頁巖重復壓裂工藝技術研究及應用

曾凌翔, 鄭云川, 蒲祖鳳

(川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

全球頁巖氣地質儲量達623×1012m3，可采儲量達163×1012m3，中國頁巖氣可采儲量達36×1012m3，具有廣闊的開發前景[1]。頁巖層具有展布廣、規模大、儲量大，但同時又具有滲透率低、連通性差、孔隙度小等特點,頁巖油氣藏的采收率約為10%～16%，遠遠低于常規油氣藏。

頁巖油氣井具有產量衰減幅度大、遞減速度快等特點，目前油價處于低迷環境中，采用增加新井數量，提高產量的模式，已經不能達到經濟開采目的，頁巖重復壓裂技術應運而生。一口新井成本是800～1 600萬美元，而重復壓裂成本是100～300萬美元。

從2002～2010年，國外頁巖重復壓裂井數量急速上升。Marcellus, Haynesville, the Barnett等區塊已證明在富含頁巖油氣地區頁巖重復壓裂技術可以成功應用。

一、頁巖井重復壓裂原因分析

(1)地質方面因素。蠕變是頁巖產量降低原因之一。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。適當調整生產制度，控制頁巖油氣井產量；重復改造同一層位，盡可能減緩變形。

(3)工程方面因素。裂縫復雜程度較低，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，導致儲層導流能力降低；壓裂過程中，改造不充分；鄰井壓裂影響，導致單井喪失產能或降產；生產評價已證實，只有64%的射孔簇對生產有顯著貢獻，還可以對剩余36%進行壓裂改善。

二、重復壓裂工藝技術理論

根據力學理論研究，人工裂縫總是沿最大水平主應力方向；由于鄰井裂縫、初次裂縫、長期生產、地層參數各項異性等因素對應力場大小與方向的影響，產生應力重定向，因此，重復壓裂的新裂縫也會重新定向，即沿著不同的方向起裂、延伸?？紫秹毫ψ兓T導了局部剪切應力改變，導致新裂縫近似垂直于前次裂縫，或與前次裂縫成一銳角。

重復壓裂作用機制主要有以下情況：①開啟新的裂縫，使產量大幅度增加；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，增加導流能力；④充填有效支撐劑，建立有效導流能力。

根據應力分析結果得到重復壓裂產生新縫的條件為:σHmin+σH誘導>σHmax+σH誘導。

三、重復壓裂工藝技術對比分析

(1)用連續油管可控封隔器工藝管柱, 本工藝管柱能通過連續油管帶壓拖動一次性完成多段射孔，利用雙封單卡封隔方式從連續油管加砂壓裂，依次完成分層段改造。

國外主要運用井下工具或可降解暫堵材料[2-3]進行重復壓裂。

(2)采用Eseal工具[4]，封堵產能無貢獻段，重建井筒內的完整性，進行重復壓裂如圖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壓裂作業，效果顯著。

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

圖1 Eseal工具重復壓裂工藝流程圖

圖2 暫堵材料及重復壓裂工藝流程圖

各種重復壓裂工藝對比分析見表1。

表1 重復壓裂工藝對比分析

四、頁巖重復壓裂選井標準及時機選擇

通過國外多個頁巖區塊統計獲得以下幾個標準(可不同時滿足)：①裂縫間距大于152 m；②30%或更多沒有有效支撐；③未射孔儲層；④擁有高的總有機碳，孔隙度、滲透率等；⑤天然氣地質儲量高和儲層壓力高；⑥日產2×104m3以下?；蛘吒鶕游镄钥蛇M行選擇重復壓裂的井(見表2)。

表2 基于物性選井標準表

在井周圍或者初始裂縫縫長方向上某點處發生應力重定向，重復壓裂就會產生新的裂縫，利用某點處應力重定向發生的時間就能確定重復壓裂最佳時間:

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

(1)

式中若x=0，求解的t則表示重復壓裂在井眼處起裂產生新裂縫的最佳時機;x≠ 0，t表示原裂縫方向上x處起裂的最佳時機。

產氣下降速率(V)低于10%～15%時，建議采用重復壓裂技術。

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

(2)

式中：q—日產氣量;n—時間，年。

累計產氣量斜率=(Qn-1-Qn)/Qn-1

(3)

式中：Q—累計產氣量;n—時間，年。

五、頁巖油氣田現場應用

1. 頁巖直井重復壓裂技術應用[5-6]

從施工參數分析,初始壓裂支撐劑為20/40或40/70目；重復壓裂采用支撐劑為70/140目；重復壓裂支撐劑用量為初始壓裂的1.4倍；重復壓裂規模為初始壓裂的2倍；重復壓裂前置液體積為初始壓裂的16%，體積明顯減少。

從壓后效果分析,大多數壓后產量為初始產量的50%～70%；大部分井重復壓裂前后對比，產量增加300%左右。

2. 頁巖水平井重復壓裂技術應用[7]

B井，水平段長496 m。前期施工參數：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。采用復合橋塞分5段改造。

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

表3 B井重復壓裂部分施工參數統計

圖3 重復壓裂封堵原射孔孔眼施工曲線

采用分批次投暫堵劑進行暫堵已射孔眼，由圖3可以看出，暫堵劑到位后，壓力有明顯上升趨勢，封堵效果明顯。封堵之后，依次重新射孔，1段中分3級重復壓裂，從圖4中可知，重復壓裂過程中，每級每次投暫堵劑后，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區塊頁巖井B-H井：EUR(30年)重復壓裂前后產量對比，增長率達65%～123%。

采用微震監測的能夠更好地了解重復壓裂的覆蓋率，裂縫幾何形狀以及有效的導流機制。E井經過分析處理后的微震數據表明，重復壓裂的覆蓋率約92%，同時也表明機械隔離不是必需的手段。

六、結論及建議

(1)國外Barnett、Marcellus、Eagle Ford等現場應用已證明重復壓裂技術能夠提高單井產量，EUR增長率最高達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，裂縫導流能力降低等地質、工程因素導致低產，運用重復壓裂技術能夠實現增產。

(3)運用Eseal或暫堵材料可以實現高效重復壓裂。暫堵工藝由于操作簡單方便且價格合理，推廣程度更高，目前國內還需要加強暫堵材料的研發，支撐頁巖重復壓裂技術的發展。

圖4 重復壓裂1段壓裂施工曲線

(4)國外多個頁巖區塊開展頁巖重復壓裂工藝技術現場應用，某些區塊已形成重復壓裂選井標準；當產氣下降速率低于10%～15%時，可以考慮采用重復壓裂技術提高產量。

(5)國際油價處于低迷階段，技術突破才是可持續發展方向。國內外頁巖儲層差異明顯，不能照搬國外技術，適時開展頁巖重復壓裂改造技術研究對我國頁巖氣開發具有積極意義。