水平井分段壓裂多簇裂縫均衡起裂與延伸控制方法研究

蔣 廷 學

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

0 前 言

水平井分段壓裂技術廣泛應用于頁巖氣及致密砂巖油氣藏中，通常其壓裂效果比傳統的直井壓裂技術更為顯著。但在實際生產中，也會出現水平井分段壓裂效果不佳的情況。在水平井多簇射孔作業中，并非所有的裂縫都能達到理想的均勻起裂與延伸狀態，因此，段內各簇裂縫在吸收壓裂液及支撐劑方面的效果差異較大。國外一些壓后監測數據表明，對于段內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]。國內也有一些頁巖氣壓裂微地震監測資料表明[6-10]，位于不同段的裂縫，其長度有可能相差數倍。

造成上述裂縫非均勻延伸的主要原因可歸結為以下4點：

(1)段內各簇射孔處的巖性、巖石力學及地應力等參數的非均質性相對較強。

(2)水平井筒內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，且B靶點的位置高于A靶點，二者之間存在一定的垂深差。這種垂深差也會造成不同簇射孔處的地應力差異。此差異值或許不大，但由此導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，流動跟隨性相對較差。換言之，支撐劑一般容易在靠近B靶點的裂縫中運移和堆積，促使該處的裂縫過早停止延伸，進而迫使后續的大量壓裂液及支撐劑都進入靠近A靶點的裂縫中，不斷加大裂縫的非均勻延伸程度。

這種段內多簇裂縫非均勻延伸會帶來一系列問題，主要有：

(1)段內多簇裂縫間的誘導應力干擾效應大幅減弱，使裂縫復雜性降低、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。由于開關攻擊會出現不正常的信任波動,所以本文從信任波動的角度設計了控制因子,目的是降低開關攻擊節點的值域范圍。當引入控制因子后,一旦j的信任值出現不正常波動,那么節點j的信任值域范圍將會向下平移,因此更有利于降低開關攻擊節點的信任值。

(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生過大的應力集中效應，從而誘發局部套管變形。在某些頁巖氣井，其脆性好的地方含氣性也好，更容易發生套管變形。

(3)靠近A靶點的裂縫更易破裂和延伸，其中吸收的壓裂液及支撐劑最多，產生的誘導應力也相對較大，因而更容易對下一段靠近B靶點的裂縫產生強烈的誘導應力干擾效應，抑制其起裂和延伸。更有甚者，還可能因為過大的誘導應力效應，使下一段靠近B靶點的裂縫起裂方向轉變為平行于水平井筒的方向，即形成所謂的縱向裂縫。在這種情況下，下一段壓裂施工時段內多簇裂縫間相互串通的現象會增多，進而降低裂縫的復雜性，縮減改造體積。

因此，有必要對水平井分段壓裂多簇裂縫的均衡起裂與延伸控制問題進行系統性研究，為實現國內水平井壓裂開發的“降本增效”目標提供理論支撐。

1 多簇裂縫均衡起裂與延伸控制方法

1.1 變排量酸預處理技術

酸預處理是頁巖氣壓裂的標準作業流程之一。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，因此必須預先進行酸處理作業。

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

圖1 示例井變排量酸預處理施工效果

1.2 低黏度滑溜水變排量注入技術

經酸預處理后，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式(1)來計算[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，而水平井筒內的壓力梯度也會越小，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ANSYS平臺上采用Fluent模塊進行數值模擬，建立水平井筒多簇射孔模型，模擬支撐劑在水平井筒內的分布情況。結果表明，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(見圖3)。

圖3 井筒內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

以往采用變黏度滑溜水及變黏度膠液時，多注重于單簇裂縫內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液的可能性及優勢。實際上，隨著滑溜水及膠液的黏度增大，其進縫時的黏滯阻力也會相應增大；因此，可以通過對其黏度及壓裂體積的優化，促使段內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場施工效果

圖5 變黏度膠液注入現場應用效果

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

圖6 高黏度膠液中頂現場應用效果

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，可以促使段內多簇裂縫接近均勻延伸。在ANSYS平臺上，基于Fluent模塊建立水平井筒多簇射孔物理模型，選用DPM模型模擬有限個暫堵球在井筒內的封堵規律(見圖7)。采用低排量、高黏度攜帶液的注入方法，可以有效地優化暫堵球在各簇位置上的封堵效果(見圖8)。

圖7 暫堵球在井筒中的運移軌跡模擬

圖8 暫堵球沿井筒方向的封堵系數

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，因此其封堵效率會有所降低(見圖9)。

圖9 重力作用使暫堵球更容易封堵底部孔眼

1.6 段內限流壓裂技術

段內限流壓裂，是指在段內限制射孔數量，使孔眼摩阻進一步加大(見圖10)。加大孔眼摩阻，可減緩井底壓力的釋放，從而有利于多個孔眼裂縫同時起裂和延伸。

圖10 段內不同射孔數量下孔眼摩阻與排量的變化

如果事先已探明段內不同位置的地應力分布情況，則可以在適當的位置改變孔眼直徑的大小，以取得更好的均勻進液、進砂效果。

1.7 小粒徑支撐劑比例調整措施

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，而未考慮其對多簇裂縫均勻延伸的影響。在實際生產中，支撐劑的密度遠大于壓裂液，其與壓裂液的流動跟隨性較差。相對而言，支撐劑更容易沿水平井筒向B靶點方向運移，最先進入靠近B靶點的裂縫中。如支撐劑的粒徑相對較大，極易過早地在上述裂縫中產生堵塞效應。一般而言，靠近B靶點的裂縫延伸不夠充分，且在水平井筒中又保持一定的運動慣性，支撐劑在其中優先發生砂堵的概率較大，只是砂堵發生的時機不同。若先期采用較大比例的小粒徑支撐劑，則可以推遲靠近B靶點的裂縫砂堵時機。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 現場應用效果分析

四川盆地某頁巖氣藏有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%，平均無阻流量為61.5×104m3/d。對比這7口壓裂井的地質及施工參數(見表1、表2)，可以看出其壓后平均無阻流量相比鄰井大約提升了2.8倍。

表1 壓裂井地質參數

表2 壓裂井施工參數

此外，在該氣藏X-1井實施了16級壓裂施工，各簇產氣量貢獻率如圖12所示。在該井16級共計 45簇壓裂簇中，僅第13級有1簇未產出氣，其余壓裂簇均有產氣量貢獻。同時，射孔2簇的壓裂段中，各簇產氣貢獻率大小相當；射孔3簇的壓裂段中，僅第2、5、6、14級各簇產氣貢獻率差異較大。由此可知，采用上述變黏度變排量等控制技術后，水平井段內多簇裂縫的均衡延伸程度有所加強，從而使裂縫的復雜性及改造體積、產量等指標得以優化。

圖12 X-1井16級壓裂施工各簇產氣量貢獻率

3 結 語

針對水平井分段壓裂多簇裂縫非均勻起裂與延伸的特性，提出了更具系統性的現場控制方法，針對性與實用性也較強。在四川盆地某頁巖氣藏水平井實施了16級壓裂施工，使裂縫的復雜性及改造體積等指標得到優化，現場應用效果較理想。這些方法的適應性較強，有很高的應用推廣價值。鑒于目前的裂縫監測技術大多只能監測到段，且數據籠統，難以準確判斷各分簇的情況(如產氣、產水等)，因此，建議加強分段分簇裂縫監測技術的研究與應用，以便進一步驗證各方法的可靠性。