頁巖氣可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

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(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油集團工程技術(shù)研究院，北京 102206；3.中國石油天然氣股份公司 西南油氣田分公司，成都 610051)

隨著我國頁巖氣開發(fā)的不斷推進，頁巖氣井產(chǎn)量衰減快，逐漸成為制約其大規(guī)模發(fā)展的主要原因。如何提高頁巖氣井持續(xù)生產(chǎn)的能力成為各大石油公司亟待解決的問題。目前，各大油田普遍采用重復(fù)壓裂技術(shù)來實現(xiàn)上述目的[1]。傳統(tǒng)的重復(fù)壓裂技術(shù)存在無法控制壓裂液流向的問題，導(dǎo)致了壓裂的高風(fēng)險性與不確定性。美國億萬奇全球技術(shù)公司在傳統(tǒng)膨脹管補貼技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)。這項技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)重復(fù)壓裂技術(shù)無法控制壓裂液流向的問題。

1 傳統(tǒng)重復(fù)壓裂技術(shù)

1.1 技術(shù)分類

頁巖氣井首次壓裂以后，隨著氣井生產(chǎn)，原裂縫中的天然氣不斷被解析，裂縫也逐漸閉合，氣井產(chǎn)量隨之下降。為保證油氣開發(fā)的經(jīng)濟性，充分釋放儲層的油氣產(chǎn)能，油氣公司通常會選擇對儲層再次進行水力壓裂，即重復(fù)壓裂。

傳統(tǒng)重復(fù)壓裂技術(shù)主要分為5種：

1) 同層壓新裂縫技術(shù)。在原有裂縫基礎(chǔ)上繼續(xù)壓裂造縫，開采剩余的儲量。

2) 同井新層壓新裂縫技術(shù)。對初次壓裂未涉及到的非主力產(chǎn)層區(qū)域進行射孔壓裂，增加油氣井產(chǎn)量。

3) 原有裂縫改造技術(shù)。向原裂縫中注入支撐劑后再次壓裂，使原失效裂縫再次開啟并延伸，提高氣井產(chǎn)能。

4) 轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)。向老裂縫中泵入暫堵劑，封堵老裂縫，再次壓裂產(chǎn)生新裂縫。

5) 尾封堵管壓裂技術(shù)。在水平段下入尾管并固井，封堵初次壓裂時的射孔孔眼，重新射孔并壓裂[2]。

1.2 存在問題

1) 成本高。

目前，轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。因涉及轉(zhuǎn)向劑的種類選擇、注入量計算、注入時機確定、暫堵效果評價及井下流體流動狀態(tài)動態(tài)預(yù)測等多個步驟，即使結(jié)合多種監(jiān)測方法也很難確保裂縫轉(zhuǎn)向達到預(yù)期效果。如果暫堵劑反排不夠徹底，也會對生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。這些缺陷導(dǎo)致了轉(zhuǎn)向壓裂施工成本居高不下[3]。

2) 高風(fēng)險性和不確定性。

重復(fù)壓裂的時間點通常處于頁巖氣井開發(fā)的后期。井筒周圍的應(yīng)力場隨著油氣的生產(chǎn)不斷地發(fā)生著變化，此時壓裂液的流向難以控制和預(yù)測[4]。施工方很難憑借現(xiàn)有技術(shù)精確監(jiān)測裂縫延伸動向，保證裂縫一定沿著預(yù)期方向發(fā)育，這導(dǎo)致了重復(fù)壓裂施工的高風(fēng)險性和不確定性。如果井眼附近有高含水層，裂縫可能穿過含水層，導(dǎo)致井眼出水。在布井較為密集的區(qū)域，還可能使壓裂液流入臨井，導(dǎo)致兩口井的自然壓力消散并產(chǎn)液，最終報廢[5]。

2 可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

億萬奇全球技術(shù)公司在傳統(tǒng)膨脹管補貼技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)。2009年以來，該技術(shù)已在Barrett、Marcellus和Eagle Ford等頁巖氣田進行了測試，增產(chǎn)效果明顯。圖1是2010年Barrett頁巖氣田三口重復(fù)壓裂井的產(chǎn)量對比圖。從圖中可以看出，使用可膨脹襯管進行了重復(fù)壓裂作業(yè)的1號井的產(chǎn)量要高于使用暫堵劑進行重復(fù)壓裂作業(yè)的相鄰井(2號井和3號井)。

圖1 可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)與轉(zhuǎn)向技術(shù)的產(chǎn)量對比

2.2 技術(shù)原理

施工人員將膨脹襯管下入到水平段后，通過井口加壓驅(qū)動膨脹錐移動，使膨脹管膨脹并坐封于原套管上。如圖2所示，膨脹管外彈性密封機構(gòu)封堵了老產(chǎn)層與原射孔組，重建了井筒的內(nèi)壓完整性。通過試壓保證膨脹管強度和密封性達到壓裂要求后，施工人員就能重新進行射孔和壓裂操作了。膨脹管外密封機構(gòu)與膨脹螺紋的良好的密封性能是成功實施重復(fù)壓裂的重要保證[6]。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

相比于轉(zhuǎn)向壓裂，可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)的優(yōu)勢為：

1) 膨脹襯管能對原有無產(chǎn)能射孔位置完全封堵，重建井筒內(nèi)壓的完整性。相比于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向技術(shù)，封堵更加徹底，提高了壓裂的成功率。

2) 膨脹襯管實現(xiàn)封堵后，作業(yè)人員能像初次完井一樣，對每條裂縫的壓裂過程進行單獨處理，這樣就能更加精確地預(yù)測壓裂液的流向，控制裂縫的發(fā)育。

圖2 可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)原理示意

相比于再下入尾管固井進行封堵的方式，膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)的優(yōu)勢是：

1) 避免了再次下入尾管進行固井的繁瑣操作，節(jié)約了時間和人力。

2) 膨脹襯管的使用大幅減少了井眼內(nèi)徑的損失，節(jié)約了寶貴的井眼空間。

2.4 施工流程

可膨脹襯管重復(fù)壓裂的施工工藝與傳統(tǒng)的重復(fù)壓裂相比有著明顯區(qū)別。鑒于目前國內(nèi)并沒有膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)的實際應(yīng)用，本文通過收集億萬奇公司相關(guān)施工數(shù)據(jù)，并與我國長寧-威遠區(qū)塊頁巖氣井壓裂施工壓力參數(shù)相結(jié)合，形成了如表1所示的案例井施工參數(shù)。本文將利用這些施工參數(shù)，詳細地歸納總結(jié)可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)的施工流程及注意事項。

表1 案例井施工參數(shù)

1) 確定膨脹襯管型號。

表2是億萬奇139.7 mm×107.9 mm可膨脹襯管產(chǎn)品參數(shù)。根據(jù)表1的基礎(chǔ)套管數(shù)據(jù)，選擇2號可膨脹襯管作為壓裂施工管材。經(jīng)過校核，該管材的抗內(nèi)壓強度為93.8 MPa，遠大于最大壓裂施工壓力69.8 MPa，管材強度滿足設(shè)計要求。

2) 設(shè)計可膨脹襯管封堵位置及封堵長度。

根據(jù)表1中襯管長度及原射孔孔眼位置的相關(guān)信息，確定膨脹襯管下入長度及水平段應(yīng)封堵的位置。根據(jù)原射孔的位置信息，提前在該位置所對應(yīng)下入的膨脹管兩端安裝彈性密封機構(gòu)，用于封堵老產(chǎn)層及射孔孔眼。

3) 定徑刮銑。

如圖3所示，使用公稱尺寸為139.7 mm的管柱刮銑器、短節(jié)及錐形刮銑器鉆具組合，刮銑掉基礎(chǔ)套管內(nèi)壁上的水泥殘渣并修整套管微小變形，保證膨脹襯管順暢到達預(yù)定位置[7]。

圖3 刮銑器鉆具組合示意

4) 下入襯管。

下入重復(fù)壓裂可膨脹襯管管串至井底，并開始加壓膨脹[8]?？膳蛎浺r管通過膨脹后的密封機構(gòu)與原套管緊密貼合坐封于原套管上，實現(xiàn)固定與密封(如圖4所示)。

圖4 彈性密封機構(gòu)示意

5) 下入多段襯管。

連續(xù)下入多段膨脹襯管到水平段預(yù)定位置，每段膨脹襯管系統(tǒng)可通過端對端的方式對接在一起，每下入一段就需要加壓膨脹一次(如圖5所示)。

圖5 下入多段襯管示意

6) 下入可膨脹襯管至水平井跟端。

水平井跟端壓力最高，大部分暫堵劑在水平井的跟端都會發(fā)生漏失。通過下入襯管到跟端，不僅能減少壓裂液的漏失量，還能更好地為水平井跟端傳遞產(chǎn)生裂縫的壓力。

7) 低壓測試。關(guān)閉井口，使用清水對上部密封進行低壓測試，穩(wěn)壓5 min，壓力不降，試壓合格。起鉆，用相應(yīng)密度的鉆井液替換井內(nèi)清水。

8) 鉆附件。

使用外徑為105.4 mm管柱銑刀、短節(jié)及錐形銑刀的鉆具組合，將底堵等附件銑削掉，使整個膨脹管連通。

9) 目標(biāo)壓力測試。

附件鉆通后，起鉆至膨脹襯管以上井段，采用相應(yīng)密度的鉆井液全井目標(biāo)壓力測試，壓力為重復(fù)壓裂的最高施工壓力69.8 MPa加上5 MPa的安全余量，穩(wěn)壓5 min，壓力不降，試壓合格，起鉆。這次試壓非常重要，要檢測的不僅僅是膨脹后管體抗內(nèi)壓強度是否合格，還要檢測膨脹后的螺紋及管外密封機構(gòu)密封性是否能達到重復(fù)壓裂的密封要求。

10) 射孔和壓裂施工。

試壓完成，可膨脹襯管強度，密封性合格，襯管成功封堵老層系。之后就可以根據(jù)射孔設(shè)計及壓裂設(shè)計的安排進行射孔及壓裂操作了(如圖6所示)。

圖6 可膨脹襯管重復(fù)壓裂施工示意圖

2.5 技術(shù)難點

1) 通過分析表2數(shù)據(jù)，億萬奇139.7 mm×107.95 mm膨脹管膨脹后抗內(nèi)壓強度都在90 MPa以上，抗外擠強度在30 MPa以上，遠超國內(nèi)的同類產(chǎn)品。目前，國內(nèi)的膨脹管材料研究還處于初始階段，相比于國外先進水平還有較大差距，仍需不斷努力。

2) 分析膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)的原理，了解到膨脹管外彈性密封機構(gòu)和膨脹螺紋必須具備良好的密封性能，才能起到限制壓裂液流向原射孔孔眼及老產(chǎn)層的作用。大型水力壓裂的施工壓力都在60 MPa上下，目前國內(nèi)的膨脹管材、膨脹螺紋[9-10]、密封機構(gòu)很難承受如此大的施工壓力。因此，國內(nèi)的研究人員仍需要加強膨脹管密封機構(gòu)及膨脹螺紋技術(shù)的研究攻關(guān)，提升其性能才能滿足水力壓裂施工的需要。

3 結(jié)論

1) 膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。目前，我國在長寧-威遠，涪陵等區(qū)域進行了大規(guī)模的頁巖氣開發(fā)，投入仍在不斷加大。但頁巖氣的開采機理決定了其產(chǎn)量衰減快，穩(wěn)產(chǎn)時間短等特點。如何保證頁巖氣井持續(xù)的生產(chǎn)，將會成為今后一段時間內(nèi)，各大石油公司迫切解決的問題。膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)相比于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂，不僅能完全封堵住老產(chǎn)層，還能準(zhǔn)確預(yù)測壓裂液的流向，精準(zhǔn)的控制裂縫的發(fā)育，大幅降低了重復(fù)壓裂時的高風(fēng)險和不確定性，提高了壓裂的成功率，應(yīng)用前景廣闊。

2) 發(fā)展膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)。通過分析，目前我國在材料、螺紋、密封等與膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)緊密相關(guān)的領(lǐng)域，與國外先進技術(shù)還存在著差距，亟待解決相關(guān)的技術(shù)問題，以使膨脹襯管在重復(fù)壓裂作業(yè)中規(guī)模應(yīng)用。