摘要：四川盆地南部的古生界頁巖發育，儲集了豐富的天然氣資源。由于頁巖氣藏滲透率極低，通常都需要水力壓裂改造才能獲得經濟的開采。為此，針對區塊內某一口頁巖氣井志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組儲層特征和技術改造難點，分別從工藝優化、設備配套、供液配套、高低壓連接到質量控制等方面進行了詳細的分析，將整體配套技術應用于現場作業并取得了成功，證實了采用大型水力壓裂作業技術對頁巖氣藏實施增產改造是可行的，為下一步頁巖氣藏的規模化、效益化開發提供了技術支撐。

關鍵詞：頁巖氣；開發；水力壓裂；先導性試驗；四川盆地；南；志留紀；寒武紀

    頁巖氣屬于非常規天然氣^[1]，在一定地質條件下可聚集成藏并達到經濟開采價值^[2～3]。頁巖氣藏因其儲層物性差、孔隙度和滲透率低，需要應用水力壓裂技術才能獲得經濟的開采。

    四川盆地南部古生界頁巖氣藏資源豐富，中國石油天然氣集團公司在2006年初步評估該區下寒武統筇竹寺組和下志留統龍馬溪組頁巖氣資源量為6.8×10¹²～8.4×10¹²m^3[4～5]。Wx井是威遠地區部署的一口頁巖氣井，該井古生界頁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頁巖、碳質頁巖、硅質頁巖夾泥質粉砂巖，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、灰黑色粉砂質頁巖、碳質頁巖和泥質粉砂巖，其厚度在該區分布較穩定，厚度為400～600m，往威遠的東南方向變厚。兩個層位頁巖氣藏內裂縫不發育，基質平均滲透率0.00018mD，總孔隙度為3%～4%，儲層的孔隙度較低，儲層儲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Wx井的龍馬溪組和筇竹寺組實施了大型水力壓裂作業，試驗獲得了成功。

    由于頁巖氣藏巖性特別致密，對作業井的壓裂特征參數不清楚，試驗潛在風險高、難度大，加上頁巖氣藏壓裂作業井規模大、排量高，需要動用的設備也多，在工藝設計、地面配套等方面需要進行難點與對策分析。

    由于頁巖儲層壓裂時易產生多裂縫，液體濾失嚴重，人工裂縫寬度受限，支撐劑進入地層難度大；加之頁巖儲層孔隙度、基質滲透率極低，外來液體的侵入容易引發二次傷害，對壓裂裂縫導流能力有較大影響。為了有效補償液體濾失，并確保縫寬適度，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。針對首次試驗對地層壓裂特征參數不清楚的情況，主壓裂前進行小型測試壓裂，并輔以連續油管帶井下壓力計實測井底處理壓力，求取準確的地層壓裂參數以指導優化主壓裂。針對潛在的頁巖氣藏高破裂壓力難題，結合室內對地層礦物成分的分析和酸溶蝕實驗，利用連續油管進行小型的酸化處理，可以適當的解除近井地區的濾餅堵塞，緩解井附近的應力集中，有效地降低地層的破裂壓力。

   與常規水力壓裂相比，頁巖氣藏壓裂作業屬于高排量(大于10m³/min)、超大規模(大于2000m³)，常規供液模式已不適用，需要有針對性地進行配套優化。

1.2.1 供液管匯

   為滿足設計施工排量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(常規作業用的是Φ244.5mm)，液罐和Φ304.8mm主分配器之間采用Φ152.4mm管匯連接，其中靠近混砂車的8個液罐采用叉管線連接，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，總體原則采用遠近搭配供液方式。提前對液罐進行編號規劃，施工時供液采取由遠到近的方式，逐步向主供液罐靠攏，所有液罐采用自身泵供液方式。如果自身泵出現故障，則立即用備用潛水泵向相鄰液罐轉液。

1.2.3 混砂車吸入及排出管匯

    混砂車吸入采用Φ101.6mm管線與Φ304.8mm分配器連接，排出采用Φ101.6mm管線與高低壓分配器連接。總體為“12進6出”。

    從壓裂車到井口處高壓流體通道要滿足高排量的需求，還要考慮超大規模帶來的長時間對管路沖刷影響，另外，常規的井口裝置無法滿足高排量的注入，會帶來較大的節流效應，需要對整個流程進行重新配套優化。

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

    2) 為保證長時間、大排量加砂井控安全，設計加工了一套與原井口配套的、適用于套管注入的壓裂專用特殊六通，既能滿足壓裂作業時大排量的注入需求，有效減小井口的節流，又能在作業后不動井口條件下直接排液生產。

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

    4) 施工采用2套高壓密度計、2套壓力傳感器對施工參數進行監測，保證施工數據的有效連續性。

    5) 通過優化配置水馬力，整個注入系統共采用總計26000馬力(1馬力=735.499W)的HQ 2000型壓裂車組13臺。

    6) 配備儀表車和混砂車各2臺，2臺儀表車同時采集和處理，混砂車1臺用于施工，1臺備用，以確保整個作業流程的連續性。

    Wx井壓裂設計參數如表1所示。

    為確保頁巖氣藏首次壓裂施工嚴格受控，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、配液用水質量分析、添加劑材料復核、配液前實驗小樣的配制、配液過程中進行質量控制、施工前液體質量檢查、施丁過程中液體切換的監控等。

2.2.1 配液設備的質量控制

    配液前對設備進行檢查(車輛、管線潔凈情況)，要求配液設備工況良好，無殘酸、殘堿、殘菌、鐵銹、油污及其他機械雜質，確認所有閥門操作靈活并無滲漏，確認罐上攪拌器是否運轉正常，檢查合格后方可使用。

2.2.2 入井材料的質量控制

    配液用水檢測(數量、外觀、機械雜質、pH值)，要求配液用水達到注入水標準。配液前對入井添加劑材料的品名、數量、包裝、生產批次進行檢查，要求現場添加劑材料必須與室內抽樣試驗的添加劑材料相吻合。對支撐劑同樣要進行抽檢和產品取樣保存，現場核對材料包裝信息與實驗室檢測批號一致等。

2.2.3 現場執行狀況

    在井場設立了臨時實驗室，專門進行預混合測試、壓裂液混合期間的質量檢測測試；配液期間專業人員對配液過程進行全程監控，嚴格控制配液程序的規范化；施工期間，嚴格控制不同液體之間的有序切換。

    2010年7—9月，在Wx井標準化的作業現場，分別對筇竹寺組、龍馬溪組頁巖氣層成功實施了水力壓裂作業(圖1)。作業期間，供液流暢有序，多種支撐劑的轉換有條不紊，壓裂車長時間泵注依然保持平穩，2臺儀表車監控與采集正常，整個作業流程嚴格按照設計運行，現場試驗取得了圓滿成功。

2.3.1 筇竹寺組頁巖氣層壓裂

    施工曲線如圖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 龍馬溪組頁巖層壓裂

    施工曲線如圖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) 四川盆地頁巖氣藏壓裂施工的成功，標志著采用大型水力壓裂作業技術對頁巖氣藏實施增產改造是可行的。通過對Wx井2次作業的先導性試驗，積累了寶貴的經驗，包括施工組織、地面配套、質量控制等，初步形成了頁巖氣藏大型水力壓裂作業的配套技術，為下一步頁巖氣藏的水力壓裂作業打下了堅實的基礎。

    2) Wx井頁巖氣藏水力壓裂先導性試驗只是一個開始，還需要對大型水力壓裂整體配套技術進行優化、完善，在未來的作業中針對大型水力壓裂作業的環保問題也要引起重視。另外，頁巖氣藏的壓裂機理、效果預測、壓裂模擬、支撐劑優化鋪置等研究國內還處于初級階段，還需要更加深入地開展研究工作。

[1] 張金川，薛會，張德明，等.頁巖氣及其成藏機理[J].現代地質，2003，17(4)：466.

[2] 劉洪林，王莉，王紅巖，等.中國頁巖氣勘探開發適用技術探討[J].油氣井測試。2009，18(4)：68-71.

[3] 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業，2004，24(7)：15-18.

[4] 陳尚斌，朱炎銘，王紅巖，等.中同頁巖氣研究現狀與發展趨勢[J].石油學報，2010，31(4)：689-694.

[5] 李其榮，杜本強，隆輝，等.蜀南地區天然氣地質特征及勘探方向[J].天然氣工業，2009，29(10)：21-23.

[6] JIN L，VELTRI D，KRAUSE D，et al.I.arge-scale hydraulic fracturing in a frontier area in China[C]∥paper 77680-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，29 September-2 0ctober 2002，San Antonio，Texas，USA.New York.SPE，2002.

 

(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公司)