目前国内页岩气水平井压裂主要采用桥塞进行分段, 包括速钻桥塞、大通径桥塞、可溶桥塞等不同类型(见表 1)。但桥塞分段工艺对井筒通径要求高, 且存在压后需要钻磨、压后井筒非全通径等问题^[5-6]。针对套管变形的预防手段目前主要是通过提高套管钢级或是控制施工规模及排量, 前者增加了单井成本, 后者则可能影响体积压裂的改造效果。对于套变风险较大的页岩气水平井, 两种方式均未能从根本上解决全水平段有效改造的问题^[7-8]。无限级砂塞分段压裂将支撑剂作为砂塞实现段间非机械封隔, 分段不受套管通径影响, 可实现无限级分段。

表 1  国内页岩气常用分段压裂工艺特点对比

Table 1.  Characteristic comparison between staged fracturing technologies commonly used in shale gas wells in China

该工艺的实施主要通过具有冲砂、填砂、多簇喷砂射孔功能的一体化作业管柱来实现, 一趟管柱可实现多种作业。管柱结构自下而上主要包括冲洗头、带滑套喷枪、丢手工具、单流阀(如图 1所示)。其中喷枪外径可根据不同井筒通径选择。喷嘴的大小和个数需要综合考虑水平段裂缝起裂以及固定限压条件下单个喷嘴最低流速。

图  1  一体化作业管柱

Figure 1.  Integrated pipe string

工艺流程主要包括连续油管射孔、套管压裂、支撑剂封堵分段3个主要步骤。首先连续油管喷砂射孔后起出井口, 检查工具, 开始主压裂, 主压裂末尾采用连续高砂浓度支撑剂砂塞封堵, 保证缝口附近的连续铺砂和导流能力, 并采用高于正常施工压力10~20 MPa作为验封压力对砂塞的有效性进行验证; 主压裂结束后, 连续油管带一体化作业管柱下入, 若前一段砂塞成功封堵, 则连续油管冲砂下至下一射孔段底界; 若前一段砂塞未能封堵, 则连续油管下入至前一段射孔顶界开始定点填砂, 填砂量为两段之间的井筒容积。冲砂和填砂通过管柱前端冲洗头完成, 随后投球开启喷嘴滑套, 改变出液方向, 开始下一段的喷砂射孔流程。重复以上流程直至完成所有段的压裂。施工结束后再下入一趟连续油管进行冲砂作业后即可开井排液。

无限级砂塞分段工艺不使用机械桥塞, 降低了入井管柱对套管通径的要求。以目前国内页岩气井常用的Ø139.7 mm油层套管为例, 所适配的桥塞管串入井最小外径约100 mm; 而砂塞分段工艺由于只需要连续油管喷砂射孔管串, 其适配的最小喷枪工具串外径仅有83 mm, 通径要求降低了17%, 有利于套管变形后管串的下入。射孔后连续油管起出井口, 套管注入压裂, 保证体积改造所需要的施工排量。压裂全部完成后仅需连续油管一趟管柱冲砂, 节省桥塞钻磨时间的同时降低钻塞复杂带来的风险。

支撑剂优选是该工艺能否成功实施的重要内容。页岩气前期压裂实践表明, 40/70目低密度中等强度陶粒能够满足3 500 m以浅页岩储层的闭合应力, 100目石英砂打磨孔眼对于降低近井摩阻也非常有效^[9-11]。针对页岩储层天然裂缝和分段工艺特点, 考虑缝内暂堵转向、砂塞封堵分段、缝口高导流能力等技术要求, 设计引入20/40目陶粒, 既可以在泵注前期作为对天然裂缝的暂堵转向, 又能在泵注后期封堵人工裂缝实现分段。铺砂浓度5.0 kg/m²下, 室内支撑剂导流能力实验如图 2所示。当闭合压力超过40 MPa后, 20/40与40/70目陶粒按1:1混合后的导流能力要高于单一20/40目支撑剂。研究区闭合应力值约50~55 MPa, 因此在缝口砂塞封堵阶段, 采用20/40目陶粒与40/70目陶粒等比例混合的方式, 既保证了大粒径支撑剂对缝口的封堵效果, 又建立了高导流支撑裂缝。

图  2  不同类型支撑剂导流能力

Figure 2.  Flow conductivity of different types of proppant

因此设计以40/70目低密度陶粒作为主支撑剂, 100目石英砂用于前期孔眼及裂缝弯曲打磨和微裂缝的暂堵, 20/40目与40/70目陶粒混合用作缝口封堵(见表 2)。

YSA是滇黔北昭通页岩气示范区内的一口水平预探井, 完钻层位为下志留统龙马溪组, 岩性为灰黑色页岩。完钻井深3 330 m, 水平段长840 m, 采用Ø139.7 mm套管完井, 内径Ø115.02 mm。在钻井过程中, 由于工程复杂等原因, 造成水平段存在3个井眼:原井眼用水泥塞封闭, 与完井井眼平行段长约194 m; 侧钻井眼为裸眼井, 与完井井眼约有300 m近似重合, 三维空间上的直线距离小于1 m。复杂的完井井况给后续的压裂施工带来了极大的不确定性。同时本井水平段钻遇2条小断层, 体积压裂施工可能会导致断层附近岩层产生快速的剪切错动, 套管变形风险极大^[12]。

表 2  无限级砂塞分段工艺支撑剂作用及性能参数

Table 2.  Effect and performance parameters of proppant for in fi nite-order sand plug staged fracturing

针对YSA井筒及储层改造所面临的技术难点, 压裂工艺必须满足:大排量大液量施工, 保证体积压裂效果和裸眼井段储层的有效改造; 不受井筒变形影响的分段措施, 入井管串通过性好; 灵活简便的缝内转向措施, 及时暂堵天然裂缝; 保证缝口高导流能力的支撑剂泵注程序。

设计采用以滑溜水为主的体积压裂工艺, 单段施工液量2 000 m³, 砂量90 t; 采用Ø180 mm、105 MPa大闸门井口, 施工排量10~12 m ³/min。每个施工段分3簇射孔, 簇间距12~20 m, 每簇设计5个直径为4.5 mm喷嘴, 保证140 m/s的单孔流速, 采用20/40目石英砂作为射孔介质, 回压控制略高于地层压力, 计算的连续油管喷砂射孔泵注排量区间为0.65~0.80 m³/min(如图 3所示), 压力控制在65 MPa以内, 现场设备条件满足设计要求。

图  3  连续油管喷砂射孔排量与单孔喷速及泵注压力的关系

Figure 3.  Relationships of flow rate of coiled tubing vs. singleperforation blasting velocity and pumping pressure

YSA井共完成13段压裂, 连续油管喷砂射孔成功率100%, 砂塞封堵成功率100%。其中第2、3段采用连续油管井筒内定点填砂封堵, 其余段为主压裂后期缝口砂塞封堵。累计注入压裂液26 054 m³, 支撑剂1 086.9 t; 平均单段液量2 004 m³, 支撑剂83.6 t。在第10段射孔过程中出现了Ø102 mm射孔管串无法下入的情况, 判断为井周微断层影响导致的套管变形, 得益于砂塞分段工艺对套管通径要求低的优势, 更换为Ø92 mm喷枪, 顺利完成后续段射孔作业。

受天然裂缝及多井筒影响, 施工井底压力特征呈2种类型(如图 4所示)。类型一包括第1~5、第11~13段, 该类型施工井底压力较为稳定, 且绝对值低于70 MPa, 压力波动较小, 是人工裂缝在龙马溪组和五峰组正常拓展的响应。第6~10段井底压力为类型二, 其特点是绝对压力值高于75 MPa。第6、7段主要是受施工层位落入宝塔组灰岩层影响, 导致施工压力的大幅上涨; 第8、9、10段则是由于距离被水泥塞封闭的原井眼较近, 导致初期压力高, 必须依靠酸液才能建立排量, 后期压力逐步恢复正常。

图  4  YSA井压裂施工井底压力

Figure 4.  Bottom hole pressure of Well YSA in the process of fracturing

砂塞分段工艺在本井应用12段, 其中有10段一次性封堵成功, 第2、3段采用连续油管定点填砂。每段封堵后均采用高出正常施工压力10~20 MPa作为验封压力。根据实时微地震监测结果分析, 各段压裂起裂位置基本位于射孔段两侧, 裂缝位置随改造段正常移动, 最终实现了对水平段的完全覆盖(如图 5、6所示)。同时施工井底压力、停泵压力和压降速率的显著变化体现了段间差异, 反映出的储层特征以及完井特征与预测相符。综合表明砂塞分段实现了对压裂流体的段间分隔。

图  5  YSA井典型段微地震起裂信号位置

Figure 5.  Location of fracture initiation signal in the typical section of Well YSA monitored by micro seismic

图  6  YSA井全井微地震监测

Figure 6.  Full-hole micro seismic monitoring of Well YSA

YSA井13段压裂施工共获得5 781×10⁴ m³的改造体积, 单段改造体积与桥塞分段工艺相当。施工结束后连续油管一趟管柱完成对全井的冲砂作业后即开井排液测试。排液190 h后见气, 最高测试产量11.3×10⁴ m³/d。在有限的水平段长和复杂的井筒条件下, 砂塞分段压裂工艺完成了对整个水平段的有效改造, 取得了理想的改造效果。

(1) YSA井井筒情况复杂, 且钻遇断层, 套管变形风险高。实践证明, 在该类复杂井采用无限级砂塞分段工艺避免了机械封隔分段带来的作业风险, 顺利完成13级有效改造, 通过微地震数据、施工压力响应等多种因素综合判断分段效果明显, 压后测试产量达11.3×10⁴ m³/d。

(2) 砂塞分段改造工艺分段数不受井筒条件限制, 降低了入井管柱对套管通径的要求, 适用于套变风险高的井; 采用冲砂、填砂、多簇喷砂射孔一体化工具管柱, 压裂完毕后不需要钻磨桥塞, 冲砂后即可放喷求产, 减少了后续施工时间和风险。

(3) 无限级砂塞分段改造工艺每次封堵都在整个井筒实现全通径和已压裂段的有效屏蔽, 出现井筒复杂后仍然能保证安全施工; 该工艺可以对整个施工井段内任意位置、按任意顺序进行选择性分段压裂, 在水平井改造及重复压裂中具有推广价值。