蘇53區(qū)塊裸眼水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

唐 勇 王國勇 李志龍 陳守雨 杜林麟 李 偉

（1.長(zhǎng)城鉆探工程有限公司蘇里格氣田項(xiàng)目部，遼寧盤錦 124010；2.東方寶麟科技發(fā)展（北京）有限公司，北京 100083；3.華北油田公司鉆采工程部，河北任丘 062552）

體積壓裂是指在水力壓裂過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層全方位的改造，從而增加水力裂縫波及體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。廣義的體積壓裂包括以下3種模式：（1）使天然裂縫不斷擴(kuò)張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將可以滲流的有效儲(chǔ)層打碎，使裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積最大。適用儲(chǔ)層條件：巖石的脆性指數(shù)不低于50，裂縫起裂與擴(kuò)展不僅是張性破壞，還存在剪切、滑移、錯(cuò)斷等復(fù)雜的力學(xué)行為，壓裂形成剪切裂縫或張性裂縫和剪切裂縫的組合裂縫。（2）采用多種方法在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫條數(shù)和密度（天然裂縫也可能開啟），這些裂縫累積控制的泄流面積隨裂縫的條數(shù)、縫長(zhǎng)、縫寬、縫高等因素變化而變化。適用儲(chǔ)層條件：巖石為張性破壞，壓裂形成張性縫。（3）利用儲(chǔ)層水平兩向應(yīng)力差與裂縫延伸凈壓力的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裂縫延伸凈壓力大于兩個(gè)水平主應(yīng)力的差值與巖石抗張強(qiáng)度之和，形成以主縫和分支裂縫相組合的枝狀裂縫。適用儲(chǔ)層條件：儲(chǔ)層水平兩向應(yīng)力差不超過4 MPa。

1 蘇53區(qū)塊體積壓裂模式選擇

1.1 蘇53區(qū)塊儲(chǔ)層基本特征

蘇53區(qū)塊盒8段、山1段氣藏屬巖性圈閉氣藏，儲(chǔ)層分布受砂體展布和物性的控制，屬無邊底水定容彈性驅(qū)動(dòng)氣藏。盒8段埋深3 305～3 330 m，孔隙度5.0%～16.9%，滲透率0.1～4.5 mD，氣層分布主要受巖性控制，巖性主要為含礫粗砂巖、不等粒砂巖等，氣層平均有效厚度10.8 m，分布較穩(wěn)定。山1段埋深3 150～3 500 m，孔隙度 5.0%～13.1%，滲透率 0.1～2.3 mD，巖性主要為巖屑石英砂巖、巖屑砂巖及少量的石英砂巖，氣層平均有效厚度11.5 m。兩段儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，具有小孔喉、分選差、排驅(qū)壓力高、連續(xù)相飽和度偏低和主貢獻(xiàn)喉道小的特點(diǎn)。地溫梯度3.07 ℃/100 m，地層壓力系數(shù)0.87～0.94。

1.2 巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力方位測(cè)試

選取盒8段和山1段巖心，進(jìn)行室內(nèi)抗壓抗拉測(cè)定、硬度測(cè)量及粘聚力分析，結(jié)果如表1、表2。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，盒8段、山1段巖石具有硬脆性特征，巖石為張性破壞，水力壓裂容易形成張性縫。巖心測(cè)試最大水平地應(yīng)力方位NE72.5～81.3°，與砂體走向垂直。已壓裂井微破裂四維向量掃描結(jié)果表明，盒8、山1段最大主應(yīng)力方位均為北偏東向。

表1 單軸抗壓、抗拉、硬度測(cè)量結(jié)果

表2 黏聚力與內(nèi)摩擦角測(cè)試數(shù)據(jù)

1.3 地應(yīng)力大小

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，砂巖最小水平主應(yīng)力值平均50.43 MPa，砂泥巖為 53.70 MPa，泥巖為 57.16 MPa。盒8、山1段水平應(yīng)力差值較大，都在10 MPa以上，水力壓裂形成單一裂縫。

1.4 天然裂縫發(fā)育情況

儲(chǔ)層全區(qū)域非均質(zhì)能量掃描（圖1）可知，盒8、山1段均分布有北東和北西向的天然裂縫網(wǎng)，天然裂縫方位與水力裂縫方位處于有利角度，水力壓裂時(shí)人工裂縫能夠溝通天然裂縫網(wǎng)（圖2）。

圖1 盒8、山1段天然裂縫網(wǎng)絡(luò)在地層中的分布

圖2 盒8、山1段人工裂縫遭遇天然裂縫后轉(zhuǎn)向延伸

1.5 體積壓裂模式選擇

依據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，蘇53區(qū)塊盒8、山1段巖石以張性破裂為主，壓裂形成張性縫。由于水平地應(yīng)力差值較大，壓裂更易形成單一裂縫，不具備剪切裂縫和分支裂縫形成的應(yīng)力條件。

根據(jù)不同儲(chǔ)層體積壓裂模式的適用條件，蘇53區(qū)塊盒8、山1段適合采用段內(nèi)多裂縫體積壓裂改造模式。當(dāng)壓裂形成橫向縫時(shí)，裸眼水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂如圖3所示。

圖3 裸眼水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂示意圖

2 裂縫間距優(yōu)化

利用有限元數(shù)值軟件模擬分析多條橫向裂縫間間距對(duì)裂縫形態(tài)和壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響，從而確定合理的裂縫間距，以發(fā)揮水平井最大產(chǎn)能。

模擬條件：儲(chǔ)層有效厚度10.8 m，裸眼封隔器卡距300 m，縫內(nèi)凈壓力與隔層應(yīng)力差的比小于0.8，裂縫延伸的高度可以控制在2倍的儲(chǔ)層厚度內(nèi)，段內(nèi)壓裂3～6條裂縫。

模擬表明，對(duì)多條橫向裂縫，當(dāng)裂縫間距大于1.5倍縫高時(shí)，裂縫間不存在干擾。低于此界限，間距越小，裂縫間產(chǎn)生的干擾就越嚴(yán)重，對(duì)裂縫形態(tài)和壓后生產(chǎn)影響就越大。

3 段內(nèi)多裂縫體積壓裂工藝的實(shí)現(xiàn)

水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂是通過在封隔器卡段內(nèi)一次或多次使用高強(qiáng)度水溶性多裂縫暫堵劑臨時(shí)封堵前次裂縫迫使流體轉(zhuǎn)向來壓開多條新裂縫的新技術(shù)，能夠獲得比常規(guī)分段壓裂大的單井有效改造體積。水平井常規(guī)分段壓裂只能動(dòng)用段內(nèi)滲透高的層段，更低級(jí)別滲透率層段則難于開啟。而封隔器卡段內(nèi)多裂縫體積壓裂則可以有效動(dòng)用段內(nèi)不同滲透率級(jí)別的層段，從而提高單井產(chǎn)量和最終采收率。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于每次投送暫堵劑的數(shù)量、投送方式及每條裂縫的規(guī)模和裂縫間距的控制。其實(shí)現(xiàn)過程：根據(jù)氣藏特點(diǎn)、地質(zhì)特征、工藝條件、巖石力學(xué)特性，用裸眼封隔器將水平段分為幾段。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低、閉合應(yīng)力低、破裂壓力低、抗張強(qiáng)度低的層段優(yōu)先起裂，綜合水平段測(cè)井解釋曲線、巖石力學(xué)參數(shù)解釋成果、破裂壓力剖面分析，結(jié)合縫間干擾理論確定段內(nèi)產(chǎn)生次級(jí)裂縫數(shù)目，從中優(yōu)選出起裂點(diǎn)理想的若干縫，確定投送多裂縫暫堵劑用量實(shí)施封堵。

4 GX-100高強(qiáng)度水溶性多裂縫暫堵劑

GX-100水溶性多裂縫暫堵劑，是在地面高溫高壓下通過交聯(lián)反應(yīng)以及物理法的勢(shì)能活化得到的顆粒型堵劑，是化學(xué)反應(yīng)與物理勢(shì)能相互催化的復(fù)合體。一次交聯(lián)是在生產(chǎn)時(shí)完成物化反應(yīng)，形成顆粒，在應(yīng)用時(shí)，顆粒隨液體進(jìn)入孔眼和裂縫后，在壓力差下獲得勢(shì)能后繼續(xù)反應(yīng)交聯(lián)，形成高強(qiáng)度的濾餅。從而具備顆粒性的高強(qiáng)度，又具備了交聯(lián)型堵劑的良好封堵率。具備了用量少、形成壓差大、壓后完全溶解無污染的特點(diǎn)。

GX-100水溶性多裂縫暫堵劑具有很高的承壓能力，最高可承受80 MPa壓差，封堵率高，封堵效果好，在壓裂液、酸液里可以完全溶解，不會(huì)造成新的傷害，內(nèi)含表面活性劑，有利于助排，投入方法簡(jiǎn)單，不會(huì)給壓裂設(shè)備帶來新的負(fù)擔(dān)，所需的壓力和封堵時(shí)間，可以通過應(yīng)用量劑大小、成分組成、顆粒大小控制。

針對(duì)不同儲(chǔ)層特性、不同封堵控制的作用，經(jīng)過擬合計(jì)算確定不同的有效用量。通過特殊工藝，可實(shí)現(xiàn)支撐劑均勻分布在裂縫中，控制裂縫延伸有效長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)多裂縫的形成，實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。用量3～5 kg，可以使支撐劑均勻分布在裂縫中；用量8～10 kg，可以控制裂縫的有效縫長(zhǎng)；用量15～20 kg，在加砂過程中或二次加砂前，在地應(yīng)力條件允許下可以形成轉(zhuǎn)向裂縫；用量50～100 kg， 可以使再次開啟的裂縫位置發(fā)生變化，形成新的平行裂縫。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及壓后效果

實(shí)例1：蘇53-78-38H井垂深3 334 m，水平段長(zhǎng)1 000 m，地層溫度108.5 ℃，地層壓力系數(shù)0.824，目的層盒8段，壓裂形成橫向縫。依據(jù)段內(nèi)多裂縫體積壓裂理論，設(shè)計(jì)7段12條縫，?88.9 mm油管注入，注入壓裂液3 890.7 m3，加入中密度高強(qiáng)度陶粒420.0 m3，平均砂比23.5%，最高砂比33.4%，施工排量3.6 m3/min。壓后排液火焰高度20～25 m，排液速度高于常規(guī)分段壓裂水平井。2011年12月1日投產(chǎn)，針閥控制生產(chǎn)，截止到2012年12月9日，套壓8.81 MPa，套壓下降速率0.032 6 MPa/d，油壓1.25 MPa，累計(jì)產(chǎn)氣4 553.54×104m3，單位壓降產(chǎn)氣量374.47×104m3/MPa。該井施工情況見圖4。

圖4 蘇53-78-38H井段內(nèi)多條橫向裂縫體積壓裂示意圖及加砂壓裂施工曲線

根據(jù)微破裂四維影像壓裂裂縫監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果（圖5），通過在壓裂段內(nèi)投入多裂縫堵劑，臨時(shí)封堵前次裂縫迫使流體轉(zhuǎn)向來達(dá)到壓開多條新裂縫的技術(shù)在盒8段是完全適用的，壓后增產(chǎn)效果顯著。

圖5 蘇53-78-38H井裂縫監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果及壓后生產(chǎn)曲線

實(shí)例2：蘇53-78-27H井垂深3 377.5 m，水平段長(zhǎng)1 000 m，地層溫度102.6 ℃，地層壓力系數(shù)0.87，目的層山1段，壓裂形成橫向縫。依據(jù)段內(nèi)多裂縫體積壓裂理論，設(shè)計(jì)5段15條縫，?88.9 mm油管注入，長(zhǎng)短縫布縫，注入壓裂液5 833.1 m3，加入中密度高強(qiáng)度陶粒660.0 m3，平均砂比20.7%，最高砂比30.5%，施工排量3.8～4.0 m3/min。2012年5月28日投產(chǎn)，針閥控制生產(chǎn)，截止到2012年12月10日，套壓16.11 MPa，套壓下降速率0.032 9 MPa/d，油壓1.18 MPa，累計(jì)產(chǎn)氣 3 646.53×104m3，單位壓降產(chǎn)氣量561.87×104m3/MPa。該井施工情況見圖6。

圖6 蘇53-78-27H井段內(nèi)多條橫向裂縫體積壓裂示意圖及加砂壓裂施工曲線

根據(jù)微破裂四維影像壓裂裂縫監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果（圖7），通過在壓裂段內(nèi)投入多裂縫堵劑，臨時(shí)封堵前次裂縫迫使流體轉(zhuǎn)向來達(dá)到壓開多條新裂縫的技術(shù)山1段是完全適用的，壓后增產(chǎn)效果良好。

圖7 蘇53-78-27H井裂縫監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果及壓后生產(chǎn)曲線

6 壓后效果對(duì)比及經(jīng)濟(jì)效益分析

蘇53區(qū)塊共試驗(yàn)6口段內(nèi)多縫體積壓裂井。分別從這6口井對(duì)應(yīng)的上下左右方位相鄰最近處各選取2口物性相近井，對(duì)該工藝與常規(guī)分段壓裂水平井、長(zhǎng)水平段分段壓裂水平井、常規(guī)分段大規(guī)模壓裂水平井進(jìn)行對(duì)比分析，主要對(duì)比套壓下降速率、單位壓降產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量等關(guān)鍵指標(biāo)（圖8、圖9）。對(duì)比井目的層盒8、山1，水平段長(zhǎng)1 000～1 200 m，長(zhǎng)水平段井水平段長(zhǎng)1 750～2 200 m。

圖8 段內(nèi)多裂縫體積壓裂與常規(guī)分段壓裂套壓下降速率對(duì)比曲線

圖9 段內(nèi)多裂縫體積壓裂與常規(guī)分段壓裂單位壓裂采氣量對(duì)比曲線

由圖8可以看出，投產(chǎn)150 d后，段內(nèi)多縫體積壓裂井套壓下降速率最低；當(dāng)生產(chǎn)時(shí)間超過150 d，段內(nèi)多縫體積壓裂井單位壓降采氣量接近長(zhǎng)水平段分段壓裂井，生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，單位壓降采氣量?jī)?yōu)勢(shì)越明顯。對(duì)類比井的套壓降和累計(jì)產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn)曲線擬合，確定產(chǎn)量遞減方程。

根據(jù)產(chǎn)量遞減方程預(yù)測(cè)（圖10），段內(nèi)多縫體積壓裂水平井單井平均最終累積產(chǎn)量12 267萬m3，而常規(guī)分段壓裂水平井平均單井最終累積產(chǎn)量8 027萬m3，常規(guī)分段大規(guī)模壓裂水平井平均單井最終累積產(chǎn)量9 671萬m3。

圖10 段內(nèi)多裂縫體積壓裂井與常規(guī)分段壓裂水平井產(chǎn)量遞減方程對(duì)比曲線

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）高精度巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力連續(xù)剖面解釋技術(shù)是裸眼水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂技術(shù)的核心，解釋結(jié)果與實(shí)際誤差不超過5%。

（2）多裂縫暫堵劑的投送時(shí)機(jī)、投送方式和使用量是實(shí)現(xiàn)段內(nèi)多裂縫的關(guān)鍵。

（3）采用段內(nèi)多裂縫壓裂工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)利用一段工具改造多個(gè)滲透率級(jí)別層段的目標(biāo)，大幅度減少下入分段工具數(shù)量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本。

（4）適度加大單條裂縫改造規(guī)模和增加水平段裂縫密度，能夠提高水平井一次動(dòng)用儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)區(qū)域體積改造目的，大幅度提高氣井產(chǎn)量。

（5）增加水平段水力裂縫密度有利于初期的高產(chǎn)和長(zhǎng)期的穩(wěn)產(chǎn)。

（6）段內(nèi)多裂縫體積壓裂技術(shù)同樣適用于套管和裸眼完井的致密油藏、頁巖氣水平井體積壓裂改造。

（7）段內(nèi)多裂縫體積壓裂技術(shù)為有效動(dòng)用水平段所有儲(chǔ)層提供了可行的技術(shù)手段。

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