復雜頁巖氣井無限級砂塞分段壓裂先導性試驗

李軍龍 李德旗 朱炬輝 石孝志 張劍 焦亞軍

1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司；2. 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田公司

復雜頁巖氣井無限級砂塞分段壓裂先導性試驗

李軍龍1李德旗2朱炬輝1石孝志1張劍1焦亞軍2

1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司；2. 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田公司

滇黔北昭通頁巖氣示范區YSA井鉆遇斷層且存在3個水平井眼，考慮到壓裂過程中可能產生套管變形等復雜問題，不宜采用常規的橋塞分段工藝，因此開展了連續油管無限級砂塞分段工藝進行分段壓裂。該工藝分段數不受井筒條件限制，分段方式以砂塞封隔分段代替了常規的橋塞分段，配套的新型工具只需起下1次連續油管就能完成單段的沖砂、填砂和多簇噴砂射孔作業，整個施工過程中井筒全通徑，能有效應對頁巖氣井套管變形對壓裂施工的影響。YSA井在發生套管變形的情況下完成了13級分段壓裂，解決了由于套管變形而無法使用橋塞分段的難題，壓后測試產量達11.3×104m3/d，增產效果顯著。該工藝的成功應用為我國頁巖氣井提供了一種新的分段改造手段。

頁巖氣；分段壓裂；連續油管；砂塞暫堵；套管變形

頁巖氣自2011年被國務院確定為獨立礦種以來［1］，目前已初步實現了對四川盆地及其周緣下古生界龍馬溪組的商業開發，相繼啟動了長寧-威遠、涪陵、滇黔北昭通等頁巖氣示范區的產能建設任務［2］。作為一種賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中的非常規天然氣，頁巖氣儲層必須通過水平井鉆井及大規模的壓裂改造才能獲得工業產能［3］。

滇黔北昭通頁巖氣示范區所處四川盆地邊緣及外圍，構造擠壓變形強烈，斷裂發育，構造和地質條件十分復雜［4］。在開發過程中，陸續出現了由于套管變形導致橋塞遇阻遇卡、無法順利下入到位或是壓后連續油管不能鉆磨橋塞等問題，造成了部分井段被迫放棄壓裂作業，嚴重影響了單井產量的提高。針對滇黔北昭通頁巖氣示范區YSA井復雜井筒、地應力背景帶來的套管變形風險，開展了無限級砂塞分段壓裂先導性現場試驗。

1 頁巖氣分段壓裂特點

Characteristics of staged fracturing of shale gas wells

目前國內頁巖氣水平井壓裂主要采用橋塞進行分段，包括速鉆橋塞、大通徑橋塞、可溶橋塞等不同類型（見表1）。但橋塞分段工藝對井筒通徑要求高，且存在壓后需要鉆磨、壓后井筒非全通徑等問題［5-6］。針對套管變形的預防手段目前主要是通過提高套管鋼級或是控制施工規模及排量，前者增加了單井成本，后者則可能影響體積壓裂的改造效果。對于套變風險較大的頁巖氣水平井，兩種方式均未能從根本上解決全水平段有效改造的問題［7-8］。無限級砂塞分段壓裂將支撐劑作為砂塞實現段間非機械封隔，分段不受套管通徑影響，可實現無限級分段。

表1 國內頁巖氣常用分段壓裂工藝特點對比Table 1 Characteristic comparison between staged fracturing technologies commonly used in shale gas wells in China

2 無限級砂塞分段壓裂工藝管柱

Pipe string for infinite-order sand plug staged fracturing

該工藝的實施主要通過具有沖砂、填砂、多簇噴砂射孔功能的一體化作業管柱來實現，一趟管柱可實現多種作業。管柱結構自下而上主要包括沖洗頭、帶滑套噴槍、丟手工具、單流閥（如圖1所示）。其中噴槍外徑可根據不同井筒通徑選擇。噴嘴的大小和個數需要綜合考慮水平段裂縫起裂以及固定限壓條件下單個噴嘴最低流速。

圖1 一體化作業管柱Fig. 1 Integrated pipe string

3 工藝流程及適應性

Technological process and its adaptability

工藝流程主要包括連續油管射孔、套管壓裂、支撐劑封堵分段3個主要步驟。首先連續油管噴砂射孔后起出井口，檢查工具，開始主壓裂，主壓裂末尾采用連續高砂濃度支撐劑砂塞封堵，保證縫口附近的連續鋪砂和導流能力，并采用高于正常施工壓力10～20 MPa作為驗封壓力對砂塞的有效性進行驗證；主壓裂結束后，連續油管帶一體化作業管柱下入，若前一段砂塞成功封堵，則連續油管沖砂下至下一射孔段底界；若前一段砂塞未能封堵，則連續油管下入至前一段射孔頂界開始定點填砂，填砂量為兩段之間的井筒容積。沖砂和填砂通過管柱前端沖洗頭完成，隨后投球開啟噴嘴滑套，改變出液方向，開始下一段的噴砂射孔流程。重復以上流程直至完成所有段的壓裂。施工結束后再下入一趟連續油管進行沖砂作業后即可開井排液。

無限級砂塞分段工藝不使用機械橋塞，降低了入井管柱對套管通徑的要求。以目前國內頁巖氣井常用的?139.7 mm油層套管為例，所適配的橋塞管串入井最小外徑約100 mm；而砂塞分段工藝由于只需要連續油管噴砂射孔管串，其適配的最小噴槍工具串外徑僅有83 mm，通徑要求降低了17%，有利于套管變形后管串的下入。射孔后連續油管起出井口，套管注入壓裂，保證體積改造所需要的施工排量。壓裂全部完成后僅需連續油管一趟管柱沖砂，節省橋塞鉆磨時間的同時降低鉆塞復雜帶來的風險。

4 支撐劑優選

Proppant optimization

支撐劑優選是該工藝能否成功實施的重要內容。頁巖氣前期壓裂實踐表明，40/70目低密度中等強度陶粒能夠滿足3 500 m以淺頁巖儲層的閉合應力，100目石英砂打磨孔眼對于降低近井摩阻也非常有效［9-11］。針對頁巖儲層天然裂縫和分段工藝特點，考慮縫內暫堵轉向、砂塞封堵分段、縫口高導流能力等技術要求，設計引入20/40目陶粒，既可以在泵注前期作為對天然裂縫的暫堵轉向，又能在泵注后期封堵人工裂縫實現分段。鋪砂濃度5.0 kg/m2下，室內支撐劑導流能力實驗如圖2所示。當閉合壓力超過40 MPa后，20/40與40/70目陶粒按1∶1混合后的導流能力要高于單一20/40目支撐劑。研究區閉合應力值約50～55 MPa，因此在縫口砂塞封堵階段，采用20/40目陶粒與40/70目陶粒等比例混合的方式，既保證了大粒徑支撐劑對縫口的封堵效果，又建立了高導流支撐裂縫。

圖2 不同類型支撐劑導流能力Fig. 2 Flow conductivity of different types of proppant

因此設計以40/70目低密度陶粒作為主支撐劑，100目石英砂用于前期孔眼及裂縫彎曲打磨和微裂縫的暫堵，20/40目與40/70目陶粒混合用作縫口封堵（見表 2）。

5 現場試驗

Field test

5.1 完井概況

Summary of well completion

YSA是滇黔北昭通頁巖氣示范區內的一口水平預探井，完鉆層位為下志留統龍馬溪組，巖性為灰黑色頁巖。完鉆井深3 330 m，水平段長840 m，采用?139.7 mm套管完井，內徑?115.02 mm。在鉆井過程中，由于工程復雜等原因，造成水平段存在3個井眼：原井眼用水泥塞封閉，與完井井眼平行段長約194 m；側鉆井眼為裸眼井，與完井井眼約有300 m近似重合，三維空間上的直線距離小于1 m。復雜的完井井況給后續的壓裂施工帶來了極大的不確定性。同時本井水平段鉆遇2條小斷層，體積壓裂施工可能會導致斷層附近巖層產生快速的剪切錯動，套管變形風險極大［12］。

表2 無限級砂塞分段工藝支撐劑作用及性能參數Table 2 Effect and performance parameters of proppant for in fi nite-order sand plug staged fracturing

5.2 技術對策

Technical countermeasures

針對YSA井筒及儲層改造所面臨的技術難點，壓裂工藝必須滿足：大排量大液量施工，保證體積壓裂效果和裸眼井段儲層的有效改造；不受井筒變形影響的分段措施，入井管串通過性好；靈活簡便的縫內轉向措施，及時暫堵天然裂縫；保證縫口高導流能力的支撐劑泵注程序。

5.3 施工參數設計

Design of fracturing parameters

設計采用以滑溜水為主的體積壓裂工藝，單段施工液量 2 000 m3，砂量 90 t；采用 ?180 mm、105 MPa大閘門井口，施工排量10～12 m3/min。每個施工段分3簇射孔，簇間距12～20 m，每簇設計5個直徑為4.5 mm噴嘴，保證140 m/s的單孔流速，采用20/40目石英砂作為射孔介質，回壓控制略高于地層壓力，計算的連續油管噴砂射孔泵注排量區間為0.65～0.80 m3/min（如圖3所示），壓力控制在65 MPa以內，現場設備條件滿足設計要求。

5.4 施工概況

Fracturing summary

YSA井共完成13段壓裂，連續油管噴砂射孔成功率100%，砂塞封堵成功率100%。其中第2、3段采用連續油管井筒內定點填砂封堵，其余段為主壓裂后期縫口砂塞封堵。累計注入壓裂液26 054 m3，支撐劑1 086.9 t；平均單段液量2 004 m3，支撐劑83.6 t。在第10段射孔過程中出現了?102 mm射孔管串無法下入的情況，判斷為井周微斷層影響導致的套管變形，得益于砂塞分段工藝對套管通徑要求低的優勢，更換為?92 mm噴槍，順利完成后續段射孔作業。

圖3 連續油管噴砂射孔排量與單孔噴速及泵注壓力的關系Fig. 3 Relationships of flow rate of coiled tubing vs. singleperforation blasting velocity and pumping pressure

6 壓后評估

Post-frac evaluation

6.1 施工壓力分析

Analysis on fracturing pressure

受天然裂縫及多井筒影響，施工井底壓力特征呈2種類型（如圖4所示）。類型一包括第1～5、第11～13段，該類型施工井底壓力較為穩定，且絕對值低于70 MPa，壓力波動較小，是人工裂縫在龍馬溪組和五峰組正常拓展的響應。第6～10段井底壓力為類型二，其特點是絕對壓力值高于75 MPa。第6、7段主要是受施工層位落入寶塔組灰巖層影響，導致施工壓力的大幅上漲；第8、9、10段則是由于距離被水泥塞封閉的原井眼較近，導致初期壓力高，必須依靠酸液才能建立排量，后期壓力逐步恢復正常。

圖4 YSA井壓裂施工井底壓力Fig. 4 Bottom hole pressure of Well YSA in the process of fracturing

6.2 分段效果評價

Evaluation on staged fracturing effect

砂塞分段工藝在本井應用12段，其中有10段一次性封堵成功，第2、3段采用連續油管定點填砂。每段封堵后均采用高出正常施工壓力10～20 MPa作為驗封壓力。根據實時微地震監測結果分析，各段壓裂起裂位置基本位于射孔段兩側，裂縫位置隨改造段正常移動，最終實現了對水平段的完全覆蓋（如圖5、6所示）。同時施工井底壓力、停泵壓力和壓降速率的顯著變化體現了段間差異，反映出的儲層特征以及完井特征與預測相符。綜合表明砂塞分段實現了對壓裂流體的段間分隔。

圖5 YSA井典型段微地震起裂信號位置Fig. 5 Location of fracture initiation signal in the typical section of Well YSA monitored by micro seismic

圖6 YSA井全井微地震監測Fig. 6 Full-hole micro seismic monitoring of Well YSA

6.3 改造效果

Stimulation effect

YSA井13段壓裂施工共獲得5 781×104m3的改造體積，單段改造體積與橋塞分段工藝相當。施工結束后連續油管一趟管柱完成對全井的沖砂作業后即開井排液測試。排液190 h后見氣，最高測試產量11.3×104m3/d。在有限的水平段長和復雜的井筒條件下，砂塞分段壓裂工藝完成了對整個水平段的有效改造，取得了理想的改造效果。

7 結論

Conclusions

（1）YSA井井筒情況復雜，且鉆遇斷層，套管變形風險高。實踐證明，在該類復雜井采用無限級砂塞分段工藝避免了機械封隔分段帶來的作業風險，順利完成13級有效改造，通過微地震數據、施工壓力響應等多種因素綜合判斷分段效果明顯，壓后測試產量達11.3×104m3/d。

（2）砂塞分段改造工藝分段數不受井筒條件限制，降低了入井管柱對套管通徑的要求，適用于套變風險高的井；采用沖砂、填砂、多簇噴砂射孔一體化工具管柱，壓裂完畢后不需要鉆磨橋塞，沖砂后即可放噴求產，減少了后續施工時間和風險。

（3）無限級砂塞分段改造工藝每次封堵都在整個井筒實現全通徑和已壓裂段的有效屏蔽，出現井筒復雜后仍然能保證安全施工；該工藝可以對整個施工井段內任意位置、按任意順序進行選擇性分段壓裂，在水平井改造及重復壓裂中具有推廣價值。

［1］李玉喜，張大偉，張金川. 頁巖氣新礦種的確立依據及其意義［J］. 天然氣工業，2012，32（7）：93-98.LI Yuxi, ZHANG Dawei, ZHANG Jinchuan. Criteria for and significance of government’s approving shale gas as a newly found mineral［J］. Natural Gas Industry, 2012,32（7）∶ 93-98.

［2］賈愛林，位云生，金亦秋. 中國海相頁巖氣開發評價關鍵技術進展［J］. 石油勘探與開發，2016，4（36）：18-36.JIA Ailin, WEI Yunsheng, JIN Yiqiu. Progress in key technologies for evaluating marine shale gas development in China［J］. Petroleum Exploration And Decelopment,2016, 43（6）∶ 18-36.

［3］賈承造，鄭民，張永峰. 中國非常規油氣資源與勘探開發前景［J］. 石油勘探與開發，2012，39（2）：129-135.JIA Chengzao, ZHENG Min, ZHANG Yongfeng.Unconventional hydrocarbon resources in China and the process of exploration and development［J］. Petroleum Exploration And Decelopment, 2012, 39（2）∶ 129-135.

［4］吳奇，梁興，鮮成鋼，李峋. 地質—工程一體化高效開發中國南方海相頁巖氣［J］. 中國石油勘探，2015，20（4）：1-23.WU Qi, LIANG Xing, XIAN Chenggang, LI Xun.Geoscience-to-production integration ensures effective and efficent South China marine shale gas development［J］. China Petroleum Exploration, 2015, 20（4）∶ 1-23.

［5］任勇，葉登勝，李劍秋，蔣海. 易鉆橋塞射孔聯作技術在水平井分段壓裂中的實踐［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（2）：90-93.REN Yong, YE Dengsheng, LI Jianqiu, JIANG Hai.Application of drillable bridge plug and clustering perforation in staged fracturing for horizontal well［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35（2）∶ 90-93.

［6］席仲琛，徐迎新，曹欣. 水平井油管鉆磨復合橋塞技術及應用［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（1）：123-127.XI Zhongchen, XU Yingxin, CAO Xin. Application of tubing composite plug milling in horinzontal well［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38（1）∶ 123-127.

［7］戴強. 頁巖氣井完井改造期間生產套管損壞原因初探［J］. 鉆采工藝，2015，38（3）：22-25.DAI Qiang. Analysis of production casing damage during testing and completion of shale gas well［J］. Drilling&Production Technology, 2015, 38（3）∶ 22-25.

［8］田中蘭，石林，喬磊. 頁巖氣水平井井筒完整性問題及對策［J］. 天然氣工業，2015，35（9）：70-76.TIAN Zhonglan, SHI Lin, QIAO Lei. Research of and countermeasure for wellbore integrity of shale gas horizaontal well［J］. Natural Gas Industry, 2015, 35（9）∶70-76.

［9］王志剛. 涪陵礁石壩地區頁巖氣水平井壓裂改造實踐與認識［J］. 石油與天然氣地質，2014，3（53）：425-430.WANG Zhigang. Practice and cognition of shale gas horizontal well fraturing stimultiong in Jiaoshiba of Fuling area［J］. Oil & Gas Geology, 2014, 35（3）∶ 425-430.

［10］孫海成. 脆性頁巖網絡裂縫中支撐劑的沉降特性［J］.油氣地質與采收率，2013，20（5）：107-110.SUN Haicheng. Study on proppant settlement in brittle shale network fracture［J］. Petroleum Geology and Recovery efficiency, 2013, 20（5）∶ 107-110.

［11］鄒雨時，張士誠，馬新仿. 頁巖氣藏壓裂支撐裂縫的有效性評價［J］. 天然氣工業，2012，32（9）：52-55.ZOU Yushi, ZHANG Shicheng, MA Xinfang.Assessment on the effectiveness of propped fractures in the fracturing of shale gas reservoirs［J］. Natural Gas Industry, 2012, 32（9）∶ 52-55.

［12］陳朝偉，石林，項德貴. 長寧-威遠頁巖氣示范區套管變形機理及對策［J］. 天然氣工業，2016，3（611）：70-75.CHEN Zhaowei, SHI Lin, XIANG Degui. Mechanism of casing deformation in the Changning-Weiyuan national shale gas project demonstration area and countermeasures［J］. Natural Gas Industry, 2016, 36（11）∶ 70-75.

（修改稿收到日期 2017-08-24）

〔編輯 李春燕〕

Pilot test on in fi nite-order sand plug staged fracturing of complex shale gas wells

LI Junlong1, LI Deqi2, ZHU Juhui1, SHI Xiaozhi1, ZHANG Jian1, JIAO Yajun2

1. Downhole Operation Company,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Chengdu610052,Sichuan,China;
2. PetroChina Zhenjiang Oil field Company,Hangzhou310023,Zhenjiang,China

Well YSA in Zhaotong Shale gas Demonstration Region in North Yunnan-Guizhou Area encounters faults and it has three horizontal holes. The conventional bridge plug staged fracturing is not capable of dealing with the possible complicated problems in the process of fracturing, e.g. casing deformation, so a new type of in fi nite-order sand plug staged fracturing is carried out. By virtue of this technology, the number of stages is beyond the limitation of hole conditions, and the conventional bridge plug staging is replaced with the sand plug packing off and staging. Its support tools can fi nish sand washing, sand packing and multi-cluster sand blasting and perforation only by one trip of coiled tubing. In the whole process of fracturing, the borehole is fully open to diminish the effect of casing deformation of shale gas wells on the fracturing effect effectively. When this technology is actually used in Well YSA, the 13-order staged fracturing is carried out in the case of casing deformation in the process of fracturing. And thus, its technical difficulty that bridge plug staged fracturing is unsuitable due to casing deformation is settled down. The stimulation effect is remarkable, with production rate of 11.3×104m3/d after the fracturing. The successful application of this technology provides a new staged stimulation method for domestic shale gas wells.

shale gas; staged fracturing; coiled tubing; sand plug for temporary plugging; casing deformation

∶

李軍龍，李德旗，朱炬輝，石孝志，張劍，焦亞軍. 復雜頁巖氣井無限級砂塞分段壓裂先導性試驗［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：633-637.

TE357

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0633 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.018

中國石油天然氣集團公司科研項目“昭通示范區頁巖氣鉆采工程技術現場試驗”（編號：2012F-47-02）。

李軍龍（1986-），2011年畢業于西南石油大學礦產普查與勘探專業，獲碩士學位，現從事頁巖氣儲層改造工藝及應用研究工作，工程師。通訊地址：（610052）四川省成都市龍潭工業園華盛路46號井下作業公司。E-mail：lijunl_jx@cnpc.com.cn

: LI Junlong, LI Deqi, ZHU Juhui, SHI Xiaozhi, ZHANG Jian, JIAO Yajun. Pilot test on in fi nite-order sand plug staged fracturing of complex shale gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 633-637.