連續油管多簇噴砂射孔填砂暫堵分段體積壓裂技術

石孝志, 張俊成, 焦亞軍, 劉 臣, 宋 毅, 張柟喬

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 2中國石油浙江油田公司 3中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院)

0 引言

目前國內外頁巖氣等非常規儲層水平井分段壓裂改造采用的主要工藝技術為電纜泵送橋塞分簇射孔聯作分段體積壓裂改造[1-4]，其原理為橋塞進行機械封隔分段，具有工藝成熟、作業簡單、施工效率高等優點，但是其對完井質量和井筒完整性有較高的要求。井眼軌跡復雜等因素造成的泵送橋塞遇阻遇卡情況時有發生，此外還有因壓力高而不能泵送、橋塞坐封不丟手、橋塞坐封時電纜不點火、電纜點火后橋塞不坐封、射孔槍不響或2簇射孔只射1簇等各種問題。另一方面，非常規油氣開發過程中受到地質應力、構造作用、天然裂縫等多種因素的影響，在壓裂過程中出現了套管變形等井下復雜情況，常規機械分段工具無法通過，對水平井分段改造帶來巨大挑戰[5-7]。

本文在研究不同水平井分段壓裂技術適應性和不足的基礎上，結合套變水平井井筒實際情況，開展分段壓裂工藝室內實驗和模擬評價，優化填砂暫堵設計參數，設計一體化井下工具管串，形成一套以水平井填砂暫堵分段壓裂工藝、“沖砂-填砂-多簇噴砂射孔一體化”工具管柱、填砂暫堵分段壓裂優化設計與精確控制技術等為核心的水平井縫內填砂暫堵分段體積壓裂技術。該技術在現場的成功應用證實其在頁巖氣水平井分段壓裂中的適應性。

1 工藝技術

1.1 工藝原理

縫內填砂暫堵的機理是通過高砂濃度攜砂液的加入超過縫寬允許的程度從而在近井地帶的裂縫內形成砂堵，實現段間的封隔。該技術采用非機械方式封隔分段，作業安全高效、對井眼軌跡和井筒尺寸要求小、可實現無限級分段且施工整個過程保持井筒全通徑，一趟管柱可實現沖砂、填砂、多簇噴砂射孔與體積壓裂改造，解決了套變、高壓、井眼軌跡復雜頁巖氣水平井精細分段改造難題。與早期的水平井筒砂塞封隔工藝不同，縫內填砂暫堵工藝通過對填砂暫堵程序的精確控制，在近井地帶的裂縫中形成屏蔽暫堵，不會在井筒中殘留支撐劑，從而保證了井筒在壓裂過程中保持全通徑。

1.2 暫堵參數

通過開展支撐劑暫堵室內模擬和評價實驗(圖1)，分析了不同類型、濃度支撐劑在通過人工裂縫時的堵塞機制。通過優化支撐劑組合方式和濃度，改變裂縫中支撐劑的堆積剖面，為縫內填砂屏蔽暫堵工藝的實施奠定了實驗基礎。根據實驗和模擬結果，分析了滑溜水攜帶不同濃度支撐劑在不同流速下沿縫寬方向的沉降規律，通過優化排量與砂濃度的組合，優化縫內填砂暫堵排量為不高于5 m3/min，砂濃度不低于360 kg/m3。

1.3 工具管串

針對復雜井筒條件，考慮工具通過性受限，優化設計一體化井下工具管串：連續油管接頭+單流閥+丟手+噴砂射孔工具+沖洗頭(如圖2所示)，實現一趟入井完成套管沖砂、填砂和多簇噴砂射孔三種功能。工具管串的最大外徑根據井筒最大內徑定制合適的尺寸，提高了工具管串的通過能力和工藝的適用范圍。

圖2 沖砂-填砂-多簇噴砂射孔一體化工具管柱結構圖

水力噴砂射孔能有效克服常規射孔引起的壓實帶傷害和近井地帶傷害，噴射出的孔道較深，減少近井多裂縫和裂縫彎曲，可以提高射孔和壓裂效率[8-10]。結合頁巖氣水平井套管壁厚和鋼級，推薦采用石英砂作為射孔介質，砂濃度不低于100 kg/m3，單個噴嘴流速大于150 m/s，噴射時間大于7 min。

2 作業工序

連續油管多簇噴砂射孔填砂暫堵分段壓裂工藝流程為：地面施工準備；然后采用帶噴砂射孔工具的連續油管對指定施工層段進行洗井及分簇噴砂射孔聯作，完成該段射孔后取出連續油管；隨后對該段進行主壓裂及人工縫內填砂暫堵，若初次填砂暫堵不成功可重復進行縫內填砂暫堵或選擇投放暫堵球封堵已壓裂層段。重復以上施工步驟進行下一段的射孔、主壓裂和填砂暫堵，直至完成所有壓裂作業。

3 現場應用

3.1 實施方案

A1井完鉆層位位于龍馬溪組底部優質頁巖層內，在該井第1段壓裂后在A點附近發生套變影響常規橋塞工具下入的情況下，使用連續油管多簇噴砂射孔填砂暫堵分段壓裂技術對該井后續14段進行分段壓裂。

該井壓裂施工方案具體如下：①采用連續油管噴砂射孔+縫內填砂暫堵分段；②施工排量設計為8～10 m3/min；③單段液量1 600～1 800 m3，砂量60～80 t；④采用以滑溜水為主體的體積壓裂模式，支撐劑選用100目石英砂+40/70目低密度陶粒組合方式；⑤每段3簇噴砂射孔，每簇采用?4.5 mm×5個噴嘴的組合；⑥連續油管作業管柱最大外徑為83 mm。

通過分析該井水力裂縫動態擴展過程和縫內填砂暫堵高濃度支撐劑運移的堵塞行為(圖3)，在450 kg/m3左右濃度40/70目支撐劑條件下，射孔孔眼附近的局部支撐劑濃度達到堵塞濃度。

圖3 填砂暫堵后縫內支撐劑分布

3.2 施工情況

A1井應用連續油管多簇噴砂射孔填砂暫堵分段壓裂工藝實現分段壓裂，單井總共注入地層液量26 265 m3，砂量1 209 t，平均每段液量1 751 m3，砂量80.6 t，最高砂濃度530 kg/m3。縫內填砂未出現井筒內沉砂影響下一段工具下入的情況。

填砂暫堵分段壓裂后期的縫內填砂階段，通過漸進提高砂濃度，支撐劑在縫內堆積并開始縫內脫砂，井底凈壓力雙對數曲線斜率由0快速上升至1，支撐劑全部頂入地層后曲線斜率快速呈直線上漲，說明在縫口處形成砂塞暫堵(圖4)。

圖4 填砂暫堵壓裂施工曲線

3.3 效果評價

3.3.1 分段效果

使用縫內填砂暫堵分段壓裂技術，實現了顯著的段間暫堵壓差，保證了暫堵的有效性，對于少數通過高濃度填砂無法形成縫內填砂暫堵分段的特殊情況，采用可溶性堵塞球的備用方案進行暫堵。通過各段填砂暫堵封堵壓力、裂縫延伸壓力和井下微地震實時監測結果分析，每段壓裂都實現了在新的射孔位置開啟新的裂縫。此外，縫內填砂成功后次段壓裂的破裂壓力均未突破前段的填砂封堵壓力，有效保證了縫內填砂暫堵的可靠性。

3.3.2 改造效果

該井壓后測試產量14×104m3/d，增產效果顯著。從壓后效果分析，壓裂段數較少的A1井在投產后同時投產60 d后日產量、累計產量均高于同平臺使用常規橋塞分段壓裂19段的兩口鄰井，表明應用縫內填砂暫堵工藝同樣實現了體積壓裂改造效果，并在近井筒地帶提供了更為高效的導流能力，為后期生產提供了有利條件。

4 結論與建議

1)常規水平井分段壓裂工藝對井筒通徑要求高，對于套管變形等井下復雜情況缺乏有效的分段手段。通過縫內填砂暫堵能夠實現較好的段間封隔，實現了對復雜井筒水平井的分段壓裂改造。

2)連續油管水力噴砂多簇射孔在一定程度上控制井筒附近裂縫起裂和延伸，有效減少近井多裂縫和裂縫彎曲，提高了射孔效率，為高砂濃度支撐劑進入地層提供了有效通道。

3)連續油管多簇射孔填砂暫堵壓裂在現場成功應用并取得顯著增產效果，證明該工藝對非常規油氣藏水平井復雜井筒情況具有較好的適應性，為此類井的分段壓裂改造提供了可行的技術手段。

4)該工藝整個施工過程中通過縫內精確填砂暫堵分段，井筒保持全通徑，因此可根據儲層需要，進一步開展整個儲層井段內任意所需位置和順序的選擇性分段壓裂。