摘要：水平井分段改造是扭轉(zhuǎn)低滲透油氣田多井低產(chǎn)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、實現(xiàn)少井高產(chǎn)的重要手段，2010年蘇里格氣田開始實施大規(guī)模的水平井開發(fā)，制訂了100口水平井的開發(fā)部署。但是，裸眼水平井壓裂裂縫起裂和延伸的復(fù)雜性，以及裂縫條數(shù)的不確定性給裸眼水平井的有效壓裂帶來了巨大挑戰(zhàn)。在介紹分段壓裂工具及工序的基礎(chǔ)上，重點研究裸眼水平井壓裂裂縫的起裂機理，對比直井地層破裂和裂縫延伸的特點，分析了裸眼水平井壓裂裂縫的延伸特征，結(jié)合實例水平井分段壓裂得到裸眼水平井壓裂會產(chǎn)生次生裂縫的結(jié)論，以增加主裂縫縫長和控制次生裂縫數(shù)量為目標，通過凈壓力擬合和預(yù)測的方法建立了裸眼水平井分段壓裂參數(shù)的力學(xué)設(shè)計方法。該結(jié)論和方法在蘇里格氣田蘇5、桃7區(qū)塊水平井的分段壓裂中取得了成功，壓后效果證明了其結(jié)論的正確性和方法的有效性。
關(guān)鍵詞：蘇里格氣田；水平井；裸眼完井；分段壓裂；起裂模型；裂縫(巖石)；參數(shù)；有效性
1 裸眼水平井分段壓裂工具及工序
1.1 分段壓裂工具
裸眼水平井分段壓裂需要的主要工具類型和參數(shù)見表1。按國際標準，投球滑套內(nèi)通徑采用6.3mm梯度，分段級數(shù)小于等于6級，采用3.175mm梯度，分段級數(shù)可達到10級[1]。
1.2 分段壓裂工序
分段壓裂工序具體流程如圖1所示。
為了讓裂縫在壓裂段能集中起裂，蘇里格氣田多數(shù)以雙封隔器進行單段壓裂，例如分5段使用8個裸眼封隔器，其壓裂施工管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，反打開滑套可在壓裂施工前打開，施工時以便監(jiān)測井底壓力。
2 裸眼水平井壓裂裂縫起裂機理
2.1 裸眼水平井壓裂裂縫起裂模型
無限大地層水平鉆進后在井壁周圍會產(chǎn)生應(yīng)力集中[2～3]，其物理模型如圖3所示，并假設(shè)井筒方向與水平最小主應(yīng)力方向平行。
井壁圓周應(yīng)力分布如圖4所示，其中徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力由式(1)、(2)和式(3)計算，垂向應(yīng)力由(4)式計算。
式中σr為徑向應(yīng)力，MPa；σy、σx分別為水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；r為徑向距離，m；rw為井眼半徑，m；θ為井眼圓周上一點與水平面的夾角，(°)；τyz為垂直于井筒yz平面的剪應(yīng)力，MPa；pw為井眼內(nèi)壓力，MPa；po為孔隙壓力，MPa；α為泊松比；γ為平均容重，kN/m3；H為地層深度，m；λ為井筒與垂直方向的夾角，(°)；β為井筒與水平最大主應(yīng)力的夾角，(°)。
2.2 裸眼水平并裂縫起裂位置和起裂壓力計算
線彈性巖石斷裂符合張性破壞準則，要使裸眼水平井井壁巖石破裂，需要克服圓周切向應(yīng)力(σθ)和巖石抗張強度(T)，即破裂壓力(pb)等于σθ與T之和，巖石抗張強度為定值，因此，研究裸眼水平井井壁的起裂位置和起裂壓力實質(zhì)成為計算井壁圓周上的切向應(yīng)力。
以蘇里格氣田區(qū)域地應(yīng)力值帶入起裂模型進行計算，σy取44.0MPa，σx取40.2MPa，以取89.1MPa，rw=0.152m，λ=90°，β=90°，α=0.24，pw=po=30MPa，r=rw處井壁圓周不同θ位置的切向應(yīng)力計算結(jié)果如圖5所示。
通常認為，井筒方向若平行與最小主應(yīng)力，壓裂時則產(chǎn)生垂直井筒的橫向裂縫，而計算結(jié)果表明，在水平井井筒的頂部和底部圓周切向應(yīng)力最小，為36.6MPa，比最小主應(yīng)力40.2還小。因此，即使井筒方向平行于最小主應(yīng)力方向，初始裂縫也不是橫向的，而是平行于井筒的縱向裂縫，那么，這種由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的縱向裂縫能延伸多遠，下面就計算不同r處井筒頂部和底部的圓周切向應(yīng)力，其計算結(jié)果如圖6所示。計算結(jié)果表明：應(yīng)力集中在4倍井筒距離及0.61m后基本消失，在超出應(yīng)力集中帶后，重新產(chǎn)生垂直于最小主應(yīng)力的橫向主裂縫(圖7)。
3 裸眼水平井分段壓裂力學(xué)設(shè)計
3.1 區(qū)域地應(yīng)力與次生裂縫
在待壓裂水平井壓裂參數(shù)設(shè)計前，先采用 FracproPT10.7軟件對鄰井已施工的同層位井壓裂曲線進行精確凈壓力擬合，以桃7-X1井壓裂施工曲線擬合為例，擬合結(jié)果如圖8所示，獲取區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)：泊松比為0.22，彈性模量為1.2×104MPa，產(chǎn)層閉合壓力梯度為0.0126MPa/m，產(chǎn)層閉合壓力為41.4MPa，泥巖閉合壓力為46.92MPa，產(chǎn)、隔層應(yīng)力差為5.5MPa，區(qū)域破裂壓力梯度為0.018MPa/m，區(qū)域地層破裂壓力為59.0MPa。
從凈壓力擬合結(jié)果和區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)得到一重要結(jié)論：地層破裂壓力減去產(chǎn)層閉合壓力既是達到地層破裂壓力時縫內(nèi)凈壓力，計算得出的該值為17.6MPa，而圖8顯示裂縫延伸時的縫內(nèi)凈壓力可漲至25MPa，此時的井底壓力已達到66.4MPa，已經(jīng)超過地層的破裂壓力，對于射孔完井的直井壓裂，井底壓力可以超過地層破裂使裂縫繼續(xù)向前延伸，而對于裸眼完井的水平井壓裂，井底壓力達到地層破裂壓力時必將在裸露段的其他應(yīng)力薄弱處產(chǎn)生新的次生裂縫；一旦形成新的次生裂縫，主裂縫的縫長不再增加，由于次生裂縫沒有前置液造縫，井底壓力將迅速上漲，砂堵即將產(chǎn)生，裸眼水平井次生裂縫產(chǎn)生的壓力響應(yīng)如圖9所示。
3.2 壓裂參數(shù)力學(xué)設(shè)計
以兩種儲層垂直厚度14m和25m、兩種砂量25m3和45m3，輸入表2中的區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)，采用 FracproPT10.7軟件進行預(yù)測，以控制凈壓力低于地層破裂時的凈壓力為原則進行壓裂參數(shù)的力學(xué)設(shè)計，其計算結(jié)果見圖10。
從圖10可以得出排量和平均砂濃度沒有前置液比例對縫內(nèi)凈壓力上漲的控制力度大，且25m垂直厚度的厚儲層凈壓力漲幅遠低于14m的薄儲層凈壓力的漲幅。按照凈壓力預(yù)測結(jié)果，以增加主裂縫縫長和控制次生裂縫產(chǎn)生為出發(fā)點，蘇5、桃7區(qū)塊水平井分段壓裂參數(shù)優(yōu)化范圍如下：排量3.5～4.0m3/min、薄砂體前置液比例45%～50%，厚砂體前置液比例43%～45%，平均砂濃度360～400kg/m3。
4 現(xiàn)場應(yīng)用
目前，蘇里格氣田蘇5、桃7區(qū)水平井分段壓裂共施工7口井，施工成功率100%，獲得平均測試產(chǎn)量14.8×104m3/d，平均無阻流量75.6×104m3/d，最高測試產(chǎn)量27.8×104m3/d，最高無阻力量160.2×104m3/d，具體設(shè)計及施工參數(shù)和壓后產(chǎn)量如表2所示。壓后效果證明筆者所建立的方法有效，結(jié)論正確，應(yīng)用效果良好。
5 結(jié)論
1) 裸眼水平井分段壓裂工具入井的井筒準備和壓裂施工是兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工前打開反打開滑套可以實時監(jiān)測井底壓力。
2) 裸眼水平井由于應(yīng)力集中使得縱向裂縫的破裂壓力比橫向裂縫的破裂壓力低，壓裂首先形成縱向微裂縫，在穿過應(yīng)力集中帶之后形成橫向主裂縫。
3) 裸眼水平井壓裂在施工后期容易形成次生裂縫，次生裂縫產(chǎn)生一方面影響主裂縫的長度，一方面增加了砂堵的風(fēng)險。
4) 精確凈壓力擬合可獲得區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)，通過控制凈壓力漲幅的力學(xué)設(shè)計方法可以優(yōu)化壓裂設(shè)計參數(shù)，施工成功率和壓后效果證明該方法正確有效。
參考文獻
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[3] 李閩，肖文聯(lián)，趙春蘭，等.不能用凈應(yīng)力評價低滲砂巖巖石應(yīng)力敏感性[J].西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，31(5)：183-186.
(本文作者：鄭云川1 陶建林2 蔣玲玲1 楊南鵬2 沈建國1 1.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司；2.川慶鉆探工程有限公司蘇里格項目經(jīng)理部)
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