填砂分段壓裂技術在頁巖油套變水平井的應用

王金剛，孫 虎，任 斌，尹俊祿

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油集團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油氣資源，越來越受到關注。水平井橋射聯作體積壓裂技術已成為長慶油田頁巖油氣藏儲層改造的主體技術，實現了生產提速目標，改善了儲層改造效果；但該技術的工具管串復雜，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。對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致壓裂用可溶橋塞或球座等大直徑工具無法下至設計位置；對于通過補貼修復套管的頁巖油水平井，也存在由于井筒通徑變小導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械分隔實現分段壓裂。針對這2 種套管變形的水平井，國內外主要采用一次射開多段、暫堵分級加砂的方式進行壓裂，但壓裂的針對性不強，壓裂效果無法保證。而水平井填砂分段壓裂技術采用極限填砂形成縫內砂塞，實現已壓裂層段的有效封隔，從而分段壓裂儲層，實現規模化壓裂的目標，可以解決套管變形和膨脹管修復井筒等通徑變小水平井壓裂工具下入受限的問題，且該技術在安全環保、作業后井筒處置及井筒完整性等方面有突出優勢[3-6]，同時適用于常規井筒且可替代橋射聯作、底封拖動等體積壓裂技術。因此，研究采用該技術壓裂頁巖油套變水平井。

1 填砂分段壓裂技術

水平井填砂分段壓裂技術是通過極限填砂形成砂塞，實現已壓裂層段的有效封隔，選擇連續油管攜帶小直徑噴射器，在嚴格控制井口回壓的條件下進行水力噴砂射孔，然后通過環空加砂或光套管加砂實現體積壓裂。

1.1 填砂分段機理

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到一段長度的砂塞來實現已壓裂層段的有效封隔。水平井填砂封隔分段技術采用攜砂性能較差的液體將石英砂運移至裂縫內，脫砂后極限堆積、填充形成縫內砂塞[3]，在嚴格控制井口回壓的條件下實現已壓裂層段的有效封隔（見圖1）。

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

從現場實踐看，水平井填砂分段壓裂技術可以實現已壓裂層段的有效封堵，完成新層段的選擇性壓裂。其與傳統封隔器或橋塞封堵的區別在于試壓停泵后會有壓降，填砂分段的封堵是相對節流，而非絕對截流。填砂后裂縫達到張開極限且填滿砂塞，閉合后再次張開的啟動壓力遠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生形變，多次試擠導致砂塞孔隙度進一步縮小[7-8]，如圖2 所示。砂塞與裂縫形成一個極小排量的節流環境，試壓停泵后會有壓降，但是只要開泵，依然會出現瞬間超壓。對于大排量的體積壓裂，漏失速度很小的漏失基本不會影響新層的壓裂規模及效果，填砂分段封隔的效果可靠。

圖2 水平井縫內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

以連續油管水力噴砂射孔[9-10]、油套同注、環空加砂壓裂方式為例，介紹水平井填砂分段壓裂工藝流程：井筒準備→連續油管定位校深→連續油管水力噴砂射開第1 段→破裂試驗→上提連續油管至安全位置→環空加砂壓裂第1 段→填砂封隔第1 段→連續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→起出連續油管填砂分段壓裂工具→下連續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

水平井填砂分段壓裂技術受套管變形的影響小，填砂后實現縫口二次充填，從而減少地層吐砂；通過填砂封隔實現分段壓裂，僅需利用連續油管進行水力噴砂射孔，壓裂管柱結構簡單，安全性高，同時可以實現精細分段，實現儲層的有效改造，是一種成本和風險低、效率高的分段壓裂技術。但是，近年來該技術未能得到推廣應用，主要是前期國內連續油管應用程度不高，同時缺少配套設備，如確保砂塞穩定的井口回壓精細控制裝置和砂質量濃度極高液體快速形成裝置。

2 填砂分段壓裂關鍵工藝完善及實施方法

填砂分段壓裂成功的關鍵是快速形成砂塞，實現有效封隔分段，為儲層的選擇性壓裂提供條件?；趪鴥韧馑骄钌胺侄螇毫鸭夹g研究成果[11]，結合現場實際，通過不斷優化，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”模式根據誘導砂堵填砂機理，將砂比提高到超出縫寬允許的程度[12-13]，關鍵是進入裂縫后的砂比要高，結合儲層的非均質性，采用“濾失法”進行完善。在現有常規壓裂設備允許的情況下，將砂質量濃度較高的攜砂液泵送至近井地帶裂縫內，濾失后進一步提高砂質量濃度，造成縫內砂堵，實現填砂分段。

在主壓裂泵注后期停止加砂時，停止加交聯劑，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。準確計算液體頂替量，停止加砂后，以相同排量頂替，待砂質量濃度較高的攜砂液前端到達縫口后，時刻注意壓力變化。若有明顯的超壓跡象，則繼續以原排量泵注，直至超壓停泵，停泵濾失后，重新開泵驗封；若無超壓跡象，壓力曲線出現拐點，則立即停泵，采用 “濾失法”進行試擠，通過縫內砂堵實現填砂分段。

2.2 “吹填縫口”模式

若采用“尾追砂堵”模式填砂不成功，則進行單獨填砂作業，即“吹填縫口”模式?！按堤羁p口”模式根據逐漸增加砂床高度形成砂塞的機理，利用縫口液體流態變化和節流作用進行完善，通過多次開泵試擠，支撐劑在縫口快速搭橋、堆積，形成砂塞，實現填砂分段。單獨填砂采用清水攜砂，砂比不低于50%。泵送砂質量濃度較高的攜砂液，頂替時的排量不低于2 m3/min，待砂質量濃度較高的攜砂液前端到達縫口后，時刻注意壓力變化。若有明顯超壓跡象，則繼續以原排量泵注，直至超壓停泵，停泵濾失后，重新開泵驗封；若無超壓跡象，壓力曲線出現拐點，立即停泵，進行壓裂段附近井筒鋪砂，然后多次開泵試擠，井筒鋪砂瞬時啟動，吹填縫口，通過縫口砂堵實現填砂分段。

3 現場試驗

長慶油田在隴東國家級頁巖油示范區華H40 平臺上進行了填砂分段壓裂試驗。試驗井完鉆井深3 971.00 m，造斜點350.00 m，入窗點2 173.00 m，水平段長度1 798.00 m。該井計劃采用橋射聯作工藝壓裂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8 段采用填砂分段壓裂技術進行壓裂。

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

表1 試驗井填砂分段壓裂施工參數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，沒有出現壓力突降的情況。同時，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穩定，沒有滑脫或者移動，封隔分段效果可靠。壓后測試求產，日產原油16.3 t，與同平臺其他井產油量相當，壓裂效果較好。

圖4 試驗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 結論與建議

1）水平井填砂分段壓裂技術可以實現已壓裂層段的有效封堵，其封堵效果是相對節流，而非絕對截流。對于大排量體積壓裂，漏失速度低的漏失基本不會影響新層壓裂的規模及效果，填砂分段封隔效果可靠。

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

3）水平井填砂分段壓裂技術可以實現極短段間距的細分切割精細壓裂，但是需要控制回壓進行沖砂作業，修整填砂砂面。試驗井有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）建議研發水平井填砂分段壓裂技術專用工具，如研發射孔與沖砂相結合的水力噴射器、優化設計小直徑入井工具等。