川西地區(qū)小井眼水平井多級壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用

曹學(xué)軍，唐祖兵，李 暉，岳迎春，郭淑芬

（中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽 618000）

川西地區(qū)大部分儲層具有低孔、低滲、非均質(zhì)性強等特征，單井自然產(chǎn)能低［1］。前期川西氣田利用水平井提高砂體鉆遇率，以期提高單井產(chǎn)量和儲量動用程度，實現(xiàn)致密氣藏的高效開發(fā)［2］。同時，對于川西低品位儲層，水平井與壓裂工藝相結(jié)合才能發(fā)揮應(yīng)有的技術(shù)優(yōu)勢，使長水平段對單井產(chǎn)能做出貢獻。然而，前期的壓裂工藝受井下工具通徑、管柱結(jié)構(gòu)等限制，壓裂改造級數(shù)整體較少，難以達到對水平井段的充分改造。通過前期的水平井壓裂改造效果分析發(fā)現(xiàn)，不少井存在壓后高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期短、產(chǎn)量遞減快、投資成本高等難題。為此開展了小井眼水平井多級分段壓裂技術(shù)研究［3－5］，通過工具改進、管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及射孔參數(shù)和壓裂施工參數(shù)優(yōu)化［6－7］，大大增加了川西小井眼水平井分段壓裂級數(shù)和開發(fā)效益，壓后產(chǎn)能與鄰井直井相比，平均增產(chǎn)3.8倍左右。該技術(shù)為水平井的高效改造提供了有力的技術(shù)支撐。

1 小井眼水平井多級壓裂實施難點

對于水平井而言，為實現(xiàn)較長水平段的有效改造，增加壓裂改造級數(shù)是最主要的方式。而對于致密氣藏水平井而言，單條人工裂縫控制的泄流面積小，進一步對壓裂改造級數(shù)提出了更高的要求。川西致密儲層水平井受井筒條件、工具尺寸及工藝措施的影響，多級壓裂存在以下問題。

（1）封隔器內(nèi)徑較小，壓裂改造級數(shù)受限。川西地區(qū)水平井大多采用φ139.7 mm套管完井，采用Y241封隔器和φ73 mm油管組合，施工時需要通過從小到大依次投入不同直徑球來打開不同層位滑套以實現(xiàn)分段壓裂改造。原Y241封隔器是帶單向卡瓦、液壓座封、上提解封的水力壓差式封隔器，卡瓦尺寸限制了工具內(nèi)徑的進一步提升（內(nèi)徑最大46 mm），與噴砂滑套配合使用時，目前最多只能實現(xiàn)5段壓裂，無法滿足川西致密氣藏水平井對壓裂改造級數(shù)的要求。

（2）井眼小、位垂比大，工具下入較長，易發(fā)生管柱遇阻問題。川西致密砂巖水平井的井斜度較大，井眼軌跡比較復(fù)雜，原Y241封隔器在下放過程中當(dāng)外筒遇卡、遇阻噸位達到一定的時，封隔器座封銷釘在機械力的作用下被剪斷，導(dǎo)致封隔器提前座封，管柱無法下放問題，這不僅增加了管柱下放過程中的風(fēng)險，同時也增加了作業(yè)周期和施工成本。

2 小井眼水平井多級分段壓裂技術(shù)

2.1 封隔器改進及管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 封隔器改進

以投球打開滑套為主要方式的分段壓裂改造技術(shù)，其封隔器及配套工具的內(nèi)徑是提高分段級數(shù)的瓶頸所在，由于原來常用的Y241封隔器帶有單向卡瓦，卡瓦尺寸限制了工具內(nèi)徑的進一步提升（內(nèi)徑最大46 mm），不能滿足5段以上的分段壓裂。因此，為實現(xiàn)更多段壓裂的目的，對工具進行了改進（圖1）：①取消了單向卡瓦和反洗通道，其多出的內(nèi)部空間全部是中心管內(nèi)徑，這樣將封隔器長度由原來的1.5 m縮短至0.9 m，極大的增強了封隔器在小曲率半徑井內(nèi)的通過能力；②中心管壁厚減小為6 mm，內(nèi)徑增加為62 mm，大幅增加了封隔器內(nèi)徑與噴砂滑套配合使用時的壓裂級數(shù)；③通過優(yōu)選材質(zhì)，加強了工件的強度，中心管材質(zhì)由原來的35 CrMo改為42 CrMo，其機械性能進一步得到了提高。

圖1 改進后的水平井封隔器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水平井分段壓裂管柱的選擇主要考慮壓裂參數(shù)及后期排液、采氣等多方面因素。中淺層水平井的壓裂管柱前期試驗，主要采用外徑73 mm管柱或89 mm＋73 mm的組合管柱，經(jīng)優(yōu)化后，目前普遍采用的是外徑73 mm管柱。形成的水平井分段壓裂管柱主要由油管、封隔器、滑套和扶正器等部件組成。

（1）通過在管柱封隔器前后加裝旋轉(zhuǎn)扶正器（圖2），確保了管柱居中，提高了封隔器的密封效果。同時通過在管柱底界管鞋位置加裝滾珠引鞋（圖3），降低了管串起下時的摩擦力，且防阻、防卡、保證施工安全，使管串能順利入井。

圖2 旋轉(zhuǎn)扶正器示意圖

（2）優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)，保證了長時間壓裂的管柱穩(wěn)定性。針對分段水平井壓裂管柱在最上面一級的噴砂滑套附近加入水力錨，以固定整個施工管柱，并起到扶正作用，防止長時間施工對管柱的抖動造成井下工具疲勞受損。

圖3 滾珠引鞋示意圖

（3）根據(jù)封隔器內(nèi)徑，優(yōu)化噴砂滑套和開滑套球的尺寸組合，增加壓裂改造級數(shù)。通過增加新型Y341水平井壓裂封隔器內(nèi)徑、改變滑套內(nèi)徑和減小球的直徑，增加了管柱中球通過的數(shù)量，形成了在139.7 mm套管井中11級的滑套和球的組合方式。

通過上述優(yōu)化、改進研究，設(shè)計出一套適合于川西小井眼水平井壓裂的管柱結(jié)構(gòu)（自上而下）：油管掛＋油管＋丟手接頭＋多組（油管＋噴砂滑套＋接球座＋油管＋扶正器＋Y341封隔器＋扶正器）＋油管＋噴砂器（帶座封球座）＋接球座＋引鞋。

2.2 多級多縫壓裂工藝優(yōu)化設(shè)計

受井筒條件及工具限制，在139.7 mm套管內(nèi)，采用較小的級差設(shè)計，可以實現(xiàn)11級的分段壓裂。對于越來越長的水平井段，目前的級數(shù)仍然不能滿足儲層改造的需要。為了實現(xiàn)對長水平段的有效改造，提高加砂壓裂人工裂縫的效率，采用級間多縫的多級分段壓裂工藝，即分段壓裂＋限流壓裂工藝。

2.2.1 工藝基本原理

常規(guī)的分段壓裂是兩個封隔器間射一段孔，壓裂僅造一條裂縫。新的多級多縫壓裂技術(shù)在分析水平段物性條件和含氣性的基礎(chǔ)之上，在兩個封隔器間進行多簇射孔（射2～3段），便于后續(xù)壓裂施工時在兩個封隔器之間形成多條裂縫，增加整個水平井段的改造級數(shù)。以水平段實現(xiàn)16段造縫為例，若采用常規(guī)封隔器＋噴砂滑套分段壓裂技術(shù)，至少需15個封隔器，在現(xiàn)有139.7 mm套管條件下無法實現(xiàn)。但采用多級多縫工藝，僅需要7～8個封隔器，每段進行多簇射孔，即可實現(xiàn)16條縫的水平井分段壓裂目的（圖4），這大大節(jié)約了壓裂井下工具費用，提高了改造效果。

在限流法壓裂施工過程中，必須控制射孔孔眼摩阻的大小，使其達到設(shè)計要求，保證每條裂縫的順利開啟。目前，計算孔眼壓力降時，假設(shè)孔眼是一個柱狀通道，與地層連通性能好，且不考慮孔眼深度對摩阻的影響，計算公式為：

圖4 單級單段壓裂與單級多縫壓裂示意圖

式中：Ppf——孔眼摩阻，MPa；Q——施工排量，m3／min；ρ——液體密度，g／cm3；np——孔眼數(shù)，個；dp——孔眼直徑，mm；Cd——修正系數(shù)，0.8～1.0。

通過施工排量與射孔方式的優(yōu)化，實現(xiàn)了施工排量與孔眼摩阻之間的匹配，從而達到兩個封隔器之間的多級裂縫同時延伸的目的，實現(xiàn)對長水平段的充分改造。

2.2.2 施工排量優(yōu)化

在每兩個封隔器間按照限流原理射兩段孔，壓裂時通過排量控制實現(xiàn)每個射孔段都達到壓裂改造的目的。采用PT軟件，模擬相同加砂量、相同泵注程序下的壓裂支撐裂縫寬度。排量越大，產(chǎn)生的凈壓力越大，使裂縫變得更寬、更高，裂縫越寬越利于攜砂液的進入，減小縫內(nèi)摩阻。

為了防止限流壓裂中某條裂縫寬度不足而砂堵，需要一個極限縫寬。通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定的砂濃度范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫寬度與支撐劑粒徑的比值達到一定要求后，加砂才能順利進行，表1為不同砂濃度下的極限縫寬要求。水平井限流壓裂采用30／50目的支撐劑，支撐劑能濃度最高在30%左右時，根據(jù)計算縫寬需大于2.4 mm才能順利加砂。由圖5可知，單裂縫寬度要大于2.4 mm，排量要大于1.5 m3／min，為減小風(fēng)險，設(shè)計單縫排量大于2 m3／min。

表1 不同砂比時的縫寬要求

圖5 排量與裂縫寬度的關(guān)系

2.2.3 射孔方式優(yōu)化

射孔數(shù)量必須根據(jù)地面所能提供的最大施工排量、施工管柱結(jié)構(gòu)以及各目的層段的物性參數(shù)來確定?？紤]到水平井段在縱向上的波動，以及地層的非均質(zhì)性，各射孔段會存在一定的破裂壓力差值，此時最大炮眼摩阻要大于水平段壓力損失與最大、最小破裂壓力差值之和。表2中給出了不同排量、不同孔眼數(shù)量下的孔眼摩阻。在設(shè)計時，可根據(jù)水平段破裂壓力差異、施工排量，進行射孔孔眼數(shù)量優(yōu)化，從而使多簇射孔段都能起裂延伸。

表2 兩段限流壓裂排量、孔數(shù)與摩阻的關(guān)系

根據(jù)“射孔數(shù)量影響進液量，進液量決定裂縫幾何形態(tài)”的原則，為了使限流壓裂的多條裂縫形態(tài)大體相同，每段都得到充分改造，一個分級內(nèi)每個射孔段的射孔數(shù)量應(yīng)大致相同。同時，為防止單個射孔段內(nèi)產(chǎn)生多裂縫，需要減小射孔段的長度，射孔長度應(yīng)不超過0.5 m。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)川西致密氣藏的儲層特征，設(shè)計孔眼摩阻為5～8 MPa。同時，為保證加砂壓裂施工成功，根據(jù)極限縫寬理論，確定單縫最小排量為2 m3／min；兩條裂縫最小排量為4～5 m3／min；三縫為6～7 m3／min。

XS21－4H井為沙溪廟組水平井，采用多級多縫壓裂技術(shù)設(shè)計，采用3個封隔器進行4級10縫的壓裂工藝，成功完成180.5 m3支撐劑、1572 m3壓裂液的注入（圖6）。壓后在油壓22 MPa、套壓23 MPa的條件下，日產(chǎn)氣5.21×104m3，計算無阻流量21.64×104m3，增產(chǎn)倍比為鄰井直井壓后的6倍，效果良好。

圖6 XS21－4H井多級多縫加砂壓裂施工曲線

XP101－1H井為蓬萊鎮(zhèn)組水平井，采用多級多縫壓裂技術(shù)設(shè)計，采用9個封隔器進行10級18縫的壓裂工藝，成功完成339 m3支撐劑、2606 m3壓裂液的注入（圖7），為目前川西最多分段數(shù)壓裂施工。

4 結(jié)論與建議

（1）通過套管封隔器改進、滑套與球的組合優(yōu)化和分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了管柱在小井眼水平井內(nèi)的通過能力和壓裂級數(shù)，能夠滿足11級分段壓裂需要，有助于提高川西水平井改造效果。

圖7 XP101－1H井多級多縫加砂壓裂施工曲線

（2）通過射孔方式和壓裂施工參數(shù)優(yōu)化，將限流壓裂技術(shù)與封隔器＋滑套的水平井分段壓裂管柱相結(jié)合，形成了特有的小井眼水平井多級壓裂技術(shù)，同時，減少了封隔器、滑套等井下工具的使用數(shù)量，降低了施工成本，為致密氣藏的高效、經(jīng)濟開發(fā)提供了新的技術(shù)支撐。

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