頁巖氣井暫堵重復壓裂工藝技術研究及應用

吳宏杰，肖 博，張旭東

（1.中國石化江漢石油工程公司，湖北武漢 430000；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

隨著世界范圍內能源需求的不斷增長，頁巖氣作為一種新型的非常規天然氣資源，越來越受到關注。美國是頁巖氣大規模商業性開采最成功的國家。但是不同區塊的生產歷史均表明，隨著頁巖氣井的不斷產出，頁巖氣的產量出現不斷下降。Woodford 頁巖和Haynesville 頁巖產量統計分析發現，在前12 個月產量下降40 %～50 %[1，2]。在我國，中石化在焦石壩龍馬溪頁巖實現了規模化開采。自2012 年開發至今，我國頁巖氣田的部分壓裂老井出現了產量遞減快、井口壓力低于輸壓的情況，且產氣剖面測試結果表明，約三分之一的射孔簇無產氣貢獻，直接影響了氣田的經濟有效開發。重復壓裂作為重要的增產技術，被提上議事日程。頁巖氣重復壓裂技術一般可分為機械封隔（可膨脹襯管、連續油管等）重復壓裂工藝和暫堵（暫堵球、暫堵劑等）重復壓裂工藝[3]。機械封隔重復壓裂工藝可以精準控制液體走向，實施定點重復壓裂改造，降低施工風險。但是其成本高、工藝復雜、作業難度較大，限制了其推廣應用。暫堵重復壓裂由于成本低、施工工藝簡單，近幾年在國外的Barnett、Haynesville、Eagleford 等頁巖氣盆地得到了較多應用。Wood Mackenzie、IHS 等分析機構以及多個美國頁巖油氣公司均認為頁巖油氣井重復壓裂技術仍處于早期階段，至少在短期內還需要進行攻關[4]。而我國頁巖氣重復壓裂研究較國外相對滯后，同時由于地質條件差于國外，因此不能套用國外的開發模式。本文借鑒國外的暫堵重復壓裂思路，在對頁巖氣井初次壓裂人工裂縫誘導應力變化規律進行研究的基礎上，對暫堵重復壓裂轉向工藝進行了優化，并開展了現場試驗。

1 初次壓裂裂縫誘導應力場變化規律

前人的理論研究及現場監測結果都表明，在初次壓裂過程中，裂縫周圍的應力場會發生一定程度的改變。Aghighi 等[5]認為，應力反轉區域在致密氣藏比較常見，主要針對初始最大水平主應力和最小主應力差值較小的情況而言；當水平應力差值較大時，可能不存在應力反轉區域。在單條裂縫存在的情況下，裂縫周圍的應力反轉區域為橢圓形，如果此橢圓的長軸為Lf，短軸為，本文定義了應力轉向指數τ，來表征應力轉向區域的大?。?/p>

針對單條裂縫，選取不同的應力差異系數數值，本文研究應力反轉區域隨時間的變化規律，以確定應力重定向的臨界值。應力差異系數分別為0.05、0.1、0.15和0.2 時，應力反轉區域變化情況（見圖1）。

圖1 應力各向異性對應力反轉區域的影響

由圖1 可以看出，隨著時間的延長，應力轉向區域表現出先增大后減小的趨勢。不同的應力差異系數值，應力轉向區域差別較大。應力差異系數值越大，應力轉向范圍越小。當應力差異系數值大到一定程度時，應力轉向范圍就變得很小，且很快消失了，說明出現應力轉向存在應力差異系數的臨界值。

重復壓裂裂縫轉向需要滿足一定條件，即垂直于裂縫方向上的最小主應力σh和誘導應力Δσh之和，大于等于原最大主應力σH和誘導應力ΔσH之和：

即原地應力差越大，轉向越難。國內頁巖氣儲層的應力差一般介于7 MPa～25 MPa，若進行重復壓裂，重復壓裂裂縫在較小的范圍內發生一定程度的偏轉后又恢復至原始方向，難以形成復雜裂縫網絡。室內數值模擬及現場試驗均表明，通過暫堵劑引入人工附加遮擋，封堵先前形成的裂縫和高滲流通道，對裂縫實施暫堵，提升縫內凈壓力，逼迫裂縫發生轉向，促使次級裂縫及微裂縫的開啟和延伸，可提高儲層改造體積和效果[6]。

2 暫堵重復壓裂工藝優化

2.1 暫堵轉向機理

暫堵轉向是利用暫堵劑封堵流體低阻力通道，迫使流體轉向高阻力通道，形成轉向裂縫。根據平面徑向流公式[7]，流體注入地層的阻力可用表示：

式中：q-流量，cm3/s；k-介質滲透率，μm2；h-介質厚度，cm；μ-流體黏度，mPa·s；Δp-壓差，10-1MPa；re-供油半徑，cm；rw-井筒半徑，cm。

由（3）式可知，流體注入地層的阻力與注入流體的黏度呈正比，與地層的滲透率呈反比，即：

根據（4）式，增大低阻區域阻力有兩種途徑，一是提高液體黏度，二是降低地層滲透率。暫堵轉向就是用暫堵劑降低流體在原始流動通道的滲透率，提高原始流動通道的阻力，迫使流體轉向。

2.2 暫堵劑粒徑優選

一般而言，封堵裂縫的固體顆粒暫堵劑是一個不同尺寸顆粒暫堵劑的組合，包括粗顆粒、中顆粒和細顆粒暫堵劑。顆粒暫堵劑的封堵機理包括暫堵劑的架橋和充填帶滲透性的降低。較大顆粒暫堵劑的作用是暫堵劑充填帶的架橋，較小顆粒暫堵劑的作用是充填較大顆粒之間的孔隙，降低充填帶的滲透性。本部分主要對暫堵球和暫堵劑的粒徑進行研究。炮眼封堵常采用封堵球進行，粒徑一般較炮眼大2 mm～3 mm。射孔直徑與暫堵球直徑的對應關系表（見表1）[7]。

表1 射孔直徑與暫堵球直徑的對應關系表

縫內暫堵由于裂縫形態復雜且存在動態延伸，優化過程較為困難。針對不同的裂縫尺寸，本文進行暫堵劑粒徑優化。

2.2.1 近縫口縫內暫堵 頁巖氣重復壓裂時，由于初次復雜裂縫存在造成濾失較大，常采用胍膠等高黏液體進行施工，加之注入排量較大（大于8 m3/min），近井縫口寬度較大（一般3 mm～5 mm），建議采用粗顆粒暫堵劑（16/30 目）+中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細顆粒暫堵劑（60/80 目）的復合暫堵方式。粗顆粒暫堵劑架橋，中顆粒暫堵劑和細顆粒暫堵劑充填于粗顆粒暫堵劑之間的縫隙，降低暫堵劑充填帶的滲透性，從而形成致密的充填帶。搭建巖心流動試驗裝置（填砂管充填不同比例的復合暫堵劑，以填砂管的滲透率為基數），通過測量三種（粗顆粒、中顆粒和細顆粒）以不同比例混合的復合暫堵劑的滲透率，研究暫堵劑不同尺寸不同比例分布下的滲透率降低程度，即封堵效果。復合暫堵劑的比例以粗顆粒暫堵劑40 %，中顆粒暫堵劑30 %和細顆粒暫堵劑30 %為最優，試驗結果（見表2）。

2.2.2 近縫端縫內暫堵 因為遠場縫端寬度較?。? mm～2 mm），建議采用中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細顆粒暫堵劑（60/80 目）的復合暫堵方式。因為遠場裂縫寬度較小，粗顆粒暫堵劑不僅不會起到架橋作用，反而可能會導致施工失敗。所以中顆粒暫堵劑架橋，細顆粒暫堵劑充填于中顆粒暫堵劑之間的縫隙，降低暫堵劑充填帶的滲透性，從而形成致密的充填帶。通過測量中顆粒和細顆粒不同比例混合的復合暫堵劑的滲透率，復合暫堵劑的比例以中顆粒暫堵劑占35 %，細顆粒占65 %為最優，試驗結果（見表3）。

表2 暫堵劑不同尺寸分布下的滲透率降低測試結果，%

表3 暫堵劑不同尺寸分布下的滲透率降低測試結果，%

2.3 暫堵劑加量優化

2.3.1 暫堵球優化 暫堵球的用量一般可根據需要封堵炮眼的數量來確定。曾凌翔[8]提出可溶球與孔眼的直徑關系以及用量計算模型：

式中：D-可溶球直徑，cm；R-射孔孔眼直徑，cm；N-可溶球的個數；n-孔眼數。

2.3.2 暫堵劑加量優化 暫堵劑用量可根據室內試驗或數值模擬結果，基于相似性原理對現場用量進行優化，主要步驟包括：

（1）通過建立室內實驗模型或數值模型，研究不同地層溫度、不同縫寬、不同暫堵劑加量條件下的暫堵壓力變化規律；

（2）根據相似性原理，建立現場施工裂縫與室內裂縫暫堵轉向的模型，計算現場施工需要的暫堵劑用量。具體計算公式為：

式中：L1-室內試驗暫堵劑段塞長度，m；H1-室內試驗模擬裂縫高度，m；D1-室內試驗模擬裂縫寬度，m；L2-現場施工暫堵劑鋪置長度，m；H2-真實裂縫高度，m；D2-真實裂縫寬度，m；k-參考系數，一般取0.06；P1-室內試驗暫堵劑封堵強度，kPa；P2-現場施工轉向壓力，MPa。

根據文獻，目前頁巖氣壓裂單次暫堵劑用量多為60 kg～300 kg[9]。

2.4 暫堵劑投入時機優化

暫堵劑投放時機需要綜合考慮不同封堵位置對封堵效果的影響，同時還需要考慮排量等因素對封堵效果的制約。從斷裂力學角度，封堵位置越靠近縫口，裂縫應力強度因子下降越快，主裂縫封堵止裂所需要的封堵程度越低。但是，為了保證封堵帶不被沖破，封堵帶逼近縫口，壓裂施工排量需要大幅降低，否則將沖散封堵帶，裂縫端部繼續延伸。封堵位置的選擇存在一個建議區間范圍，在這個區間內，可以兼顧裂縫封堵程度以及臨界施工排量兩個方面。一般而言，投加暫堵劑時的排量應適當降低，以增強暫堵效果。綜合以上兩個因素進行分析，封堵位置保持在總縫長的35 %～55 %位置處，水力裂縫封堵效果較好[10]。具體加入時機可根據具體井的施工規模、排量等因素確定。

3 現場試驗

基于前文的研究成果，綜合地質與工程因素，選取了焦頁A 井進行了重復壓裂試驗。焦頁A 井是針對上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組下部頁巖氣層部署的一口頁巖氣評價井。本井完鉆井深4 088 m，實鉆A靶點垂深2 293 m，B 靶點垂深2 300 m。產量1.20×104m3/d。根據試驗井具體情況，確定了“暫堵球縫口轉向+暫堵劑縫內轉向”的重復壓裂工藝思路。對該井下志留系龍馬溪組3 622 m～4 017 m 實施重復壓裂施工。壓裂施工入井總液量10 970 m3，總加砂量319 m3，施工用暫堵球共計668 顆（其中9 mm 暫堵球89 顆，11 mm 暫堵球477 顆，13.5 mm 暫堵球102 顆），施工用暫堵劑共計430 kg（其中5 mm～8 mm 暫堵劑130 kg，60～80 目暫堵劑300 kg）。重復壓裂共完成4 級施工。壓后采用12 mm 油嘴放噴測試，井口壓力8.62 MPa，氣產量6.30×104m3/d，產量較壓前提高5 倍。至目前累產氣量已超過1 100×104m3，取得了較好的效果。

4 結論

本文在對暫堵機理進行研究的基礎上，對暫堵劑的暫堵粒徑級配、暫堵時機、暫堵劑加量等工藝參數進行了優化，并對暫堵材料開展了優選評價，初步形成了適于頁巖氣重復壓裂的暫堵裂縫轉向技術，現場應用取得較好的效果。

（1）基于不同應力差異系數對裂縫轉向區域的影響，明確了暫堵重復壓裂的必要性。

（2）針對不同暫堵方式，優化了暫堵劑的粒徑級配、加量及加入時機。近井縫口寬度較大（一般3 mm～5 mm），采用粗顆粒暫堵劑（16/30 目）+中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細顆粒暫堵劑（60/80 目）的復合暫堵方式，加量比例以粗顆粒暫堵劑40 %，中顆粒暫堵劑30 %和細顆粒暫堵劑30 %為最優?？p端寬度較小（1 mm～2 mm），建議采用中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細顆粒暫堵劑（60/80 目）的復合暫堵方式，暫堵劑比例以中顆粒暫堵劑占35 %，細顆粒占65 %為最優。

（3）封堵位置優選在總縫長的35 %～55 %位置處，封堵效果較好。具體加入時機可根據具體井的施工規模、排量等因素確定。

（4）焦頁A 井實施重復壓裂施工，取得了較好的效果。共實施4 級重復壓裂施工，總液量10 970 m3，總加砂量319 m3，施工用暫堵球共計668 顆，施工用暫堵劑共計430 kg。壓后采氣產量6.30×104m3/d，較重復壓裂前提高了5 倍。