水平井段內多裂縫壓裂技術研究與應用

申貝貝 何 青 張永春 李 雷 劉 威

（中國石化華北分公司工程技術研究院）

水平井段內多裂縫壓裂技術研究與應用

申貝貝 何 青 張永春 李 雷 劉 威

（中國石化華北分公司工程技術研究院）

針對大牛地氣田致密低滲地層特征，在總結水平井壓裂工藝應用情況及其優(yōu)缺點的基礎上，開展了水平井段內多裂縫壓裂新工藝的研究，特別是對水平井段內多裂縫壓裂使用高強度水溶性暫堵劑的控制工藝原理以及段內裂縫的干擾進行了分析。并對DPT－8和DPH－60兩口水平井實施了段內多縫壓裂技術的現(xiàn)場應用試驗。試驗結果表明，該技術利用暫堵劑能依次封堵先期壓裂形成的裂縫，使其不斷蹩壓而在段內發(fā)生多次起裂并延伸，形成多條新的裂縫，從而有效地增加改造體積，擴大泄油氣面積或范圍，進而提高壓裂改造程度和油氣增產效果。并能節(jié)約封隔器和壓差滑套，降低施工作業(yè)成本，為大牛地氣田致密低滲儲層的改造探索出了新的技術途徑。圖7參9

致密低滲儲層 水平井壓裂 段內多裂縫壓裂 大牛地氣田

0 前言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，主要含氣層位為上古生界下石盒子組、山西組和太原組。自從1999年首鉆大探1井試獲工業(yè)氣流后，經過多年的勘探開發(fā)與研究，取得了豐碩的成果。目前，上古生界砂巖儲層的開發(fā)已經逐漸走向規(guī)?；?、工業(yè)化的開發(fā)階段。

常規(guī)的直井開發(fā)在大牛地致密低滲儲層中開發(fā)難度大，建產率低。為了擴大井筒泄氣面積，提高單井控制儲量和產能，并借鑒前期氣田開發(fā)的探索實踐，華北分公司工程技術研究院通過轉變理念、優(yōu)化設計、完善管理，不斷完善工程工藝措施，逐漸形成了滿足大牛地氣田致密低滲儲層有效開發(fā)的工程工藝技術措施。

目前，大牛地氣田主要以水平井開發(fā)為主，并已經建成國內第一個全部采用水平井開發(fā)的10×108m3產能氣田。但氣田主要采用裸眼管外封隔器＋投球分段壓裂以及水力噴射分段壓裂的改造技術措施，其工藝措施相對單一。根據(jù)國內外現(xiàn)場應用經驗水平井段內多裂縫壓裂可以通過一次或多次使用高強度水溶性暫堵劑臨時封堵前次壓裂形成的裂縫，迫使流體轉向來達到壓開多條新裂縫的目的，該技術在減少封隔器使用量的基礎上，可以有效增加壓裂改造體積，提高單井產量，為改善大牛地氣田低滲儲層的開發(fā)效果開辟了新的工藝技術途徑。

1 水平井分段壓裂工藝現(xiàn)狀與存在的問題

通過水平井分段壓裂開發(fā)在大牛地致密低滲氣層的探索、試驗和推廣，逐漸形成“以羥丙基瓜膠壓裂液體系為基礎，多級管外封隔連續(xù)分段壓裂為主，水力噴射分段壓裂為輔”的大牛地氣田水平井分段壓裂的開發(fā)模式。

1.1 裸眼管外封隔器分段壓裂

裸眼管外封隔器分段壓裂工藝通過裸眼封隔器與滑套開關實現(xiàn)裸眼水平井段多段連續(xù)壓裂，完井管柱和壓裂工具一體下入井內，施工過程中投入直徑大小不同的球，控制各級滑套打開，實現(xiàn)水平井的多段連續(xù)壓裂施工。

裸眼管外封隔器分段壓裂工藝的管柱一次性下入，不需要進行固井和射孔作業(yè)，減少對儲層基質的污染；而且多段壓裂施工可連續(xù)進行，施工周期縮短，作業(yè)成本降低。另外，施工過程中可以大排量作業(yè)，使其造縫充分而實現(xiàn)儲層的深度改造。但是該工藝在施工過中打開滑套時壓力變化有時不明顯，而且無法驗證封隔器是否有效座封；特別是對于裸眼井，裂縫起裂的位置只能確定在上下封隔器之間，具體位置無法確認；而且管柱永久留在井里，無法進行后續(xù)重復壓裂施工等作業(yè)。

1.2 水力噴射定點分段壓裂

水力噴射定點分段壓裂是集射孔、分段壓裂一體化，不用封隔器與橋塞等隔離工具，實現(xiàn)水力自動封隔，一趟管柱可以實現(xiàn)多段壓裂。具體施工過程中可分為拖動管柱和不動管柱兩種分段壓裂工藝。

該工藝技術的優(yōu)點在于射孔與壓裂聯(lián)作，一趟管柱可進行多段壓裂，減少了起下管柱作業(yè)的次數(shù)，而且適應于不同的完井方式（裸眼、篩管及套管完井）。但是水力噴射分段壓裂的各段之間不能可靠隔離，不能進行分段試油，施工砂比和施工排量的調整都存在局限性。

綜上所述，裸眼管外封隔器分段壓裂工藝技術是目前大牛地氣田水平井開發(fā)的主導工藝措施，得到廣泛的推廣應用，而水力噴射分段壓裂工藝則處于試驗和不斷完善階段。鑒于裸眼管外封隔器分段壓裂工藝的優(yōu)缺點，為了進一步降本增效，減少封隔器及壓裂滑套使用數(shù)量，降低小球級差數(shù)量，提高多級滑套內徑級差尺寸，同時考慮增加壓裂改造體積及改造效果，開展了新工藝——裸眼水平井段內多裂縫壓裂工藝的研究和應用試驗。

2 水平井段內多裂縫壓裂工藝

2.1 壓裂改造體積對產能的影響

數(shù)值模擬表明，儲層改造體積越大（以頁巖氣為例），壓后增產效果越明顯（圖1），SRV在不同取值下，累計產氣量呈現(xiàn)大幅上升趨勢，儲層改造體積與增產效果呈明顯的正相關性［1］。

圖1 頁巖氣不同改造體積下累計產量預測曲線圖

水平井封隔器分段內多裂縫壓裂技術是在裸眼封隔分段壓裂的基礎上，利用暫堵劑依次封堵先期壓裂形成的裂縫，使其不斷蹩壓而在段內發(fā)生多次起裂并延伸，形成多條新的裂縫，從而有效地擴大改造體積，增加泄油氣面積或范圍，進而提高壓裂改造程度和油氣增產效果。

2.2 段內分縫控制技術原理

水平井段內分縫控制技術的原理是在施工過程中實時地向地層中加入控制劑，控制劑在遵循流體向阻力最小方向流動原則的基礎上，進入地層中已經存在的裂縫內，產生濾餅并橋堵，形成高于地層裂縫破裂壓力的壓差值，從而使后續(xù)工作液發(fā)生蹩壓并壓破地層產生新裂縫。而產生橋堵的控制劑在施工完成后溶于地層水或者壓裂液，不對地層基質和支撐劑充填裂縫產生污染。

2.3 段內多裂縫壓裂

裸眼水平井段內多裂縫壓裂工藝是在兩個裸眼封隔器之間的分段內通過一次或多次使用高強度水溶性暫堵劑臨時封堵先前已加砂充填的裂縫，并提高縫內應力從而迫使流體轉向，達到壓開新裂縫的目的（圖2）。該技術的優(yōu)點在于，在不增加分段工具的基礎上，可以在施工過程中通過投送暫堵劑的次數(shù)與數(shù)量來實現(xiàn)每個分段內裂縫數(shù)量、間距與規(guī)模的控制。

圖2 段內2條縫與5條縫

在現(xiàn)場施工過程中，暫堵劑投送方式是壓裂完上一條裂縫后，關閉井口，地面高壓管線放壓，打開旋塞閥，利用混砂車將預先放置在管線中的暫堵劑低壓送入管線，關閉旋塞閥，打開井口，壓裂車正常泵送，開始壓裂施工（圖3）。

圖3 段內多裂縫體積壓裂工藝圖

2.4 段內裂縫干擾分析

裸眼水平井分段內多裂縫壓裂施工過程中，要在兩封隔器之間的每一單段內壓開多條裂縫，如果裂縫間距太小，則縫間干擾嚴重，影響施工效果。

根據(jù)局部效應原理，利用ABAQUS有限元分析軟件，模擬分析多條橫向裂縫間距對裂縫形態(tài)和壓后生產動態(tài)的影響，從而確定合理的裂縫間距，以發(fā)揮水平井最大產能［2－5］。分別模擬兩條橫向裂縫和多條橫向裂縫的情況，分析裂縫間距對裂縫寬度和流動阻力的影響［6］（圖4）。

圖4 兩條橫向裂縫縫寬和流動阻力計算結果

數(shù)值模擬表明：對于兩條橫向裂縫的情況而言，當裂縫間距dX大于縫高H的2倍時，裂縫間距對縫寬和流動阻力影響變小，即對裂縫的導流能力影響變小。

圖5 多條橫向裂縫縫寬和流動阻力計算結果

而對于多條橫向裂縫而言，當縫間距dX大于2倍縫高H時，裂縫間距對流動阻力影響最小，此時裂縫導流能力最大；而當縫間距dX大于1.5倍縫高H時，裂縫間距對縫寬影響變小。因此，水平井分段內多裂縫壓裂應盡可能將裂縫間距控制在大于2倍縫高的范圍，以降低裂縫間的干擾，提高裂縫的導流能力，進而提高壓厚增產效果。

3 水平井段內多裂縫壓裂的應用

以裸眼管外封隔器分段壓裂為基礎，依據(jù)水平井壓裂設計原則，結合分段內多裂縫壓裂施工情況，開展裸眼水平井分段內多裂縫壓裂工藝的現(xiàn)場試驗。

3.1 段內多裂縫壓裂設計依據(jù)

以水平井測、錄井顯示結果、隨鉆伽馬成果以及物探AVO數(shù)據(jù)和反演剖面等資料為依據(jù)，設計優(yōu)選物性較好、氣測全烴高、電性較好的井段為滑套噴砂器的位置；而物性較差的泥質砂巖、井徑變化較小、沒有明顯擴徑以及鉆時較長的井段為封隔器坐封位置。

另外，根據(jù)斷裂力學理論，水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低的層段優(yōu)先起裂，結合水平段測井解釋曲線、巖石力學參數(shù)解釋成果以及破裂壓力剖面分析，得出裂縫起裂點，合理設計分段內的裂縫條數(shù)。

3.2 段內多裂縫壓裂效果

截至目前為止，大牛地氣田共開展兩口水平井段內多裂縫壓裂（DPT－8和DPH－60）施工試驗。

DPT－8井水平段總長度為1200 m，設計7段17級壓裂改造，累計加砂量591.0 m3，累計入地總凈液量5166.9 m3，試氣產量（圖6），測壓計算無阻流量為5.4656×104m3／d。目前生產油壓6.2 MPa，套壓7.6 MPa，平均日產量為2.7515×104m3／d，185天累計產氣509.0219×104m3。

圖6 DPT－8井試氣產量示意圖

DPH－60井水平段總長度為1215 m，設計7段17級壓裂改造，累計加砂量665.0 m3，累計入地總凈液量5834.1 m3，壓后換2 3／8″生產管柱，試氣產量（圖7），測壓計算無阻流量達11.0990×104m3／d。目前生產油壓7.3 MPa，套壓8.7 MPa，平均日產量為4.5433×104m3／d，165天累計產氣749.6511×104m3。

圖7 DPH－60井試氣產量示意圖

4 認識與結論

水平井封隔器分段內多裂縫壓裂工藝在裸眼管外封隔器分段壓裂的基礎上，利用高強度水溶性暫堵劑來封堵先期壓裂形成的裂縫，迫使壓裂液蹩壓到高于另處的地層破裂壓裂而轉向壓破另處地層，形成新的裂縫。如此依次封堵先期裂縫而蹩壓壓開新的裂縫就可在裸眼水平井每段封隔器已分段內實現(xiàn)多裂縫壓裂，從而減少封隔器及壓裂滑套使用數(shù)量，降低坐封球體的級差數(shù)量，提高多級滑套內徑級差尺寸。這不僅能進一步降本增效，同時也增加了壓裂改造體積（裂縫數(shù)量），提高了壓裂改造效果，還為大牛地氣田致密低滲儲層的改造探索出了一條新途徑。但是，裸眼水平井封隔器分段內多裂縫壓裂工藝技術在大牛地氣田的應用才剛剛嘗試，還需要在更多的現(xiàn)場應用實踐中進行改進與完善，特別是在多裂縫之間的干擾以及對壓后產能的影響等方面還需要深入研究，以期為該工藝措施的推廣應用奠定基礎。

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（修改回稿日期 2013－05－15 編輯 文敏）

申貝貝，男，1986年出生，2012年畢業(yè)于西南石油大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事致密低滲油氣田儲層改造工藝研究。地址：（450006）河南省鄭州市隴海西路199號。電話：13837184899。E－mail：skxv＠163.com