頁(yè)巖氣井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂堵劑實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

蔣煒 張公社 柯文麗

摘 ?????要：頁(yè)巖氣在能源領(lǐng)域至關(guān)重要的作用得益于大型水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，由于頁(yè)巖氣在壓裂后產(chǎn)量的遞減速率過快，必須通過重復(fù)壓裂提高低產(chǎn)井產(chǎn)量，籠統(tǒng)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)則是重復(fù)壓裂的核心技術(shù)之一。從暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)現(xiàn)狀入手，以國(guó)內(nèi)某區(qū)塊典型頁(yè)巖氣X井為研究對(duì)象，通過對(duì)該井生產(chǎn)數(shù)據(jù)調(diào)研分析得到目前的剩余可采儲(chǔ)量，證明該井具有重復(fù)壓裂潛力，然后對(duì)暫堵重復(fù)壓裂所使用的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明所使用的暫堵劑和暫堵球符合生產(chǎn)實(shí)際需求。

關(guān) ?鍵 ?詞：頁(yè)巖氣;重復(fù)壓裂;暫堵轉(zhuǎn)向;實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TE357.1+2 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0032-04

Abstract： The crucial role of shale gas in the energy field benefits from the development of large-scale hydraulic fracturing technology. Because shale gas yield decelerating rate is too quickly after fracturing， it is necessary to increase the output of low-yielding wells through repeated fracturing， and the general temporary plugging steering technology is one of the core technologies for repeated fracturing. In this paper， the current status of temporary blocking repeated fracturing technology was introduced. And taking the typical shale gas X well in a certain block in China as the research object， the production data of the well were studied and analyzed to obtain the current remaining recoverable reserves， which proved the repeated fracturing potential of the well. And then an experimental evaluation of the materials used for the temporary repetitive fracturing was carried out. The results showed that the temporary plugging agent and the temporary blocking ball met the actual production requirements.

Key words： Shale gas; Repeated fracturing; Temporary blocking; Experimental evaluation

頁(yè)巖氣資源對(duì)于我國(guó)乃至全球的能源格局都至關(guān)重要，頁(yè)巖儲(chǔ)層的超低孔超低滲特性，致使其必須依靠大型水力壓裂技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開采，但經(jīng)過水力壓裂后的頁(yè)巖氣井很容易因?yàn)樯a(chǎn)過程而導(dǎo)致壓裂裂縫失效，一般在半年內(nèi)產(chǎn)量就能下降到峰值的一半。我國(guó)頁(yè)巖氣開采也已經(jīng)進(jìn)入衰減后階段，重復(fù)壓裂作為一種較為經(jīng)濟(jì)且高效的手段，正被生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所重視[1]。重復(fù)壓裂研究的難點(diǎn)主要是重復(fù)壓裂過程中裂縫起裂和延伸[2]，也是目前階段制約重復(fù)壓裂工藝發(fā)展的主要因素。原地應(yīng)力場(chǎng)經(jīng)歷長(zhǎng)期生產(chǎn)以及初次人工裂縫的雙重影響發(fā)生變化，因此導(dǎo)致新裂縫的再次定向。初次人工裂縫的延伸方向以及重復(fù)壓裂裂縫的延伸方向都有不同水平的變化，甚至可能轉(zhuǎn)向換位改變了90°，同時(shí)形成新的人工裂縫，這點(diǎn)已經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)監(jiān)測(cè)以及國(guó)內(nèi)外室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求證[3]。目前國(guó)際上一致認(rèn)為，應(yīng)力變化的兩個(gè)根本原因是由于生產(chǎn)誘導(dǎo)的應(yīng)力變化以及初次人工裂縫的存在誘導(dǎo)的應(yīng)力變化。Elbel和Mack通過數(shù)值模擬的方法模擬了生產(chǎn)影響的應(yīng)力場(chǎng)的變化情況[4]，通過模擬結(jié)果能夠了解重復(fù)壓裂產(chǎn)生新裂縫的最佳時(shí)機(jī)。本文從暫堵轉(zhuǎn)向現(xiàn)狀入手，結(jié)合國(guó)內(nèi)某區(qū)塊典型頁(yè)巖氣X井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到的剩余可采儲(chǔ)量，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該井重復(fù)壓裂工藝中所使用的暫堵材料（暫堵劑、暫堵球）性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明所使用的暫堵劑和暫堵球符合生產(chǎn)實(shí)際需求。

1 ?暫堵轉(zhuǎn)向現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外大量研究表明，重復(fù)壓裂是提高低產(chǎn)井產(chǎn)量的有效措施之一。將已經(jīng)運(yùn)用一次以及一次以上壓裂改造措施的井段再次利用壓裂施工改造的工藝就是重復(fù)壓裂[5]。由于再次壓裂可能打開初次壓裂未溝通的儲(chǔ)層，且可以使近井地段的裂縫得到重新改造，一般而言重復(fù)壓裂可以使得產(chǎn)量大致恢復(fù)到初始狀態(tài)。對(duì)于已進(jìn)行過體積改造的段簇儲(chǔ)層，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的重點(diǎn)在于投放暫堵劑在主裂縫內(nèi)形成有效封堵，短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)縫內(nèi)凈壓力，促進(jìn)儲(chǔ)層弱面以及天然裂縫的開啟，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)到增大改造未改造區(qū)的效果，見圖1。

縫內(nèi)凈壓力在壓裂過程中對(duì)裂縫的延伸起到至關(guān)重要的作用，不同程度上影響縫內(nèi)凈壓力的因素主要有地層特性參數(shù)、裂縫幾何尺寸、暫堵措施、壓裂工藝參數(shù)等，普通情況下提高縫內(nèi)凈壓力的方法有兩種，改良?jí)毫咽┕ぶ泄に噮?shù)以及改進(jìn)暫堵措施增加縫內(nèi)凈壓力。

為了提高暫堵效果，在儲(chǔ)層水平應(yīng)力條件下往往需要暫堵劑進(jìn)入裂縫后產(chǎn)生足夠的暫堵壓差用以打開側(cè)向微裂縫。如果暫堵劑進(jìn)入裂縫后和支撐劑的混合物不完全充填縫高（否則易砂堵，造成施工失敗），同時(shí)忽略堵劑對(duì)裂縫端部和儲(chǔ)層孔隙的橋堵作用，通過平衡流速的相關(guān)定義以及支撐劑在裂縫高度上的分布規(guī)律（由下至上依次為沉降區(qū)、滾流區(qū)、懸浮區(qū)及無(wú)砂區(qū)）了解到，暫堵劑進(jìn)入裂縫后會(huì)在一定程度上塑性變形，與支撐劑互相連接以及包住彼此，緩慢的下沉堆積，在到達(dá)某封堵距離與平衡高度時(shí)，縫口附近的堵劑兩端形成暫堵壓力差。

2 ?剩余可采儲(chǔ)量分析

Vincent（2010）[6]通過對(duì)100多口重復(fù)壓裂工藝實(shí)施井的分析，認(rèn)為影響選井選段的關(guān)鍵參數(shù)有多種，考慮頁(yè)巖氣特殊的作業(yè)與生產(chǎn)特征，重復(fù)壓裂選井選段原則是通過剩余油藏能量、可采儲(chǔ)量、產(chǎn)氣剖面測(cè)試結(jié)果、頁(yè)巖氣遞減規(guī)律等因素的分析，初選施工參數(shù)與規(guī)模、井段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般通過重新泵入更大強(qiáng)度或濃度的支撐劑來(lái)達(dá)到重復(fù)改造的目的。重復(fù)壓裂施工的井一般優(yōu)先選擇初次壓裂由于施工原因造成施工失敗的、前次改造規(guī)模不夠的井并且儲(chǔ)層又含有能量的井段。選井選層是重復(fù)壓裂的首先要解決的問題，選井選層的核心就是分析評(píng)價(jià)需要重復(fù)壓裂的井的剩余可采儲(chǔ)量，它是重復(fù)壓裂得以長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)量的關(guān)鍵步驟。目前公認(rèn)的分析剩余可采儲(chǔ)量方法主要是物質(zhì)平衡法，先根據(jù)實(shí)際估算單井控制地質(zhì)儲(chǔ)量，將該產(chǎn)量乘上油田在當(dāng)下實(shí)際開采過程的采收率值，再減去該井的累積產(chǎn)油量，得到的結(jié)果為油井的剩余可采儲(chǔ)量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)RTA方法結(jié)合復(fù)合解析模型預(yù)測(cè)，在X井當(dāng)前的生產(chǎn)狀況條件下，氣井產(chǎn)量低于臨界攜液流量，氣井不能正常攜液，依靠目前的生產(chǎn)措施，氣井大部分儲(chǔ)量采出難度較大，而剩余可采儲(chǔ)量較多，如圖2所示。

針對(duì)以上情況，通過開展重復(fù)壓裂可以進(jìn)一步改造初次壓裂出力較差的段簇，同時(shí)從簇產(chǎn)氣情況以及剩余可采儲(chǔ)量分析可知，本井利用重復(fù)壓裂還具有一定提高產(chǎn)量的空間。

3 ?室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

基于結(jié)合本井的實(shí)際情況以及國(guó)內(nèi)外重復(fù)壓裂成功的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，計(jì)劃采用籠統(tǒng)暫堵體積壓裂技術(shù)施工，由于籠統(tǒng)壓裂改造井段較長(zhǎng)，為進(jìn)一步有效提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，考慮在段內(nèi)多次采用“暫堵球+暫堵劑” 的暫堵轉(zhuǎn)向工藝來(lái)達(dá)到增加整體改造體積的目的。同時(shí)為了使段內(nèi)縫網(wǎng)更加復(fù)雜，考慮在投入縫內(nèi)暫堵劑和段內(nèi)暫堵球后加入一定量的膠液，從而使在縫內(nèi)暫堵或部分段內(nèi)孔眼暫堵后開啟新縫，達(dá)到對(duì)重復(fù)改造段有效改造目的。

3.1 ?暫堵劑耐溫及承壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)

（1） 巖心基本數(shù)據(jù)（見表1）

（2） 人造巖心液測(cè)滲透率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選取1-1人造巖心在儲(chǔ)層溫度條件下，用標(biāo)準(zhǔn)鹽水開展了液測(cè)巖心滲透率測(cè)試[7]，結(jié)果見圖3，得到滲透率為4.16×10-3 m2。

（3）150 ℃、2 cm暫堵劑厚度條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用巖心1-1開展150 ℃下2 cm厚度暫堵劑情況下的承壓能力。升溫至150 ℃時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)鹽水恒定流量10 mL/min測(cè)定壓力變化情況。由于實(shí)驗(yàn)過程中壓力上升較快，當(dāng)壓力上升至40 MPa的時(shí)候轉(zhuǎn)為恒壓控制。

對(duì)比封堵暫堵劑前后滲透率來(lái)看，滲透率由4.16×10-3 m2降為0.000 386×10-3 m2，滲透率下降99.99%，結(jié)果見圖4，40 MPa壓差下封堵效果較好。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中幾乎沒有液體濾出，濾失的一點(diǎn)點(diǎn)液體很快蒸發(fā)，累積濾失量在0 mL上下波動(dòng)，結(jié)果見圖5?？梢缘贸鼋Y(jié)論在150 ℃條件下，2 cm厚度暫堵劑能夠達(dá)到40 MPa的承壓能力。

（4） 傷害性能評(píng)價(jià)

取用滲透率接近的人造巖心共四組，在同樣的實(shí)驗(yàn)情況下測(cè)試不同溫度下在壓裂液中的滲透率恢復(fù)狀況。隨著試驗(yàn)溫度逐漸上升在滲透率差距較小的情況下，水溶性暫堵劑在壓裂液中的溶解度增加，滲透率恢復(fù)率上升，在150 ℃時(shí)可到達(dá)98.2%，見表2。

3.2 ?暫堵球性能評(píng)價(jià)

（1） 暫堵球高溫溶解實(shí)驗(yàn)

暫堵球溶解實(shí)驗(yàn)采用固井用增壓式養(yǎng)護(hù)釜，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度為110 ℃，壓力20 MPa。將9、11 mm暫堵球分別準(zhǔn)備兩個(gè)放入燒杯中，并將其放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，用滑溜水浸泡完全，升溫至110 ℃、加壓至20 MPa。觀察暫堵球在高溫條件下的溶解情況，見圖6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明壓裂酸化中使用的暫堵球具有良好的耐溫抗壓能力，溶解時(shí)間滿足施工設(shè)計(jì)要求。

（2）暫堵球承壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)

在溫度是130 ℃的條件下，將直徑13.5 mm暫堵球分別座封于直徑9、10 mm球座上，加壓至70 MPa左右反復(fù)多次打壓，暫堵球無(wú)變形和破碎現(xiàn)象，試驗(yàn)證明其具備承壓70 MPa能力。

通過上述實(shí)驗(yàn)對(duì)暫堵劑及暫堵球的測(cè)試可知，2 cm厚度暫堵劑的耐溫和承壓性能在150 ℃條件下，以及選取出來(lái)的三種型號(hào)暫堵球的耐高溫和抗壓能力，都符合實(shí)際施工設(shè)計(jì)的要求。

4 ?結(jié) 論

（1）重復(fù)壓裂改造技術(shù)是針對(duì)頁(yè)巖氣井首次改造不充分或產(chǎn)出不充分仍具有挖潛能力的段簇，暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)作為當(dāng)下重復(fù)壓裂中的新型高效工藝，對(duì)該技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和科研研究有指導(dǎo)意義。

（2）通過剩余可采儲(chǔ)量分析，對(duì)典型井可采儲(chǔ)量的進(jìn)行預(yù)測(cè)，認(rèn)為目前典型井剩余可采儲(chǔ)量較豐富，如果采用重復(fù)壓裂工藝施工增產(chǎn)，需增大重復(fù)壓裂波及范圍，增大可采儲(chǔ)量所占份額，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“人工成藏”。

（3）通過暫堵劑的耐溫及承壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及暫堵球的性能測(cè)試，可知現(xiàn)場(chǎng)使用的150 ℃、2 cm厚暫堵劑以及9、11 mm暫堵球符合實(shí)際生產(chǎn)需求，能夠起到良好的堵縫效果，為后續(xù)的重復(fù)壓裂提供了必要的條件。

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