劉堯文， 明 月， 張旭東， 卞曉冰， 張 馳， 王海濤

（1.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408100；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206）

頁巖氣儲層具有低孔隙度、低滲透率的特點，需通過大規(guī)模水力壓裂形成人工縫網(wǎng)提供滲流通道進行生產(chǎn)，但壓裂改造后普遍存在產(chǎn)量遞減速率快、穩(wěn)產(chǎn)期短的問題[1]。研究表明，重復(fù)壓裂技術(shù)是低滲油氣田開發(fā)中后期增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)措施[2-4]。通過多年探索，北美目前已形成較為成熟的重復(fù)壓裂技術(shù)體系，多個區(qū)塊多口頁巖氣井重復(fù)壓裂后的EUR平均提高180%以上，增產(chǎn)效果明顯[5]；國內(nèi)頁巖氣井重復(fù)壓裂技術(shù)仍處于起步探索階段，缺少在長水平段水平井成功應(yīng)用的案例[6]。

涪陵頁巖氣田前期3口頁巖氣井進行了投球暫堵重復(fù)壓裂先導(dǎo)試驗，均出現(xiàn)施工難度大、重復(fù)壓裂后穩(wěn)產(chǎn)時間短和可采儲量提高不明顯等問題。為此，筆者在深入分析投球暫堵重復(fù)壓裂工藝所存在問題的基礎(chǔ)上，借鑒北美重復(fù)壓裂的成功經(jīng)驗，轉(zhuǎn)變技術(shù)思路，進行了氣井壓裂前剩余氣分布評價、壓裂改造方案優(yōu)化[7]，形成了涪陵頁巖氣田“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)，為頁巖氣老井提高采收率提供了一種可靠的技術(shù)方法。

1 投球暫堵重復(fù)壓裂存在的問題

投球暫堵重復(fù)壓裂工藝是針對改造不充分的段簇，采用“擠注提壓+轉(zhuǎn)向壓裂”分階段挖潛的方式提升氣井產(chǎn)能[8]（見圖1）。首先，采用減阻水循環(huán)擠注補充老縫能量；然后，在主壓階段先投加可溶暫堵球封堵全井段的優(yōu)勢進液通道，再進行大規(guī)模水力壓裂，迫使初次壓裂未開啟簇形成新縫，或再次改造初次壓裂改造不充分的老縫[9-10]。初次壓裂生產(chǎn)一段時間后，老縫周圍地層壓力降低，井周地應(yīng)力場隨之變得更為復(fù)雜，重復(fù)壓裂時液體會優(yōu)先進入低壓力區(qū)的優(yōu)勢通道，由于暫堵球封堵位置及封堵次序的隨機性強，為后期增產(chǎn)帶來較大的不確定性。

圖1 投球暫堵重復(fù)壓裂工藝Fig.1 Temporary plugging and diverting refracturing technology

北美Haynesville氣田實施暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂的15口井中，11口井壓后初期日產(chǎn)氣量約為初次壓裂后的14%～46%，僅4口井達到70%～76%，13 口井預(yù)計最終可采儲量增加（0.1～0.5）×108m3不等，多數(shù)井改造效果不明顯，且增產(chǎn)效果不穩(wěn)定[11]。涪陵頁巖氣田3口頁巖氣井前期采用投球暫堵工藝進行了重復(fù)壓裂施工，施工過程中均出現(xiàn)壓力逐級升高的現(xiàn)象，反映出近井地帶濾失嚴重；壓后初期日產(chǎn)氣量為（0～4.2）×104m3，可采儲量增加（0～0.1）×108m3，產(chǎn)氣剖面顯示產(chǎn)氣貢獻集中在跟部，反映出多級循環(huán)反復(fù)改造跟端壓裂段，采用投球暫堵不能實現(xiàn)全井段有效動用，現(xiàn)階段投球暫堵重復(fù)壓裂局限性較強。

2 “套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)是在原井筒內(nèi)下入小尺寸套管固井，機械封隔初次壓裂射孔孔眼，在井筒內(nèi)形成新通道后，再次進行和初次改造步驟相同的分段射孔壓裂[12]（見圖2）。該技術(shù)雖然成本高，工藝復(fù)雜，但能完全封堵已有射孔孔眼，且能精準控制起裂位置及壓裂液走向，可大幅降低濾失引起的施工風(fēng)險[13-14]，提高重復(fù)壓裂的針對性。

圖2 “套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂工藝Fig.2 “Casing in casing” mechanical isolation refracturing technology

2016年，“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)在北美Haynesville氣田成功應(yīng)用，壓后平均初期日產(chǎn)氣量達到初次壓裂后的72%；隨著技術(shù)日漸成熟，初期日產(chǎn)氣量恢復(fù)率逐年提高，甚至超過初次壓裂后日產(chǎn)氣量的111%[15]，目前該技術(shù)已在北美Haynesville、Eagle Ford 等多個氣田推廣應(yīng)用，但受技術(shù)、材料的制約，國內(nèi)尚無應(yīng)用井例。綜合國內(nèi)外調(diào)研及涪陵頁巖氣田早期先導(dǎo)試驗結(jié)果，選JYAHF井進行“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)現(xiàn)場試驗。

2.2 改造潛力評價

JYAHF井水平段長 1 200 m，一類優(yōu)質(zhì)頁巖氣層鉆遇率90.8%，水平段平均孔隙度5.1%，總有機碳含量3.1%。該井初次壓裂15段，以單段3簇射孔為主，平均簇間距 25.30 m，平均段間距 30.00 m，具有簇間補孔潛力。初次壓裂用液強度20.4 m3/m，加砂強度0.6 m3/m，第2段、第6段、第10段和第14段加砂困難，加砂量僅0～1.4 m3，縫內(nèi)無有效支撐，改造不充分。初次壓裂后放噴測試，井口壓力21.6 MPa，測試產(chǎn)氣量20.9×104m3/d，重復(fù)壓裂前該井累計產(chǎn)量0.75×108m3，采用 RTA 方法預(yù)測可采儲量 1.19×108m3，剩余可采儲量為0.44×108m3。周緣鄰井同期累計采出頁巖氣（1.14～1.64）×108m3，JYAHF 井累計產(chǎn)氣量大幅低于鄰井，具有較好的重復(fù)壓裂潛力。

JYAHF井于2013年12月投產(chǎn)，至2020年12 月重復(fù)壓裂前，平均日產(chǎn)氣量 1.1×104m3，套管壓力 2.0 MPa，已低于集氣站外輸壓力（5.6 MPa）。該井生產(chǎn)期間2次產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果顯示，各簇不同時間、不同制度下各段產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比大致相同，簇間產(chǎn)氣量差異大，56%射孔簇不產(chǎn)氣或微產(chǎn)氣（見圖3）。分析認為，1～24簇（前半段）為初次壓裂低動用簇，剩余氣分布在原簇和簇間；25～43簇（后半段）儲量動用程度較高，剩余氣分布以簇間為主[16]。

圖3 JYAHF井不同生產(chǎn)時間的各簇產(chǎn)氣剖面Fig.3 Gas production profile of each cluster in Well JYAHF at different production stages

2.3 壓裂方案設(shè)計

重復(fù)壓裂共設(shè)計21段，其中1～2段分3簇射孔，采用常規(guī)壓裂工藝，確保施工安全性；3～12段改造對象為初次壓裂的5～24簇，以挖潛簇間剩余資源為主，提高老縫導(dǎo)流能力為輔，采用單段2簇新孔加2簇老孔的射孔模式。為降低老縫虧空影響，每段設(shè)計注入100～150 m3減阻水補充地層能量，段內(nèi)分2級開展縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂[17]：第一級以改造老縫為目的設(shè)計短攜砂循環(huán)，中途低排量高質(zhì)量分數(shù)投加4/200目暫堵劑，封堵老簇后進行第二級壓裂改造新射孔簇，單段施工規(guī)模1 750 m3；13～21段采用密切割+限流壓裂工藝改造井筒后半段，在老孔簇間補射新孔，提高儲量動用程度。為避免裂縫延伸溝通老縫，經(jīng)過模擬優(yōu)化，新縫與老縫的簇間距縮小為 8.60 m，控制壓裂規(guī)模為 1 175 m3。針對小套管施工摩阻大、井筒內(nèi)流速快和地層濾失量大等問題[18]，進行了以下3個方面的優(yōu)化：

1）重建井筒套管內(nèi)徑變小，導(dǎo)致管柱摩阻增大；雙層套管射孔的外層套管射孔孔徑變小為5 mm左右，孔眼摩阻亦有所升高，因此對排量進行優(yōu)化。凍膠階段，受施工限壓影響，前半段排量為6.0～7.0 m3/min，后半段排量為 10.0～11.0 m3/min；減阻水階段，前半段排量為9.0～10.0 m3/min，后半段排量為 11.0～12.5 m3/min。

2）現(xiàn)場通過優(yōu)化工藝流程，新增了液體添加系統(tǒng)，可實現(xiàn)壓裂液一體化配制，施工過程中根據(jù)工況在線變黏，砂比提升后減阻水質(zhì)量分數(shù)從0.1%階梯提至0.2%，保障高流速下液體攜砂性能的同時，提升鋪砂剖面的同步性和均質(zhì)性。

3）為解決因初次壓裂產(chǎn)生的近井多裂縫發(fā)育導(dǎo)致的濾失問題，確保后續(xù)加砂施工順利，前置液階段采用高黏凍膠階梯提升排量，控制近井形成多裂縫及進液，使其在壓裂初期在近井地帶形成主縫。

2.4 “套中固套”施工工藝

2.4.1 井筒處理

考慮初次壓裂及生產(chǎn)對井筒的影響，確保固井作業(yè)能夠順利施工，要求井筒可通過直徑大于112.0 mm的工具串，井筒漏失速度小于25 L/min。首先，工具串進行通過性驗證，在原內(nèi)徑115.0 mm井筒下入多臂井徑儀，測井顯示5個井段結(jié)垢較嚴重，地層漏失速度高達160 L/min。為滿足下入φ88.9 mm套管固井要求，需對原井筒進行回注增能和裂縫堵漏處理。采用外徑108.0～112.0 mm的銑錐磨鞋通井，上下劃眼正常，確保工具串正常通過。在此基礎(chǔ)上，對井筒進行堵漏處理，首先回注2% 氯化鉀溶液 1 000 m3，井底壓力由 9.4 MPa 提至22.0 MPa以上，增能的同時，堵漏劑能在近井地帶形成支撐，保障堵漏效果；隨后加入28.9 m3碳酸鈣顆粒和固化水封堵老射孔孔眼，漏失速度降至16.4 L/min，分析認為井底穩(wěn)定，滿足固井施工條件。

2.4.2 下套管固井

在內(nèi)徑 為 115.0 mm 的井筒下入φ88.9 mm 套管固井，環(huán)空間隙小于15.0 mm，套管居中難度大，為使固井質(zhì)量優(yōu)良率大于90%，對水泥漿性能要求高。經(jīng)過多輪次井筒通過性模擬試驗，最終選擇黏貼穩(wěn)定性好、居中度高、摩阻低和射孔彈穿透性好的樹脂帶狀扶正器，每根套管圓周上按90°分布，間距 2.40 m 螺旋形安裝 4 片。JYAHF 井 2 281～3 978 m井段共下入154組扶正器，試驗測得平均居中度大于80%。優(yōu)選與固化水兼容性、穩(wěn)定性好的水泥漿進行固井，在井深2 240 m處設(shè)置脫節(jié)器，代替北美常用的套管切割，降低泵送射孔施工難度。重建井筒候凝48 h后，測得固井質(zhì)量優(yōu)良率99%，井筒試壓85 MPa合格，滿足下一步壓裂施工要求。

3 現(xiàn)場施工與效果評價

3.1 重復(fù)壓裂施工

JYAHF井全部21段平均施工壓力52.7 MPa，平均施工排量 9.3 m3/min，壓裂施工總液量 31 037 m3，用液強度26.5 m3/m，設(shè)計液量完成率100.3%，加砂總量 1 187.3 m3，加砂強度 1.1 m3/m，設(shè)計加砂量完成率103.5%，高效完成了該井的重復(fù)壓裂施工。2種壓裂工藝的施工參數(shù)見表1。

表1 JYAHF井重復(fù)壓裂施工參數(shù)Table 1 Refracturing parameters of Well JYAHF

新老縫協(xié)同改造的3～12段施工難度較大，因老縫存在不同程度虧空，施工第一級壓力對排量極其敏感，低黏液體濾失量大，多次出現(xiàn)壓力尖峰。在保障設(shè)計思路不變的情況下，現(xiàn)場對粉砂、暫堵劑用量以及液體組合模式進行了調(diào)整，調(diào)整后壓力波動幅度明顯減?。ㄒ妶D4）。

圖4 JYAHF井調(diào)整前后壓裂施工曲線Fig.4 Fracturing curve of Well JYAHF before and after adjustment

1）第一級粉砂占比提高到45%以上，減小低排量下支撐劑在射孔孔眼和裂縫內(nèi)的沉降率，增強老孔復(fù)射位置次級裂縫、微裂縫對產(chǎn)量的提升作用[19]。

2）頁巖氣井壓裂暫堵劑加量按經(jīng)驗設(shè)計為4～7 kg/孔，經(jīng) 3 段施工摸索，暫堵劑加量由 50 kg 優(yōu)化為 250 kg，投加后起壓幅度由 1.8 MPa 提升至9.6 MPa，調(diào)整后第二級新縫改造時壓力尖峰由2～3個減至1個以下，第二級排量由6～8 m3/min提高至10 m3/min，后期按照設(shè)計要求施工順利，調(diào)整后封堵效果好。

3）前置液階段液體組合由“線性膠—交聯(lián)膠—0.1%減阻水”調(diào)整為“交聯(lián)膠—線性膠—0.2%減阻水”，并保持交聯(lián)膠和線性膠的黏度（分別為800 和 25 mPa·s）不變，將減阻水的黏度由 4 mPa·s增至10 mPa·s，這樣有效降低各階段流體之間的黏度差，可以減緩造縫后的液體濾失速度。

3.2 施工效果評價

JYAHF井壓裂后放噴測試，井口壓力16.4 MPa，測試產(chǎn)氣量18.4×104m3/d，分別恢復(fù)到初次壓裂的76.0%和88.0%。重復(fù)壓裂前該井已進入增壓間歇開采階段，重復(fù)壓裂后重新投產(chǎn)日均產(chǎn)氣量6.1×104m3，初期日產(chǎn)氣量較重復(fù)壓裂前提高5.5倍。初次壓裂后累計產(chǎn)氣量達到 1 200×104m3時的彈性產(chǎn)率為71.2×104m3/MPa，重復(fù)壓裂后累計產(chǎn)氣量達到1 200×104m3時的彈性產(chǎn)率為 54.6×104m3/MPa，恢復(fù)率達76.7%（見圖5）?？紤]重復(fù)壓裂前該井和周緣加密井生產(chǎn)情況，預(yù)計該井可采儲量由1.19×108m3增加至 1.55×108m3，采收率提高 4.8%，增產(chǎn)效果明顯，表明“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)在國內(nèi)頁巖氣水平井試驗取得成功。

圖5 JYAHF井初次和重復(fù)壓裂后彈性產(chǎn)率對比Fig.5 Elastic yield comparison between initial fracturing and refracturing in Well JYAHF

投產(chǎn)5個月后，該井產(chǎn)氣剖面測試分析結(jié)果表明，前半段產(chǎn)氣貢獻率（平均75.3%）明顯高于后半段（平均24.7%），表明剩余資源儲量高是獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。就段間差異而言，即使剩余資源量大致相當(dāng)?shù)亩危徽摦a(chǎn)氣貢獻率還是段內(nèi)各簇開啟程度，暫堵工藝改均優(yōu)于限流工藝。對射孔方式進行分析，3～12段老孔復(fù)射簇共20簇，初次壓裂后平均產(chǎn)氣量 749 m3/d，重復(fù)壓裂后 764 m3/d，未達到增產(chǎn)目的。其中，老孔復(fù)射簇總產(chǎn)氣量 1.53×104m3/d，簇間補孔的 20簇總產(chǎn)氣量 2.54×104m3/d，前半段62.4%產(chǎn)氣貢獻來自簇間補孔簇。

產(chǎn)氣剖面數(shù)值模擬結(jié)果表明，壓裂裂縫生產(chǎn)一段時間后，裂縫周圍泄氣區(qū)內(nèi)的壓力降低，導(dǎo)致泄氣區(qū)內(nèi)的地層應(yīng)力場發(fā)生改變，老縫之間的區(qū)域應(yīng)力差降低[20]，補射新簇后有利于裂縫復(fù)雜化，可最大限度地挖潛剩余儲量。但在新老裂縫并存的情況下，液體優(yōu)先進入老縫，且由于老縫周圍應(yīng)力場發(fā)生變化，老縫延伸的同時會相互溝通，造成液體效率和改造體積效果有限[21]，增大了施工難度，導(dǎo)致出現(xiàn)壓力尖峰（見圖6）。

圖6 JYAHF井重復(fù)壓裂裂縫延伸軌跡及壓力場模擬結(jié)果Fig.6 Simulation of fracture extension and pressure field of Well JYAHF after refracturing

4 結(jié)論與建議

1）與投球暫堵重復(fù)壓裂技術(shù)相比，“套中固套”機械封隔重復(fù)壓裂技術(shù)可以完全封堵初次壓裂射孔炮眼，實現(xiàn)頁巖氣水平井剩余氣精準動用，技術(shù)有效性更強。

2）針對施工中前后半段均出現(xiàn)濾失嚴重導(dǎo)致排量提高困難的現(xiàn)象，建議開展減少射孔簇數(shù)、提高液體黏度、提高粉砂占比等試驗，研究降低重復(fù)壓裂近井地帶濾失量的有效手段。

3）未進行縫內(nèi)暫堵的段改造均勻程度低，老孔復(fù)射簇一定程度上增大了施工難度，且最終產(chǎn)氣貢獻率較低，建議圍繞重復(fù)壓裂簇間補孔、縫內(nèi)暫堵工藝繼續(xù)開展研究。