目的层的含气性及其产能，并对该区块开展下步勘探评价工作，借鉴本专利提出的工艺方法，结合本井实际情况，进行了该井的压裂方案设计及现场先导试验，具体实施方法及效果如下：

(1)水力喷射射孔参数设计

根据储层的埋深，确定水力喷射射孔枪的的参数。

本井需要2簇射孔，需要2个枪体，每个枪体上面有3个喷嘴，共需6个喷嘴。喷嘴内径最大为7mm-8mm，不同喷嘴的相位为120°，即枪体每周最多分布3个喷嘴。

由于本井储层裂缝极易向上延伸，故本井计划在圆周下半周范围多射1孔，可采用重力定位的方式，方位角度可定位0°，误差在±15°以内，即从侧面的纵切面看，三个喷嘴的位置分别为1#喷嘴枪垂直向上(0°)，2#喷嘴斜向下(120°)、3#喷嘴斜向下(240°)，水平面为90°和270°。

(2)液体体系优选

①储层温度为118℃左右，优选耐温120～130℃的压裂液体系。

②滑溜水配方：0.7％SRFR减阻剂+0.3％SRCS-1黏土稳定剂+0.1％SRCU-1助排剂；液体黏度6.0mPa·s～9.0mPa·s，pH值6～7；

③中黏度压裂液配方：0.35％SRFP-1增稠剂+0.3％SRCS-1黏土稳定剂+0.1％SRCU-1助排剂；液体黏度30mPa·s～50mPa·s，pH值6～7；

④高黏度压裂液配方：0.50％SRFP-1增稠剂+0.2％SRFC-1交联剂+0.3％SRCS-1黏土稳定剂+0.1％SRCU-1助排剂，液体黏度100mPa·s～120mPa·s，pH值6～7，破胶剂采用过硫酸铵(APS)和胶囊；

⑤盐酸配方：15％HCL+清水；

(3)酸液预处理阶段

以1.0m³/min排量挤入10m³与储层配伍性较好的前置盐酸；

(4)前置液造缝阶段

①以12.0m³/min排量注入100m³高黏度压裂液；

②以12.0m³/min排量注入120m³低黏度滑溜水；

(5)交替注入和顶替阶段：

详见泵注程序，顶替结束后完成该井施工。

该井实施水平井多级分段压裂后，经过防喷2天后见气，经过电潜泵继续排采36天后，平均产气量2.2×10⁴m³/d，井口压力5.6MPa，三个月内累计产气量为187.4×10⁴m³/d。

表1:A井的泵注程序

Claims

1.一种水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于所述方法包括：

(1)压前储层评价；

(2)裂缝三向延伸规模模拟分析；

(3)水力喷射射孔参数设计

需要裂缝向上延伸更多时，水力喷射管串的横切剖面上，在上半圆周内增加孔数或孔径；需要裂缝向下延伸更多时，则在下半圆周内增加孔数或孔径；

对于垂深相对较浅的页岩地层，如允许的最大排量超过基于喷射速度计算的排量2倍以上，采用水力喷射串联的方法；

(4)注入模式设计

(5)变密度支撑剂优选

(6)实时提升主裂缝净压力的施工参数设计及调整

2.如权利要求1所述的水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于：

喷射管串在运送中的定向，采用重力定位的方式，方位角度定位0°、90°、180°和270°，误差在±15°以内。

3.如权利要求1所述的水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于：

步骤(5)中，超低密度支撑剂的密度为1.05g/cm³～1.25g/cm³。

4.如权利要求3所述的水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于：

在闭合应力超过40MPa后采用自悬浮支撑剂。

5.如权利要求1所述的水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于：

6.如权利要求5所述的水平井筒穿越多层的常压页岩气体积压裂方法，其特征在于：

前期施工阶段的压力上升速度设定为0.5MPa/min，中后期压力上升速度设定为1MPa/min。