頁巖重復(fù)壓裂工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

曾凌翔, 鄭云川, 蒲祖鳳

(川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

全球頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)623×1012m3，可采儲(chǔ)量達(dá)163×1012m3，中國頁巖氣可采儲(chǔ)量達(dá)36×1012m3，具有廣闊的開發(fā)前景[1]。頁巖層具有展布廣、規(guī)模大、儲(chǔ)量大，但同時(shí)又具有滲透率低、連通性差、孔隙度小等特點(diǎn),頁巖油氣藏的采收率約為10%～16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)油氣藏。

頁巖油氣井具有產(chǎn)量衰減幅度大、遞減速度快等特點(diǎn)，目前油價(jià)處于低迷環(huán)境中，采用增加新井?dāng)?shù)量，提高產(chǎn)量的模式，已經(jīng)不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)開采目的，頁巖重復(fù)壓裂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。一口新井成本是800～1 600萬美元，而重復(fù)壓裂成本是100～300萬美元。

從2002～2010年，國外頁巖重復(fù)壓裂井?dāng)?shù)量急速上升。Marcellus, Haynesville, the Barnett等區(qū)塊已證明在富含頁巖油氣地區(qū)頁巖重復(fù)壓裂技術(shù)可以成功應(yīng)用。

一、頁巖井重復(fù)壓裂原因分析

(1)地質(zhì)方面因素。蠕變是頁巖產(chǎn)量降低原因之一。黏土含量越高，蠕變速度越快。蠕變速度：Barnett

(2)目前有效解決方法。適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)制度，控制頁巖油氣井產(chǎn)量；重復(fù)改造同一層位，盡可能減緩變形。

(3)工程方面因素。裂縫復(fù)雜程度較低，壓裂覆蓋率低；由于支撐劑嵌入、破碎；碎屑堵塞，鹽礦沉積等原因，導(dǎo)致儲(chǔ)層導(dǎo)流能力降低；壓裂過程中，改造不充分；鄰井壓裂影響，導(dǎo)致單井喪失產(chǎn)能或降產(chǎn)；生產(chǎn)評(píng)價(jià)已證實(shí)，只有64%的射孔簇對(duì)生產(chǎn)有顯著貢獻(xiàn)，還可以對(duì)剩余36%進(jìn)行壓裂改善。

二、重復(fù)壓裂工藝技術(shù)理論

根據(jù)力學(xué)理論研究，人工裂縫總是沿最大水平主應(yīng)力方向；由于鄰井裂縫、初次裂縫、長期生產(chǎn)、地層參數(shù)各項(xiàng)異性等因素對(duì)應(yīng)力場大小與方向的影響，產(chǎn)生應(yīng)力重定向，因此，重復(fù)壓裂的新裂縫也會(huì)重新定向，即沿著不同的方向起裂、延伸。孔隙壓力變化誘導(dǎo)了局部剪切應(yīng)力改變，導(dǎo)致新裂縫近似垂直于前次裂縫，或與前次裂縫成一銳角。

重復(fù)壓裂作用機(jī)制主要有以下情況：①開啟新的裂縫，使產(chǎn)量大幅度增加；②重新開啟原來的裂縫，或延伸原來的裂縫，增加改造體積；③解堵通道，裂縫面，增加導(dǎo)流能力；④充填有效支撐劑，建立有效導(dǎo)流能力。

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果得到重復(fù)壓裂產(chǎn)生新縫的條件為:σHmin+σH誘導(dǎo)>σHmax+σH誘導(dǎo)。

三、重復(fù)壓裂工藝技術(shù)對(duì)比分析

(1)用連續(xù)油管可控封隔器工藝管柱, 本工藝管柱能通過連續(xù)油管帶壓拖動(dòng)一次性完成多段射孔，利用雙封單卡封隔方式從連續(xù)油管加砂壓裂，依次完成分層段改造。

國外主要運(yùn)用井下工具或可降解暫堵材料[2-3]進(jìn)行重復(fù)壓裂。

(2)采用Eseal工具[4]，封堵產(chǎn)能無貢獻(xiàn)段，重建井筒內(nèi)的完整性，進(jìn)行重復(fù)壓裂如圖1所示。截止目前，利用Eseal工具在Barnett、Marcellus、Eagle Ford等完成了多口井的重復(fù)壓裂作業(yè)，效果顯著。

(3)采用可降解暫堵材料對(duì)頁巖井進(jìn)行重復(fù)壓裂，屬于最常用、最方便的方法。根據(jù)壓裂設(shè)計(jì),暫堵已射孔眼，重新射孔，進(jìn)行壓裂改造如圖2所示。每孔需2.3 kg暫堵材料進(jìn)行封堵，可承壓69 MPa。

圖1 Eseal工具重復(fù)壓裂工藝流程圖

圖2 暫堵材料及重復(fù)壓裂工藝流程圖

各種重復(fù)壓裂工藝對(duì)比分析見表1。

表1 重復(fù)壓裂工藝對(duì)比分析

四、頁巖重復(fù)壓裂選井標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)機(jī)選擇

通過國外多個(gè)頁巖區(qū)塊統(tǒng)計(jì)獲得以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(可不同時(shí)滿足)：①裂縫間距大于152 m；②30%或更多沒有有效支撐；③未射孔儲(chǔ)層；④擁有高的總有機(jī)碳，孔隙度、滲透率等；⑤天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量高和儲(chǔ)層壓力高；⑥日產(chǎn)2×104m3以下?；蛘吒鶕?jù)儲(chǔ)層物性可進(jìn)行選擇重復(fù)壓裂的井(見表2)。

表2 基于物性選井標(biāo)準(zhǔn)表

在井周圍或者初始裂縫縫長方向上某點(diǎn)處發(fā)生應(yīng)力重定向，重復(fù)壓裂就會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，利用某點(diǎn)處應(yīng)力重定向發(fā)生的時(shí)間就能確定重復(fù)壓裂最佳時(shí)間:

σHmin(x，0)+σH誘導(dǎo)(x，0，t)=σHmax(x，0)+σH誘導(dǎo)(x，0，t)

(1)

式中若x=0，求解的t則表示重復(fù)壓裂在井眼處起裂產(chǎn)生新裂縫的最佳時(shí)機(jī);x≠ 0，t表示原裂縫方向上x處起裂的最佳時(shí)機(jī)。

產(chǎn)氣下降速率(V)低于10%～15%時(shí)，建議采用重復(fù)壓裂技術(shù)。

V=(qn-1-qn)/qn-1

(2)

式中：q—日產(chǎn)氣量;n—時(shí)間，年。

累計(jì)產(chǎn)氣量斜率=(Qn-1-Qn)/Qn-1

(3)

式中：Q—累計(jì)產(chǎn)氣量;n—時(shí)間，年。

五、頁巖油氣田現(xiàn)場應(yīng)用

1. 頁巖直井重復(fù)壓裂技術(shù)應(yīng)用[5-6]

從施工參數(shù)分析,初始?jí)毫阎蝿?0/40或40/70目；重復(fù)壓裂采用支撐劑為70/140目；重復(fù)壓裂支撐劑用量為初始?jí)毫训?.4倍；重復(fù)壓裂規(guī)模為初始?jí)毫训?倍；重復(fù)壓裂前置液體積為初始?jí)毫训?6%，體積明顯減少。

從壓后效果分析,大多數(shù)壓后產(chǎn)量為初始產(chǎn)量的50%～70%；大部分井重復(fù)壓裂前后對(duì)比，產(chǎn)量增加300%左右。

2. 頁巖水平井重復(fù)壓裂技術(shù)應(yīng)用[7]

B井，水平段長496 m。前期施工參數(shù)：施工壓力44.8～48.3 MPa，最高壓力55.2 MPa，排量14～16 m3/min，其中100目粉砂34 t，40/70目陶粒181.6 t，最高砂濃度280 kg/m3，滑溜水1 800 m3。采用復(fù)合橋塞分5段改造。

重復(fù)壓裂工藝先采用暫堵顆粒封堵前期射孔孔眼，然后分3段進(jìn)行重復(fù)壓裂,見表3。每段分別下入連續(xù)油管清洗井筒，然后補(bǔ)射孔，第1級(jí)與第2級(jí)壓裂完畢后分別投放暫堵材料，第3級(jí)壓裂完成后泵橋塞(或暫堵材料)進(jìn)行封隔。每次投放暫堵材料后施工壓力響應(yīng)明顯。后面幾段重復(fù)上述操作。

表3 B井重復(fù)壓裂部分施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 重復(fù)壓裂封堵原射孔孔眼施工曲線

采用分批次投暫堵劑進(jìn)行暫堵已射孔眼，由圖3可以看出，暫堵劑到位后，壓力有明顯上升趨勢(shì)，封堵效果明顯。封堵之后，依次重新射孔，1段中分3級(jí)重復(fù)壓裂，從圖4中可知，重復(fù)壓裂過程中，每級(jí)每次投暫堵劑后，在相同排量下條件壓力有顯著上升，說明開啟了新的裂縫，暫堵效果明顯。

Marcellus區(qū)塊頁巖井B-H井：EUR(30年)重復(fù)壓裂前后產(chǎn)量對(duì)比，增長率達(dá)65%～123%。

采用微震監(jiān)測(cè)的能夠更好地了解重復(fù)壓裂的覆蓋率，裂縫幾何形狀以及有效的導(dǎo)流機(jī)制。E井經(jīng)過分析處理后的微震數(shù)據(jù)表明，重復(fù)壓裂的覆蓋率約92%，同時(shí)也表明機(jī)械隔離不是必需的手段。

六、結(jié)論及建議

(1)國外Barnett、Marcellus、Eagle Ford等現(xiàn)場應(yīng)用已證明重復(fù)壓裂技術(shù)能夠提高單井產(chǎn)量，EUR增長率最高達(dá)123%。

(2)頁巖油氣藏采收率僅為10%～16%，由于巖石蠕變，壓裂不完善，裂縫導(dǎo)流能力降低等地質(zhì)、工程因素導(dǎo)致低產(chǎn)，運(yùn)用重復(fù)壓裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)增產(chǎn)。

(3)運(yùn)用Eseal或暫堵材料可以實(shí)現(xiàn)高效重復(fù)壓裂。暫堵工藝由于操作簡單方便且價(jià)格合理，推廣程度更高，目前國內(nèi)還需要加強(qiáng)暫堵材料的研發(fā)，支撐頁巖重復(fù)壓裂技術(shù)的發(fā)展。

圖4 重復(fù)壓裂1段壓裂施工曲線

(4)國外多個(gè)頁巖區(qū)塊開展頁巖重復(fù)壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用，某些區(qū)塊已形成重復(fù)壓裂選井標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)產(chǎn)氣下降速率低于10%～15%時(shí)，可以考慮采用重復(fù)壓裂技術(shù)提高產(chǎn)量。

(5)國際油價(jià)處于低迷階段，技術(shù)突破才是可持續(xù)發(fā)展方向。國內(nèi)外頁巖儲(chǔ)層差異明顯，不能照搬國外技術(shù)，適時(shí)開展頁巖重復(fù)壓裂改造技術(shù)研究對(duì)我國頁巖氣開發(fā)具有積極意義。