水平井限流法壓裂技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

摘 要

摘要：水平井限流法壓裂采用套管壓裂，具有井下工具少、一次施工完成多條裂縫改造、壓后增產(chǎn)效果好等優(yōu)點(diǎn)，是低滲透油氣藏水平井增產(chǎn)改造的很好選擇，大慶油田已應(yīng)用該方法壓裂完成
摘要：水平井限流法壓裂采用套管壓裂，具有井下工具少、一次施工完成多條裂縫改造、壓后增產(chǎn)效果好等優(yōu)點(diǎn)，是低滲透油氣藏水平井增產(chǎn)改造的很好選擇，大慶油田已應(yīng)用該方法壓裂完成了20多口水平井的改造，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)南214-平324井的主壓裂施工曲線分析了水平井限流法壓裂的特點(diǎn)，介紹了“有效孔數(shù)法”、G函數(shù)法、連續(xù)油管井溫測井、大地電位和井下微地震等配套技術(shù)。從壓裂液流動(dòng)的角度提出了水平井限流法壓裂存在徑向流區(qū)的觀點(diǎn)，對(duì)壓裂液在徑向流區(qū)流動(dòng)的正確認(rèn)識(shí)是水平井限流法壓裂設(shè)計(jì)和施工控制的關(guān)鍵。最后總結(jié)了目前水平井限流法壓裂在施工過程及壓后裂縫診斷方面所存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決辦法及技術(shù)發(fā)展思路。
關(guān)鍵詞：水平井；壓裂；限流法；技術(shù)；特點(diǎn)；應(yīng)用；建議；大慶油田
0 引言
    國外關(guān)于水平井限流法壓裂的報(bào)道較少，本文參考文獻(xiàn)[1]中列舉了限流法壓裂在裸眼或套管完井的水平井中的成功應(yīng)用，最多可以壓開9段。國內(nèi)水平井限流法壓裂主要集中在大慶油田，該油田經(jīng)過“八五”國家重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)形成了適應(yīng)于新井完井壓裂的套管限流壓裂技術(shù)，一次施工可壓開多條裂縫，最初在4口井上成功應(yīng)用[2]。2003年采用該技術(shù)在薄互層壓裂改造2口井，實(shí)現(xiàn)裂縫穿層；2006年采用該技術(shù)在水平井筒方向與地層最小主應(yīng)力方向垂直時(shí)的薄互層壓裂改造2口井，形成的沿井筒方向的裂縫增產(chǎn)效果也很好。從20世紀(jì)90年代至今，大慶油田已應(yīng)用該方法完成24口井的改造，均取得了較好的增產(chǎn)效果。
1 技術(shù)原理及主要特點(diǎn)
1.1 技術(shù)原理
    水平井限流法壓裂與直井限流法壓裂原理一樣，都是通過控制炮眼數(shù)量和直徑，以盡可能大的排量施工，利用炮眼摩阻提高井底壓力，迫使壓裂液分流，使破裂壓力相近的地層依次壓開[3]，最終填砂形成有效的支撐裂縫。國內(nèi)水平井限流法壓裂主要集中在大慶油田外圍，根據(jù)儲(chǔ)層厚度分為兩類：裂縫限制在儲(chǔ)層內(nèi)和裂縫穿透隔層貫穿多個(gè)薄儲(chǔ)層[4～5]。
1.2 主要特點(diǎn)
    水平井限流法壓裂與直井限流壓裂原理相同，但又有獨(dú)特之處。
    1) 施工控制井段長、規(guī)模大，施工井段為固液兩相的變質(zhì)量流。因此，長層段中沿程流體摩阻不能忽視，使得孔眼限流摩阻值的計(jì)算不能像直井一樣僅考慮壓裂層段間的破裂壓力差值。當(dāng)確定最大施工排量時(shí)，水平井筒引起的摩阻通常也是限制因素。
    2) 攜砂液引起的炮眼侵蝕對(duì)流量分配及裂縫形態(tài)影響很大。射孔侵蝕對(duì)垂直井的流體分布影響較小，但對(duì)水平井作業(yè)中流體的分布有很大影響。通常認(rèn)為根部孔眼首先接觸攜砂液，所以根端孔眼受到的沖擴(kuò)程度比趾部的大得多。
由于炮眼磨損引起的施工壓力變化在限流法壓裂施工曲線中有很明顯的顯示，圖1是南214-平324井的主壓裂施工曲線，從圖中可以看出支撐劑到達(dá)井底后，井口壓力大幅度下降，這在其他壓裂方式中是沒有的現(xiàn)象。此現(xiàn)象是由于支撐劑加入引起的混砂液凈液柱壓力、管柱摩阻和孔眼摩阻的變化綜合作用的結(jié)果。根據(jù)南214-平324井的井身結(jié)構(gòu)及施工情況定量計(jì)算出前兩項(xiàng)的值[6～7]，可以發(fā)現(xiàn)它們對(duì)施工壓力的影響遠(yuǎn)沒有這么大，因此可以判斷出現(xiàn)施工壓力如此大幅度降低的主要原因是孔眼受支撐劑打磨孔徑變大后，摩阻急劇降低造成的，但目前的壓裂設(shè)計(jì)軟件還不能模擬孔眼摩阻的動(dòng)態(tài)變化對(duì)裂縫形態(tài)的影響。
3) 從壓裂液流動(dòng)角度看，水平井限流法壓裂與垂直井壓裂的主要區(qū)別是壓裂存在徑向流區(qū)(如圖2)所示)。因此增加了近井裂縫復(fù)雜程度，產(chǎn)生附加摩阻，高濃度砂漿在其中流動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)很大。
2 現(xiàn)場應(yīng)用情況及增產(chǎn)效果
從20世紀(jì)90年代至今，大慶油田累計(jì)完成水平井限流壓裂24口，取得了很好的增產(chǎn)效果(見表1)。最高施工排量9m3/min，加入支撐劑90m3，最多射孔6段實(shí)現(xiàn)全部進(jìn)液(見表2)。
 

表1 限流法壓裂增產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)表    t/d
地區(qū)
生產(chǎn)情況
初期
目前
液
油
液
油
肇州
6口限流壓裂水平井平均產(chǎn)量
18.0
16.7
11.3
10.0
7口壓裂直井平均產(chǎn)量
3.8
3.2
3.3
2.7
水平井/直井
4.7
5.2
3.4
3.7
敖南
5口限流壓裂水平井
7.2
7.1
2.0
20.3
2口壓裂直井平均產(chǎn)量
1.3
1.3
1.2
1.2
水平井/直井
5.5
5.4
1.7
1.7
表2 部分限流壓裂井施工參數(shù)表
序號(hào)
井號(hào)
布孔段數(shù)
孔數(shù)
支撐劑量/m3
最高排量/m3#min-1
1
肇62-平22
5
15
48
9
2
南232-平255
4
20
90
7.2
3
南246-平309
6
18
54
7.5
4
南214-平324
5
20
80
8.5
現(xiàn)場形成了系統(tǒng)的水平井限流壓裂設(shè)計(jì)方法、裂縫形態(tài)診斷技術(shù)和段內(nèi)限流壓裂等配套技術(shù)：
    1) 采用“有效孔數(shù)法”及G函數(shù)法判斷壓開裂縫數(shù)。
    2) 開展了連續(xù)油管井溫測井、大地電位和井下微地震等研究及現(xiàn)場試驗(yàn)。對(duì)南214-平324等4口井進(jìn)行了連續(xù)油管井溫測井，對(duì)認(rèn)識(shí)限流壓裂的裂縫形態(tài)、裂縫開啟位置、相對(duì)改造程度起到了積極作用；對(duì)南236-平252等8口井應(yīng)用了大地電位法測試水平井多裂縫的裂縫方向；對(duì)南246-平309井應(yīng)用井下微地震測試技術(shù)進(jìn)行了裂縫形態(tài)測試，與井溫測井和測試壓裂G函數(shù)法解釋的結(jié)果比較吻合，另外該測試技術(shù)也初步證實(shí)限流法壓裂可以在薄互層溝通多個(gè)儲(chǔ)層。
    3) 針對(duì)施工井段長、物性差異大，限流壓裂可能造成部分層段施工達(dá)不到要求或者直接丟縫的現(xiàn)象，開展了水平井機(jī)械分段與限流壓裂結(jié)合的段內(nèi)限流分段壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)。
3 存在的主要問題
    水平井的限流法壓裂在壓前地質(zhì)認(rèn)識(shí)、施工過程中的控制方法和壓后裂縫診斷方面還存在以下問題。
    1) 水平段長、橫向巖性分布復(fù)雜，現(xiàn)有地應(yīng)力計(jì)算方法還不能獲得詳細(xì)的水平段的應(yīng)力差別情況，使造縫部位針對(duì)性不強(qiáng)。
    2) 控制各段裂縫均勻延伸的手段還不夠有效，各條裂縫規(guī)模難于控制：①由于改造對(duì)象主要為薄互儲(chǔ)層，層段物性差異大，僅依靠射孔方案的調(diào)整難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水平段的均勻改造，還可能使部分裂縫縫長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期設(shè)計(jì)值，如果存在邊底水或后期注水開發(fā)，引發(fā)暴性水淹；②針對(duì)經(jīng)過磨蝕后的孔眼不能產(chǎn)生足夠的井底壓力使難壓層段繼續(xù)延伸的現(xiàn)象，現(xiàn)場采用加砂后提高施工排量來保證施工，但缺乏定量化的理論指導(dǎo)。
    3) 缺乏有針對(duì)性的裂縫定量解釋方法。
    目前現(xiàn)場采用了連續(xù)油管井溫測井、大地電位測試裂縫方向、井下微地震裂縫檢測等技術(shù)，但施工復(fù)雜、費(fèi)用昂貴。“有效孔數(shù)法”被作為壓開裂縫數(shù)目的診斷方法也存在很大誤差，“有效孔數(shù)法”是建立在系統(tǒng)壓力分析基礎(chǔ)上的，但限于目前水平井限流法壓裂壓力計(jì)只能下到直井段的噴嘴上方。因此，噴嘴下方直井段的摩阻和水平段固液兩相變質(zhì)量流的摩阻計(jì)算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致“有效孔數(shù)”計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，也影響了壓開裂縫數(shù)的準(zhǔn)確判斷。
4 結(jié)論及建議
    通過上述分析和討論，得出以下結(jié)論和建議。
    1) 現(xiàn)場試驗(yàn)證明，限流法壓裂對(duì)需要改造規(guī)模比較大的水平井，具有很好的增產(chǎn)效果。
    2) 提出了水平井限流法壓裂存在徑向流區(qū)的觀點(diǎn)。
    3) 由于壓裂層段復(fù)雜及認(rèn)識(shí)水平的限制，目前水平井限流法壓裂還存在許多問題。因此，建議開展以下研究：①開展凈液和各攜砂濃度下的油、套管摩阻的理論和實(shí)驗(yàn)研究，以及對(duì)炮眼磨蝕規(guī)律研究，提高壓裂設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)場施工的指導(dǎo)水平；②在連續(xù)油管井溫測井等裂縫監(jiān)測手段的指導(dǎo)下，開展裂縫形態(tài)定量解釋的理論研究；③在橫向地應(yīng)力剖面精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，加大段內(nèi)限流壓裂的現(xiàn)場試驗(yàn)力度，提高水平井對(duì)薄互儲(chǔ)層的動(dòng)用程度。
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(本文作者：邢慶河 張士誠 中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)