摘 要：随着四川盆地页岩气勘探开发的持续深入，实施水平井分段压裂改造已成为页岩气这种非常规气藏有效开发的必要手段。针对四川长宁—威远国家级页岩气示范区水平井储层特点，结合套管固井完井方式，通过开展自主攻关与现场试验，在页岩气水平井压裂改造方面逐步形成了一套完整的技术系列，包括：新型复合桥塞分段工具、高效降阻滑溜水体系、优化分段设计技术、体积压裂工艺、连续油管钻磨技术、连续混配、连续供砂、连续作业技术、返排液重复利用技术等，从而实现了页岩气水平井储层改造的最优化体积和效果。应用结果表明：自主研发的页岩气水平井复合桥塞优化分段、滑溜水体积压裂工艺及工程配套技术，能够有效提高工程时效和增加井口产能，为页岩气水平井规模效益开发提供了技术保障，为下一步四川盆地页岩气工厂化压裂的实施提供了技术支撑。
关键词：四川盆地 页岩气 水平井 分段压裂技术系列 复合桥塞 滑溜水 连续油管钻磨 工厂化压裂
Research about and application of autonomous staged fracturing technique series for horizontal well stimulation of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin
Abstract：With the further exploration and development of shale gas in the Sichuan Basin，the simulation with horizontal well multistaged fracturing is increasingly necessary for efficient development of unconventional shale gas reservoirs．According to the reservoir features of horizontal wells in the Changning Weiyuan National Shale Gas Demonstration Region in the Sichuan Basin，combined with the modes of casing cementing and completion，an integrated technology series was formed for the horizontal well stimulation of shale gas reservoirs in Sichuan oil and gas fields through independent research and field trials，including a new composite plug tool，an efficient slick water system，optimized multi stage design technology，SRV fracturing technology，coiled tubing drilling and milling technology,continuous fluid mixing，sand feeding and operating technology，flowback fluid recycling technology，etc．，thus achieving the optimum volume and effect of the horizontal well simulation of shale gas reservoirs．The field application shows that the optimum staged fracturing of composite bridge plug，slick water SRV fracturing and the related supporting technologies can effectively improve engineering timeliness and increase well production，providing a technical support for the commercial development of shale gas horizontal wells as well as for the upcoming implementation of factory-like fracturing treatment of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin．
Keywords：Sichuan Basin,shale gas，horizontal well，multi-stage fracturing technology system，composite bridge plug，slick water，coiled tubing drilling and milling，factory-like fracturing
四川盆地拥有丰富的页岩气资源，自2010年开始，在四川盆地的威远、长宁、富顺、昭通等区块开启了页岩气勘探开发的步伐，前期钻探的W201、N201两口页岩气评价井经大型体积压裂改造均或工业气流[1]，展现了该地区页岩气的资源潜力，使其有望成为未来四川盆地天然气开发的另一个新领域。
目前四川盆地页岩气勘探开发已经从直井预探转向水平井开发，研发适合于该地区页岩气开发的工艺技术、设计技术、施工技术成为越来越迫切的需求[2]。四川油气田通过开展自主攻关和现场试验，逐步形成了集复合桥塞分段及多簇射孔工艺、大规模滑溜水体积压裂技术、低摩阻滑溜水压裂液体系、大型压裂施工配套技术、连续油管钻磨桥塞技术为一体的页岩气水平井分段压裂技术。
1 复合桥塞工具及分段工艺
1．1 复合桥塞性能参数
复合桥塞是实现水平井分段压裂段间封隔的有效工具，复合桥塞具有作业效率高(一趟作业管柱完成射孔及坐封桥塞)、易钻(通常30min以内)等特点。通过自主攻关研制出速钻复合桥塞工具，能满足页岩气水平井分段压裂改造的需求(图1)，工具指标为：①适用井眼尺寸有Æ114.3mm、Æl27.0mm、Æ139.7mm等套管完井；②耐温，达150℃；③承受工作压差为70MPa；④分段数不受井筒条件限制。
1．2 分段工艺原理
复合桥塞主要使用电缆下入，坐封桥塞和分簇射孔联作。第一段作业采用连续油管传输射孔，完成第一段压裂后，使用电缆带射孔枪和复合桥塞工具管串入井，下至水平井段后泵送至第二段预定位置，然后坐封桥塞、丢手，上提射孔枪至第二段射孔位置，进行分簇射孔，之后起出电缆，进行第二段压裂作业。重复以上步骤直至完成最后一段压裂作业[3]。
2 高效降阻滑溜水压裂液
2．1 压裂液适应性分析
滑溜水压裂液摩阻和成本均较低，其较之交联冻胶更容易形成复杂的裂缝网络，满足页岩气体积压裂改造的工艺要求，成为页岩气体积压裂改造的主要工作液。四川地区下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组储层段全岩分析和岩石力学实验结果表明，该地区页岩储层岩石水敏指数弱[4]、脆性指数较高，低黏度滑溜水易进入次生微裂缝，从而产生复杂的网状裂缝，形成最大化的增产改造体积。
2．2 滑溜水体系及性能参数
滑溜水压裂液体系通常由水和降阻剂、杀菌剂、助排剂、黏土稳定剂等添加剂组成，其中降阻剂是滑溜水压裂液中最重要的添加剂。通过自主研究优化形成了速溶性能好、剪切稳定性好、减阻效果明显、低伤害、低成本的新型滑溜水压裂液体系，降阻剂加量0.05％～0.08％、杀菌剂加量0.05％、黏土稳定剂加量0.1％、液体降阻率大于65％，满足连续混配施工要求(图2)。
3 水平井体积压裂技术
3．1 技术机理
通过分段多簇射孔和大液量、高排量的低黏压裂液的注入，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，使得裂缝表面与储层基质的接触面积最大化，从而增加改造体积和储层的动用程度，提高气井产量和采收率[5-6]。
3．2 水平井分段优化
通过研究页岩气水平井压裂的裂缝形态以及延伸规律，以形成最大的增产改造体积为目标，综合考虑页岩水平层段脆性、含气量、应力大小的分布特点，对人工裂缝参数进行模拟优化，从而确定最优的分段间距和每段的施工规模，根据储层物性及其对导流能力的需求设计适合的加砂程序来实现最佳的增产效果[7-9]。
3．3 工艺方式
四川地区筇竹寺组和龙马溪组页岩储层岩石脆性特征明显。根据页岩含气性、脆性、岩石力学性质等参数优选射孔井段，形成了复合桥塞分段，以滑溜水为压裂液，大液量、高排量、小粒径支撑剂、低砂比、段塞式注入的页岩气水平井体积压裂技术[10]。单段压裂液量1800～2400m3，支撑剂量100～200t，施工排量l0m3／min以上，支撑剂以100目粉砂和40／70目陶粒为主，平均砂比3％～5％。
4 地面工程配套工艺
4．1 大液量储供液技术
页岩气体积压裂规模大，考虑四川地区页岩气井井场条件、水源分布、改造方案、施工规模和现有储液设备的基础上，建立了一套页岩气压裂液储供技术，包括液罐储供液方式、储水池储供液方式和河道长距离储供液方式，供液能力达到20m3／min。
4．2 大排量连续混配技术
页岩气压裂施工规模大，使用常规方式配液工作强度大，若施工中液体未使用完则会造成大量浪费，且处理难度大。压裂液连续混配技术克服了以上缺点，消除了因施工异常可能带来的液体储存风险和浪费[11]，其技术关键是各种压裂液添加剂在压裂施工过程中根据排量实时、精确地加入(图3)。
4．3 大砂量连续供砂技术
针对四川地区井场特点，形成了使用30m3立式砂罐组合储砂的方式，在水平井大型分段压裂施工过程中，在段间作业间隙吊装补充支撑剂。对供砂装置进行了改进：①设计了DN300型橡胶短节连接砂罐出口，提高一次供砂能力；②研制了自动破袋装置，提高了转砂安全和转砂效率。
4．4 大排量连续泵注技术
针对页岩气大型压裂施工特点，形成了地面多路注入的高压流程，设计研制了尺寸Æl79.4mm、承压103.4MPa的压裂专用井口，满足了压裂作业大排量的注入需求，有效减小了井口节流影响，实现在作业后不换装井口条件下直接排液生产。
5 连续油管钻磨技术
5．1 连续油管钻磨工艺
压裂施工结束后，需要利用连续油管将桥塞全部钻磨，恢复全井筒的畅通，便于后续作业(测产气剖面、下生产管柱等)。通过技术攻关，形成了一套集下钻速度控制、钻压控制、泵注排量控制、钻屑返排控制和钻磨液体优选为一体的水平井连续油管钻磨复合桥塞工艺和配套工具与设备。
5．2 钻磨工具管串
连续油管钻磨桥塞工具管串为：卡瓦接头+马达头总成+震击器+马达+磨鞋。其中马达和磨鞋是其中的关键部分，直接影响了工具的使用寿命和钻磨桥塞的效率(图4)。
6 现场应用
6．1 压裂现场实施
自主技术先后在四川油气田长宁威远国家级页岩气示范区进行了5口水平井的分段压裂改造实践。从应用情况看，所有技术或工具能够满足页岩气水平井分段压裂的需求，应用效果良好(表1)。
在现场应用中自主滑溜水压裂液使用连续混配方式配制，连续混配最大排量达到l7.2m3／min，液体显示出良好的降阻性能，现场降阻率为66％～75％，达到国外同等技术水平。自主复合桥塞工具现场应用可靠性高，坐封成功率和施工成功率均l00％，在97MPa的高施工压力下仍实现有效的密封，该工具具长时间高压工作的可靠性和稳定性。连续油管钻磨桥塞，通过钻磨参数的优化，平均单个复合桥塞纯钻时间仅27min，实现了一趟管柱完成全井桥塞的钻磨。同时还开展了压裂返排液的重复利用，有效提高了环保减排的能力。通过优化组织施工工序，实现每天完成2段压裂作业。5口井现场应用技术如下：①水平井的完井方式为Æl27.0mm、Æl39.7mm套管完井；②压裂工艺为复合桥塞与多簇射孔联作的分段体积压裂工艺；③工作液体系为高效降阻滑溜水；④液量规模为1800～2400m3／段，支撑剂量规模为l00～200t／段；⑤泵注排量为l0～17m3／min；⑥工作液为连续混配。
6．2 压裂改造效果
通过实时微地震监测技术的应用，对于完成压裂施工、优选射孔井段、优化参数及提高产能具有很好的指导性[12]。本地区页岩气水平井压裂微地震监测结果表明，压裂裂缝延伸方向受地应力与天然裂缝双重因素控制，已实施井微地震监测结果表明实现了形成复杂裂缝网络的体积压裂目标，表明水平井分段体积压裂工艺可满足页岩气水平井改造要求(图5)。
5口水平井压后均获得了工业气流，反映出本区页岩气具有较好的开发潜力以及水平井分段压裂改造技术在四川页岩气储层改造中具有较好的适应性。自主水平井分段压裂技术满足了页岩气水平井储层改造的需要，达到国外同等技术水平。
7 结论与建议
1)四川页岩气储层改造通过前期的先导性试验，已经初步探索出四川盆地页岩储层的改造模式，水平井分段压裂作为目前四川盆地页岩气开发的主要技术手段，通过多口水平井的实践均形成了体积压裂改造特征，见到不同程度的增产效果。
2)通过开展技术攻关，突破关键技术瓶颈，形成了一套以复合桥塞分段工艺、大规模滑溜水体积压裂技术、低摩阻滑溜水压裂液体系、大型压裂施工配套技术和连续油管钻磨桥塞技术为主体的页岩气水平井分段压裂技术。
3)自主研发的复合桥塞工具、滑溜水压裂液体系，填补了国内空白，现场应用成功率达到100％，与国外同类产品相比成本更低，为页岩气水平井规模效益开发提供了技术保障。
4)从目前技术发展来看，还需进一步加强低成本、高性能压裂液及支撑剂材料的研究，继续探索技术与经济相结合的最佳储层改造方案，从而不断提高改造效果与降低页岩气开发成本。同时加强对工艺技术的安全和环保要求，在大量实践基础之上编制页岩气压裂技术的规范和标准。
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本文作者：尹丛彬 叶登胜 段国彬 张俊成 邓素芬 王素兵
作者单位：中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司
中国石油西南油气田公司
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