張 峰，榮 莽, 許明標(biāo)

(1.中石化江漢油田分公司，武漢 430000；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100)

近年來，中國商用頁巖氣開發(fā)力度逐年加大，水平井射孔壓裂成為主要工藝手段[1-3]。焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組泥頁巖具有厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、熱演化程度較高、儲集物性以及含氣性好、以及良好保存條件和可壓性等特點(diǎn)[4]。四川盆地西南緣五峰-龍馬溪組頁巖沉積相有利、頁巖厚度大，各項(xiàng)參數(shù)良好，頁巖氣勘探開發(fā)應(yīng)由“正向構(gòu)造”向“穩(wěn)定向斜”進(jìn)行拓展，其中木桿、高橋、永盛、大谷堆等 4個穩(wěn)定向斜區(qū)是下一步頁巖氣勘探與突破的最有利區(qū)[5]，同時配套新工藝的研究與應(yīng)用。

暫堵投球技術(shù)通過套管內(nèi)投放大粒徑暫堵球封堵射孔炮眼，暫堵后分流液體，實(shí)現(xiàn)儲層逐級改造，使液體流向未改造區(qū)域，壓裂形成新縫，增大儲層改造體系。暫堵材料具有水溶性，一定時間溶解后可解除對炮眼封堵，不影響儲層后期開發(fā)動用。暫堵投球可以實(shí)現(xiàn)對套管炮眼封堵，快速提高儲層液體動壓力，促進(jìn)裂縫復(fù)雜化[6-7]。熊春明等[8]研發(fā)的可降解暫堵球能有效封堵炮眼，迫使壓裂液進(jìn)入未壓開層位，實(shí)現(xiàn)分層分段改造，現(xiàn)場實(shí)例以小尺寸暫堵球與暫堵劑為主，未探討大尺寸暫堵球作用機(jī)理。方裕燕等[9]在室內(nèi)開展了炮眼暫堵模擬實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果明確了暫堵球坐封炮眼，小顆粒暫堵劑架橋，纖維聚集承壓，且排量越大越容易封堵，該研究室內(nèi)模型與涪陵采用射孔尺寸不同。鄭志兵[10]對暫堵球封堵效果影響因素進(jìn)行分析，得出了排量、密度差、封堵孔眼數(shù)、液體黏度對效率的影響，提出排量和孔眼數(shù)直接影響暫堵效果，推導(dǎo)方程為單顆粒模型。蔣煒等[11]針對重復(fù)壓裂暫堵球進(jìn)行的室內(nèi)測試結(jié)果表明，現(xiàn)場暫堵球可承壓70 MPa，耐溫至150 ℃，滿足頁巖氣水平井施工要求。雷林等[12]針對武隆區(qū)塊常壓頁巖氣開發(fā)進(jìn)行簇間暫堵優(yōu)化，直徑13 mm暫堵球在130 ℃下抗壓強(qiáng)度為60 MPa，15 h后開始溶解，3～5 d完全溶解，投球數(shù)量為理論有效孔眼數(shù)的1/2，現(xiàn)場施工投球后泵壓平均升高10～34 MPa。

任嵐等[13]建立頁巖氣水平井增產(chǎn)改造體積評價模型，匹配微地震產(chǎn)生非對稱儲層改造體積(SRV)體積，發(fā)現(xiàn)井組仍存在較大的未改造區(qū)。李彥超等[14]認(rèn)為部分壓裂段不產(chǎn)氣，1/3左右射孔簇不出力，有二次改造和重復(fù)壓裂的潛力。微地震井中監(jiān)測垂向定位精度比平面定位精度高，對長水平井水力壓裂實(shí)時成像，可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，優(yōu)化工程參數(shù)[15-21]。劉堯文等[22]對涪陵頁巖氣田井聯(lián)合微地震監(jiān)測進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)焦頁4X井?dāng)?shù)據(jù)得大部分為傾角大于60°的高角度縫，段間出現(xiàn)干擾，微地震波及體積與單段產(chǎn)能預(yù)測值擬合度較高。

目前對投球暫堵工藝在頁巖氣水平井中應(yīng)用研究已有大量報道，多集中在暫堵轉(zhuǎn)向工藝?yán)碚摽蓪?shí)施性、暫堵劑縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向、材料室內(nèi)性能評價以及微地震改造效果分析，而對多顆粒、大尺寸和分級投放暫堵球的工藝缺乏研究，尚無法準(zhǔn)確描述暫堵球運(yùn)移規(guī)律及坐封效果的研究，導(dǎo)致現(xiàn)場施工無法確定投球作用位置與有效性。因此，考慮顆粒屬性與液體流態(tài)，建立暫堵球三維離散元素模型(DEM)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)歐拉模型耦合計(jì)算方法，獲取工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)特性，并以微地震數(shù)據(jù)驗(yàn)證投球改造效果，以期為現(xiàn)場施工提供了理論依據(jù)。

1 液體流動形態(tài)

頁巖氣儲層改造中的措施液多為減阻水和膠液，作為固相顆粒運(yùn)移的載體，液體流型和流態(tài)直接決定了暫堵球運(yùn)移規(guī)律。涪陵地區(qū)頁巖氣壓裂施工時，多采用主管匯安裝投球立管，將暫堵球一次性泵送至井內(nèi)，顆粒經(jīng)直井段套管、水平段套管和射孔段，最后坐封炮眼。因此對暫堵投球工藝的研究應(yīng)分階段研究，即水平段運(yùn)移和炮眼段封堵。

1.1 水平套管內(nèi)液體流態(tài)

涪陵地區(qū)頁巖氣井水平段多1 000 m以上，采用分段射孔水力壓裂改造工藝，為迅速壓開裂縫，常采用減阻水大排量泵注，單段液量可達(dá)3 000 m3以上，因此，液體流經(jīng)水平段及炮眼處流速、壓力分布與常規(guī)油井不同，重力作用對固相組分作用更加明顯。尤其是低速流動下，支撐劑和暫堵球極易發(fā)生沉降導(dǎo)致分布不均。

圖1 水平套管內(nèi)液體流速分布

采用CFD歐拉模型進(jìn)行模擬計(jì)算，套管外徑規(guī)格139.7 mm，內(nèi)徑118 mm，長度100 m，入口流速20 m/s，液相為濃度0.04%減阻水，計(jì)算結(jié)果圖像比例調(diào)整后如圖1所示。由圖1可知，壁面效應(yīng)導(dǎo)致近管壁處出現(xiàn)明顯剪切應(yīng)力區(qū)域，分子間摩阻增大，流速變小，液體效率降低。由于現(xiàn)場液體體系中減阻劑為線型高分子聚合物，高分子間摩擦系數(shù)小，發(fā)生團(tuán)聚，在管道中央形成穩(wěn)定流核，流核內(nèi)速度差異小，是暫堵球和支撐劑運(yùn)移主要區(qū)間。結(jié)果表明為有效承載固相顆粒，應(yīng)適當(dāng)提高液相黏度，以減小層流區(qū)和過渡區(qū)空間尺寸，提高中心流核占比，保持液固兩相流速度平穩(wěn)[23]。

1.2 射孔段液體流態(tài)

涪陵頁巖氣水平井射孔多采用螺旋射孔，每段4～8簇，孔密多為16 孔/m或20 孔/m，射孔彈直徑9 mm。為研究射孔段流體形態(tài)，建立模型為5 m/3簇/42孔的套管，采用N-S方程進(jìn)行計(jì)算，獲取不同流速下炮眼處切面流態(tài)對比(圖2)。

圖2 射孔炮眼段液體流速分布

計(jì)算結(jié)果可知，軸向方向炮眼處液體分流作用明顯，不同流速下流速分布非線性變化。小排量時可見上游炮眼分流幅度大，而大排量時下游炮眼分流幅度較大。

前后炮眼進(jìn)液差異性明顯，趾部附近炮眼流速降幅明顯，液體流動性差。通過提高液體流速對趾部炮眼的作用效果有限，即實(shí)際措施改造過程中，段或簇內(nèi)炮眼進(jìn)液差異導(dǎo)致改造效果不同，液體更易進(jìn)入前端炮眼實(shí)現(xiàn)改造。低黏液體進(jìn)液通道具有選擇性，因此需要優(yōu)化射孔密度、數(shù)量、簇?cái)?shù)及簇間距。

1.3 長水平段多簇射孔液體流態(tài)

長水平段內(nèi)流體經(jīng)過圓管段減速后依次進(jìn)入各簇，各簇分流效果與簇間距、簇?cái)?shù)相關(guān)。建立長水平段射孔模型，模型參數(shù)：長度100 m，3簇射孔，孔密16孔/m，每簇16孔，簇間距23 m。各簇炮眼處設(shè)置自由邊界，自左向右為定義1～3簇，通過觀察各點(diǎn)絕對流速對比液體效率。計(jì)算結(jié)果圖像比例調(diào)整后如圖3所示。

圖3 三簇射孔段內(nèi)液體流速分布

由圖3可知，過炮眼后液體流速明顯降低，每簇炮眼處對液體能量損耗50%以上，自由流動狀態(tài)下，提排量對第3簇流速影響較小，截面平均流速均小于6 m/s，表明深部儲層液體波及效率降低。

取入口流速16 m/s的套管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各簇上游設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)過流截面內(nèi)流速分布。如圖4所示，靠近遠(yuǎn)端的射孔段流速較低，過流液量和壓力降低，改造效果可能較差，投球暫堵應(yīng)盡量提高該區(qū)域作用效果。

圖4 三簇射孔段內(nèi)每簇截面流速分布

改造過程中，由于地應(yīng)力差異、液體摩阻和射孔效果差異，每簇裂縫開啟和進(jìn)液擴(kuò)縫的程度不同，尤其是段長近200 m，7～9簇大規(guī)模施工時，簇間進(jìn)液差異加大，近端優(yōu)先現(xiàn)象明顯。建立長水平段射孔模型，模型參數(shù)：長度100 m，3簇射孔，孔密16孔/m，每簇16孔，簇間距23 m，自左向右為定義1～3簇?？刂聘鞔亓鞒鲆后w質(zhì)量占比，模擬各簇不同開啟程度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 三簇射孔段內(nèi)每簇液體差異化分布

由圖5可知，第3簇未充分開啟情況下，套管趾端流速極小，固相顆粒極易沉降。假設(shè)封堵第1簇部分炮眼之后，開啟第3簇裂縫，第3簇進(jìn)液速度緩慢增加。計(jì)算可知，對前端第1簇部分封堵，不能有效提高井眼深部改造效果，因此，施工過程中，應(yīng)在保證第1簇改造充分前提下，對上游炮眼進(jìn)行高效率封堵。井筒暫堵轉(zhuǎn)向，充分引導(dǎo)液體流向井眼深處，從上游至下游依次改造，才能獲取更好改造效果。

2 暫堵球運(yùn)移沉降規(guī)律

水平井投球暫堵工藝近幾年得到應(yīng)用，長水平段單段多簇投球、水平井重復(fù)壓裂中，暫堵球作用位置都無法判斷，工程設(shè)計(jì)僅僅依靠施工經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論認(rèn)識和依據(jù)。

2.1 水平套管內(nèi)暫堵球運(yùn)移

暫堵球在套管內(nèi)運(yùn)移有多種可能，有學(xué)者認(rèn)為頁巖氣開發(fā)過程中排量大，液體減阻率高，雷諾數(shù)大，湍流強(qiáng)度大，暫堵球會隨壓裂液高速運(yùn)移，重力作用對暫堵球影響極小，暫堵球通過進(jìn)液炮眼處迅速被抓持，形成坐封。這種觀點(diǎn)認(rèn)為暫堵球具有流量選擇性，即流量較大的孔先坐封，水平段內(nèi)射孔密度、孔數(shù)、簇間距和簇?cái)?shù)對暫堵球坐封影響較小。基于此觀點(diǎn)，長水平井老井可采用投球工藝進(jìn)行逐級封堵，重復(fù)壓裂。但工程實(shí)踐表明，長度超400 m水平段改造采用投球暫堵工藝未取得理想效果。暫堵球在水平套管內(nèi)運(yùn)移可能有多種形式，管內(nèi)中心流核區(qū)域運(yùn)移，或沿套管內(nèi)壁下緣運(yùn)移。

圖6 水平套管內(nèi)暫堵球運(yùn)動平均速度

建立CFD和DEM液固耦合模型，模擬套管外徑規(guī)格139.7 mm，內(nèi)徑118 mm，長度100 m，入口流速20 m/s，液相為濃度0.04%減阻水；暫堵球密度1.5 cm3/g，直徑13.5 mm，數(shù)量20顆。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，暫堵球團(tuán)聚進(jìn)入管匯，管內(nèi)壓力增加，發(fā)生彈射后瞬間提速；受限于流體阻力，暫堵球速度降低，空間分布差異，暫堵球沿管壁分散；顆粒運(yùn)移10 m后散開，暫堵球之間作用力可忽略。

暫堵球沿管壁運(yùn)移穩(wěn)定后平均速度17～18 m/s。因此，采用暫堵投球轉(zhuǎn)向工藝可能存在方向選擇性，不同排量下暫堵球運(yùn)移速度有相對穩(wěn)定值。

2.2 射孔段暫堵球運(yùn)移

炮眼處局部水頭損失較大，流速變化劇烈，暫堵球在炮眼處受各方向力作用，無法進(jìn)行單顆粒簡化模型計(jì)算。采用稠密離散相模型(DDPM)進(jìn)行模擬計(jì)算，跟蹤暫堵球顆粒運(yùn)移路線，能夠大致了解炮眼處液體拖拽力對暫堵球的影響。計(jì)算不考慮暫堵球在套管內(nèi)軌跡形態(tài)，在套管入口中心位置釋放顆粒，跟蹤顆粒速度位移變化，射孔數(shù)量為16，考慮重力，暫堵球密度1.5 g/cm3，排量階梯提升，出口自由流出。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 射孔炮眼處暫堵球運(yùn)移軌跡

由圖7可知，暫堵球在不同排量下均發(fā)生有效沉降，表明重力作用強(qiáng)于炮眼吸引力，固相顆粒均呈現(xiàn)明顯的液體速度關(guān)聯(lián)特性。排量大于5 m3/min后，顆粒可直接穿越該簇射孔，無法有效坐封，即5 m3/min排量是暫堵球有效坐封臨界值。暫堵球發(fā)生沉降靠近炮眼后，可直接坐封，由此推理暫堵球有效坐封前提為靠近管壁下緣。

因此，固液兩相流中，大顆粒暫堵球速度逐漸降低；顆粒受重力作用沉降后，可能沿管壁下方炮眼處逃脫；預(yù)測長水平段內(nèi)，發(fā)生沉降沿管壁運(yùn)移封堵。

3 工程實(shí)例分析

3.1 投球暫堵施工效果

為獲取暫堵投球后儲層改造效果，采用微地震技術(shù)同步壓裂工藝能夠直觀獲取地層壓裂擴(kuò)縫事件位置，了解工藝效果。實(shí)例選取川東南平橋區(qū)塊焦頁1X-HF井，靠近平橋斷背中段東翼斜坡區(qū)，自上而下鉆遇三疊系下統(tǒng)、二疊系上統(tǒng)；志留系中統(tǒng)韓家店組、下統(tǒng)小河壩組、龍馬溪組；奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組，地層層序正常。焦頁1X-HF井試氣段長1 510 m，垂深2 700 m，水平段穿過多個中弱斑點(diǎn)狀曲率。圖8所示為焦頁1X-HF井周邊頁巖露頭，儲層三向應(yīng)力較低，易于單簇起裂與裂縫延伸。焦頁1X-HF井采用多簇投球，在優(yōu)先進(jìn)液簇充分改造的前提下進(jìn)行二次改造。

圖8 武隆黃鶯鄉(xiāng)龍馬溪組頁巖露頭

圖9 壓裂施工與微地震時間對應(yīng)關(guān)系

微地震測試數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場投球暫堵工藝進(jìn)行分析，對比第9段、第10段事件位置、強(qiáng)度和差異性。監(jiān)測事件與施工過程對照，如圖9所示。由圖9可知，排量14 m3/min下進(jìn)行投球，投球后未降排量，到位后泵壓迅速上升，瞬間升壓幅度5～10 MPa，投球后平均施工壓力較投球前明顯增大，表明暫堵球長時間有效坐封，射孔段導(dǎo)流通道減小，壓裂加砂后微地震時間集中出現(xiàn)，多在中砂階段，事件強(qiáng)度差異較大。

3.2 投球暫堵段內(nèi)空間展布

采用多簇螺旋射孔完井的頁巖氣水平井，改造效果受地應(yīng)力方向、曲率和斷層等因素影響，改造效果差異性明顯。暫堵球坐封位置為井筒炮眼，不同于暫堵劑縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向機(jī)制，井筒內(nèi)固相顆粒運(yùn)移封堵規(guī)律差異明顯。暫堵球方向選擇性必將導(dǎo)致部分炮眼依然進(jìn)液，導(dǎo)致簇內(nèi)炮眼不均勻進(jìn)液。圖10所示為第9段、第10段施工的微地震事件平面展布圖。

洋紅色事件為投球前監(jiān)測結(jié)果；深綠色為投球后事件響應(yīng)

由圖10可知，第9段采用6簇射孔，投球前微地震事件多分布于段內(nèi)中部射孔，事件分布較為平均，事件點(diǎn)包絡(luò)面面積較大；投球后可見靠近A靶點(diǎn)方向前3簇大量事件發(fā)生，波及面積較小，表明投入暫堵球后液體效率作用于前3簇，6簇射孔時作用空間具有選擇性。第10段采用8簇射孔，投球前微地震事件多發(fā)生于中后部射孔，事件集中于近井帶，分枝縫擴(kuò)展不明顯；投球后事件同樣發(fā)生于靠近A靶點(diǎn)前4簇，暫堵投球后液體多進(jìn)入前4簇進(jìn)行二次改造，后4簇未發(fā)現(xiàn)事件點(diǎn)，表明該區(qū)域未改造。

投球暫堵平面展布上的差異受暫堵球運(yùn)移速度影響，這與前文研究暫堵球坐封有效排量5 m3/min相對應(yīng)，即14 m3/min排量經(jīng)過炮眼分流后，管內(nèi)流速降至臨界值時，暫堵球采會封堵起效。為了解暫堵球在垂向上作用差異，取垂直于軸向做切面，以套管軸線與切面交點(diǎn)為圓心，繪制微地震事件垂向分布圓，如圖11所示。

洋紅色為投球前事件；深綠色為投球后事件；圓心紫色為套管

由圖11可知，第9段采用6簇射孔，事件波及最大直徑100 m，投球前事件沿100°、280°對稱分布，呈兩翼縫分布，在井筒垂向附近事件點(diǎn)較小，表明垂向應(yīng)力作用下縫高受限，縫長延伸充分；投球后事件延伸方向和投球前相同，表明投球暫堵后液體未發(fā)生轉(zhuǎn)向，多沿原裂縫進(jìn)行延伸。采用6簇射孔，投球后事件波及半徑小于投球前，表明投球前改造較為充分，投球后以提高縫網(wǎng)復(fù)雜度為主。

第10段采用8簇射孔，事件波及最大直徑75 m，表明通過增加簇?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)加密，提高了近井帶改造面積，但裂縫延伸距離有所減小。投球前事件分布與第9段類似，穿行層位相近，地應(yīng)力分布大致相同；投球后在時間波及半徑增大，表明投球前改造以近井帶為主，投球后前4簇充分進(jìn)液使得原有裂縫系統(tǒng)得以延伸，縫長增大，SRV得到提升。

因此，井筒投放暫堵球后改造效果與簇?cái)?shù)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，以坐封50%有效炮眼設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，簇?cái)?shù)越多，投球后改造的空間差異性越明顯，即增加簇?cái)?shù)將導(dǎo)致縫長延伸不足，投球后改造多集中于前端炮眼。

4 結(jié)論

首次建立離散元素法與計(jì)算流體力學(xué)固液耦合模型，研究長水平段與炮眼處暫堵球運(yùn)移特性，并結(jié)合實(shí)時微地震數(shù)據(jù)對改造效果進(jìn)行監(jiān)測分析，得到較好的驗(yàn)證效果。得到以下結(jié)論。

(1)管道中央流核是暫堵球和支撐劑運(yùn)移主要區(qū)間，適當(dāng)提高液相黏度可提高中心流核占比。低黏液體進(jìn)液通道具有選擇性，因此需要優(yōu)化射孔密度、數(shù)量、簇?cái)?shù)及簇間距。對前端第1簇部分封堵，不能有效提高井眼深部改造效果，因此，應(yīng)在保證第1簇改造充分前提下，對上游炮眼進(jìn)行高效率封堵，井筒暫堵轉(zhuǎn)向，充分引導(dǎo)液體流向井眼深處，從上游至下游依次改造，才能獲取更好改造效果。

(2)受限于流體阻力，暫堵球速度降低，空間分布差異，暫堵球沿管壁分散，暫堵球之間作用力可忽略。采用暫堵投球轉(zhuǎn)向工藝可能存在方向選擇性，不同排量下暫堵球運(yùn)移速度有相對穩(wěn)定值。5 m3/min排量是暫堵球有效坐封臨界值。暫堵球有效坐封前提為靠近管壁下緣，預(yù)測長水平段內(nèi)發(fā)生沉降沿管壁下緣運(yùn)移封堵。

(3)投球后平均施工壓力明顯增大，表明暫堵球長時間有效坐封。采用6簇射孔，事件波及最大直徑100 m，投球前微地震事件多分布于段內(nèi)中部射孔，分布平均，投球后事件波及半徑小于投球前，表明投球前改造較為充分，投球后以提高縫網(wǎng)復(fù)雜度為主。采用8簇射孔，事件波及最大直徑75 m，投球前微地震事件多發(fā)生于中后部射孔和近井帶，分枝縫擴(kuò)展不明顯，投球后前4簇充分進(jìn)液使得原有裂縫系統(tǒng)得以延伸，縫長增大，SRV得到提升。增加簇?cái)?shù)將導(dǎo)致縫長延伸不足，提高了近井帶改造面積。