中國川渝地區水平井壓裂技術研究進展

顧克忠 王琪 張健

中石化華東石油工程有限公司華美孚泰公司，中國·江蘇 揚州 225000

1 引言

川渝地區作為中國頁巖氣開發前景遠大的地區之一，資源充足、產層多，技術條件越來越趨向成熟[1]。當前川渝地區頁巖氣產能建已經全面展開，而水平井分段壓裂技術是頁巖氣開發的十分重要的一環。而壓裂技術也在不斷的進步與發展，井工廠壓裂技術、可溶性橋塞分段壓裂技術已經發展成為川渝地區壓裂的常規壓裂技術，幾乎已經應用于川渝地區大部分壓裂井；而趾端滑套工藝技術、無限級滑套工藝技術正在逐步代替泵送橋塞分段壓裂技術，逐漸成為該地區增產增效的一種壓裂技術發展趨勢。

2 井工廠壓裂技術

由于川渝地區頁巖氣分布區域的地質地理特征復雜，而且壓裂施工又要受到井場環境、周邊道路等各方面因素的影響，效仿其他國家的大型或超大型“工廠化”的施工模式不太現實，所以該地區選擇了另外一種從式水平井組的“井工廠”壓裂模式。顧名思義，從式布井集中在同一井場，井各間進行同步交替壓裂施工[2]。

2.1 “井工廠”壓裂模式

井工廠交替壓裂是指在一個平臺一井壓裂施工時，另一井進行射孔、下橋塞等作業，兩井交替進行施工，縮短壓裂周期，提高生產效率；井工廠同步壓裂是指同時使用兩套壓裂機組對兩口或兩口以上井進行的壓裂施工[3]。

2.2 “井工廠”壓裂配套系統

“井工廠”壓裂地面配套系統:連續泵注系統、連續供砂系統、連續配液系統、連續供水系統、工具下入系統等，如圖1所示。

圖1 “井工廠”壓裂地面配套系統示意圖

連續泵注系統是“井工廠”壓裂的核心，主要包括高壓泵注系統與低壓集流供液系統。“井工廠”壓裂施工要求地面高壓流程連接簡便，流程控制安全、可靠，流程連接可實現在兩口井甚至多井間進行切換，同時要求多井間橋塞泵送或其它配套作業與壓裂施工可同步進行。通過使用高壓分配管匯對地面流程優化后，可滿足上述要求，實現高效的“井工廠”壓裂施工。

壓裂高壓分配管匯由多個通徑為130mm、承壓105MPa的平板閥和多個6 通壓裂注入頭及其它輔助配件組成。它是“井工廠”壓裂模式下地面高壓流程控制技術的關鍵裝置。根據井工廠壓裂工藝不同要求，地面高壓流程可使用不同的壓裂分配管匯對高壓流體進行分流與控制。

通過壓裂分配管匯實現高壓流程在多井間切換，同時泵送橋塞區通過六通壓裂井口獨立與井口連接，具有單獨的泵送橋塞流程，這是“井工廠”壓裂的核心之一。壓裂與泵送分開的控制流程使二井間壓裂施工和泵送橋塞作業可以同步進行，獨立控制，互不干擾，減少施工的停等時間，施工銜接緊湊，實現高效的井工廠壓裂運行模式。

2.3 現場實施情況

南川區塊A 平臺位于重慶市南川區楠竹山鎮謝壩村8組，川東高陡褶皺帶萬縣復向斜南部的金佛斷坡平橋背斜構造帶，目的層為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組。A 平臺4 口井采用24 小時井工廠模式施工，壓裂管匯撬分流頭組接分流管匯，主壓流程聯入液控旋塞控制的投球裝置，施工不停泵可以正常投球，通徑130mm，平板閥級別105MPa，分流管匯三端分別組連A-1HF井、A-2HF井、A-3HF井（同時進行1 井、2 井的壓裂施工），單井壓裂流程串接技套平衡壓流程。同時確保安全高效的完成平臺井拉鏈式壓裂施工，準實施一口井壓裂期間另外一口井進行泵送橋塞射孔。A 平臺70 段用時18 天，平均每天3.8 段，最高一天壓裂5 段，效率同比增加30%，圓滿完成了該平臺壓裂施工任務目標。

3 可溶性橋塞分段壓裂技術

可溶性分段橋塞壓裂技術[4]作為川渝地區頁巖氣藏的一項重要新生技術，已經逐漸成長成為該地區一種常規壓裂技術。該技術在壓裂時能夠將層間穩定的進行封隔，并且不與周圍環境發生物理化學反應。同時，該技術還可以自行進行溶解，不需要進行鉆磨橋塞，可以隨返排液自行行排出井筒，保證了井筒的全通徑效果，為以后的產能測試提供了有利保障。

3.1 基本結構

可溶性橋塞作為水平井分段壓裂工具中的一種，結構主要由兩部分組成，其一是本體而另外一部分是膠筒。本體部分的材質主要由金屬構成，一般都會采用鎂基合金制作，該合金具有可溶性。而膠筒部分的主要材質由橡膠制成，該橡膠具有可降解性。其結構如圖2所示。

圖2 可溶性橋塞結構示意圖

3.2 工藝原理

可溶性橋塞一般情況下投送采用投送工具，泵送其經過電纜傳輸送達指定井筒層位，同時依靠火工品爆炸時產生的推動力推動滑套，通過擠壓背圈和膠筒，帶動綴體擠壓卡瓦。當達到卡瓦的破裂壓力時，卡瓦向外移動，咬合套管，錐體與卡瓦形成自鎖，膠筒膨脹與套筒內壁貼合，完成橋塞的丟手坐封[5]。壓裂完成后可以自行進行溶解，保證了井筒的全通徑效果，為以后的產能測試提供了有利保障。與其他普通工藝作比較，該技術的主要亮點在于可以自行進行溶解，不需要進行鉆磨橋塞，縮短了投產周期，提高了生產效率。

3.3 現場實施情況

根據目前數據統計及壓裂施工數據顯示，南川頁巖氣區塊可溶性橋塞分段壓裂工藝技術的使用情況已經基本做到了全覆蓋。據不完全統計，2020年南川工區共下入1500余支，南川區塊部分可溶性橋塞使用情況如表1所示。

表1 南川區塊部分井可溶性橋塞使用情況統計

4 趾端滑套工藝技術

川渝地區大部分頁巖氣井均采用泵送橋塞分段壓裂技術，而相對應的進行第一段壓裂施工前基本上都需要通過連續油管開展射孔作業，無形中增加了施工周期及成本。為了有效解決這種情況，趾端滑套工藝技術應運而生，該技術可以在一定范圍內替換首段射孔，提高頁巖氣田開發效率。

4.1 基本結構

趾端滑套是一種壓裂滑套，該滑套通過液壓進行操控。主要應用于目的層打通和構建流動通道前進行的完整性壓力測試，能夠實現與其他各種多級滑套或者橋塞射孔共同使用，相輔相成。延時趾端滑套基本組成部分由三部分構成，其一是壓裂控制裝置、其二是延時控制系統以及內活塞，其結構如圖3所示。

圖3 趾端滑套結構示意圖

4.2 工藝原理

趾端滑套工藝原理是當當工作壓力超過延時控制系統的剪切限定值時，爆破閥開啟，壓力推動內活塞移動，激活工具內的延時控制系統，內活塞將液體腔內的液壓油緩慢擠入真空腔，通過延時閥控制液壓油的流速。待試壓時間達到30 min 或其他標準試壓時間，內活塞移動到位，滑套完全開啟，建立了井筒—地層的流通通道。

4.3 現場實施情況

B-2 井是中石化部署在四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜東勝背斜的一口評價井，目的層位于上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組。該井為南川工區首次應用趾端滑套工藝技術，首先進行全井筒試壓，壓力打至50MPa，穩壓15min 后壓力降到49.4MPa；然后繼續打壓至80.1MPa；穩壓2min 后壓力下降至51.8MPa，說明滑套成功開啟。

然后B-2 井第1 段壓裂施工，首先根據壓力提高排量到12m3/min，并注入150m3膠液造縫，破裂壓力從85.2MPa降至76.6MPa，降破明顯，然后根據施工壓力進行段塞式加砂及逐漸提排量維持正常施工。施工曲線圖如圖4所示，施工壓力75.4～76.9MPa，施工排量12～17m3/min，施工最高壓力85.2MPa，最高砂比12%（中砂和粗砂混合加砂），總液量1863.2m3，總砂量70.5m3。

圖4 B-2 井第1 段壓裂施工

5 無限級滑套技術

無限級滑套技術是近年來發展壯大的一種多級壓裂技術，采用無限級滑套分段壓裂級數不受限制，壓后井筒全通徑，層級改造均勻，施工規模小，成本低，快速高效，可實現快速求產完井。

5.1 基本結構

無限級滑套主要特點在于又無限級、全通徑、可開關、管柱一體化功能，能夠有效替代泵送橋塞分段壓裂技術，提高生產效率。該結構主要由三部分組成，其一是滑套主體，其二是開啟工具，其三為密封球。其結構如5所示。

圖5 無限級滑套結構示意圖

5.2 工藝原理

無限級滑套分段壓裂技術是一種全新的分段壓裂技術，可用于裸眼完井，也可用于套管固井完井，跟傳統的投球滑套+封隔器分段壓裂工藝的區別在于，滑套打開方式不同，無限級滑套為全通徑，不需要投球打開滑套。無限級滑套鉆井施工完成后隨套管串下入目的層位，壓裂施工時無需進行射孔，將夾筒和可溶球投入打開滑套孔道，直接進行壓裂施工。

5.3 現場實施情況

C-2 井是中石化部署在渝東南利川—武隆復向斜武隆向斜團堡次凹南翼的一口評價井，目的層位于上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組。C-2 井31 段，首次進行射孔，2-29 段為預置無限級滑套壓裂工藝技術，30-31 采用泵送橋塞射孔壓裂工藝。

C-2 井某段的無限級滑套分段壓裂技術，首先進行泵送頭夾筒壓裂施工，排量3.5m3/min，注入液量46.7m3，壓力由52.9MPa 瞬間上漲到82.1MPa，滑套孔道打開，然后直接開始壓裂施工，施工曲線圖如圖6所示。

圖6 C-2 井某段泵送滑套施工曲線

C-2 井29 段預置無限級滑套施工十分順利，克服該井運砂困難及壓力較高用時5 天，最高一天完成8 段壓裂施工，圓滿完成了該井的壓裂施工目標。

6 結語

當前，川渝地區井工廠壓裂技術、可溶性橋塞分段壓裂技術已經發展成為川渝地區壓裂的常規壓裂技術，幾乎已經應用于川渝地區大部分壓裂井；而趾端滑套工藝技術、無限級滑套工藝技術正在逐步代替泵送橋塞分段壓裂技術，該技術的興起與發展是川渝地區頁巖氣產能建設的有利保障，在平衡經濟效益、環境因素以及社會效益間起著重要的作用。