偏心射孔對(duì)水平井壓裂的影響

謝榮華, 王文軍

(大慶油田有限責(zé)任公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

水平井固井射孔壓裂完井方式已廣泛為低滲透油氣藏、致密油氣藏和頁(yè)巖氣藏有效開發(fā)所采用。水平井射孔參數(shù)對(duì)壓裂裂縫形態(tài)及效果的影響問(wèn)題也日益受到關(guān)注。近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平井射孔參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究越來(lái)越重視,Simon等[1]提出了采用水平井定向射孔提高射孔效率和投產(chǎn)效果的方法;Seyed等[2]給出了大位移井射孔孔眼周圍應(yīng)力分布計(jì)算公式,分析了固井水泥環(huán)及巖石力學(xué)特性對(duì)應(yīng)力分布的影響,應(yīng)用建立的模型分析了射孔方位角、井筒方位角等對(duì)破裂壓力的影響,提出減小復(fù)雜裂縫的射孔優(yōu)化建議;Bunger等[3]給出了水平井分段壓裂射孔投產(chǎn)井參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法,重點(diǎn)對(duì)簇間距進(jìn)行了研究分析;郭建春等[4]給出了直井和水平井井筒附近應(yīng)力的計(jì)算方法和沿垂直方位射孔啟裂裂縫的破裂壓力計(jì)算公式;王磊、虞建業(yè)等[5-6]進(jìn)一步分析了井筒周圍應(yīng)力分布情況,認(rèn)為井筒周圍應(yīng)力分布不均會(huì)影響壓裂裂縫啟裂和延伸,并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析了射孔方位角和井筒方位角對(duì)破裂壓力的影響。2012年國(guó)外公司開始關(guān)注水平井非均勻射孔對(duì)壓裂的影響,Kirby等[7]提出了均勻射孔、均衡壓裂的理念和減少水平井射孔非均勻程度的相應(yīng)對(duì)策。水平井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)中通常都假設(shè)射孔炮眼孔徑均一,深度相同,但在實(shí)際水平井射孔施工中,由于存在射孔不均一的問(wèn)題,會(huì)對(duì)水平井壓裂裂縫產(chǎn)生影響。本文針對(duì)水平井射孔槍偏心和水泥環(huán)偏置導(dǎo)致井筒上下方向射孔不均勻的問(wèn)題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和定量分析,研究了偏心射孔對(duì)孔徑、穿深及壓裂的影響。

1 水平井偏心射孔問(wèn)題

水平井射孔方式主要有電纜泵送射孔槍傳輸射孔和油管(連續(xù)油管)傳輸射孔等2種方式。無(wú)論采用哪種方式,由于重力作用,射孔槍通常都貼靠在套管下部,造成不同方向射孔的孔徑和穿深不同。在固井過(guò)程中,由于重力作用,水平段上部油層套管與井筒的間隙較大,水泥環(huán)較厚,下部油層套管與井壁的間隙小,水泥環(huán)較薄,套管和水泥環(huán)存在偏心的情況,加劇了水平井射孔偏心的嚴(yán)重程度,導(dǎo)致對(duì)孔徑和穿深的影響更加明顯[2,8]。

水平井常規(guī)射孔中,射孔槍靠近套管下部一側(cè)的孔眼直徑大,穿深大;離射孔槍較遠(yuǎn)的套管上方的孔眼直徑小,穿深小(見圖1)。在水平井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)中,人們更多地關(guān)注射孔參數(shù)優(yōu)化,如射孔簇?cái)?shù),每簇孔數(shù)、長(zhǎng)度、孔密和位置,簇間距及射孔相位等,通常假設(shè)射孔孔眼大小相等、壓裂過(guò)程中進(jìn)液量相等,忽視了偏心射孔造成在井筒周向射孔孔徑尺寸不均、穿深不同的問(wèn)題。水平井偏心射孔對(duì)射孔孔徑、穿深以及后期壓裂裂縫啟裂和延伸的影響未引起廣泛的注意。

圖1 重力作用下射孔槍和套管在水平井中的偏心示意圖

2 水平井偏心射孔對(duì)射孔孔徑和穿深的影響

斯倫貝謝公司室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)資料顯示,常規(guī)射孔(射孔槍86 mm、裝藥量23 g)在5.5 in*非法定計(jì)量單位, 1 in=25.4 mm,下同模擬水平井套管中射孔的孔眼直徑可差1倍以上(見圖2、表1)。設(shè)計(jì)的孔眼直徑為0.36 in,面積為0.1 in2,而實(shí)際射孔后周向孔眼直徑和面積變化率分別達(dá)到35.7%和63.8%。

圖2 水平井偏心射孔周向孔徑變化室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

相位/(°)流體間隙/mm平均孔徑/mm孔眼面積/mm205 113 2135 56012 711 7109 712027 96 432 318038 16 132 324027 96 432 330022 911 7109 7平均9 275 3變化35 7%63 8%

大慶油田對(duì)水平井偏心射孔的影響進(jìn)行了95型射孔槍裝YD89彈在5.5 in套管內(nèi)水泥靶射孔實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明,在水平井段射孔槍緊靠套管的下部,射孔孔徑可達(dá)12 mm,深度約800 mm;上部射孔孔徑僅4 mm,深度約500 mm(見表2)。

表2 95型射孔槍裝YD89彈5.5 in套管偏心打靶實(shí)驗(yàn)

3 偏心射孔對(duì)水平井壓裂裂縫啟裂和延伸的影響

在統(tǒng)一考慮井筒軌跡、射孔、水泥環(huán)和地層模型基礎(chǔ)上,研究偏心射孔對(duì)裂縫啟裂和延伸的影響。

3.1 水平井射孔井筒周圍應(yīng)力分析

考慮井軸坐標(biāo)系中水平井井筒周向應(yīng)力(σt)、正應(yīng)力(σx、σy、σz)和剪應(yīng)力分量(τrθ′、τrz′、τθz′)和井筒內(nèi)壓(pw)的情況,當(dāng)水平井筒軸線沿最小主應(yīng)力σh方向時(shí),φ=90°,σx=σv、σy=σH、σz=σh時(shí),由未射孔圓柱型井筒應(yīng)力場(chǎng)及射孔孔眼形成的應(yīng)力場(chǎng)疊加而成的射孔完井水平井筒應(yīng)力場(chǎng)(見圖3)可由式(1)表達(dá)

σr′=pw+δφ(pw-pp)

σθ′=-2pw(1+cos 2θ′)+(σv+σH)(1+2cos 2θ′)+

σh(1-2cos 2θ′)-2(σv-σH)[ν(1-2cos 2θ′)+

σz′=pw+δφ(pw-pp)-2νcos 2θ′[σh-σv-σH+

pw+2(1-ν)(σv-σH)]-4ντθzsin 2θ′-

τrθ′=τrz′=τθz′=0

(1)

式中,σr為水平井筒徑向應(yīng)力,MPa;σθ為水平井筒切向應(yīng)力,MPa;σz為水平井筒軸向應(yīng)力,MPa;σv為上覆地應(yīng)力,MPa;σr′為水平井筒射孔孔眼的徑向應(yīng)力,MPa;σθ′為水平井筒射孔孔眼的切向應(yīng)力,MPa;σz′為水平井筒射孔孔眼的軸向應(yīng)力,MPa;τrθ′、τθz′和τrz′分別為井壁處相應(yīng)方向的剪應(yīng)力分量,MPa;θ為射孔軸線與井筒半徑方向的夾角,(°);φ為相位角,(°);α=為Biot系數(shù);φ為孔隙度;ν為泊松比;δ為滲透性系數(shù),對(duì)于滲透性地層,δ=1,對(duì)于非滲透性地層,δ=0;pp為初始地層孔隙壓力,MPa;pw為井筒內(nèi)壓力,MPa。

圖3 水平井射孔井筒幾何模型和應(yīng)力分布示意圖

對(duì)于滲透性儲(chǔ)層(δ=1),當(dāng)射孔孔眼與井筒垂直(θ=0°),令K=φ(1-ν)/(1-2ν),周向應(yīng)力(σt)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(1-6ν)σv+(6ν-3)σH+3σh-

3K(pw-pp)-αpp=-σt

(2)

從式(2)可以看出,射孔炮眼在井壁上的周向應(yīng)力為最大,隨著與井筒距離增大,周向應(yīng)力隨之降低,并趨近于主應(yīng)力。以大慶葡萄花及扶余油層水平井為例,應(yīng)用式(2)分析射孔孔眼端部的周向地應(yīng)力。對(duì)于沿水平最小主應(yīng)力方向布置埋深1 800 m水平井筒,采用外徑140 mm套管固井完井,垂直于井軸的水平應(yīng)力(σx)為35 MPa,垂向主應(yīng)力(σz)為41 MPa,由式(2)計(jì)算可得到井筒上下方向射孔深度和井筒半徑之比(L/r,L為射孔穿深,mm;r為井筒半徑,mm)與地應(yīng)力的關(guān)系曲線(見圖4),計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果見表3,σ(35,41)為在此條件下的水平井筒垂向的孔端應(yīng)力。由表3可以看出,射孔穿深越大,孔端應(yīng)力越接近地層水平主應(yīng)力,當(dāng)射孔穿深超過(guò)6倍井筒半徑(≥420 mm),孔端的應(yīng)力僅比水平主應(yīng)力高1 MPa;射孔穿深越小,孔端需克服的地應(yīng)力值明顯增加,當(dāng)射孔穿深不足3倍井筒半徑(<210 mm)時(shí),會(huì)出現(xiàn)難以壓開的情況。

3.2 偏心射孔對(duì)孔眼壓開程度及破裂壓力的影響

圖4 水平井垂向射孔深度與孔端應(yīng)力圖

L/r012345678910σ(35，41)/MPa6443 939 137 336 936 536 135 835 635 535 4

當(dāng)水平井由于射孔槍偏心、套管偏置及水泥環(huán)上下不均導(dǎo)致不同方向射孔不均勻時(shí),在上述算例條件下,當(dāng)向上的射孔穿深小于3倍井筒半徑時(shí),就會(huì)出現(xiàn)壓不開的現(xiàn)象。

引入上下射孔非均勻指數(shù)f,定義

(3)

式中,Lup為向上的射孔穿深,mm;Ldown為向下的射孔穿深,mm。在水平井筒中,f<1。

在外徑140 mm套管的水平井中,普遍使用95型射孔槍,通過(guò)貝雷砂巖靶試驗(yàn)測(cè)試可知,其正常情況下射孔最大穿深可達(dá)800 mm。在水平井中由于受偏心射孔的影響,向下和向上射孔穿深將受到射孔槍偏心、套管偏置及水泥環(huán)偏心程度的影響而變化。壓裂時(shí)孔眼被壓開的破裂壓力可簡(jiǎn)化為孔端應(yīng)力與巖石抗張強(qiáng)度之和。通常情況,水平井筒上下巖石抗張強(qiáng)度相等,由此可得到f與上下射孔端破裂壓力差值的關(guān)系曲線(見圖5)。

常規(guī)壓裂施工時(shí),井底凈壓力(井底壓力與水平最小主應(yīng)力差)通常小于2 MPa,由圖5可以看出,在f<0.3的水平井射孔偏心情況下,上下孔之間的破裂壓力差值(Δσ)已超過(guò)2 MPa,上部孔眼難以壓開,會(huì)出現(xiàn)裂縫單向延伸的問(wèn)題。

圖5 射孔非均勻指數(shù)與上下孔端破裂壓力差關(guān)系圖

對(duì)于分簇射孔壓裂井段,常規(guī)電纜泵送射孔槍無(wú)法在井筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位,使得不同簇的射孔方位角隨機(jī)發(fā)生變化,如采用大相位角(180°)射孔,簇間的破裂壓力同樣會(huì)因射孔槍方位變化而產(chǎn)生較大差別,在多段同時(shí)壓裂過(guò)程中,則有可能出現(xiàn)射孔穿深總體較小的簇難以被壓開的情況,這將導(dǎo)致部分井段無(wú)法達(dá)到壓裂改造效果的嚴(yán)重后果。

3.3 偏心射孔對(duì)裂縫延伸的影響

對(duì)于被壓開的水平段上部孔眼,當(dāng)裂縫從孔眼端部延伸出去后,隨著與井筒距離的增大,所需克服的地應(yīng)力將與下端的延伸縫相近。但是,射孔偏心作用仍然會(huì)嚴(yán)重影響裂縫的延伸,產(chǎn)生上下方向裂縫延伸不對(duì)稱的現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:①上部孔眼小,當(dāng)施工排量較大時(shí),產(chǎn)生的節(jié)流壓差將明顯大于下部孔眼,減少了上部孔眼的單孔分流排量,導(dǎo)致上下孔眼進(jìn)液量不均勻,形成上下延伸不等的非對(duì)稱裂縫;②上部孔眼端部應(yīng)力相對(duì)較大,裂縫口狹窄,易在縫口產(chǎn)生砂堵,阻止裂縫向上部延伸,加劇了裂縫的非對(duì)稱性。

壓裂過(guò)程中,壓裂液通過(guò)單個(gè)孔眼的摩阻Ppf可用式(4)計(jì)算

(4)

式中,Ppf為壓裂液通過(guò)單個(gè)孔眼的摩阻,MPa;ρ為流體密度,kg/m3;Qi為單孔排量,m3/min;Dp為孔眼直徑,m;Cp為孔眼流量系數(shù),無(wú)量綱。

對(duì)于水平井同一段壓裂井段,假設(shè)上下孔眼位置的巖石物性相同,對(duì)于已壓開的裂縫,裂縫延伸端部的壓力相同,則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同,可推導(dǎo)出流經(jīng)上下孔眼的流量關(guān)系

(5)

式中,Qi,down為水平井筒下部的單孔排量,m3/min;Qi,up為水平井筒上部的單孔排量,m3/min;Dp,down為水平井筒下部的孔眼直徑,m;Dp,up為水平井筒上部的孔眼直徑,m。壓裂時(shí),流經(jīng)上下孔眼的流量比等于孔眼面積比的平方。

對(duì)于每一個(gè)孔眼產(chǎn)生的延伸裂縫的體積,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),按照上下孔眼直徑相差1倍計(jì)算,在上下部射孔孔眼數(shù)相同的情況下,下部孔眼的進(jìn)液量可達(dá)到上部孔眼的4倍,壓裂裂縫規(guī)模也將近似相差4倍。

裂縫的非均勻延伸將影響壓裂效果。對(duì)于葡萄花儲(chǔ)層水平井穿層壓裂,如果目標(biāo)層在上部,上部裂縫延伸規(guī)模小,將難以實(shí)現(xiàn)有效穿層。對(duì)于有底水的水平井,裂縫過(guò)度向下延伸,可能會(huì)導(dǎo)致油井壓后大量產(chǎn)水。此外,裂縫過(guò)度向下延伸,超過(guò)儲(chǔ)層后,易導(dǎo)致儲(chǔ)層下部無(wú)效沉砂,降低儲(chǔ)層內(nèi)的有效裂縫支撐,影響壓裂效果。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,分析了水平井在固井和射孔過(guò)程中由于重力作用引起射孔槍偏心和水泥環(huán)偏置導(dǎo)致井筒上下方向射孔不均勻的問(wèn)題。偏心射孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水平段井筒上部和下部的孔徑和穿深差異大。

(2) 在射孔完井水平井筒應(yīng)力模型理論計(jì)算基礎(chǔ)上提出了定量表征水平井偏心射孔影響的射孔非均勻指數(shù)(f)并給出計(jì)算方法,可以用來(lái)定量描述非均勻射孔對(duì)孔眼直徑、穿深及上下孔眼破裂壓力差的影響,為研究分析偏心射孔對(duì)裂縫起裂和延伸的影響提供了手段。

(3) 實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)射孔穿深小于3倍井筒半徑時(shí),會(huì)出現(xiàn)難以壓開的情況;當(dāng)射孔非均勻指數(shù)小于0.3時(shí),上下孔眼破裂壓力差將大于2 MPa,致使上部孔眼難以壓開,即使能夠壓開上部裂縫,也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的上下裂縫面非均勻延伸、上部裂縫口狹窄、易出現(xiàn)砂堵風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

(4) 建議加強(qiáng)水平井射孔實(shí)際效果測(cè)試及測(cè)井診斷,進(jìn)一步確定射孔槍偏心對(duì)射孔及壓裂施工的影響;即使采取射孔槍扶正等措施,也不能完全消除由于水平井固井水泥環(huán)偏置引起的非均勻射孔問(wèn)題,建議加強(qiáng)超深穿透等徑射孔技術(shù)研究攻關(guān),提高水平井射孔有效性,消除射孔非均勻效應(yīng)的影響。

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