北美頁巖氣水平井重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)展與啟示

董 莎， 荊 晨， 宋雯靜， 楊 蕾, 羅昱暄， 段 洋

中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院

0 引言

近十年來，北美各頁巖區(qū)塊紛紛通過重復(fù)壓裂提高老井產(chǎn)量，根據(jù)2012年～2019年活躍頁巖區(qū)塊130 000口井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，Eagle Ford區(qū)塊重復(fù)壓裂后提高的產(chǎn)量最多，增加了174%，其次是Bakken (160%)、 Marcellus (133%)、 Barnett (46%)、 Niobrara (43%)、Haynesville (34%)、Permian (32%)等區(qū)塊[1]，為石油公司帶來巨大收益，同時(shí)將新鉆井?dāng)?shù)量降至最低，縮減了支出。重復(fù)壓裂的費(fèi)用只占新鉆井費(fèi)用的25%～40%，還可以避免新鉆加密井產(chǎn)生的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。目前，面對(duì)頁巖氣單井產(chǎn)量快速下降的形勢，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)井進(jìn)行重復(fù)壓裂是非常規(guī)儲(chǔ)層提高產(chǎn)量的有效方法。

1 重復(fù)壓裂增產(chǎn)機(jī)理及難點(diǎn)

頁巖氣獨(dú)特的賦存狀態(tài)以及連續(xù)成藏的聚集模式，決定了其儲(chǔ)層特征有別于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層[2]。頁巖氣水平井重復(fù)壓裂技術(shù)在選井、工藝、工具等方面也有別于常規(guī)壓裂技術(shù)。

1.1 重復(fù)壓裂增產(chǎn)機(jī)理

目前，頁巖氣水平井重復(fù)壓裂的增產(chǎn)機(jī)理主要是通過擴(kuò)展裂縫尺寸、恢復(fù)裂縫導(dǎo)流能力、增加橫向裂縫數(shù)量、提高水平段與產(chǎn)層的接觸面積以及改造初次未能改造到的區(qū)域。

1.2 初次壓裂效果欠佳原因

在進(jìn)行重復(fù)壓裂前需要從初次完井參數(shù)、井下復(fù)雜、井位是否在甜點(diǎn)區(qū)、生產(chǎn)期間的傷害、儲(chǔ)層壓力損耗等方面分析初次壓裂效果欠佳的原因。

首先，分析井下復(fù)雜情況，確定套管完整性、井筒清潔度、下傾型井積液和射孔孔眼堵塞等因素對(duì)初次產(chǎn)量的影響；其次，分析儲(chǔ)層品質(zhì)對(duì)生產(chǎn)效果的影響。地質(zhì)力學(xué)特征和儲(chǔ)層性質(zhì)的非均勻性致使水平段射孔簇產(chǎn)量貢獻(xiàn)通常呈非均勻分布，這是影響氣井產(chǎn)量的主要原因[3]。從完井效果來看，相鄰裂縫之間的應(yīng)力陰影會(huì)導(dǎo)致液體和支撐劑在簇間呈非均勻分布，若壓裂液和支撐劑隨裂縫進(jìn)入非產(chǎn)層區(qū)域也會(huì)嚴(yán)重影響壓裂效果。支撐劑鋪置量不足、支撐劑嵌入和地層失穩(wěn)都會(huì)導(dǎo)致縫網(wǎng)發(fā)生過早不均勻閉合，從而降低氣井產(chǎn)量。

1.3 重復(fù)壓裂難點(diǎn)

初次壓裂后的井筒強(qiáng)度及完整性是重復(fù)壓裂成功的保障。鉆完井期間井筒歷經(jīng)多次壓力加載與卸載，加上壓裂初期注入的酸液，套管強(qiáng)度可能會(huì)受到破壞。重復(fù)壓裂前使用連續(xù)油管洗井時(shí)，部分碎屑會(huì)沉降到水平段跟部。重復(fù)壓裂期間轉(zhuǎn)向劑在井筒變形處容易發(fā)生堆積，阻礙攜砂液流動(dòng)。此外，井筒質(zhì)量欠佳將導(dǎo)致小尺寸襯管嵌入套管[4]。以上情況均會(huì)導(dǎo)致重復(fù)壓裂施工條件更加復(fù)雜。

重復(fù)壓裂時(shí)裂縫傾向于往初次改造后的應(yīng)力薄弱區(qū)域優(yōu)先延伸，非均勻擴(kuò)展無法重新動(dòng)用儲(chǔ)層，導(dǎo)致增產(chǎn)效果不佳。這種情況是由儲(chǔ)層孔隙壓力、應(yīng)力分布和井筒流體力學(xué)以及流體、支撐劑在井筒中的運(yùn)移情況共同作用的結(jié)果。

2 重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)與選井

重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)的選擇對(duì)老井生產(chǎn)率的提升有重要影響。經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)，初次壓裂井儲(chǔ)層條件、完井情況變得更加復(fù)雜，重復(fù)壓裂選井需要可靠的方案。

2.1 重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)

確定頁巖氣儲(chǔ)層重復(fù)壓裂的時(shí)機(jī)主要依賴儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)的改變。理論上，生產(chǎn)一段時(shí)間后儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可促使新縫沿預(yù)定方向擴(kuò)展。詹耀華等[5]引入多孔彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)向系數(shù)，可以預(yù)判重復(fù)壓裂過程中人工裂縫是否轉(zhuǎn)向。生產(chǎn)時(shí)間越長，孔隙壓力衰竭程度越大，重復(fù)壓裂時(shí)裂縫越容易向原有裂縫擴(kuò)展。

根據(jù)Barnett頁巖區(qū)塊水平井6年生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，日產(chǎn)量遞減率下降到15%以下時(shí)，可實(shí)施重復(fù)壓裂[6]。Xia等基于孔彈性理論建立了精細(xì)產(chǎn)層數(shù)值模型，分析水力壓裂和生產(chǎn)過程中的應(yīng)力變化，評(píng)估重復(fù)壓裂時(shí)間窗口。當(dāng)最大與最小水平主應(yīng)力之差可以產(chǎn)生新縫時(shí)，是重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)選擇的下限，上限由產(chǎn)量遞減速率決定。Midland basin開展水力壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)(HFTS)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層壓力衰竭臨界點(diǎn)微地震顯示指標(biāo)(MDD)可作為重復(fù)壓裂的時(shí)機(jī)參考。

2.2 重復(fù)壓裂選井

過去十年來，頁巖氣儲(chǔ)層水力壓裂段間距縮短，簇間距更小，每米所用液量和砂量更大。北美頁巖氣水平井第一代完井設(shè)計(jì)支撐劑強(qiáng)度為0.6～0.9 t/m，第二代為1.2～1.8 t/m，第三、四代分別為1.9～2.5 t/m和3.6 4 t/m，而第五代支撐劑強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到4.7 t/m。儲(chǔ)層欠改造的老井是重復(fù)壓裂的首選目標(biāo)[4]。

頁巖氣水平井重復(fù)壓裂選井時(shí)，需要考慮的主要因素是儲(chǔ)層品質(zhì)和儲(chǔ)層壓力，地質(zhì)儲(chǔ)量和儲(chǔ)層體積，還應(yīng)考慮井間距、累產(chǎn)量/預(yù)計(jì)最終采收率(EUR)、現(xiàn)產(chǎn)量、單井EUR與區(qū)域平均EUR差值、井筒完整性等因素。同一產(chǎn)層的井間距小于150 m時(shí)，會(huì)出現(xiàn)井間壓力干擾。若水平段超過50%沒有在產(chǎn)層內(nèi)，通常重復(fù)壓裂效果不太理想。此外，井筒積液導(dǎo)致產(chǎn)量陡降時(shí)，也可以通過重復(fù)壓裂的方法恢復(fù)產(chǎn)能。

示蹤劑監(jiān)測結(jié)果可以作為重復(fù)壓裂目標(biāo)區(qū)域的參考指標(biāo)。示蹤劑顯示大部分沒有改造到的區(qū)域可以作為重復(fù)改造的目標(biāo)。無示蹤劑時(shí)，需要通過生產(chǎn)分析判斷產(chǎn)量貢獻(xiàn)區(qū)域、泄流區(qū)域以及泄流區(qū)域的體積來進(jìn)行重復(fù)壓裂選井。

Mahmood等[7]提出油井在產(chǎn)量遞減分析中表現(xiàn)為線性流動(dòng)時(shí)，說明水力裂縫間距偏大，可實(shí)施重復(fù)壓裂。若沒有出現(xiàn)線性瞬態(tài)流，表明水力裂縫或天然裂縫之間存在干擾，應(yīng)避免重復(fù)壓裂。典型Agarwal-Gardner曲線在生產(chǎn)初期呈非線性，或無因次壓力曲線斜率為負(fù)的井，實(shí)施重復(fù)壓裂可能會(huì)取得效益。

3 重復(fù)壓裂工藝優(yōu)選及設(shè)計(jì)

重復(fù)壓裂可分為機(jī)會(huì)重復(fù)壓裂和防御性重復(fù)壓裂。前者的基本目標(biāo)是使壓裂液和支撐劑在近井地帶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，從而擴(kuò)大水平段改造區(qū)域。后者可以保護(hù)母井在鄰井增產(chǎn)過程中免受壓竄的傷害。

3.1 重復(fù)壓裂工藝優(yōu)選

重復(fù)壓裂工藝主要包括機(jī)械轉(zhuǎn)向法和化學(xué)轉(zhuǎn)向法。

機(jī)械轉(zhuǎn)向法采用滑套和跨式雙封隔器等工具，在壓后需要鉆取工具，具有一定施工風(fēng)險(xiǎn)。下襯管重復(fù)壓裂法較為復(fù)雜，需將襯管下入現(xiàn)有生產(chǎn)套管，對(duì)襯管/生產(chǎn)套管進(jìn)行固井后，再進(jìn)行橋塞與射孔聯(lián)作作業(yè)，施工成本和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)更高[4]。Black Hawk油田于2019年啟動(dòng)了規(guī)模化下襯管重復(fù)壓裂，大多數(shù)井生產(chǎn)套管為?139.7 mm,下入襯管為?101.6 mm或者?88.9 mm，為避免橋塞鉆磨風(fēng)險(xiǎn)，選用了聚乙醇酸可降解橋塞[8]。Eagle Ford頁巖區(qū)塊六口井下襯管固井采用乳膠基固井液，具有優(yōu)異的濾失性和懸浮性，可滿足狹隘的環(huán)空要求。Enventure GT公司提出將可膨脹襯管只下放到水平井跟端，以保證跟端有足夠壓力產(chǎn)生裂縫。Eagle Ford使用連續(xù)油管進(jìn)行重復(fù)壓裂，第一年產(chǎn)量提高了35%[9]。2021年，涪陵氣田在中國首次成功實(shí)施了頁巖氣井“套中固套”重復(fù)壓裂，在實(shí)驗(yàn)井?139.7 mm井筒套管中下入小尺寸?88.9 mm套管實(shí)現(xiàn)井筒重建，在剩余潛力大的原簇間位置進(jìn)行簇間補(bǔ)孔，在原簇未動(dòng)用或低動(dòng)用位置進(jìn)行原位補(bǔ)孔，并針對(duì)兩種不同補(bǔ)孔類型的壓裂段進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新、老簇重新改造的工藝目的，達(dá)到最大化挖潛水平段剩余氣的效果[10]。

為避免機(jī)械轉(zhuǎn)向法的風(fēng)險(xiǎn)，近年來引入了化學(xué)轉(zhuǎn)向法。化學(xué)轉(zhuǎn)向劑可按顆粒類型(如顆粒狀、纖維狀)和溶解度分類[4]，需要根據(jù)儲(chǔ)層和井筒條件對(duì)轉(zhuǎn)向劑進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)來確保施工成功率。北美Zapadno-Erginskoye區(qū)塊在四口水平井分兩階段實(shí)施轉(zhuǎn)向劑壓裂，第一階段充填儲(chǔ)層的裂縫體系，并在結(jié)束時(shí)注入高濃度砂塞，隔離初次注入層段;第二階段在新的區(qū)域開啟裂縫或使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向[11]。

3.2 重復(fù)壓裂模型

由于儲(chǔ)層的復(fù)雜性和井下環(huán)境的不確定性，重復(fù)壓裂建模面臨巨大挑戰(zhàn)。為了解重復(fù)壓裂時(shí)裂縫在跟端優(yōu)先延伸的機(jī)制，使用耦合的油藏地質(zhì)力學(xué)模擬軟件，可以計(jì)算生產(chǎn)過程中儲(chǔ)層孔隙彈性應(yīng)力的變化。CMG商業(yè)油藏模擬器可進(jìn)行重復(fù)壓裂敏感性分析，主控因素是儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率和孔隙度。

Loehken等[12]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型研究了雙層套管中呈徑向?qū)R的射孔孔眼內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)情況，評(píng)估兩層套管的孔徑對(duì)近井筒地帶壓降的影響。

轉(zhuǎn)向劑重復(fù)壓裂模擬時(shí)，需要考慮儲(chǔ)層壓力衰減后應(yīng)力場發(fā)生的變化。三維油藏模擬壓力與地質(zhì)力學(xué)有限元模型(FEM)耦合，可以量化生產(chǎn)引起的地應(yīng)力大小和方向的變化。CFD-DEM模型與LIGGGHTS軟件耦合可模擬攜砂液在井筒中的流動(dòng)過程以及轉(zhuǎn)向劑在近井地帶的橋接過程，但無法考慮縫內(nèi)情況。CFRAC模型可以對(duì)現(xiàn)場規(guī)模水力壓裂的多物理過程進(jìn)行建模。

針對(duì)連續(xù)油管重復(fù)壓裂，Piyush等[9]將儲(chǔ)層模擬結(jié)果與井內(nèi)流體流動(dòng)剖面測量結(jié)果相結(jié)合可指導(dǎo)布孔。

3.3 重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)

頁巖氣井重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)前應(yīng)該確定沿水平段的低壓或枯竭區(qū)、同一區(qū)域新老井產(chǎn)量差異和轉(zhuǎn)向階段。

3.3.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

在初次改造時(shí)產(chǎn)生的裂縫間布孔，需要保證較低的破裂壓力和較小的射孔孔眼彎曲度。噴砂射孔產(chǎn)生的孔眼最完整且破裂壓力最低，但價(jià)格昂貴。聚能彈射孔快速經(jīng)濟(jì)，但是會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力籠和彎曲度。選用射孔彈時(shí)應(yīng)該選擇低重量炸藥(7～9 g)，產(chǎn)生的射孔孔眼直徑為6.35～8.13 mm。孔眼應(yīng)允許20/40目支撐劑通過，且不會(huì)產(chǎn)生橋接。限流法可促進(jìn)流體在簇間均勻分布，但初次壓裂后已經(jīng)存在大量孔眼和裂縫，因此，重復(fù)壓裂不適合使用極限限流射孔工藝。射孔密度不應(yīng)超過10孔/m，相位角可采用180°，簇長為0.61～0.91 m[3]。在初次改造的主水力裂縫中間區(qū)域布縫，壓后氣產(chǎn)量可以達(dá)到最大[13]。

在考慮重復(fù)壓裂支撐劑和壓裂液設(shè)計(jì)時(shí)，支撐劑粒徑應(yīng)近似或大于初次壓裂的支撐劑粒徑，支撐劑用量和濃度應(yīng)大于初次壓裂的參數(shù)，快速提高支撐劑濃度有助于增強(qiáng)支撐劑的輸送能力[14]。在近井筒地帶鋪置高強(qiáng)度支撐劑有助于提高裂縫支撐長度[6]。Eagle Ford頁巖區(qū)塊在開展首次重復(fù)壓裂時(shí)，最大砂濃度達(dá)到了600 kg/m3，平均加砂強(qiáng)度不低于1.5 t/m。攜砂液選用添加了可溶性纖維的低瓜膠濃度交聯(lián)液，使支撐劑在低速流動(dòng)條件下保持懸浮狀態(tài)。若初次壓裂采用滑溜水，重復(fù)壓裂可以采用凍膠提高縫高，從而增加儲(chǔ)層接觸體積。較大的支撐劑量配合凍膠或混合壓裂液體系，可以提高轉(zhuǎn)向劑效率和近井地帶的導(dǎo)流能力。

此外，還應(yīng)該考慮施工井和所有鄰井的孔隙壓力剖面，重復(fù)壓裂前可能需要關(guān)井一段時(shí)間以恢復(fù)部分儲(chǔ)層壓力直到趨于穩(wěn)定。為控制縫高以及防止壓穿附近水層，應(yīng)限制前置液用量及壓裂單段液量。

3.3.2 轉(zhuǎn)向劑設(shè)計(jì)

要克服轉(zhuǎn)向劑籠統(tǒng)重復(fù)壓裂的缺點(diǎn)，應(yīng)對(duì)顆粒的粒徑、形狀、比例、濃度和自降解能力進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)。使用熱降解或自分解材料，降低對(duì)壓后生產(chǎn)的影響[3]。對(duì)于裂縫較寬的儲(chǔ)層，重復(fù)壓裂時(shí)需要提高顆粒轉(zhuǎn)向劑用量。重復(fù)改造水平段超過1 800 m時(shí)，化學(xué)轉(zhuǎn)向劑效果有限。重復(fù)壓裂前以非常低的排量緩慢注液并持續(xù)很長一段時(shí)間，有助于增加整個(gè)水平段的孔隙壓力和應(yīng)力，壓裂液會(huì)更均勻地流入新老裂縫中，并改善水平段轉(zhuǎn)向劑分布狀態(tài)。縮短段長頻繁的投注轉(zhuǎn)向劑，可以提高裂縫均勻延伸程度。

3.4 監(jiān)測方式

了解頁巖氣水平井重復(fù)壓裂改造效果，可以通過放射性示蹤劑、井徑測井、化學(xué)示蹤劑、微地震檢測、光纖監(jiān)測、高頻壓力監(jiān)測(在鄰井或施工井)等方法加以監(jiān)測。

低放射性伽馬示蹤劑銥-192、鈧-46和銻-124和流體示蹤劑可識(shí)別有產(chǎn)量貢獻(xiàn)的改造段和射孔簇。監(jiān)測瞬時(shí)停泵壓力(ISIP)成本較低，可以判斷有效改造區(qū)域，還可實(shí)時(shí)評(píng)估轉(zhuǎn)向劑效率。高頻壓力監(jiān)測(HFPM)可以確認(rèn)重復(fù)壓裂過程中是否發(fā)生了井間干擾。微注測試(DFIT)、微地震監(jiān)測、井壁崩落分析、微差井徑分析和井下成像測井可用于確定原始和當(dāng)前的應(yīng)力差。

4 重復(fù)壓裂經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

盡管部分油氣公司對(duì)重復(fù)壓裂的經(jīng)濟(jì)效益持樂觀態(tài)度，但重復(fù)壓裂的長期經(jīng)濟(jì)效益仍然存在不確定性。Oruganti等[15]建立了基于重復(fù)壓裂井EUR數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)模型，計(jì)算井的增量凈現(xiàn)值。Lindsay等對(duì)比了重復(fù)壓裂的預(yù)期收益率與鉆新井的經(jīng)濟(jì)性，分析了Haynesville等6個(gè)非常規(guī)頁巖區(qū)塊重復(fù)壓裂的經(jīng)濟(jì)性差異。老井重復(fù)壓裂可最大限度開采氣井產(chǎn)量，在提高經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，也能防止鄰井壓竄對(duì)長期產(chǎn)能造成的傷害[16]。Kiselica等[17]通過概率建模，量化了重復(fù)壓裂對(duì)氣井經(jīng)濟(jì)性的影響，同時(shí)該模型可以識(shí)別出經(jīng)濟(jì)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)性較高的井。

5 建議

5.1 通過技術(shù)合作開展重復(fù)壓裂試驗(yàn)

目前可借鑒北美頁巖氣水平井重復(fù)壓裂的工藝技術(shù)與研究成果，結(jié)合國內(nèi)地質(zhì)工程特征，實(shí)施頁巖氣水平井重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)，為以后四川盆地頁巖氣水平井開展大規(guī)模重復(fù)壓裂提供借鑒與指導(dǎo)。

5.2 避免籠統(tǒng)壓裂實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)改造

頁巖氣水平井重復(fù)壓裂改造大多都通過轉(zhuǎn)向劑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，主要缺點(diǎn)是采用籠統(tǒng)注入方式，對(duì)儲(chǔ)層改造部位和裂縫的控制程度低，容易偏向跟端及儲(chǔ)層壓力較低的井段。為了避免無效改造和經(jīng)濟(jì)損失，在采用轉(zhuǎn)向劑進(jìn)行重復(fù)壓裂時(shí)，應(yīng)建立綜合模型，進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分析，模擬壓裂過程中的多物理過程，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向劑精細(xì)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到精確改造的效果。對(duì)于井筒結(jié)構(gòu)完整的候選井，可以嘗試使用下襯管和連續(xù)油管進(jìn)行重復(fù)壓裂改造。

5.3 超臨界CO2無水壓裂

超臨界CO2具有易擴(kuò)散、低黏度及易溶解的特性，采用超臨界CO2進(jìn)行無水重復(fù)壓裂，起裂壓力低于液體CO2和常規(guī)水基壓裂液，對(duì)地層傷害小，形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜。因此，在開展重復(fù)壓裂試驗(yàn)的同時(shí)，可以嘗試采用超臨界CO2代替水基壓裂液進(jìn)行重復(fù)壓裂，以提高頁巖氣采收率。

重復(fù)壓裂工藝可加快頁巖氣井開采速度，提高頁巖氣采收率，在保障頁巖氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和提升頁巖氣田經(jīng)濟(jì)效益方面展現(xiàn)出極大的潛力。頁巖氣老井改造也是降本增效的重要途徑，勢必成為非常規(guī)能源開發(fā)的一個(gè)新常態(tài)、新趨勢。