王金剛，孫 虎，任 斌，尹俊祿

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶指揮部，陜西西安 710018）

近年來，頁巖油作為一種新型的非常規(guī)油氣資源，越來越受到關(guān)注。水平井橋射聯(lián)作體積壓裂技術(shù)已成為長慶油田頁巖油氣藏儲(chǔ)層改造的主體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)提速目標(biāo)，改善了儲(chǔ)層改造效果；但該技術(shù)的工具管串復(fù)雜，且存在所用可溶橋塞或球座適用條件苛刻、壓后處理周期長等缺點(diǎn)。對(duì)于套管變形但井筒承壓符合要求的頁巖油水平井，由于井筒通徑變小導(dǎo)致壓裂用可溶橋塞或球座等大直徑工具無法下至設(shè)計(jì)位置；對(duì)于通過補(bǔ)貼修復(fù)套管的頁巖油水平井，也存在由于井筒通徑變小導(dǎo)致的壓裂分段工具通過受限的問題[1-2]。以上2 種情況下均不能通過機(jī)械分隔實(shí)現(xiàn)分段壓裂。針對(duì)這2 種套管變形的水平井，國內(nèi)外主要采用一次射開多段、暫堵分級(jí)加砂的方式進(jìn)行壓裂，但壓裂的針對(duì)性不強(qiáng)，壓裂效果無法保證。而水平井填砂分段壓裂技術(shù)采用極限填砂形成縫內(nèi)砂塞，實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封隔，從而分段壓裂儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化壓裂的目標(biāo)，可以解決套管變形和膨脹管修復(fù)井筒等通徑變小水平井壓裂工具下入受限的問題，且該技術(shù)在安全環(huán)保、作業(yè)后井筒處置及井筒完整性等方面有突出優(yōu)勢(shì)[3-6]，同時(shí)適用于常規(guī)井筒且可替代橋射聯(lián)作、底封拖動(dòng)等體積壓裂技術(shù)。因此，研究采用該技術(shù)壓裂頁巖油套變水平井。

1 填砂分段壓裂技術(shù)

水平井填砂分段壓裂技術(shù)是通過極限填砂形成砂塞，實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封隔，選擇連續(xù)油管攜帶小直徑噴射器，在嚴(yán)格控制井口回壓的條件下進(jìn)行水力噴砂射孔，然后通過環(huán)空加砂或光套管加砂實(shí)現(xiàn)體積壓裂。

1.1 填砂分段機(jī)理

與定向井填砂分段不同的是，由于重力沉降作用，水平井無法形成鋪滿井筒并達(dá)到一段長度的砂塞來實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封隔。水平井填砂封隔分段技術(shù)采用攜砂性能較差的液體將石英砂運(yùn)移至裂縫內(nèi)，脫砂后極限堆積、填充形成縫內(nèi)砂塞[3]，在嚴(yán)格控制井口回壓的條件下實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封隔（見圖1）。

圖1 水平井縫內(nèi)極限填砂示意Fig.1 Extreme sand filling in the fractures of horizontal wells

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐看，水平井填砂分段壓裂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封堵，完成新層段的選擇性壓裂。其與傳統(tǒng)封隔器或橋塞封堵的區(qū)別在于試壓停泵后會(huì)有壓降，填砂分段的封堵是相對(duì)節(jié)流，而非絕對(duì)截流。填砂后裂縫達(dá)到張開極限且填滿砂塞，閉合后再次張開的啟動(dòng)壓力遠(yuǎn)大于地層巖石的破裂壓力。在裂縫外加載荷作用下，支撐劑顆粒之間相互擠壓并發(fā)生形變，多次試擠導(dǎo)致砂塞孔隙度進(jìn)一步縮小[7-8]，如圖2 所示。砂塞與裂縫形成一個(gè)極小排量的節(jié)流環(huán)境，試壓停泵后會(huì)有壓降，但是只要開泵，依然會(huì)出現(xiàn)瞬間超壓。對(duì)于大排量的體積壓裂，漏失速度很小的漏失基本不會(huì)影響新層的壓裂規(guī)模及效果，填砂分段封隔的效果可靠。

圖2 水平井縫內(nèi)填砂砂粒擠壓形變示意Fig.2 Squeezing deformation of sand grains filled in the fractures of horizontal wells

1.2 填砂分段壓裂工藝流程

以連續(xù)油管水力噴砂射孔[9-10]、油套同注、環(huán)空加砂壓裂方式為例，介紹水平井填砂分段壓裂工藝流程：井筒準(zhǔn)備→連續(xù)油管定位校深→連續(xù)油管水力噴砂射開第1 段→破裂試驗(yàn)→上提連續(xù)油管至安全位置→環(huán)空加砂壓裂第1 段→填砂封隔第1 段→連續(xù)油管水力噴砂射開第2 段→……→依次完成所有壓裂層段的填砂封隔、射孔及壓裂作業(yè)→起出連續(xù)油管填砂分段壓裂工具→下連續(xù)油管沖砂鉆具并沖砂至人工井底（見圖3）。

圖3 水平井填砂分段壓裂工藝流程Fig.3 Flow chart of staged sand filling fracturing in horizontal wells

1.3 填砂分段壓裂的特點(diǎn)

水平井填砂分段壓裂技術(shù)受套管變形的影響小，填砂后實(shí)現(xiàn)縫口二次充填，從而減少地層吐砂；通過填砂封隔實(shí)現(xiàn)分段壓裂，僅需利用連續(xù)油管進(jìn)行水力噴砂射孔，壓裂管柱結(jié)構(gòu)簡單，安全性高，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)分段，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的有效改造，是一種成本和風(fēng)險(xiǎn)低、效率高的分段壓裂技術(shù)。但是，近年來該技術(shù)未能得到推廣應(yīng)用，主要是前期國內(nèi)連續(xù)油管應(yīng)用程度不高，同時(shí)缺少配套設(shè)備，如確保砂塞穩(wěn)定的井口回壓精細(xì)控制裝置和砂質(zhì)量濃度極高液體快速形成裝置。

2 填砂分段壓裂關(guān)鍵工藝完善及實(shí)施方法

填砂分段壓裂成功的關(guān)鍵是快速形成砂塞，實(shí)現(xiàn)有效封隔分段，為儲(chǔ)層的選擇性壓裂提供條件。基于國內(nèi)外水平井填砂分段壓裂技術(shù)研究成果[11]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過不斷優(yōu)化，形成了“尾追填砂”和“吹填縫口”2 種填砂模式。

2.1 “尾追填砂”模式

“尾追填砂”模式根據(jù)誘導(dǎo)砂堵填砂機(jī)理，將砂比提高到超出縫寬允許的程度[12-13]，關(guān)鍵是進(jìn)入裂縫后的砂比要高，結(jié)合儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，采用“濾失法”進(jìn)行完善。在現(xiàn)有常規(guī)壓裂設(shè)備允許的情況下，將砂質(zhì)量濃度較高的攜砂液泵送至近井地帶裂縫內(nèi)，濾失后進(jìn)一步提高砂質(zhì)量濃度，造成縫內(nèi)砂堵，實(shí)現(xiàn)填砂分段。

在主壓裂泵注后期停止加砂時(shí)，停止加交聯(lián)劑，開始加破膠劑，將壓裂液倒換為清水，并將砂比提高至不低于50%，此過程中排量不變。準(zhǔn)確計(jì)算液體頂替量，停止加砂后，以相同排量頂替，待砂質(zhì)量濃度較高的攜砂液前端到達(dá)縫口后，時(shí)刻注意壓力變化。若有明顯的超壓跡象，則繼續(xù)以原排量泵注，直至超壓停泵，停泵濾失后，重新開泵驗(yàn)封；若無超壓跡象，壓力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，則立即停泵，采用 “濾失法”進(jìn)行試擠，通過縫內(nèi)砂堵實(shí)現(xiàn)填砂分段。

2.2 “吹填縫口”模式

若采用“尾追砂堵”模式填砂不成功，則進(jìn)行單獨(dú)填砂作業(yè)，即“吹填縫口”模式。“吹填縫口”模式根據(jù)逐漸增加砂床高度形成砂塞的機(jī)理，利用縫口液體流態(tài)變化和節(jié)流作用進(jìn)行完善，通過多次開泵試擠，支撐劑在縫口快速搭橋、堆積，形成砂塞，實(shí)現(xiàn)填砂分段。單獨(dú)填砂采用清水?dāng)y砂，砂比不低于50%。泵送砂質(zhì)量濃度較高的攜砂液，頂替時(shí)的排量不低于2 m3/min，待砂質(zhì)量濃度較高的攜砂液前端到達(dá)縫口后，時(shí)刻注意壓力變化。若有明顯超壓跡象，則繼續(xù)以原排量泵注，直至超壓停泵，停泵濾失后，重新開泵驗(yàn)封；若無超壓跡象，壓力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，立即停泵，進(jìn)行壓裂段附近井筒鋪砂，然后多次開泵試擠，井筒鋪砂瞬時(shí)啟動(dòng)，吹填縫口，通過縫口砂堵實(shí)現(xiàn)填砂分段。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

長慶油田在隴東國家級(jí)頁巖油示范區(qū)華H40 平臺(tái)上進(jìn)行了填砂分段壓裂試驗(yàn)。試驗(yàn)井完鉆井深3 971.00 m，造斜點(diǎn)350.00 m，入窗點(diǎn)2 173.00 m，水平段長度1 798.00 m。該井計(jì)劃采用橋射聯(lián)作工藝壓裂19 段，但順利完成前12 段壓裂后，第13 段泵送橋射聯(lián)作工具及模擬槍至井深1 922.00 m 遇阻，清掃井筒后再次泵送模擬槍至井深1 922.00 m 多次遇阻，判斷套管存在異常，遇阻位置1 922.00 m 處的套管變形情況未知?？紤]后期壓裂施工安全，避免造成井下故障，后續(xù)8 段采用填砂分段壓裂技術(shù)進(jìn)行壓裂。

該井累計(jì)填砂分段壓裂8 段，施工排量6.0 m3/min，加砂量640.0 m3，入地液量5 502.9 m3，具體施工參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)井填砂分段壓裂施工參數(shù)Table 1 Construction parameters of staged sand filling fracturing in the test wells

壓裂過程中，地層破裂壓力高且工作壓力變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)壓力突降的情況。同時(shí)，各段破裂壓力、工作壓力均不相同（見圖4），說明層段間的砂塞持續(xù)穩(wěn)定，沒有滑脫或者移動(dòng)，封隔分段效果可靠。壓后測(cè)試求產(chǎn)，日產(chǎn)原油16.3 t，與同平臺(tái)其他井產(chǎn)油量相當(dāng)，壓裂效果較好。

圖4 試驗(yàn)井填砂分段壓裂施工曲線Fig.4 Construction curves of staged sand filling fracturing in the test wells

4 結(jié)論與建議

1）水平井填砂分段壓裂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)已壓裂層段的有效封堵，其封堵效果是相對(duì)節(jié)流，而非絕對(duì)截流。對(duì)于大排量體積壓裂，漏失速度低的漏失基本不會(huì)影響新層壓裂的規(guī)模及效果，填砂分段封隔效果可靠。

2）水平井填砂分段壓裂技術(shù)只是改變了封隔分段的方式，壓裂效果與底封拖動(dòng)分段壓裂技術(shù)、橋射聯(lián)作壓裂技術(shù)相當(dāng)。

3）水平井填砂分段壓裂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極短段間距的細(xì)分切割精細(xì)壓裂，但是需要控制回壓進(jìn)行沖砂作業(yè)，修整填砂砂面。試驗(yàn)井有3 段的段間距只有30.00 m 左右，填砂合格后破裂壓力非常明顯。

4）建議研發(fā)水平井填砂分段壓裂技術(shù)專用工具，如研發(fā)射孔與沖砂相結(jié)合的水力噴射器、優(yōu)化設(shè)計(jì)小直徑入井工具等。