淺層頁巖氣投球轉向壓裂工藝及應用

曾 韋，廖 進，李先軍，張書玲，路明昌

（捷貝通石油技術集團股份有限公司，四川成都 610500）

我國具有豐富的頁巖氣資源，然而頁巖氣儲層具有低孔、低滲特點，需要通過有效的儲層改造才能獲得工業氣流[1-2]。目前橋塞分段壓裂作為頁巖氣體積壓裂的主流技術，仍然存在單段部分孔眼進液不充分的問題[3-5]。壓裂過程中投暫堵球封堵孔眼是一種現場操作簡便實用的工藝，能有效解決段內改造不充分的問題[6-8]。利用已開啟的孔道進液量大的特征，壓裂液會被帶入已開啟層位的孔眼出座封孔眼，從而在井段內形成憋壓迫使壓裂液進入新的孔眼壓開新層位，以達到段內各射孔處均勻造縫的目的[9-10]。暫堵球座封孔眼以及座封效率受多個因素的共同作用，例如施工排量、液體黏度、暫堵球密度與直徑和孔眼數量等。為此分析暫堵球在井筒的運動規律和座封孔眼的條件，為現場投球暫堵轉向壓裂提供施工參數。

1 暫堵球受力分析

1.1 暫堵球座封孔眼前受力情況

暫堵球在到達孔眼前受力情況見圖1。此時暫堵球受到重力Fg、壓力梯度力Ft、慣性力Fm和流向孔眼方向的拖拽力Fd的共同作用[11-12]。

圖1 暫堵球在孔眼附近受力示意圖

1.1.1 重力

式中：Fg－重力，N；dp－暫堵球的直徑，m；ρp－暫堵球的密度，kg/m3。

1.1.2 壓力梯度力 暫堵球運動過程中，壓力梯度由重力引起，受到的壓力梯度力也就是浮力：

式中：ρf－壓裂液的密度，kg/m3。

1.1.3 慣性力 暫堵球在井筒中沿著井筒軸線運動，當壓裂液將其帶入孔眼前其軸線方向分速度需要降低為零，這就必須克服慣性力：

式中：Fm-慣性力，N；mp-暫堵球的質量，kg；vb-暫堵球的運動速度，m/s；s-慣性力降為零所需的距離，m，本文s 取值為管內徑。

1.1.4 拖拽力 壓裂液將暫堵球帶入孔眼，則使得暫堵球改變原來的流向，壓裂液對暫堵球的拖拽力為：

式中：Fd-拖拽力，N；Cd-阻力系數，0.62，無因次；vfp-液體流向孔眼的速度，m/s。

式中：αp-孔眼流量系數，0.8；Q-施工排量，m3/min；df-孔眼直徑；n-進液孔數，孔。

1.2 暫堵球座封孔眼受力情況

暫堵球隨著壓裂液座封在孔眼后，其受力情況見圖2。此時暫堵球受到的力包含重力Fg、壓持力Fh、浮力Ft以及液體對暴露在管內球體部分的沖擊力Fu[13]。

圖2 暫堵球座封孔眼時受力示意圖

1.2.1 沖擊力 壓裂液作用在暫堵球上的沖擊力為：

式中：Fu-沖擊力，N。

1.2.2 壓持力 孔眼內外由于壓力差使得球保持在孔眼上：

式中：Fh-壓持力，N；dc-管柱內徑，m。

1.3 暫堵球穩定座封孔眼條件

暫堵球要穩定座封于孔眼，首先是暫堵球在液體的拖拽力克服慣性力座封于孔眼；然后壓持力作用使得暫堵球克服液體的沖擊力穩定保持在孔眼上。由于重力和浮力方向相反，合力較小可忽略不計。

暫堵球座封于孔眼的條件是拖拽力Fd大于慣性力Fm，即：

暫堵球能穩定保持在孔眼上的條件是壓持力Fh大于沖擊力Fu，即：

2 暫堵球座封影響因素分析

以四川盆地某頁巖氣工區平臺X 水平井為例，計算基礎參數為：壓裂液密度為1 020 kg/m3；管柱內徑為114.3 mm；暫堵球密度為1.4 g/cm3；暫堵球直徑為13.5 cm；射孔孔徑為8.9 mm；孔眼數量為36 孔；泵送暫堵球排量為6 m3/min；阻力系數0.62；孔眼流量系數0.8。通過控制變量，計算不同排量、暫堵球直徑、孔眼數量條件下，暫堵球各作用力的變化情況。

排量、暫堵球直徑、孔眼數量與各作用力之間的關系曲線見圖3～圖5。由圖3～圖5 可知，在不同條件下拖拽力大于等于慣性力和壓持力大于等于沖擊力，這表明泵送排量在2～16 m3/min，暫堵球直徑在11～21 mm 條件下，暫堵球均能夠被液體拖拽到孔眼上，并在壓持力作用下穩定座封于孔眼。

圖3 不同排量下暫堵球的受力情況

由圖3 可知，各作用力隨著排量增加而升高，但慣性力和沖擊力均分別小于拖拽力和壓持力，并且排量增加使得力差異增加，這表明提高排量有利于暫堵球座封于孔眼。由圖4 可知，暫堵球直徑增加，使得壓持力降低而沖擊力增加，這會使得暫堵球被液體從孔眼上沖刷掉落。由圖5 可知，進液孔眼數量的增加會使得拖拽力和壓持力降低，但二者仍然高于慣性力和沖擊力，這會降低暫堵球穩定座封孔眼的概率。

圖4 不同直徑下暫堵球的受力情況

圖5 不同孔眼數量下暫堵球的受力情況

3 實例分析

四川某頁巖區塊X 平臺井，其目的層龍馬溪組地層采用暫堵轉向壓裂工藝。該井完鉆井深2 435 m，水平段長1 500 m，套管內徑114.3 mm，單段孔眼數量為36 孔，射孔孔徑為8.9 mm，壓裂液密度為1 020 kg/m3，主體施工排量為16 m3/min，單段總體砂量280 t。該井每段在加砂量約為140 t 時，投13.5 mm 暫堵球20 顆進行暫堵轉向，暫堵球密度為1.4 g/cm3。泵送暫堵球的排量為4 m3/min。

該井典型井段暫堵球提排量后地層破裂壓力為32 MPa，暫堵后逐步提排量，施工壓力達到34 MPa 后地層逐漸有破裂壓力顯示，最終地層完全開裂時壓力為40 MPa，地層破裂明顯。同時暫堵后，整體施工壓力由暫堵前的27 MPa 提高到了29 MPa，有效增加了凈壓力，有利造復雜縫。泵送暫堵球到達目的層位后，壓力上漲8 MPa。這表明暫堵球座封于進液孔眼使得未進液孔眼進液，在井筒、射孔孔道中形成憋壓，地層在新區域開啟新裂縫，暫堵壓裂改造效果明顯。

4 結論

（1）對于目前開展暫堵轉向壓裂工藝，小于22 mm的暫堵球在2～16 m3/min 的泵送排量條件都能穩定座封于孔眼上，因此，可根據實際情況優選暫堵球的粒徑和泵送排量。

（2）根據暫堵球在孔眼附近的受力分析，選擇適當的暫堵球直徑和適當提高泵送排量有利于提高暫堵球座封孔眼的概率，提高暫堵效果。

（3）現場應用情況表明，暫堵轉向效果明顯，一方面提高了孔眼效率使得目的層段均勻改造，一方面提高了凈壓力有利于提高裂縫的復雜程度。