頁巖氣井暫堵轉向重復壓裂堵劑實驗評價

蔣煒 張公社 柯文麗

摘 ?????要：頁巖氣在能源領域至關重要的作用得益于大型水力壓裂技術的發展，由于頁巖氣在壓裂后產量的遞減速率過快，必須通過重復壓裂提高低產井產量，籠統暫堵轉向技術則是重復壓裂的核心技術之一。從暫堵轉向重復壓裂技術現狀入手，以國內某區塊典型頁巖氣X井為研究對象，通過對該井生產數據調研分析得到目前的剩余可采儲量，證明該井具有重復壓裂潛力，然后對暫堵重復壓裂所使用的材料進行實驗評價，結果表明所使用的暫堵劑和暫堵球符合生產實際需求。

關 ?鍵 ?詞：頁巖氣;重復壓裂;暫堵轉向;實驗評價

中圖分類號：TE357.1+2 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 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

頁巖氣資源對于我國乃至全球的能源格局都至關重要，頁巖儲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來實現工業化開采，但經過水力壓裂后的頁巖氣井很容易因為生產過程而導致壓裂裂縫失效，一般在半年內產量就能下降到峰值的一半。我國頁巖氣開采也已經進入衰減后階段，重復壓裂作為一種較為經濟且高效的手段，正被生產現場所重視[1]。重復壓裂研究的難點主要是重復壓裂過程中裂縫起裂和延伸[2]，也是目前階段制約重復壓裂工藝發展的主要因素。原地應力場經歷長期生產以及初次人工裂縫的雙重影響發生變化，因此導致新裂縫的再次定向。初次人工裂縫的延伸方向以及重復壓裂裂縫的延伸方向都有不同水平的變化，甚至可能轉向換位改變了90°，同時形成新的人工裂縫，這點已經由現場實際生產監測以及國內外室內實驗結果求證[3]。目前國際上一致認為，應力變化的兩個根本原因是由于生產誘導的應力變化以及初次人工裂縫的存在誘導的應力變化。Elbel和Mack通過數值模擬的方法模擬了生產影響的應力場的變化情況[4]，通過模擬結果能夠了解重復壓裂產生新裂縫的最佳時機。本文從暫堵轉向現狀入手，結合國內某區塊典型頁巖氣X井的生產數據得到的剩余可采儲量，通過實驗對該井重復壓裂工藝中所使用的暫堵材料（暫堵劑、暫堵球）性能進行評價，結果表明所使用的暫堵劑和暫堵球符合生產實際需求。

1 ?暫堵轉向現狀

國內外大量研究表明，重復壓裂是提高低產井產量的有效措施之一。將已經運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壓裂[5]。由于再次壓裂可能打開初次壓裂未溝通的儲層，且可以使近井地段的裂縫得到重新改造，一般而言重復壓裂可以使得產量大致恢復到初始狀態。對于已進行過體積改造的段簇儲層，暫堵轉向壓裂的重點在于投放暫堵劑在主裂縫內形成有效封堵，短時間內增強縫內凈壓力，促進儲層弱面以及天然裂縫的開啟，形成復雜的裂縫網絡系統，達到增大改造未改造區的效果，見圖1。

縫內凈壓力在壓裂過程中對裂縫的延伸起到至關重要的作用，不同程度上影響縫內凈壓力的因素主要有地層特性參數、裂縫幾何尺寸、暫堵措施、壓裂工藝參數等，普通情況下提高縫內凈壓力的方法有兩種，改良壓裂施工中工藝參數以及改進暫堵措施增加縫內凈壓力。

為了提高暫堵效果，在儲層水平應力條件下往往需要暫堵劑進入裂縫后產生足夠的暫堵壓差用以打開側向微裂縫。如果暫堵劑進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?。?，同時忽略堵劑對裂縫端部和儲層孔隙的橋堵作用，通過平衡流速的相關定義以及支撐劑在裂縫高度上的分布規律（由下至上依次為沉降區、滾流區、懸浮區及無砂區）了解到，暫堵劑進入裂縫后會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，在到達某封堵距離與平衡高度時，縫口附近的堵劑兩端形成暫堵壓力差。

2 ?剩余可采儲量分析

Vincent（2010）[6]通過對100多口重復壓裂工藝實施井的分析，認為影響選井選段的關鍵參數有多種，考慮頁巖氣特殊的作業與生產特征，重復壓裂選井選段原則是通過剩余油藏能量、可采儲量、產氣剖面測試結果、頁巖氣遞減規律等因素的分析，初選施工參數與規模、井段，根據經驗一般通過重新泵入更大強度或濃度的支撐劑來達到重復改造的目的。重復壓裂施工的井一般優先選擇初次壓裂由于施工原因造成施工失敗的、前次改造規模不夠的井并且儲層又含有能量的井段。選井選層是重復壓裂的首先要解決的問題，選井選層的核心就是分析評價需要重復壓裂的井的剩余可采儲量，它是重復壓裂得以長時間內提高產量的關鍵步驟。目前公認的分析剩余可采儲量方法主要是物質平衡法，先根據實際估算單井控制地質儲量，將該產量乘上油田在當下實際開采過程的采收率值，再減去該井的累積產油量，得到的結果為油井的剩余可采儲量。

根據現場實際生產數據，依據RTA方法結合復合解析模型預測，在X井當前的生產狀況條件下，氣井產量低于臨界攜液流量，氣井不能正常攜液，依靠目前的生產措施，氣井大部分儲量采出難度較大，而剩余可采儲量較多，如圖2所示。

針對以上情況，通過開展重復壓裂可以進一步改造初次壓裂出力較差的段簇，同時從簇產氣情況以及剩余可采儲量分析可知，本井利用重復壓裂還具有一定提高產量的空間。

3 ?室內實驗評價

基于結合本井的實際情況以及國內外重復壓裂成功的技術和經驗，計劃采用籠統暫堵體積壓裂技術施工，由于籠統壓裂改造井段較長，為進一步有效提高儲層動用程度，考慮在段內多次采用“暫堵球+暫堵劑” 的暫堵轉向工藝來達到增加整體改造體積的目的。同時為了使段內縫網更加復雜，考慮在投入縫內暫堵劑和段內暫堵球后加入一定量的膠液，從而使在縫內暫堵或部分段內孔眼暫堵后開啟新縫，達到對重復改造段有效改造目的。

3.1 ?暫堵劑耐溫及承壓強度評價

（1） 巖心基本數據（見表1）

（2） 人造巖心液測滲透率測試

實驗選取1-1人造巖心在儲層溫度條件下，用標準鹽水開展了液測巖心滲透率測試[7]，結果見圖3，得到滲透率為4.16×10-3 m2。

（3）150 ℃、2 cm暫堵劑厚度條件下，實驗結果用巖心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 ℃時用標準鹽水恒定流量10 mL/min測定壓力變化情況。由于實驗過程中壓力上升較快，當壓力上升至40 MPa的時候轉為恒壓控制。

對比封堵暫堵劑前后滲透率來看，滲透率由4.16×10-3 m2降為0.000 386×10-3 m2，滲透率下降99.99%，結果見圖4，40 MPa壓差下封堵效果較好。

整個實驗過程中幾乎沒有液體濾出，濾失的一點點液體很快蒸發，累積濾失量在0 mL上下波動，結果見圖5?？梢缘贸鼋Y論在150 ℃條件下，2 cm厚度暫堵劑能夠達到40 MPa的承壓能力。

（4） 傷害性能評價

取用滲透率接近的人造巖心共四組，在同樣的實驗情況下測試不同溫度下在壓裂液中的滲透率恢復狀況。隨著試驗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，滲透率恢復率上升，在150 ℃時可到達98.2%，見表2。

3.2 ?暫堵球性能評價

（1） 暫堵球高溫溶解實驗

暫堵球溶解實驗采用固井用增壓式養護釜，設定的實驗溫度為110 ℃，壓力20 MPa。將9、11 mm暫堵球分別準備兩個放入燒杯中，并將其放入養護釜內，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。

實驗結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，溶解時間滿足施工設計要求。

（2）暫堵球承壓強度評價

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左右反復多次打壓，暫堵球無變形和破碎現象，試驗證明其具備承壓70 MPa能力。

通過上述實驗對暫堵劑及暫堵球的測試可知，2 cm厚度暫堵劑的耐溫和承壓性能在150 ℃條件下，以及選取出來的三種型號暫堵球的耐高溫和抗壓能力，都符合實際施工設計的要求。

4 ?結 論

（1）重復壓裂改造技術是針對頁巖氣井首次改造不充分或產出不充分仍具有挖潛能力的段簇，暫堵轉向重復壓裂技術作為當下重復壓裂中的新型高效工藝，對該技術的理論和實驗研究對現場生產和科研研究有指導意義。

（2）通過剩余可采儲量分析，對典型井可采儲量的進行預測，認為目前典型井剩余可采儲量較豐富，如果采用重復壓裂工藝施工增產，需增大重復壓裂波及范圍，增大可采儲量所占份額，進一步實現“人工成藏”。

（3）通過暫堵劑的耐溫及承壓強度實驗測試以及暫堵球的性能測試，可知現場使用的150 ℃、2 cm厚暫堵劑以及9、11 mm暫堵球符合實際生產需求，能夠起到良好的堵縫效果，為后續的重復壓裂提供了必要的條件。

參考文獻：

[1] VINCENT M C. Refracs： Why Do They Work， and Why Do They Fail in 100 Published Field Studies proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition， F[C]. Society of Petroleum Engineers， 2010.

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[3] 劉洪， 易俊， 李文華， 等. 重復壓裂氣井三維誘導應力場數學模型[J]. 石油鉆采工藝， 2004， 26 （2）： 57-61.

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[7] 姜偉， 管保山， 李陽， 等. 新型水溶性暫堵劑在重復壓裂中的暫堵轉向效果[J]. 鉆井液與完井液， 2017， 34 （6）： 100-104.