威榮頁巖氣田水平井套變段暫堵分段壓裂工藝技術研究

王興文,劉 琦,栗鐵鋒,尹 瑯,邱 玲

中石化西南油氣分公司石油工程技術研究院

0 引言

目前頁巖氣水平井分段壓裂工藝主要采用電纜泵送橋塞，當套管變形后橋塞不能被泵送到指定位置，導致變形段及其以下井段不能有效改造。威榮頁巖氣田2017年至今共改造19口水平井，其中9口發生不同程度的套變，導致部分井段被迫放棄改造，嚴重影響了壓裂改造的充分程度。WY43-1井位于威榮頁巖氣田西區，完鉆井深5 546 m,水平段長1 500 m，垂深3 760 m左右，鉆遇層位為龍馬溪組。首段壓裂后在井深4 100 m處發生套變，導致4 100～5 400 m井段不能下入橋塞分段壓裂。

暫堵分段壓裂的實施方式是一次或多次將套變井段射開、多次暫堵轉向、多次壓裂，適用于復雜套變井。WY43-1井暫堵壓裂井段長度1 300 m，需要堵塞的孔眼較多，分段有效性難以把握，因此需要從射孔、暫堵、施工參數等方面開展優化。

1 暫堵分段壓裂參數優化

1.1 射孔

在威榮頁巖氣田三維地質模型上，運用數值模擬軟件Navigator頁巖氣藏模塊，選擇WY43-1井開展數值模擬。初始模型網格劃分為40×200×5，總網格數40 000個，橫向和縱向網格長度均為10 m。Z方向考慮到壓裂裂縫高度及裂縫頂部流動效應，將1～5號小層劃分為5個模擬小層。簇間距取值范圍9～30 m，以3 m為間隔取值，裂縫半長取值200 m，壓裂等效高滲帶滲透率取值3 mD，見圖1。模擬結果表明，該井投產5年，累計氣產量隨簇間距的減小而增大，當簇間距減小到20 m左右，氣產量增長幅度有所減緩,見圖2。因此,設計WY43-1井射孔簇間距為20 m左右，套變段共射孔60簇，具體射孔位置兼顧高伽馬、高氣測全烴、同等應力水平。

圖1 WY43- 1井地質模型

圖2 不同簇間距下5年累計氣產量

1.2 暫堵壓裂次數

頁巖存在著較強的非均質性，沿井筒方向巖石力學性質、地應力等存在差異，對裂縫起裂壓力產生重大影響，使得沿井筒方向起裂壓力存在一定的差異。而當此差異超過一定程度時，會導致起裂壓力較低的射孔簇先行起裂，起裂壓力較高的射孔簇會延緩起裂甚至不起裂，最終呈現出多簇裂縫非同步起裂的現象。

針對多簇裂縫非同步起裂的問題進行了文獻調研[1-9]，目前較為有效的方式為利用限流原理確定同時起裂簇數和采用井筒暫堵提高分簇有效性。威榮氣田各相鄰段間破裂壓力差值基本≤5 MPa，利用射孔孔眼摩阻公式計算出不同射孔簇數下的射孔孔眼摩阻。

(1)

式中：φp—射孔孔眼摩阻，MPa；ρ—壓裂液密度，g/cm3；np—射孔孔眼數，個；Dp—射孔孔眼直徑，m；C—孔眼摩擦阻力修正系數。

根據破裂壓力與射孔孔眼摩阻計算，建立同步起裂族數圖版，見圖3。結合威榮氣田破裂壓力與最小主應力差值一般為10～15 MPa，可以看出威榮頁巖氣田主體射孔參數下,段內同步起裂簇數為2～5簇，一般為3～4簇。根據WY43-1井套變段射孔簇數為60簇，確定暫堵壓裂次數為18次。

圖3 同步起裂簇數圖版

1.3 暫堵材料用量

結合裂縫起裂研究結果，單次開啟3～4簇(每簇1 m，20孔/m)，則單次暫堵球加量為60～80顆。根據射孔孔徑和考慮孔眼沖蝕，暫堵球尺寸為9～12 mm。

暫堵劑加量根據現場實踐經驗公式[10-15]，封堵3～4簇需要暫堵劑80～100 kg，根據暫堵效果實時調整。

V=πH(d×Δd+Δd2)

(2)

M=V×ρ×η+V×ρ

(3)

式中：V—濾餅體積，cm3；

H—射孔段長度，cm；

d—套管外徑，cm；

Δd—橋堵厚度，cm；

M—暫堵劑質量，g；

ρ—暫堵劑密度，g/cm3;

η—嵌入孔眼比例,%。

1.4 暫堵材料性能評價

1.4.1 封堵強度實驗

將配制好的暫堵液倒入縫寬為0的暫堵儀中，打開氮氣瓶向暫堵儀通入氣體至壓力為0.5 MPa。緩慢通過調整裝置打開縫板，縫寬由0擴大到3～5 mm，如暫堵液不泄漏或少量泄漏且能保持穩定憋壓狀態，則分級1 MPa上調壓力，并逐級觀察是否壓力穩定及暫堵液泄漏。逐漸分級加壓至10 MPa且能保持穩定憋壓狀態后開始計時，若240 min內壓力維持不變，則視為暫堵劑滿足封堵要求。

將暫堵球放入內通徑為12 mm的球座內模擬堵塞射孔孔眼，進行60 MPa條件下加壓實驗，承壓240 min后不刺漏、不變形，則視為滿足封堵要求。

1.4.2 溶解實驗

將暫堵材料放入容器中，分別加入15%鹽酸溶液(模擬降破酸)、清水(模擬壓裂液)、3%氯化鉀溶液(模擬壓返液)，在66～99 ℃恒溫水浴槽中測試不同實驗條件下的溶解速率和完全溶解時間。

1.4.3 暫堵材料性能指標及檢測結果

WY43-1井暫堵材料的性能參數及檢測結果見表1、表2。

表1 暫堵劑性能指標及檢測結果

表2 暫堵球性能指標及檢測結果

2 現場應用

2.1 壓裂情況

采用連續油管對WY43-1井4 100～5 400 m井段開展12次射孔，每次5簇，共60簇，每簇1 m，孔密20孔/m，射孔孔徑8.5～9.7 mm。

每次壓裂后采用暫堵球/暫堵劑封堵該次壓裂進液的主通道，被迫液體開啟進入新的裂縫，開展下一次壓裂，直至完成套變段18次壓裂。以第15～16次壓裂為例，第15次壓裂結束以后，將排量降低至2 m3/min，向混砂車投入暫堵劑100 kg，以6 m3/min的排量輸送暫堵劑至縫口，到位后泵壓上漲1.8 MPa，完成封堵后則開始第16次壓裂施工，見圖4。

圖4 WY43- 1井套變段第15～16次暫堵壓裂施工曲線

套變井段共開展18次壓裂，累計注入壓裂液40 917 m3，支撐劑1 492 m3。施工壓力71.5～86.5 MPa，施工排量12～14 m3/min，停泵壓力為60.5～68.5 MPa。

2.2 暫堵情況

共開展18次壓裂，其中12次壓裂開展暫堵轉向，暫堵漲壓0～2.8 MPa，平均1.01 MPa；暫堵后施工壓力變化2～2.5 MPa，平均1.49 MPa，如圖5所示。暫堵漲壓較為明顯，多段有開啟新裂縫特征。

圖5 WY43- 1井暫堵漲壓與暫堵后施工壓力變化

2.3 壓后評估

為評價WY43-1井暫堵轉向壓裂效果，開展了廣域電磁裂縫監測。通過人工接地場源，向地下發送19頻點偽隨機信號，在接收端同時接收帶有地下信息的反饋電場信號，當壓裂液進入壓裂層段后，會導致地層視電阻率降低，從而影響電磁波場變化，通過對這種變化的監測，推斷壓裂液波及范圍。WY43-1井壓裂過程中的電位變化異常幅度疊合圖顯示壓裂主要進液點幾乎覆蓋全改造段，可見套變段改造較為充分。

該井壓后初期日輸氣(13～15)×104m3，井口套壓40 MPa左右，與同平臺其它正常泵送橋塞分段壓裂井日輸氣(9～18)×104m3、井口套壓30～42 MPa基本持平。

3 結論

(1)現場應用結果表明，在套變較為嚴重、套變井段較長的復雜井況下，暫堵分段壓裂可有效解決不能下入橋塞分段的問題，順利完成套變段的分段壓裂。

(2)從暫堵漲壓、施工壓力和停泵壓力來看，暫堵效果較好，起到了開啟新裂縫的作用。

(3)從裂縫監測和壓后效果來看，暫堵分段壓裂對套變段均勻充分改造是較為可靠的。