摘 要：隨著四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入，實施水平井分段壓裂改造已成為頁巖氣這種非常規(guī)氣藏有效開發(fā)的必要手段。針對四川長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)水平井儲層特點，結(jié)合套管固井完井方式，通過開展自主攻關(guān)與現(xiàn)場試驗，在頁巖氣水平井壓裂改造方面逐步形成了一套完整的技術(shù)系列，包括：新型復(fù)合橋塞分段工具、高效降阻滑溜水體系、優(yōu)化分段設(shè)計技術(shù)、體積壓裂工藝、連續(xù)油管鉆磨技術(shù)、連續(xù)混配、連續(xù)供砂、連續(xù)作業(yè)技術(shù)、返排液重復(fù)利用技術(shù)等，從而實現(xiàn)了頁巖氣水平井儲層改造的最優(yōu)化體積和效果。應(yīng)用結(jié)果表明：自主研發(fā)的頁巖氣水平井復(fù)合橋塞優(yōu)化分段、滑溜水體積壓裂工藝及工程配套技術(shù)，能夠有效提高工程時效和增加井口產(chǎn)能，為頁巖氣水平井規(guī)模效益開發(fā)提供了技術(shù)保障，為下一步四川盆地頁巖氣工廠化壓裂的實施提供了技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：四川盆地 頁巖氣 水平井 分段壓裂技術(shù)系列 復(fù)合橋塞 滑溜水 連續(xù)油管鉆磨 工廠化壓裂
Research about and application of autonomous staged fracturing technique series for horizontal well stimulation of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin
Abstract：With the further exploration and development of shale gas in the Sichuan Basin，the simulation with horizontal well multistaged fracturing is increasingly necessary for efficient development of unconventional shale gas reservoirs．According to the reservoir features of horizontal wells in the Changning Weiyuan National Shale Gas Demonstration Region in the Sichuan Basin，combined with the modes of casing cementing and completion，an integrated technology series was formed for the horizontal well stimulation of shale gas reservoirs in Sichuan oil and gas fields through independent research and field trials，including a new composite plug tool，an efficient slick water system，optimized multi stage design technology，SRV fracturing technology，coiled tubing drilling and milling technology,continuous fluid mixing，sand feeding and operating technology，flowback fluid recycling technology，etc．，thus achieving the optimum volume and effect of the horizontal well simulation of shale gas reservoirs．The field application shows that the optimum staged fracturing of composite bridge plug，slick water SRV fracturing and the related supporting technologies can effectively improve engineering timeliness and increase well production，providing a technical support for the commercial development of shale gas horizontal wells as well as for the upcoming implementation of factory-like fracturing treatment of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin．
Keywords：Sichuan Basin,shale gas，horizontal well，multi-stage fracturing technology system，composite bridge plug，slick water，coiled tubing drilling and milling，factory-like fracturing
四川盆地擁有豐富的頁巖氣資源，自2010年開始，在四川盆地的威遠、長寧、富順、昭通等區(qū)塊開啟了頁巖氣勘探開發(fā)的步伐，前期鉆探的W201、N201兩口頁巖氣評價井經(jīng)大型體積壓裂改造均或工業(yè)氣流[1]，展現(xiàn)了該地區(qū)頁巖氣的資源潛力，使其有望成為未來四川盆地天然氣開發(fā)的另一個新領(lǐng)域。
目前四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)已經(jīng)從直井預(yù)探轉(zhuǎn)向水平井開發(fā)，研發(fā)適合于該地區(qū)頁巖氣開發(fā)的工藝技術(shù)、設(shè)計技術(shù)、施工技術(shù)成為越來越迫切的需求[2]。四川油氣田通過開展自主攻關(guān)和現(xiàn)場試驗，逐步形成了集復(fù)合橋塞分段及多簇射孔工藝、大規(guī)?；锼w積壓裂技術(shù)、低摩阻滑溜水壓裂液體系、大型壓裂施工配套技術(shù)、連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)為一體的頁巖氣水平井分段壓裂技術(shù)。
1 復(fù)合橋塞工具及分段工藝
1．1 復(fù)合橋塞性能參數(shù)
復(fù)合橋塞是實現(xiàn)水平井分段壓裂段間封隔的有效工具，復(fù)合橋塞具有作業(yè)效率高(一趟作業(yè)管柱完成射孔及坐封橋塞)、易鉆(通常30min以內(nèi))等特點。通過自主攻關(guān)研制出速鉆復(fù)合橋塞工具，能滿足頁巖氣水平井分段壓裂改造的需求(圖1)，工具指標(biāo)為：①適用井眼尺寸有Æ114.3mm、Æl27.0mm、Æ139.7mm等套管完井；②耐溫，達150℃；③承受工作壓差為70MPa；④分段數(shù)不受井筒條件限制。
1．2 分段工藝原理
復(fù)合橋塞主要使用電纜下入，坐封橋塞和分簇射孔聯(lián)作。第一段作業(yè)采用連續(xù)油管傳輸射孔，完成第一段壓裂后，使用電纜帶射孔槍和復(fù)合橋塞工具管串入井，下至水平井段后泵送至第二段預(yù)定位置，然后坐封橋塞、丟手，上提射孔槍至第二段射孔位置，進行分簇射孔，之后起出電纜，進行第二段壓裂作業(yè)。重復(fù)以上步驟直至完成最后一段壓裂作業(yè)[3]。
2 高效降阻滑溜水壓裂液
2．1 壓裂液適應(yīng)性分析
滑溜水壓裂液摩阻和成本均較低，其較之交聯(lián)凍膠更容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，滿足頁巖氣體積壓裂改造的工藝要求，成為頁巖氣體積壓裂改造的主要工作液。四川地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組儲層段全巖分析和巖石力學(xué)實驗結(jié)果表明，該地區(qū)頁巖儲層巖石水敏指數(shù)弱[4]、脆性指數(shù)較高，低黏度滑溜水易進入次生微裂縫，從而產(chǎn)生復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，形成最大化的增產(chǎn)改造體積。
2．2 滑溜水體系及性能參數(shù)
滑溜水壓裂液體系通常由水和降阻劑、殺菌劑、助排劑、黏土穩(wěn)定劑等添加劑組成，其中降阻劑是滑溜水壓裂液中最重要的添加劑。通過自主研究優(yōu)化形成了速溶性能好、剪切穩(wěn)定性好、減阻效果明顯、低傷害、低成本的新型滑溜水壓裂液體系，降阻劑加量0.05％～0.08％、殺菌劑加量0.05％、黏土穩(wěn)定劑加量0.1％、液體降阻率大于65％，滿足連續(xù)混配施工要求(圖2)。
3 水平井體積壓裂技術(shù)
3．1 技術(shù)機理
通過分段多簇射孔和大液量、高排量的低黏壓裂液的注入，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，實現(xiàn)對天然裂縫、巖石層理的溝通，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，使得裂縫表面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大化，從而增加改造體積和儲層的動用程度，提高氣井產(chǎn)量和采收率[5-6]。
3．2 水平井分段優(yōu)化
通過研究頁巖氣水平井壓裂的裂縫形態(tài)以及延伸規(guī)律，以形成最大的增產(chǎn)改造體積為目標(biāo)，綜合考慮頁巖水平層段脆性、含氣量、應(yīng)力大小的分布特點，對人工裂縫參數(shù)進行模擬優(yōu)化，從而確定最優(yōu)的分段間距和每段的施工規(guī)模，根據(jù)儲層物性及其對導(dǎo)流能力的需求設(shè)計適合的加砂程序來實現(xiàn)最佳的增產(chǎn)效果[7-9]。
3．3 工藝方式
四川地區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組頁巖儲層巖石脆性特征明顯。根據(jù)頁巖含氣性、脆性、巖石力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)優(yōu)選射孔井段，形成了復(fù)合橋塞分段，以滑溜水為壓裂液，大液量、高排量、小粒徑支撐劑、低砂比、段塞式注入的頁巖氣水平井體積壓裂技術(shù)[10]。單段壓裂液量1800～2400m3，支撐劑量100～200t，施工排量l0m3／min以上，支撐劑以100目粉砂和40／70目陶粒為主，平均砂比3％～5％。
4 地面工程配套工藝
4．1 大液量儲供液技術(shù)
頁巖氣體積壓裂規(guī)模大，考慮四川地區(qū)頁巖氣井井場條件、水源分布、改造方案、施工規(guī)模和現(xiàn)有儲液設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立了一套頁巖氣壓裂液儲供技術(shù)，包括液罐儲供液方式、儲水池儲供液方式和河道長距離儲供液方式，供液能力達到20m3／min。
4．2 大排量連續(xù)混配技術(shù)
頁巖氣壓裂施工規(guī)模大，使用常規(guī)方式配液工作強度大，若施工中液體未使用完則會造成大量浪費，且處理難度大。壓裂液連續(xù)混配技術(shù)克服了以上缺點，消除了因施工異?？赡軒淼囊后w儲存風(fēng)險和浪費[11]，其技術(shù)關(guān)鍵是各種壓裂液添加劑在壓裂施工過程中根據(jù)排量實時、精確地加入(圖3)。
4．3 大砂量連續(xù)供砂技術(shù)
針對四川地區(qū)井場特點，形成了使用30m3立式砂罐組合儲砂的方式，在水平井大型分段壓裂施工過程中，在段間作業(yè)間隙吊裝補充支撐劑。對供砂裝置進行了改進：①設(shè)計了DN300型橡膠短節(jié)連接砂罐出口，提高一次供砂能力；②研制了自動破袋裝置，提高了轉(zhuǎn)砂安全和轉(zhuǎn)砂效率。
4．4 大排量連續(xù)泵注技術(shù)
針對頁巖氣大型壓裂施工特點，形成了地面多路注入的高壓流程，設(shè)計研制了尺寸Æl79.4mm、承壓103.4MPa的壓裂專用井口，滿足了壓裂作業(yè)大排量的注入需求，有效減小了井口節(jié)流影響，實現(xiàn)在作業(yè)后不換裝井口條件下直接排液生產(chǎn)。
5 連續(xù)油管鉆磨技術(shù)
5．1 連續(xù)油管鉆磨工藝
壓裂施工結(jié)束后，需要利用連續(xù)油管將橋塞全部鉆磨，恢復(fù)全井筒的暢通，便于后續(xù)作業(yè)(測產(chǎn)氣剖面、下生產(chǎn)管柱等)。通過技術(shù)攻關(guān)，形成了一套集下鉆速度控制、鉆壓控制、泵注排量控制、鉆屑返排控制和鉆磨液體優(yōu)選為一體的水平井連續(xù)油管鉆磨復(fù)合橋塞工藝和配套工具與設(shè)備。
5．2 鉆磨工具管串
連續(xù)油管鉆磨橋塞工具管串為：卡瓦接頭+馬達頭總成+震擊器+馬達+磨鞋。其中馬達和磨鞋是其中的關(guān)鍵部分，直接影響了工具的使用壽命和鉆磨橋塞的效率(圖4)。
6 現(xiàn)場應(yīng)用
6．1 壓裂現(xiàn)場實施
自主技術(shù)先后在四川油氣田長寧威遠國家級頁巖氣示范區(qū)進行了5口水平井的分段壓裂改造實踐。從應(yīng)用情況看，所有技術(shù)或工具能夠滿足頁巖氣水平井分段壓裂的需求，應(yīng)用效果良好(表1)。
在現(xiàn)場應(yīng)用中自主滑溜水壓裂液使用連續(xù)混配方式配制，連續(xù)混配最大排量達到l7.2m3／min，液體顯示出良好的降阻性能，現(xiàn)場降阻率為66％～75％，達到國外同等技術(shù)水平。自主復(fù)合橋塞工具現(xiàn)場應(yīng)用可靠性高，坐封成功率和施工成功率均l00％，在97MPa的高施工壓力下仍實現(xiàn)有效的密封，該工具具長時間高壓工作的可靠性和穩(wěn)定性。連續(xù)油管鉆磨橋塞，通過鉆磨參數(shù)的優(yōu)化，平均單個復(fù)合橋塞純鉆時間僅27min，實現(xiàn)了一趟管柱完成全井橋塞的鉆磨。同時還開展了壓裂返排液的重復(fù)利用，有效提高了環(huán)保減排的能力。通過優(yōu)化組織施工工序，實現(xiàn)每天完成2段壓裂作業(yè)。5口井現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)如下：①水平井的完井方式為Æl27.0mm、Æl39.7mm套管完井；②壓裂工藝為復(fù)合橋塞與多簇射孔聯(lián)作的分段體積壓裂工藝；③工作液體系為高效降阻滑溜水；④液量規(guī)模為1800～2400m3／段，支撐劑量規(guī)模為l00～200t／段；⑤泵注排量為l0～17m3／min；⑥工作液為連續(xù)混配。
6．2 壓裂改造效果
通過實時微地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，對于完成壓裂施工、優(yōu)選射孔井段、優(yōu)化參數(shù)及提高產(chǎn)能具有很好的指導(dǎo)性[12]。本地區(qū)頁巖氣水平井壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果表明，壓裂裂縫延伸方向受地應(yīng)力與天然裂縫雙重因素控制，已實施井微地震監(jiān)測結(jié)果表明實現(xiàn)了形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的體積壓裂目標(biāo)，表明水平井分段體積壓裂工藝可滿足頁巖氣水平井改造要求(圖5)。
5口水平井壓后均獲得了工業(yè)氣流，反映出本區(qū)頁巖氣具有較好的開發(fā)潛力以及水平井分段壓裂改造技術(shù)在四川頁巖氣儲層改造中具有較好的適應(yīng)性。自主水平井分段壓裂技術(shù)滿足了頁巖氣水平井儲層改造的需要，達到國外同等技術(shù)水平。
7 結(jié)論與建議
1)四川頁巖氣儲層改造通過前期的先導(dǎo)性試驗，已經(jīng)初步探索出四川盆地頁巖儲層的改造模式，水平井分段壓裂作為目前四川盆地頁巖氣開發(fā)的主要技術(shù)手段，通過多口水平井的實踐均形成了體積壓裂改造特征，見到不同程度的增產(chǎn)效果。
2)通過開展技術(shù)攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，形成了一套以復(fù)合橋塞分段工藝、大規(guī)模滑溜水體積壓裂技術(shù)、低摩阻滑溜水壓裂液體系、大型壓裂施工配套技術(shù)和連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)為主體的頁巖氣水平井分段壓裂技術(shù)。
3)自主研發(fā)的復(fù)合橋塞工具、滑溜水壓裂液體系，填補了國內(nèi)空白，現(xiàn)場應(yīng)用成功率達到100％，與國外同類產(chǎn)品相比成本更低，為頁巖氣水平井規(guī)模效益開發(fā)提供了技術(shù)保障。
4)從目前技術(shù)發(fā)展來看，還需進一步加強低成本、高性能壓裂液及支撐劑材料的研究，繼續(xù)探索技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合的最佳儲層改造方案，從而不斷提高改造效果與降低頁巖氣開發(fā)成本。同時加強對工藝技術(shù)的安全和環(huán)保要求，在大量實踐基礎(chǔ)之上編制頁巖氣壓裂技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
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本文作者：尹叢彬 葉登勝 段國彬 張俊成 鄧素芬 王素兵
作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司
中國石油西南油氣田公司
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