蔣 廷 學(xué)

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

0 前 言

水平井分段壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖氣及致密砂巖油氣藏中，通常其壓裂效果比傳統(tǒng)的直井壓裂技術(shù)更為顯著。但在實(shí)際生產(chǎn)中，也會(huì)出現(xiàn)水平井分段壓裂效果不佳的情況。在水平井多簇射孔作業(yè)中，并非所有的裂縫都能達(dá)到理想的均勻起裂與延伸狀態(tài)，因此，段內(nèi)各簇裂縫在吸收壓裂液及支撐劑方面的效果差異較大。國(guó)外一些壓后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于段內(nèi)6簇射孔裂縫，其中大裂縫可以吸收60%的壓裂液及支撐劑，小裂縫僅能吸收5%的壓裂液及支撐劑[1-5]。國(guó)內(nèi)也有一些頁(yè)巖氣壓裂微地震監(jiān)測(cè)資料表明[6-10]，位于不同段的裂縫，其長(zhǎng)度有可能相差數(shù)倍。

造成上述裂縫非均勻延伸的主要原因可歸結(jié)為以下4點(diǎn)：

(1)段內(nèi)各簇射孔處的巖性、巖石力學(xué)及地應(yīng)力等參數(shù)的非均質(zhì)性相對(duì)較強(qiáng)。

(2)水平井筒內(nèi)存在一定的壓力梯度，壓裂液的黏度越大其注入排量就越大，而壓力梯度也會(huì)隨之變大，從而使得不同簇射孔處的井筒壓力大小不同。

(3)水平井筒通常具有一定的斜度，并不完全保持水平狀態(tài)，且B靶點(diǎn)的位置高于A(yíng)靶點(diǎn)，二者之間存在一定的垂深差。這種垂深差也會(huì)造成不同簇射孔處的地應(yīng)力差異。此差異值或許不大，但由此導(dǎo)致的破裂壓力卻有很大差異。

(4)與壓裂液相比，支撐劑的密度大很多，流動(dòng)跟隨性相對(duì)較差。換言之，支撐劑一般容易在靠近B靶點(diǎn)的裂縫中運(yùn)移和堆積，促使該處的裂縫過(guò)早停止延伸，進(jìn)而迫使后續(xù)的大量壓裂液及支撐劑都進(jìn)入靠近A靶點(diǎn)的裂縫中，不斷加大裂縫的非均勻延伸程度。

這種段內(nèi)多簇裂縫非均勻延伸會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，主要有：

(1)段內(nèi)多簇裂縫間的誘導(dǎo)應(yīng)力干擾效應(yīng)大幅減弱，使裂縫復(fù)雜性降低、改造體積縮小。

圖6顯示了本文所提模型帶控制因子與不帶控制因子的差別。由于開(kāi)關(guān)攻擊會(huì)出現(xiàn)不正常的信任波動(dòng),所以本文從信任波動(dòng)的角度設(shè)計(jì)了控制因子,目的是降低開(kāi)關(guān)攻擊節(jié)點(diǎn)的值域范圍。當(dāng)引入控制因子后,一旦j的信任值出現(xiàn)不正常波動(dòng),那么節(jié)點(diǎn)j的信任值域范圍將會(huì)向下平移,因此更有利于降低開(kāi)關(guān)攻擊節(jié)點(diǎn)的信任值。

(2)不同簇射孔吸收的壓裂液比例不同，其中吸收比例高的裂縫處易產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中效應(yīng)，從而誘發(fā)局部套管變形。在某些頁(yè)巖氣井，其脆性好的地方含氣性也好，更容易發(fā)生套管變形。

(3)靠近A靶點(diǎn)的裂縫更易破裂和延伸，其中吸收的壓裂液及支撐劑最多，產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力也相對(duì)較大，因而更容易對(duì)下一段靠近B靶點(diǎn)的裂縫產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)應(yīng)力干擾效應(yīng)，抑制其起裂和延伸。更有甚者，還可能因?yàn)檫^(guò)大的誘導(dǎo)應(yīng)力效應(yīng)，使下一段靠近B靶點(diǎn)的裂縫起裂方向轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏谒骄驳姆较颍葱纬伤^的縱向裂縫。在這種情況下，下一段壓裂施工時(shí)段內(nèi)多簇裂縫間相互串通的現(xiàn)象會(huì)增多，進(jìn)而降低裂縫的復(fù)雜性，縮減改造體積。

因此，有必要對(duì)水平井分段壓裂多簇裂縫的均衡起裂與延伸控制問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性研究，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)水平井壓裂開(kāi)發(fā)的“降本增效”目標(biāo)提供理論支撐。

1 多簇裂縫均衡起裂與延伸控制方法

1.1 變排量酸預(yù)處理技術(shù)

酸預(yù)處理是頁(yè)巖氣壓裂的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程之一。在致密砂巖，尤其是天然裂縫性砂巖中，由于存在鉆井泥漿污染等情況，因此必須預(yù)先進(jìn)行酸處理作業(yè)。

常規(guī)的酸預(yù)處理作業(yè)中一般采用的是定排量模式，這很不利于針對(duì)各簇裂縫均勻布酸。因此，可采用變排量酸預(yù)處理模式，以提高各簇裂縫均勻進(jìn)酸的概率。圖1所示為示例井變排量酸預(yù)處理施工效果。

圖1 示例井變排量酸預(yù)處理施工效果

1.2 低黏度滑溜水變排量注入技術(shù)

經(jīng)酸預(yù)處理后，采用低黏滑溜水與變排量組合的注入模式，可以大幅降低水平井筒中的壓力梯度。管流中的壓力梯度可通過(guò)式(1)來(lái)計(jì)算[11-12]：

(1)

式中：Δp——壓力梯度，MPa/m；

u——壓裂液排量，m3/min；

d——管柱直徑，m；

L——管柱長(zhǎng)度，m；

ρ——流體密度，kg/m3。

由式(1)可知，滑溜水的黏度越小，其起步排量就越低，而水平井筒內(nèi)的壓力梯度也會(huì)越小，從而越有利于多簇裂縫的同步起裂與同步延伸。其施工效果如圖2所示。

圖2 低黏滑溜水變排量施工效果

在A(yíng)NSYS平臺(tái)上采用Fluent模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，建立水平井筒多簇射孔模型，模擬支撐劑在水平井筒內(nèi)的分布情況。結(jié)果表明，隨著壓裂液黏度的增大，支撐劑在水平井筒中的分布也更為均勻(見(jiàn)圖3)。

圖3 井筒內(nèi)支撐劑在不同壓裂液黏度下的分布

1.3 變黏度滑溜水及變黏度膠液注入技術(shù)

以往采用變黏度滑溜水及變黏度膠液時(shí)，多注重于單簇裂縫內(nèi)的多尺度裂縫起裂與延伸，而很少考慮多簇裂縫接近均衡進(jìn)液的可能性及優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，隨著滑溜水及膠液的黏度增大，其進(jìn)縫時(shí)的黏滯阻力也會(huì)相應(yīng)增大；因此，可以通過(guò)對(duì)其黏度及壓裂體積的優(yōu)化，促使段內(nèi)多簇裂縫均勻地延伸，其效果如圖4、圖5所示。

圖4 變黏度滑溜水注入現(xiàn)場(chǎng)施工效果

圖5 變黏度膠液注入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

以往施工中采用高黏度膠液，主要是在單簇裂縫內(nèi)起到液體暫堵劑的作用，從而迫使裂縫內(nèi)的凈壓力大幅提升。在此過(guò)程中，并沒(méi)有考慮到膠液對(duì)多簇裂縫均勻延伸的積極作用。由于膠液黏度相對(duì)較高，甚至可能在水平井筒的縫口處快速封堵，從而迫使后續(xù)壓裂液進(jìn)入先前進(jìn)液少或不進(jìn)液的簇射孔裂縫。因此，在不同的膠液黏度及體積條件下，針對(duì)不同簇裂縫的封堵效果也有所不同(見(jiàn)圖6)。

圖6 高黏度膠液中頂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采用比射孔眼直徑大1～2 mm的封堵球，在高黏度攜帶液及低排量注入模式下，可以促使段內(nèi)多簇裂縫接近均勻延伸。在A(yíng)NSYS平臺(tái)上，基于Fluent模塊建立水平井筒多簇射孔物理模型，選用DPM模型模擬有限個(gè)暫堵球在井筒內(nèi)的封堵規(guī)律(見(jiàn)圖7)。采用低排量、高黏度攜帶液的注入方法，可以有效地優(yōu)化暫堵球在各簇位置上的封堵效果(見(jiàn)圖8)。

圖7 暫堵球在井筒中的運(yùn)移軌跡模擬

圖8 暫堵球沿井筒方向的封堵系數(shù)

由于封堵球的密度往往大于壓裂液的密度，水平井筒的中上部射孔眼需要克服重力的作用，因此其封堵效率會(huì)有所降低(見(jiàn)圖9)。

圖9 重力作用使暫堵球更容易封堵底部孔眼

1.6 段內(nèi)限流壓裂技術(shù)

段內(nèi)限流壓裂，是指在段內(nèi)限制射孔數(shù)量，使孔眼摩阻進(jìn)一步加大(見(jiàn)圖10)。加大孔眼摩阻，可減緩井底壓力的釋放，從而有利于多個(gè)孔眼裂縫同時(shí)起裂和延伸。

圖10 段內(nèi)不同射孔數(shù)量下孔眼摩阻與排量的變化

如果事先已探明段內(nèi)不同位置的地應(yīng)力分布情況，則可以在適當(dāng)?shù)奈恢酶淖兛籽壑睆降拇笮。匀〉酶玫木鶆蜻M(jìn)液、進(jìn)砂效果。

1.7 小粒徑支撐劑比例調(diào)整措施

以往施工中增加小粒徑支撐劑，更多地是在單簇裂縫中充填小尺度裂縫，而未考慮其對(duì)多簇裂縫均勻延伸的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，支撐劑的密度遠(yuǎn)大于壓裂液，其與壓裂液的流動(dòng)跟隨性較差。相對(duì)而言，支撐劑更容易沿水平井筒向B靶點(diǎn)方向運(yùn)移，最先進(jìn)入靠近B靶點(diǎn)的裂縫中。如支撐劑的粒徑相對(duì)較大，極易過(guò)早地在上述裂縫中產(chǎn)生堵塞效應(yīng)。一般而言，靠近B靶點(diǎn)的裂縫延伸不夠充分，且在水平井筒中又保持一定的運(yùn)動(dòng)慣性，支撐劑在其中優(yōu)先發(fā)生砂堵的概率較大，只是砂堵發(fā)生的時(shí)機(jī)不同。若先期采用較大比例的小粒徑支撐劑，則可以推遲靠近B靶點(diǎn)的裂縫砂堵時(shí)機(jī)。示例井提高小粒徑支撐劑比例后的施工效果如圖11所示，其中小粒徑支撐劑的占比大于80%。

圖11 示例井提高小粒徑支撐劑比例后的施工效果

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

四川盆地某頁(yè)巖氣藏有7口壓裂井，其中平均壓裂18段，單段平均壓裂液用量為1 755.13 m3，平均加砂量為55.77 m3，平均砂比為3.18%，平均無(wú)阻流量為61.5×104m3/d。對(duì)比這7口壓裂井的地質(zhì)及施工參數(shù)(見(jiàn)表1、表2)，可以看出其壓后平均無(wú)阻流量相比鄰井大約提升了2.8倍。

表1 壓裂井地質(zhì)參數(shù)

表2 壓裂井施工參數(shù)

此外，在該氣藏X-1井實(shí)施了16級(jí)壓裂施工，各簇產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率如圖12所示。在該井16級(jí)共計(jì) 45簇壓裂簇中，僅第13級(jí)有1簇未產(chǎn)出氣，其余壓裂簇均有產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)。同時(shí)，射孔2簇的壓裂段中，各簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率大小相當(dāng)；射孔3簇的壓裂段中，僅第2、5、6、14級(jí)各簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率差異較大。由此可知，采用上述變黏度變排量等控制技術(shù)后，水平井段內(nèi)多簇裂縫的均衡延伸程度有所加強(qiáng)，從而使裂縫的復(fù)雜性及改造體積、產(chǎn)量等指標(biāo)得以?xún)?yōu)化。

圖12 X-1井16級(jí)壓裂施工各簇產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水平井分段壓裂多簇裂縫非均勻起裂與延伸的特性，提出了更具系統(tǒng)性的現(xiàn)場(chǎng)控制方法，針對(duì)性與實(shí)用性也較強(qiáng)。在四川盆地某頁(yè)巖氣藏水平井實(shí)施了16級(jí)壓裂施工，使裂縫的復(fù)雜性及改造體積等指標(biāo)得到優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較理想。這些方法的適應(yīng)性較強(qiáng)，有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。鑒于目前的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)大多只能監(jiān)測(cè)到段，且數(shù)據(jù)籠統(tǒng)，難以準(zhǔn)確判斷各分簇的情況(如產(chǎn)氣、產(chǎn)水等)，因此，建議加強(qiáng)分段分簇裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，以便進(jìn)一步驗(yàn)證各方法的可靠性。