0 引言

四川盆地页岩气资源丰富，开发潜力巨大^[1-4]。由于受新构造运动引发的地层错动、井间干扰和套管质量等多种复杂情况的影响^[5]，四川长宁-威远页岩气水平井在压裂过程中时有套管变形发生^[6]，使得体积压裂时桥塞不能被泵送至设计位置，导致变形段以下未改造井段不能进行改造，未改造井段的储量不能有效动用，对改造效果造成较大影响。四川长宁-威远区块页岩气井压裂施工中的套管变形机理复杂，影响因素多^[7-10]，变形时机难以预测，因此探寻页岩气水平井套管变形后的有效改造工艺显得尤为重要。笔者对缝内填砂、暂堵球和复合暂堵多级转向等分段体积压裂工艺技术的优缺点进行了对比分析，并开展现场试验。试验结果表明：上述3种工艺技术均可有效解决由于套管变形导致的无法开展机械封隔分段压裂的技术难题。

1 分段压裂改造工艺概述

为了提高页岩气藏开采的经济效益，国内外主要采用水平井分段压裂技术开发页岩气藏^[11-13]。根据分段方式的不同，将水平井分段压裂工艺分为以下3类：暂堵转向分段压裂、机械封隔分段压裂和水力喷射分段压裂。

1.1 暂堵转向分段压裂

暂堵转向分段压裂^[14-16]是一种分段改造特殊技术，根据暂堵材料的不同可分为化学暂堵胶塞分段压裂、可降解纤维暂堵转向压裂、缝内填砂分段压裂、暂堵球分段压裂和复合暂堵多级转向压裂。其基本原理是：通过使用高黏度或高浓度的物理、化学物质封堵不压裂的井段，使后续液体和支撑剂能进入新裂缝；对目的层进行压裂，压裂施工完成后，在控制时间内通过破胶、降解或返排等方式建立井筒流通通道。

该工艺的优点是无需下入专门工具，可以通过暂堵转向分段代替封隔器等工具进行分段压裂改造，多用于解决复杂结构水平井、套管变形井、段间距过小及井下有落物等无法使用机械封隔器和其他分段改造工艺施工井的分段压裂难题。

1.2 机械封隔分段压裂

为了解决段塞分段压裂工艺可靠性低的问题，研究了机械封隔分段压裂工艺。目前常用的主要有机械桥塞分段压裂、双封单卡分段压裂、套管滑套分段压裂和裸眼封隔器分段压裂等工艺。为了满足分簇射孔、分段级数不受限制和尽可能地提高作业时效等要求，长宁-威远区块主要采用机械封隔分段压裂工艺。由于桥塞作为分段压裂工具较成熟，并在国内外多口页岩气、致密砂岩气藏及致密油水平井分段压裂中进行了应用，具有较高的可靠性及较好的经济性，所以若采用速钻桥塞或可溶桥塞也可以满足生产测井工具下入及后续重复压裂施工的要求。

1.3 水力喷射分段压裂

水力喷射分段压裂工艺^[17]具有集射孔、压裂和分段一体化的优点，井下工具简单，安全风险小，适合多种储层类型和完井方式，但该工艺又存在工期长、压井伤害和连续管排量低等缺点，同时由于深层存在高地应力、高破裂压力和高岩石围压，会产生喷砂射孔深度不足、裂缝不容易起裂以及段间封隔效果不好等问题，使得深层压裂仍难有效应用。

1.4 套变段分段压裂工艺优选

截至2016年底，四川盆地长宁-威远区块龙马溪组页岩气藏约30%的水平井在压裂施工过程中或压裂后套管会发生不同程度的变形，这将导致桥塞不能被泵送至设计位置，使变形段以下未改造井段的储量不能有效动用，对改造效果造成较大影响。此时可以根据套变的严重程度和现场实际条件选择合适的暂堵转向分段压裂工艺。目前常用的套变段暂堵转向分段压裂工艺主要有可降解暂堵球压裂工艺技术、缝内填砂分段压裂工艺技术和复合暂堵多级转向压裂工艺技术。

2 现场应用情况 2.1 可降解暂堵球分段压裂

可降解暂堵球能满足抗压差50 MPa，多种直径规格(5~18 mm)(见图 1)，实现炮眼暂堵，达到压裂液转向压裂目的，施工结束后，地层温度得到恢复，暂堵球水解随后期排液排出^[6]。为提高暂堵的可靠性，采用不同规格的复合粒径暂堵球组合对需要暂堵的射孔孔眼进行暂堵。孔眼数量与投球个数比例一般按1:1.2~1:1.6投入。W202H3-A井压裂完成第5段后发生套管变形，套管变形量15%左右，套变段影响长度748 m。为此，应用可降解暂堵球分段压裂技术工艺，其原理是：采用暂堵球暂堵下部已压裂段的射孔孔眼，随后进行压裂施工；施工完毕再次采用连续管对下一压裂段进行射孔，采用同样的方案进行压裂施工，直至完成对变形段的改造。将可降解暂堵球分段压裂技术在W202H3-A井的第6~9段进行现场应用，主要参数如表 1所示。根据压力响应结果和压裂施工曲线(见图 2)可以发现，可降解暂堵球分段压裂工艺技术应用效果显著，暂堵球到位后，压力响应明显，微地震监测事件点也表明暂堵球转向效果明显，储层得到均匀改造(见图 3)。

2.2 缝内填砂分段压裂

缝内填砂分段压裂技术是通过在压裂后期填入高质量浓度砂以达到缝内封堵的页岩气水平井套变段分段体积压裂技术。该技术实施步骤：首先用连续管对下一压裂段进行射孔，完成射孔后取出连续管；压裂施工前投入暂堵球封堵前一施工层段，随后进行主压裂，压裂后期加入高质量浓度砂段塞形成缝内砂堵。重复以上施工步骤进行下一段的射孔、主压裂和后期缝内砂堵。

CNH6-A井套管内径114.3 mm，压裂完成第9段后发生套管变形，用连续管相继下入外径102、100和96 mm模拟管串均未通过，后下ø83 mm模拟射孔枪通过。套变段影响长度490 m，应用缝内填砂分段压裂技术工艺，采用连续管带ø73 mm枪进行射孔。第10段压裂初期投入暂堵球后压力响应明显，表明第9段孔眼成功封堵(见图 4)，压裂后缝内砂堵成功实施(见图 4)。用同样方法对第11段进行施工，从第11段与第10段压裂施工曲线可见，在相同排量下施工压力阶梯明显，说明第10段后期缝内填砂封堵效果较好，起到了有效的分层作用(见图 4和图 5)。但是，施工压力剧增，因此缝内填砂分段技术可能导致套损加剧以及井筒内沉砂，从而影响连续管下入目标深度。

2.3 复合暂堵多级转向压裂

页岩气部分水平井套变影响段长度大，离水平井段端部(A点)小于100 m。为防止压裂后套管进一步变形并有效提高资源动用程度，可采用一次射孔、多次压裂方式进行压裂施工。

结合前期应用暂堵球与缝内暂堵剂的优势，采用“暂堵球+缝内暂堵剂”这种复合暂堵技术来提高封堵效果，分批次投入缝内暂堵剂和段内暂堵球达到多级转向压裂改造目的。施工时首先投入复合粒径暂堵球封堵前一段射孔炮眼，然后在压裂施工期间分批多次投入复合粒径暂堵球与缝内暂堵剂封堵段内先期改造段。其目的是尽可能地对变形段进行有效均匀改造，提高储层动用程度及裂缝复杂程度(见图 6)。

W202H3-B井套管内径102.7 mm，压裂完成第2段后发生套管变形，用连续管相继下入外径96和83 mm模拟管串均未通过，后下ø73 mm模拟射孔枪通过。套变段影响长度571 m，采用连续管带ø60 mm枪进行射孔。如采用暂堵球和缝内填砂分段工艺逐段射孔和逐段压裂，则可能进一步导致井下套管变形加剧，不能实施压裂改造，因此该井不适合采用暂堵球和缝内填砂分段工艺。同时，地质资料解释该段储层均质性较好，脆性指数和地层破裂压力相当，弹性模量36~52 GPa(见图 7)，由于分段长度大，为有效均匀改造储层，在施工过程中分批次投入“暂堵球+暂堵剂”，使得先期改造的储层暂时封堵再转向改造破裂压裂相对更高的储层，达到全井段均匀改造目的。因此，该井采用复合暂堵多级转向压裂工艺，一次射孔571 m，且为保证储层动用程度及单孔流量，按12簇、12孔/m和总孔数144进行射孔，分3批次投入“暂堵球+暂堵剂”。施工排量10.0 m³/min，施工压力52~81 MPa，累计注入地层砂量250余t，累计注入地层液量近5 000 m³。

现场应用结果表明：施工过程中3次投入“暂堵球+暂堵剂”复合暂堵后，在排量不变的情况下，压力响应明显，每次压力上升2~18 MPa，并且每次复合暂堵后施工泵压与前期施工泵压出现明显阶梯变化(见图 8)。综合微地震监测结果表明：采用“暂堵球+暂堵剂”复合暂堵能够对长套变段起到暂堵作用，从而实现多级转向压裂(见图 9)，有效解决套变后不能下入桥塞分段的难题，实现储层均匀压裂改造。

3 套变段分段体积压裂技术优选

目前页岩气水平井分段压裂工艺主要采用电缆泵送桥塞，当套管变形后桥塞不能被泵送到指定位置，导致变形段及其以下井段不能有效改造。

套变段压裂改造工艺主要有3种方案：①方案1。缝内填砂分段压裂的实施方式是逐段射孔、逐段压裂，它具有分段可靠性好的优点，缺点是填砂完成后，施工压力剧增，可能导致套损加剧及井筒内沉砂，适用于套管变形量小以及套变段长度小于300 m的页岩气套变井。②方案2。暂堵球分段压裂的实施方式也是逐段射孔、逐段压裂，它同样具有分段可靠性好的优点，缺点是套变段过长时，暂堵球数量过多，难以确保对压裂段的改造，同时，套变严重井段无法射孔，适用于体积压裂后期、套管变形量中等、套变段长度在300~500 m之间的页岩气套变井。③方案3。复合暂堵多级转向压裂的实施方式是一次射孔、多次压裂，适用于复杂套变井，但是当压裂段数较多时，需要堵塞的孔眼较多，可靠性相对较差。方案1和方案2主要针对轻度和中等变形的套损井，套变影响段采用“缝内填砂”或“暂堵球”技术分段，逐段射孔，逐段压裂，分段可靠性较好，但均存在套管进一步变形，不能继续射孔改造储层的风险，建议在套管形变量小及长度较短时采用。方案3适用于变形程度严重及影响长度大的套管，为防止套管进一步变形，采用一次射孔，但压裂效果难以保证，为有效提高储层动用程度及裂缝复杂程度，采用段内“暂堵球+缝内暂堵剂”的复合暂堵多级转向压裂改造工艺，施工过程中分批次投入缝内暂堵剂和段内暂堵球；一次性对变形影响段进行压裂作业，利用改造段射孔孔眼吸液能力大的特点，通过投入可溶性暂堵球堵塞射孔孔眼实现储层均匀压裂改造。

4 结论

(1) 缝内填砂、暂堵球和复合暂堵多级转向等体积压裂工艺技术可有效解决套管变形水平井大规模分段体积压裂的技术难题，有效提高资源的动用程度和压裂效果。

(2) 缝内填砂分段压裂可采用逐段射孔和逐段压裂的作业方式，分段可靠性好，施工后期缝内填砂后施工压力高，但存在套管进一步变形其余段不能改造的风险。暂堵球变形段压裂一般采用逐段射孔和逐段压裂的方式，施工风险较低，分段可靠性相对较好。复合暂堵多级转向压裂一般采用一次射孔、多次压裂的方式，施工风险较低，适用于复杂套变井。

(3) 现场试验结果表明：在复杂的套管变形井况及分段长度大的条件下，复合暂堵多级转向压裂工艺技术应用效果较好，压裂后不用钻磨桥塞，提高了压裂施工效率。