肖勇軍，何先君，劉 望，胡志朋，李文鑫

(1四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司 2捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司)

近年來，水平井分段壓裂技術(shù)使頁巖氣得到了經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。目前，橋塞射孔聯(lián)作技術(shù)是頁巖氣水平井壓裂的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，現(xiàn)已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1]。國內(nèi)外水平井長度持續(xù)增長，壓裂級數(shù)、液量緩慢增多，加砂量、排量逐漸增大[2]。然而，現(xiàn)場大量微地震波監(jiān)測、產(chǎn)液剖面測試、示蹤劑測試的結(jié)果顯示，約有1/3的射孔簇由于沒有進(jìn)液，即未被壓裂改造或改造不充分，從而造成這些射孔簇沒有產(chǎn)能貢獻(xiàn)[3-4]。此外，國內(nèi)頁巖氣基本壓裂模式已定型,技術(shù)參數(shù)整體進(jìn)步緩慢，巖氣儲層存在水平應(yīng)力差大，壓裂后裂縫形態(tài)單一，難以形成復(fù)雜裂縫的特點[5]，這些因素在一定程度上都制約了頁巖氣的增儲上產(chǎn)。頁巖氣產(chǎn)量由人工裂縫的復(fù)雜程度及有效改造體積控制，即“裂縫控制產(chǎn)量”。因此，如何提高射孔孔眼進(jìn)液有效率、提高縫內(nèi)凈壓力、提高縫控產(chǎn)量、增加裂縫復(fù)雜程度等，是目前國內(nèi)頁巖氣壓裂改造面臨的主要難題。

一、技術(shù)原理及優(yōu)化

國外Paul Weddle[6]等人研究發(fā)現(xiàn)，在Middle Bakken儲層及Three Forks儲層應(yīng)用裂縫暫堵技術(shù)，水平井射孔簇改造效率分別提高至85%及79%。如圖1所示，試驗井180 d產(chǎn)量分別為鄰井同期產(chǎn)量的240%及194%(其中X井、Y井為實驗井)。

圖1 Middle Bakken及Three Forks儲層試驗井與鄰井產(chǎn)量對比圖

本文提出的裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)可有效解決提高射孔孔眼進(jìn)液有效率、提高縫內(nèi)凈壓力、增加裂縫復(fù)雜程度等主要難題。該技術(shù)利用自主研發(fā)的暫堵劑的封堵作用迫使液體在地層內(nèi)轉(zhuǎn)向，提高射孔孔眼進(jìn)液效率以及裂縫內(nèi)凈壓力，從而打通未被充分改造的射孔簇，使未被改造的射孔簇進(jìn)液、增加進(jìn)砂量，實現(xiàn)井筒與油氣藏接觸面積最大化，最終提高采收率[7-9]。該技術(shù)主要包括縫內(nèi)轉(zhuǎn)向及縫口轉(zhuǎn)向兩種工藝，核心是利用不同粒徑的暫堵劑對射孔孔眼、裂縫口或天然裂縫進(jìn)行有效封堵。

1.縫內(nèi)暫堵原理

在水力壓裂過程中加入暫堵劑，使主裂縫通道內(nèi)形成橋堵，待壓力升高后，壓開新的支裂縫或更多微裂縫。通過各類裂縫轉(zhuǎn)向，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，從而提高射孔簇改造效率、增加氣藏改造體積[10]。如圖2所示，縫內(nèi)轉(zhuǎn)向是在壓裂時主裂縫延伸過程中，采取粉末暫堵劑封堵主縫，裂縫在長度上停止延伸，裂縫中的凈壓力持續(xù)增加，迫使裂縫壁面應(yīng)力薄弱處發(fā)生破裂，產(chǎn)生新的裂縫，促使和加劇次生裂縫網(wǎng)絡(luò)形成。縫內(nèi)暫堵劑主要適用的地質(zhì)條件：目的層段跨度不大或縱向上應(yīng)力差異較小、無明顯隔層的地層。

圖2 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向原理示意圖

2.縫口暫堵原理

縫口轉(zhuǎn)向(如圖3所示)是在壓裂施工中通過一次或多次投放高強(qiáng)度水溶性顆粒暫堵劑在炮眼和裂縫高滲透帶形成濾餅，臨時封堵老裂縫，提高井筒中的壓力，結(jié)合射孔技術(shù)，促使水平產(chǎn)層段其他位置裂縫的開啟，最終形成多條新裂縫，達(dá)到密集切割儲層的目的，有效增加單井改造體積。縫口暫堵劑主要適用的地質(zhì)條件：目的層段跨度較大的地層，無法或不適宜下過多封隔器的地層，縱向上應(yīng)力差異較大、有多個明顯隔層的地層。

圖3 縫口暫堵轉(zhuǎn)向原理示意圖

在暫堵壓裂施工過程中，顆粒暫堵劑的微觀暫堵機(jī)理主要是通過“卡堵”和“栓塞”來實現(xiàn)的，其微觀機(jī)理示意圖如圖4所示?！翱ǘ隆彪A段中，較大的暫堵劑顆粒在通過孔眼或其他開放孔道時由于其尺寸使自身流動受限，因此大量大粒徑暫堵劑在開放孔道入口處形成穩(wěn)定的顆?？ǘ陆Y(jié)構(gòu)；“栓塞”階段中，小顆粒暫堵劑進(jìn)入“卡堵”結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充空隙，并在“卡堵”結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部同時形成濾餅達(dá)到完全封堵的目的。一旦有效的“栓塞”結(jié)構(gòu)成功形成，流體將不再能夠進(jìn)入開放孔道中，壓力系統(tǒng)不再聯(lián)通，從而達(dá)到壓力升高封堵轉(zhuǎn)向的效果。

圖4 暫堵劑封堵微觀機(jī)理

二、暫堵劑應(yīng)用室內(nèi)研究

長寧區(qū)塊水平井實施分段分簇體積壓裂過程中，通過添加高強(qiáng)度暫堵劑對大量進(jìn)液的孔眼進(jìn)行暫堵，迫使液體進(jìn)入到進(jìn)液少的孔眼，保證每個射孔孔眼能夠均勻進(jìn)液，實現(xiàn)每段每簇每孔都能得到有效的體積改造，提高改造系數(shù)從而實現(xiàn)“縫控儲量最大化”。

在每條裂縫改造過程中，添加粉末型高強(qiáng)度暫堵劑在裂縫內(nèi)部不斷形成瞬時暫堵，提升裂縫內(nèi)凈壓力，使得原來難以開啟的微裂縫開啟，并形成更多新的分支裂縫。由于地層中主裂縫周邊產(chǎn)生大量的微裂縫及分支縫，致使形成的裂縫更加復(fù)雜、覆蓋范圍更廣，增產(chǎn)改造體積壓裂的裂縫網(wǎng)絡(luò)、改造體積大幅增加，達(dá)到控制氣藏體積的目的，從而進(jìn)一步發(fā)揮井周圍氣藏的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)。

通過耦合計算流體動力學(xué)和離散單元法數(shù)值模擬分析及相關(guān)室內(nèi)試驗，結(jié)合四川地區(qū)頁巖氣現(xiàn)場實際應(yīng)用對自主研發(fā)的暫堵劑進(jìn)行優(yōu)選，詳細(xì)研究暫堵壓裂施工過程中暫堵劑的粒徑大小、注入排量、尺寸組合、加入時機(jī)、加入濃度等參數(shù)(見圖5～圖7)，為頁巖氣井暫堵壓裂設(shè)計提供指導(dǎo)。

圖5 暫堵劑顆粒形狀對架橋影響

圖6 模擬最佳排量下暫堵劑分散程度

圖7 模擬最佳濃度下暫堵劑分布

經(jīng)過篩選出的暫堵材料具有剛性及柔性雙重特性，能夠滿足長寧頁巖地層溫度及壓裂工藝的需求。該暫堵材料抗壓強(qiáng)度大于40 MPa，降解徹底無殘留，降解率達(dá)99%以上，降解后巖心滲透率恢復(fù)率可達(dá)到98%以上；降解液無生物毒性，安全環(huán)保；暫堵材料尺寸可系列化，能夠滿足不同幾何尺寸裂縫的要求。在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，單井分段壓裂所需縫內(nèi)及縫口暫堵劑的用量根據(jù)相應(yīng)公式及經(jīng)驗版圖計算；暫堵劑投放時機(jī)根據(jù)壓裂設(shè)計及現(xiàn)場指揮確定，并由混砂車隨段塞液一起打入目的層段。

三、暫堵劑現(xiàn)場應(yīng)用

在長寧區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)，主要解決了兩個方面的問題:一是提高射孔有效率，改善兩向水平應(yīng)力差及裂縫復(fù)雜程度不夠的情況、套變段采用暫堵體積壓裂不丟段；二是優(yōu)化了長寧區(qū)塊壓裂暫堵材料加入數(shù)量、濃度、時間等參數(shù)并增加了裂縫復(fù)雜程度。采用裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)對42口井、206段井段進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，暫堵材料進(jìn)入地層后平均升壓4.9 MPa，最高升壓達(dá)12 MPa，暫堵后SRV較暫堵前提高26%，證實該技術(shù)的現(xiàn)場實際應(yīng)用增加了氣藏的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)。

1.提高射孔有效率增加裂縫復(fù)雜程度

A井水平段長2 011 m，分39段壓裂。其中，在1～3、5、13、20～24、26、35～36段共13段采用裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)增加裂縫的復(fù)雜程度?，F(xiàn)場實際施工，平均單段加入暫堵材料300 kg，暫堵材料添加段平均單段事件點356個，較未加入暫堵材料段增加49個；暫堵材料添加段平均改造SRV為11.14×106m3，較未加入暫堵材料段增加2.7×106m3；暫堵材料添加段平均裂縫復(fù)雜指數(shù)0.679，而未加暫堵材料段平均裂縫復(fù)雜指數(shù)為0.628?，F(xiàn)場反饋資料證實(見圖8)，裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)確實能提高射孔有效率，改善兩向水平應(yīng)力差并增加裂縫的復(fù)雜程度。

2.暫堵轉(zhuǎn)層發(fā)揮套變段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)

某平臺4號井連續(xù)290 m(4 340～4 630 m)發(fā)生套變，現(xiàn)場采取一次射孔，使用裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)合壓290 m。施工過程中暫堵材料分為4次加入，施工曲線顯示，每次加入暫堵材料后壓力分別上升了8 MPa、3 MPa、5 MPa、2 MPa；微地震監(jiān)測結(jié)果(見圖9)顯示套變段轉(zhuǎn)層明顯，該次體積壓裂覆蓋了全部套變段。壓后同平臺井產(chǎn)氣測試資料顯示，壓后測試產(chǎn)量為30×104m3/d，證實該技術(shù)能夠發(fā)揮套變段的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)。

圖9 套變段微地震監(jiān)測圖

四、結(jié)論

針對如何提高射孔孔眼進(jìn)液有效率、提高縫內(nèi)凈壓力、增加裂縫復(fù)雜程度等問題，本文提出裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)。該技術(shù)充分發(fā)揮出兩個重要作用：一是“暫時性作用”，暫時封堵且能完全降解(降解率大于99%、降解時間可調(diào))，降解后巖心傷害低(巖心滲透率恢復(fù)率大于98%)；二是“封堵承壓作用”，暫堵材料能夠堵得住且承壓大于40 MPa。

本文詳細(xì)介紹了該技術(shù)涉及的縫口、縫內(nèi)暫堵劑封堵裂縫機(jī)理，模擬優(yōu)化于暫堵劑的相關(guān)參數(shù)并提出相應(yīng)適用地質(zhì)條件。該技術(shù)通過縫口暫堵調(diào)整每一個射孔簇進(jìn)液,增加裂縫復(fù)雜程度,擴(kuò)大復(fù)雜裂縫的范圍,同時能夠針對套變段進(jìn)行體積壓裂。通過縫內(nèi)增壓暫堵，提高地層縫內(nèi)凈壓力，改善由于水平兩向壓力差大、裂縫的復(fù)雜度不夠等情況。

通過在長寧區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用裂縫暫堵—控藏體積壓裂技術(shù)，顯示該技術(shù)明顯增加了裂縫的復(fù)雜程度，提高了射孔孔眼進(jìn)液的有效率并能發(fā)揮套變段壓裂產(chǎn)氣貢獻(xiàn)，為經(jīng)濟(jì)有效開采長寧區(qū)塊頁巖氣提供了依據(jù)。