深層天然氣裸眼水平井分層多級大規(guī)模壓裂診斷技術(shù)

韓丹丹

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

深層天然氣裸眼水平井分層多級大規(guī)模壓裂診斷技術(shù)

韓丹丹

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

針對近年深層火山巖勘探目標(biāo)從徐中區(qū)塊向安達(dá)、肇州及徐東區(qū)塊轉(zhuǎn)移，并逐步進(jìn)入在常家圍子、古龍鶯山和雙城斷陷。但受儲層物性條件差、區(qū)域構(gòu)造條件復(fù)雜影響，壓裂改造難度進(jìn)一步增大，增產(chǎn)效果不明顯。以往垂直井壓后單井產(chǎn)量低，壓后一般日產(chǎn)氣小于二萬方，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能突破。通過水平鉆井方式，達(dá)到提高儲層動用程度目的。通過對水平井裸眼井段開展分段壓裂試驗(yàn)，提高單井產(chǎn)能，探索深層氣水平井裸眼管外封隔器滑套式多段壓裂工藝，探索深層氣水平井大規(guī)模壓裂施工工藝，開展與裸眼分段壓裂相配套的地面流程及現(xiàn)場施工工藝試驗(yàn)。初步形成了以設(shè)計(jì)優(yōu)化、現(xiàn)場施工控制技術(shù)及配液壓裂組織保障等的綜合控制技術(shù)措施，有效保證了該類復(fù)雜儲層大規(guī)模施工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提高了改造效果。進(jìn)一步配套了大慶油田深層火山巖水平井復(fù)雜巖性增產(chǎn)工藝，也為同類氣藏的壓裂開發(fā)提供了借鑒。

增產(chǎn);裸眼;分段壓裂

0 引 言

大慶深層火山巖儲層主要層位為營城組營四段礫巖及營城組中基性火山巖。營城組砂礫巖厚度大、分布廣、普遍含氣，孔隙度一般為3%～5%，主要分為一類儲層區(qū)，直井可獲工業(yè)氣流，基本探明，二類儲層區(qū)，直井低產(chǎn)，水平井可獲得工業(yè)氣流。營四段砂礫巖儲層主要屬于二類儲層，橫向分布穩(wěn)定，普遍含氣，基本不含水，垂直井單井產(chǎn)量低，壓后一般日產(chǎn)幾百立方米至一二萬立方米，砂礫儲層類型分類情況見表1。

表1 砂礫儲層類型分類表

中基性火山巖主要分布在安達(dá)和徐南區(qū)塊，從儲層物性上分析，中基性火山巖抗風(fēng)化能力弱，以小孔隙為主(核磁、薄片)，孔隙連通性差，滲透率低；裂縫發(fā)育差，造成可動流體飽和度低，推算中基性火山巖可動流體孔隙度為0.14%，按可動流體飽和度劃分屬于四類儲層，直井增產(chǎn)改造效果不好[1]。

2013～2014年，開始通過水平鉆井的方式，達(dá)到提高儲層動用程度目的，并探索應(yīng)用深層氣水平井裸眼分層多段壓裂工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對該類儲層產(chǎn)能突破；裸眼分層多段壓裂，是利用管外封隔器將裸眼段分成幾段，逐級投鋼球逐層進(jìn)行壓裂改造，提高單井產(chǎn)量。分層壓裂可以省略作業(yè)困難的水平井固井以及水平井射孔，節(jié)省時間和作業(yè)費(fèi)用。在徐深平XX、宋深XX、宋深平XX成功完成了壓裂施工，最高實(shí)現(xiàn)了3段壓裂，最大規(guī)模達(dá)到200 m3。

2015年繼續(xù)完善應(yīng)用水平井裸眼分層多段壓裂工藝技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)營四段礫巖及中基性火山巖儲層產(chǎn)能突破；重點(diǎn)開展了深層低豐度致密砂礫巖裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)攻關(guān)。針對裸眼井段開展分段壓裂試驗(yàn)，提高單井產(chǎn)能，探索深層氣水平井裸眼管外封隔器滑套式多段壓裂工藝，探索深層氣水平井大規(guī)模壓裂施工工藝，開展與裸眼分段壓裂相配套的地面流程及現(xiàn)場施工工藝試驗(yàn)。在徐深CPXX(5段)、徐深平XX(7段)、達(dá)深CPXX(5段)井成功完成了壓裂施工，最高實(shí)現(xiàn)了7段壓裂，最大規(guī)模達(dá)到570.5 m3，壓后達(dá)深CPXX井日產(chǎn)氣5.5×104m3，徐深CPXX井2.2×104m3。

針對水平井裸眼分層多段大規(guī)模壓裂，我們主要從壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化和現(xiàn)場施工控制技術(shù)、配液運(yùn)砂和壓裂組織生產(chǎn)等方面開展工作。

1 壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 裂縫參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)水平井壓裂裂縫造縫機(jī)理研究成果，水平井壓裂裂縫主要有3種形態(tài)：橫向縫、縱向縫和水平縫；最佳裂縫形態(tài)為與水平井段正交橫向縫。

水平井多段裂縫的間距主要有5種類型，如圖1所示。

圖1 水平井裂縫間距示意圖

根據(jù)研究結(jié)果表明：不同的裂縫間距組合對裂縫的累積產(chǎn)能影響較大。模擬結(jié)果表明：當(dāng)水平井筒根部和端部的裂縫間距小、內(nèi)部的裂縫間距大時產(chǎn)量最高(情形d)；反之，產(chǎn)量最小(情形e)。位于兩段的裂縫產(chǎn)能大于內(nèi)部裂縫的產(chǎn)能；經(jīng)過一段時間后，由于裂縫的干擾內(nèi)部裂縫流動區(qū)域的壓力下降大，而外部裂縫具有更大的泄油面積，所以外部裂縫的產(chǎn)能將占主導(dǎo)地位[2]。

通過對水平井井眼軌跡、地應(yīng)力分布特征分析，同時結(jié)合測、錄井資料，盡量確保每條裂縫形態(tài)為與水平井段保持正交的橫向縫。且根據(jù)目的層段的分布，優(yōu)化水平井裂縫的間距，盡量確保為間距兩端小中間大(情形d)的類型，以達(dá)到最佳的壓裂效果。

1.2 壓裂工具優(yōu)選

通過對國內(nèi)外水平井壓裂工具的調(diào)研，從工具參數(shù)、性能、價(jià)格等多方面對比，最終優(yōu)選了美國貝克石油工具公司的Frac-point系統(tǒng)、北京華油油氣技術(shù)開發(fā)有限公司裸眼封隔器及投球工具和四機(jī)賽瓦公司的MR-3D封隔器[3]。

達(dá)深CPXX、徐深XX井采用美國貝克石油工具公司的Frac-point系統(tǒng)將水平段分隔為五段，連續(xù)逐層進(jìn)行壓裂改造，如圖2所示。

徐深平XX井采用北京華油油氣技術(shù)開發(fā)有限公司裸眼封隔器將水平段分隔為七段，連續(xù)逐層進(jìn)行壓裂改造。壓裂施工時，通過投堵不同尺寸的高強(qiáng)度球逐層打壓打開裸眼滑套，進(jìn)行連續(xù)分層壓裂作業(yè)，如圖3所示。

圖2 達(dá)深CPXXX井壓裂管柱示意圖

圖3 徐深平XX井壓裂管柱示意圖

2 現(xiàn)場施工控制技術(shù)

2.1 投球打套工藝技術(shù)

水平井裸眼分層多段壓裂工藝技術(shù)采用一次性下入壓裂工具到井底，通過投球打套，逐次打開各級滑套實(shí)現(xiàn)分段壓裂。壓裂通道的開啟通過安裝在水平段管串的球座來控制。首先，地面提高壓力打開底部壓力滑套進(jìn)行壓裂施工，施工結(jié)束后，投入一個堵塞球打開上部投球滑套進(jìn)行第二段壓裂施工，后續(xù)層段分別投入較大尺寸堵塞球，打開相應(yīng)壓裂通道實(shí)施逐級分段壓裂。

該工藝是在主壓裂施工加砂結(jié)束時投球，采用膠塞低排量攜帶，再采用高排量追球，球到井底后，憋壓，利用壓差剪斷銷釘，打開滑套，進(jìn)行下一層壓裂施工。該技術(shù)通過投球打套逐級分段壓裂，既縮短了壓裂施工周期，提高了壓裂施工的效率；又通過主壓裂結(jié)束時采用膠塞追球的方式替擠，以免過量替擠，有利的保證了壓裂施工的效果[4]。

該工藝技術(shù)在達(dá)深CPXX和徐深XX井中成功應(yīng)用，達(dá)深CPXX井五段壓裂施工，五次投球打套，均有壓力顯示；徐深XX井7段壓裂施工，7次投球打套，均有壓力顯示；取得了較好的效果。

2.2 測試壓裂診斷技術(shù)

水平井水平段地應(yīng)力特征不明確，裸眼分段壓裂裂縫起裂位置也不能明確，施工時主要依靠測試壓裂診斷技術(shù)判斷裂縫起裂、延伸特點(diǎn)，為合理采取控制措施、保證施工順利提供依據(jù)，診斷參數(shù)見表2。

現(xiàn)場通過小型測試壓裂加強(qiáng)對各儲層進(jìn)一步的認(rèn)識，根據(jù)測試壓裂解釋參數(shù)，確定裂縫延伸特征；針對裂縫延伸規(guī)律，制定主壓裂相應(yīng)的控制措施。

2.3 主壓裂施工控制技術(shù)

水平井裸眼滑套多段壓裂主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：1)裸眼水平段較長，壓裂施工時易導(dǎo)致多裂縫產(chǎn)生，不利于主裂縫形成，工藝難度大；2)水平井近井裂縫易發(fā)生轉(zhuǎn)向，裂縫轉(zhuǎn)向處縫寬偏窄存在附加摩阻，致使地面壓力較高、加砂困難，對設(shè)備性能要求較高。

針對以上技術(shù)難點(diǎn)，通過測試壓裂解釋進(jìn)一步認(rèn)識地層；結(jié)合測試壓裂解釋參數(shù)，現(xiàn)場主壓裂主要采取以下控制措施：1)針對微裂縫發(fā)育、縫口偏窄等技術(shù)難點(diǎn)，采用靜態(tài)膠塞和多段粉砂處理;2)針對裂縫高度過高，采取動態(tài)膠塞控縫高；3)針對近井易形成多裂縫且易發(fā)生轉(zhuǎn)向；采取低砂比長時間處理措施；4)在主壓裂施工過程中，采取“短砂段臨界砂比”判斷方法，確定安全加砂界限；5)根據(jù)施工壓力變化，采取實(shí)時變排量處理措施，確保壓裂施工順利進(jìn)行。

表2 2014年水平井測試壓裂診斷參數(shù)表

徐深CPXX井4-3號層，主壓裂施工曲線如圖4所示。

根據(jù)測試壓裂解釋壓前打入動態(tài)膠塞11.0 m3，靜態(tài)膠塞3.0 m3，控制縫高和處理多縫；前置液階段，粉砂三段加入，有一定效果。加砂程序7-10-14%，加砂初期壓力降低明顯，14%砂比施工一段時間，壓力上升，有脫砂顯示，降排量至3.0 m3/min，壓力還是緩慢上升，并有加劇趨勢，砂比降到10%，觀測壓力特征。到底后壓力上升變緩，排量繼續(xù)降低到2.7 m3/min，之后壓力緩慢上升，再把排量降到2.3 m3/min施工，觀測壓力變化特征，壓力上升速度變緩，共加入29 m3陶粒，設(shè)計(jì)規(guī)模30 m3。

圖4 徐深CPXX井4-3號層主壓裂施工曲線

3 配液運(yùn)砂和壓裂組織生產(chǎn)保障

水平井裸眼滑套分層多段壓裂除了以上技術(shù)難點(diǎn)外，還存在由于壓裂施工規(guī)模大，施工時所需液量、砂量較大，是常規(guī)壓裂施工的十幾甚至幾十倍，對配液、混砂是一個極大考驗(yàn)。為了最大化提高大規(guī)模壓裂效果，從技術(shù)保障、綜合配液、壓裂現(xiàn)場施工組織等幾個方面，深入剖析難點(diǎn)、積極備戰(zhàn)，制定應(yīng)對措施，全力保障大型壓裂的施工效果。

3.1 綜合配液及運(yùn)砂保障方面

1)對于液量小于1 500 m3的井，采用在配液廠配液，反復(fù)拉運(yùn)的方式，就能保證正常施工；液量大于1 500 m3的井，就近選幾口水源井，組織現(xiàn)場配液，多準(zhǔn)備落地罐，現(xiàn)場配液能力保證2～3 m3/min，滿足施工需求，保證每層緊密銜接。

2)對于砂量小于120 m3的井，采用砂罐拉運(yùn)的方式，就能保證正常施工；砂量大于120 m3的井，采用托板車?yán)暗浆F(xiàn)場，對施工完的砂罐現(xiàn)場進(jìn)行裝砂，滿足大砂量的施工需求，保證每層緊密銜接。

3)充分做好施工的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，與生產(chǎn)運(yùn)行部協(xié)調(diào)溝通，對大規(guī)模壓裂井所需使用的配液點(diǎn)，提前一天開展設(shè)備檢查、清潔配液池、各種管線，儲備充足的生產(chǎn)用水，保證施工順利進(jìn)行。

3.2 壓裂施工保障方面

1)抽調(diào)最好的壓裂設(shè)備車組，技術(shù)部門選派技術(shù)較強(qiáng)的工程技術(shù)人員投入到施工中，不論是設(shè)備性能技術(shù)力量都得到了進(jìn)一步的保障，為大型壓裂井施工提供設(shè)備和技術(shù)保障。

2)在施工技術(shù)上，施工前技術(shù)部門組織施工相關(guān)工程技術(shù)人員認(rèn)真討論施工方案，做到“三點(diǎn)三清楚”：落實(shí)有關(guān)疑點(diǎn)，找到施工難點(diǎn)，提出預(yù)防重點(diǎn)；清楚施工技術(shù)要求，清楚預(yù)壓層地質(zhì)特點(diǎn)，清楚施工時出現(xiàn)異常情況應(yīng)采取的補(bǔ)救措施，做到施工時心中有數(shù)，預(yù)防事故發(fā)生，保證各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的有效實(shí)施。

3)在施工(大型壓裂)井過程中，各級領(lǐng)導(dǎo)干部靠前指揮，統(tǒng)籌安排、統(tǒng)一行動確保了壓裂施工的順利進(jìn)行。施工前派專人多次進(jìn)行現(xiàn)場勘查，落實(shí)基液存儲能力儲存罐的擺放，確定多組壓裂車定位擺放的地點(diǎn)，混砂車位置的擺放是否能夠滿足連續(xù)加砂要求。經(jīng)過努力實(shí)現(xiàn)了壓裂液拉運(yùn)數(shù)千立方米，連續(xù)加砂數(shù)百立方米的施工能力，保證了大型壓裂井的施工要求[6]。

通過以上措施的制定，通過對三口水平井裸眼滑套分層多段大規(guī)模壓裂的現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的效果，基本驗(yàn)證了壓裂設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工控制技術(shù)的適用性。其中徐深平XX井創(chuàng)造了深層氣水平井壓裂施工四“最”：總規(guī)模最大570.5 m3支撐劑；總液量最多5291.3 m3；單層加砂最多130.5 m3；分層段數(shù)最多7段。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1)針對水平井裸眼分層多段壓裂，初步形成了以設(shè)計(jì)優(yōu)化、現(xiàn)場施工控制技術(shù)及配液壓裂組織保障等的綜合控制技術(shù)措施，有效保證了該類復(fù)雜儲層大規(guī)模施工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2)上述技術(shù)的成功應(yīng)用，進(jìn)一步配套了大慶油田深層火山巖水平井復(fù)雜巖性增產(chǎn)工藝，也為同類氣藏的壓裂開發(fā)提供了借鑒。

[1] 米卡爾J.?？酥Z米德斯. 油藏增產(chǎn)措施[M].石油工業(yè)出版社，2002:120-177.

[2] 王鴻勛，張士誠. 水力壓裂設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算方法[M]，1998:105-166.

[3] 曹寶軍,李相方,姜子杰，等. 壓裂火山巖氣井不對稱裂縫產(chǎn)能模型研究[J]，天然氣工業(yè). 2009, 29(8):79-81.

[4] 王艷麗，壓裂壓力曲線解釋方法研究[D].中國石油大學(xué)(華東)，2007.

[5] 潘林華，張士誠，程禮軍,等. 水平井“多段分簇”壓裂簇間干擾的數(shù)值模擬[J]，天然氣工業(yè)，2014, 34(1):74-79.

[6] MORROW R N.Physics and Thermodynamics of Capillary Action in Porous Media[J]. Industrial and Engineering Chemistry Re-search, 1970,62(6):32- 56.

Diagnosis Technology Application in Large-scale Staged Fracturing Operation on Open-hole Horizontal Well in Deep Gas Reservoir

HAN Dandan

(DaqingOilFieldCo.Ltd.TestingTechnicalServiceCompany,Daqing,HeiLongjiang163153,China)

In recent years, the exploration target of deep extrusive rock transferred from Xu Zhong block to Anda, Zhaozhou and Xu Dong block, and gradually enters Changjiaweizi, Gulong Yingshan and Shuangcheng fault depression. But affected by the bad conditions in reservoir physical property and complicated regional tectonic conditions, the difficulties of fracture reconstruction has further increased, which makes the yield-increasing effect unapparent. The well production rate of vertical well after killing in the past is low and the general daily gas after killing is less than twenty thousand cubic meters, which means the capacity is more difficult to achieve a breakthrough. While through the horizontal well drilling method, the purpose of improving producing reservoirs is achieved. Through the partition fracturing test to the open hole of the horizontal well section, the well production rate can be improved. And also, the sliding sleeve type partition fracturing process of open hole packer and the large scale fracturing construction technology of deep gas horizontal well can be explored, so that the surface process flow and site construction technology test matching with the open partition fracturing can be developed. Integrated control technology measures of design optimization, site construction control technology and fluid distribution fracturing guarantee are initially formed, which can effectively guarantee the realization of the large-scale construction target of such kind of complex reservoirs, and improve the transformation effect. What’s more, the process for increasing production of complex lithology of deep volcanic rock horizontal well in Daqing Oilfield is also matched, and the reference for fracturing development of similar gas reservoirs is also provided.

increase production; open-hole; staged fracturing

韓丹丹，女，1987年生，2009畢業(yè)于東北石油大學(xué)，目前主要從事資料解釋工作。E-mail:117261735@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2016)06-0075-05

2016-02-26 編輯：馬小芳)