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(shù)研究院，北京 100101）

隨著世界范圍內(nèi)能源需求的不斷增長，頁巖氣作為一種新型的非常規(guī)天然氣資源，越來越受到關(guān)注。美國是頁巖氣大規(guī)模商業(yè)性開采最成功的國家。但是不同區(qū)塊的生產(chǎn)歷史均表明，隨著頁巖氣井的不斷產(chǎn)出，頁巖氣的產(chǎn)量出現(xiàn)不斷下降。Woodford 頁巖和Haynesville 頁巖產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在前12 個(gè)月產(chǎn)量下降40 %～50 %[1，2]。在我國，中石化在焦石壩龍馬溪頁巖實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；_采。自2012 年開發(fā)至今，我國頁巖氣田的部分壓裂老井出現(xiàn)了產(chǎn)量遞減快、井口壓力低于輸壓的情況，且產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果表明，約三分之一的射孔簇?zé)o產(chǎn)氣貢獻(xiàn)，直接影響了氣田的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。重復(fù)壓裂作為重要的增產(chǎn)技術(shù)，被提上議事日程。頁巖氣重復(fù)壓裂技術(shù)一般可分為機(jī)械封隔（可膨脹襯管、連續(xù)油管等）重復(fù)壓裂工藝和暫堵（暫堵球、暫堵劑等）重復(fù)壓裂工藝[3]。機(jī)械封隔重復(fù)壓裂工藝可以精準(zhǔn)控制液體走向，實(shí)施定點(diǎn)重復(fù)壓裂改造，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。但是其成本高、工藝復(fù)雜、作業(yè)難度較大，限制了其推廣應(yīng)用。暫堵重復(fù)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(yīng)用。Wood Mackenzie、IHS 等分析機(jī)構(gòu)以及多個(gè)美國頁巖油氣公司均認(rèn)為頁巖油氣井重復(fù)壓裂技術(shù)仍處于早期階段，至少在短期內(nèi)還需要進(jìn)行攻關(guān)[4]。而我國頁巖氣重復(fù)壓裂研究較國外相對(duì)滯后，同時(shí)由于地質(zhì)條件差于國外，因此不能套用國外的開發(fā)模式。本文借鑒國外的暫堵重復(fù)壓裂思路，在對(duì)頁巖氣井初次壓裂人工裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)暫堵重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 初次壓裂裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場變化規(guī)律

前人的理論研究及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果都表明，在初次壓裂過程中，裂縫周圍的應(yīng)力場會(huì)發(fā)生一定程度的改變。Aghighi 等[5]認(rèn)為，應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域在致密氣藏比較常見，主要針對(duì)初始最大水平主應(yīng)力和最小主應(yīng)力差值較小的情況而言；當(dāng)水平應(yīng)力差值較大時(shí)，可能不存在應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域。在單條裂縫存在的情況下，裂縫周圍的應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)闄E圓形，如果此橢圓的長軸為Lf，短軸為，本文定義了應(yīng)力轉(zhuǎn)向指數(shù)τ，來表征應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)域的大?。?/p>

針對(duì)單條裂縫，選取不同的應(yīng)力差異系數(shù)數(shù)值，本文研究應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域隨時(shí)間的變化規(guī)律，以確定應(yīng)力重定向的臨界值。應(yīng)力差異系數(shù)分別為0.05、0.1、0.15和0.2 時(shí)，應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域變化情況（見圖1）。

圖1 應(yīng)力各向異性對(duì)應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)域的影響

由圖1 可以看出，隨著時(shí)間的延長，應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)域表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。不同的應(yīng)力差異系數(shù)值，應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)域差別較大。應(yīng)力差異系數(shù)值越大，應(yīng)力轉(zhuǎn)向范圍越小。當(dāng)應(yīng)力差異系數(shù)值大到一定程度時(shí)，應(yīng)力轉(zhuǎn)向范圍就變得很小，且很快消失了，說明出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)向存在應(yīng)力差異系數(shù)的臨界值。

重復(fù)壓裂裂縫轉(zhuǎn)向需要滿足一定條件，即垂直于裂縫方向上的最小主應(yīng)力σh和誘導(dǎo)應(yīng)力Δσh之和，大于等于原最大主應(yīng)力σH和誘導(dǎo)應(yīng)力ΔσH之和：

即原地應(yīng)力差越大，轉(zhuǎn)向越難。國內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層的應(yīng)力差一般介于7 MPa～25 MPa，若進(jìn)行重復(fù)壓裂，重復(fù)壓裂裂縫在較小的范圍內(nèi)發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)后又恢復(fù)至原始方向，難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。室內(nèi)數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)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(duì)裂縫實(shí)施暫堵，提升縫內(nèi)凈壓力，逼迫裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，促使次級(jí)裂縫及微裂縫的開啟和延伸，可提高儲(chǔ)層改造體積和效果[6]。

2 暫堵重復(fù)壓裂工藝優(yōu)化

2.1 暫堵轉(zhuǎn)向機(jī)理

暫堵轉(zhuǎn)向是利用暫堵劑封堵流體低阻力通道，迫使流體轉(zhuǎn)向高阻力通道，形成轉(zhuǎn)向裂縫。根據(jù)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(zhì)滲透率，μm2；h-介質(zhì)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(jù)（4）式，增大低阻區(qū)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(zhuǎn)向就是用暫堵劑降低流體在原始流動(dòng)通道的滲透率，提高原始流動(dòng)通道的阻力，迫使流體轉(zhuǎn)向。

2.2 暫堵劑粒徑優(yōu)選

一般而言，封堵裂縫的固體顆粒暫堵劑是一個(gè)不同尺寸顆粒暫堵劑的組合，包括粗顆粒、中顆粒和細(xì)顆粒暫堵劑。顆粒暫堵劑的封堵機(jī)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(duì)暫堵球和暫堵劑的粒徑進(jìn)行研究。炮眼封堵常采用封堵球進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系表（見表1）[7]。

表1 射孔直徑與暫堵球直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

縫內(nèi)暫堵由于裂縫形態(tài)復(fù)雜且存在動(dòng)態(tài)延伸，優(yōu)化過程較為困難。針對(duì)不同的裂縫尺寸，本文進(jìn)行暫堵劑粒徑優(yōu)化。

2.2.1 近縫口縫內(nèi)暫堵 頁巖氣重復(fù)壓裂時(shí)，由于初次復(fù)雜裂縫存在造成濾失較大，常采用胍膠等高黏液體進(jìn)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(xì)顆粒暫堵劑（60/80 目）的復(fù)合暫堵方式。粗顆粒暫堵劑架橋，中顆粒暫堵劑和細(xì)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(dòng)試驗(yàn)裝置（填砂管充填不同比例的復(fù)合暫堵劑，以填砂管的滲透率為基數(shù)），通過測量三種（粗顆粒、中顆粒和細(xì)顆粒）以不同比例混合的復(fù)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(fù)合暫堵劑的比例以粗顆粒暫堵劑40 %，中顆粒暫堵劑30 %和細(xì)顆粒暫堵劑30 %為最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

2.2.2 近縫端縫內(nèi)暫堵 因?yàn)檫h(yuǎn)場縫端寬度較小（1 mm～2 mm），建議采用中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細(xì)顆粒暫堵劑（60/80 目）的復(fù)合暫堵方式。因?yàn)檫h(yuǎn)場裂縫寬度較小，粗顆粒暫堵劑不僅不會(huì)起到架橋作用，反而可能會(huì)導(dǎo)致施工失敗。所以中顆粒暫堵劑架橋，細(xì)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(xì)顆粒不同比例混合的復(fù)合暫堵劑的滲透率，復(fù)合暫堵劑的比例以中顆粒暫堵劑占35 %，細(xì)顆粒占65 %為最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)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(jié)果，%

表3 暫堵劑不同尺寸分布下的滲透率降低測試結(jié)果，%

2.3 暫堵劑加量優(yōu)化

2.3.1 暫堵球優(yōu)化 暫堵球的用量一般可根據(jù)需要封堵炮眼的數(shù)量來確定。曾凌翔[8]提出可溶球與孔眼的直徑關(guān)系以及用量計(jì)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(gè)數(shù)；n-孔眼數(shù)。

2.3.2 暫堵劑加量優(yōu)化 暫堵劑用量可根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)或數(shù)值模擬結(jié)果，基于相似性原理對(duì)現(xiàn)場用量進(jìn)行優(yōu)化，主要步驟包括：

（1）通過建立室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)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(guī)律；

（2）根據(jù)相似性原理，建立現(xiàn)場施工裂縫與室內(nèi)裂縫暫堵轉(zhuǎn)向的模型，計(jì)算現(xiàn)場施工需要的暫堵劑用量。具體計(jì)算公式為：

式中：L1-室內(nèi)試驗(yàn)暫堵劑段塞長度，m；H1-室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M裂縫高度，m；D1-室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M裂縫寬度，m；L2-現(xiàn)場施工暫堵劑鋪置長度，m；H2-真實(shí)裂縫高度，m；D2-真實(shí)裂縫寬度，m；k-參考系數(shù)，一般取0.06；P1-室內(nèi)試驗(yàn)暫堵劑封堵強(qiáng)度，kPa；P2-現(xiàn)場施工轉(zhuǎn)向壓力，MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)，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(shí)機(jī)優(yōu)化

暫堵劑投放時(shí)機(jī)需要綜合考慮不同封堵位置對(duì)封堵效果的影響，同時(shí)還需要考慮排量等因素對(duì)封堵效果的制約。從斷裂力學(xué)角度，封堵位置越靠近縫口，裂縫應(yīng)力強(qiáng)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(xù)延伸。封堵位置的選擇存在一個(gè)建議區(qū)間范圍，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，可以兼顧裂縫封堵程度以及臨界施工排量兩個(gè)方面。一般而言，投加暫堵劑時(shí)的排量應(yīng)適當(dāng)降低，以增強(qiáng)暫堵效果。綜合以上兩個(gè)因素進(jìn)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(shí)機(jī)可根據(jù)具體井的施工規(guī)模、排量等因素確定。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

基于前文的研究成果，綜合地質(zhì)與工程因素，選取了焦頁A 井進(jìn)行了重復(fù)壓裂試驗(yàn)。焦頁A 井是針對(duì)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層部署的一口頁巖氣評(píng)價(jià)井。本井完鉆井深4 088 m，實(shí)鉆A靶點(diǎn)垂深2 293 m，B 靶點(diǎn)垂深2 300 m。產(chǎn)量1.20×104m3/d。根據(jù)試驗(yàn)井具體情況，確定了“暫堵球縫口轉(zhuǎn)向+暫堵劑縫內(nèi)轉(zhuǎn)向”的重復(fù)壓裂工藝思路。對(duì)該井下志留系龍馬溪組3 622 m～4 017 m 實(shí)施重復(fù)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(jì)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(jì)430 kg（其中5 mm～8 mm 暫堵劑130 kg，60～80 目暫堵劑300 kg）。重復(fù)壓裂共完成4 級(jí)施工。壓后采用12 mm 油嘴放噴測試，井口壓力8.62 MPa，氣產(chǎn)量6.30×104m3/d，產(chǎn)量較壓前提高5 倍。至目前累產(chǎn)氣量已超過1 100×104m3，取得了較好的效果。

4 結(jié)論

本文在對(duì)暫堵機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)暫堵劑的暫堵粒徑級(jí)配、暫堵時(shí)機(jī)、暫堵劑加量等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)暫堵材料開展了優(yōu)選評(píng)價(jià)，初步形成了適于頁巖氣重復(fù)壓裂的暫堵裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的效果。

（1）基于不同應(yīng)力差異系數(shù)對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向區(qū)域的影響，明確了暫堵重復(fù)壓裂的必要性。

（2）針對(duì)不同暫堵方式，優(yōu)化了暫堵劑的粒徑級(jí)配、加量及加入時(shí)機(jī)。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(xì)顆粒暫堵劑（60/80 目）的復(fù)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(xì)顆粒暫堵劑30 %為最優(yōu)。縫端寬度較?。? mm～2 mm），建議采用中顆粒暫堵劑（20/40 目）+細(xì)顆粒暫堵劑（60/80 目）的復(fù)合暫堵方式，暫堵劑比例以中顆粒暫堵劑占35 %，細(xì)顆粒占65 %為最優(yōu)。

（3）封堵位置優(yōu)選在總縫長的35 %～55 %位置處，封堵效果較好。具體加入時(shí)機(jī)可根據(jù)具體井的施工規(guī)模、排量等因素確定。

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