申貝貝

中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

致密砂巖氣藏水平井固井滑套分段壓裂工藝

申貝貝

中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

鄂爾多斯盆地大牛地氣田屬于典型的低孔、低滲致密砂巖氣藏，水平井分段壓裂是經(jīng)濟高效開發(fā)氣田的關(guān)鍵技術(shù)。針對現(xiàn)有水平井裸眼封隔器分段壓裂工藝無法控制裂縫起裂位置、二次改造困難等問題，探索了固井滑套分段壓裂工藝在大牛地氣田的適應性，闡述了該工藝的技術(shù)原理、工具組合和工藝特點，并開展現(xiàn)場應用和壓后分析。現(xiàn)場應用情況表明：固井滑套分段壓裂工藝不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水平井定點壓裂，而且施工效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)一天壓裂改造10段。此外，該工藝采用環(huán)空壓裂施工，施工摩阻低，工具性能好，施工成功率高，在大牛地氣田以及國內(nèi)其他致密低滲油氣田具有較好的推廣應用價值。

大牛地氣田致密砂巖儲層水平井固井滑套連續(xù)油管分段壓裂

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，主要含氣層位為上古生界下石盒子組、山西組和太原組，開發(fā)層系縱向上分布7套氣層。氣藏頂界埋深介于2 340～2 850 m，各氣層平均孔隙度介于6.2%～8.1%，平均滲透率介于0.41～0.95 mD，總體表現(xiàn)為低孔、低滲特點。

大牛地氣田由于儲層孔隙連通性差、滲透率低、地層流體滲流阻力大，常規(guī)直井自然產(chǎn)量低，達不到經(jīng)濟開發(fā)的要求。水平井分段壓裂可以有效提高井筒的泄氣面積，提高單井的控制儲量和產(chǎn)氣量[1-2]。目前，大牛地氣田水平井壓裂以“裸眼預置管柱管外封隔分段壓裂工藝”為主，該技術(shù)實現(xiàn)完井壓裂管柱一體化，通過投球逐級打開壓裂滑套，能夠快速實現(xiàn)單井壓裂施工，為氣田的高效開發(fā)提供了強有力的技術(shù)支撐。

但是隨著大牛地氣田規(guī)?；_發(fā)的逐年進行，改造面臨的儲層砂巖物性更差，儲量豐度更低，對改造工藝提出了更高的要求。由于預置管柱分段壓裂存在人工裂縫起裂位置不能確定，無法實現(xiàn)水平段的精確定點改造；壓后管柱永久性地留在井內(nèi)，且不能實現(xiàn)壓后井筒的全通徑，制約后期二次改造等問題[3-4]，對此在大牛地氣田采用了水平井固井滑套分段壓裂工藝新技術(shù)。

1 固井滑套分段壓裂工藝

1.1 工藝原理及技術(shù)特點

固井滑套分段壓裂工藝采用預置固井滑套（φ114.3 mm或φ139.7 mm）套管串固井完井，水平井分段級數(shù)不受限制。壓裂采用連續(xù)油管集成滑套定位器、封隔器以及噴槍等工具組合進行作業(yè)。第一級壓裂施工采用連續(xù)油管噴槍水力噴砂射孔（或者通過爆破閥打壓開啟）進行施工作業(yè)；第一級壓裂施工完成后，通過滑套定位器和滑套內(nèi)定位槽進行精確定位并坐封封隔器，然后通過環(huán)空打壓開啟滑套，從而實現(xiàn)第二級壓裂施工。如果滑套開啟不成功或者施工壓力異常影響，則可利用工具串自帶噴槍進行噴砂射孔作業(yè)，射孔后進行壓裂；逐級重復打開滑套并完成分段壓裂。壓裂施工完成后整體放噴投產(chǎn)。

與裸眼預置管柱管外封隔分段壓裂工藝相比，固井滑套分段壓裂裂縫起裂點能夠控制在滑套位置附近，改造針對性較強，利于水平井的布縫；而且壓后井眼全通徑，方便后期的排液采氣或二次改造等作業(yè)的實施。此外，固井滑套分段壓裂還具有以下技術(shù)特點：

1）固井滑套分段壓裂依靠連續(xù)油管工具串對滑套實施開啟，壓裂時無需射孔作業(yè)，轉(zhuǎn)層迅速，施工效率高；

2）施工管柱集成噴砂射孔槍，對于滑套開啟不完善或者施工壓力異常的井段，能夠及時進行重新選段水力噴砂射孔，確保施工成功率；

3）施工管柱封隔器上下均可安裝井底壓力計，壓后可以進行級間壓力檢測和干擾分析以及壓后井底壓力擬合分析，不斷完善施工設計；

4）固井滑套分段壓裂采用油套環(huán)空注入作業(yè)方式，由于環(huán)空通道的過流面積大，管路摩阻較低，降低施工作業(yè)水馬力，利于降低作業(yè)成本；

5）固井滑套內(nèi)通徑與套管內(nèi)徑一致，實現(xiàn)壓后井眼的全通徑，生產(chǎn)后期可以開展生產(chǎn)測井、找水或堵水以及重復改造等施工。

1.2 完井及壓裂管柱結(jié)構(gòu)

1）完井管柱結(jié)構(gòu)組成

水平井固井滑套分段壓裂工藝管柱主要由固井滑套、套管、浮箍、浮鞋等工具以及回接套管組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 固井滑套分段壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)示意圖

固井滑套是完井管柱的核心部分，其滑套結(jié)構(gòu)主要有滑套本體、滑套內(nèi)筒、壓裂孔眼以及滑套定位/鎖定槽等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 固井滑套外觀整體結(jié)構(gòu)示意圖

固井滑套主要是通過滑套內(nèi)筒控制壓裂孔眼的開啟和關(guān)閉，壓裂施工時，通過連續(xù)油管移動滑套內(nèi)筒，實現(xiàn)固井滑套的開啟，如圖3所示。

2）壓裂施工管柱結(jié)構(gòu)組成

固井滑套開啟采用連續(xù)油管作業(yè)，壓裂管柱結(jié)構(gòu)為：（從上至下）連續(xù)油管+連續(xù)油管接頭+丟手+扶正器+水力噴槍（4個噴嘴）+反循環(huán)平衡閥+壓力/溫度計（可選擇）+封隔器+套管錨+壓力/溫度計（可選擇）+滑套定位器+導引頭，如圖4所示。

圖3 固井滑套開啟前和開啟后結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 固井滑套分段壓裂連續(xù)油管管柱結(jié)構(gòu)示意圖

水力噴槍由高硬度本體和耐磨噴嘴組成，液體在噴嘴的節(jié)流作用下可以實現(xiàn)流體的能力轉(zhuǎn)換，形成高速射流流體。當噴嘴的射流速度達到142 m/s時，則可以射穿套管、水泥環(huán)和地層等[5-6]。當固井滑套打開不成功時，可以重新選段進行水力噴砂射孔從而進行壓裂，提高壓裂施工成功率。

封隔器的主要目的是用于實現(xiàn)壓裂段與已壓裂段的有效封隔，防止段間干擾；同時利用封隔器與卡瓦在開啟滑套過程中帶動滑套內(nèi)筒實現(xiàn)滑套開啟。其基本原理是上部加載荷坐封，上提直接解封，可實現(xiàn)重復坐封和解封作業(yè)，實現(xiàn)多段改造。

滑套定位器是一種機械式定位裝置，主要原理是利用固井滑套預置的定位/鎖定槽，當滑套定位器經(jīng)過定位/鎖定槽時，定位器接觸片由壓縮狀態(tài)張開，產(chǎn)生載荷變化，以此確定工具串的位置。

整個工具串與連續(xù)油管連接，通過連續(xù)油管上提或下放實現(xiàn)封隔器的解封和坐封。在噴砂射孔和主壓裂階段，工具處于坐封狀態(tài)。在工具入井或轉(zhuǎn)層過程中，封隔器與錨定系統(tǒng)處于解封狀態(tài)。在壓裂結(jié)束轉(zhuǎn)層過程中，需通過連續(xù)油管循環(huán)洗井直到工具上提至設計位置完成坐封，確保井筒清潔，避免工具遇卡。

2 典型井的現(xiàn)場應用

2.1 DPH-137井基本情況

DPH-137井為鄂爾多斯大牛地氣田大8井區(qū)的一口水平井，目的層為下二疊統(tǒng)下石盒子組盒12段。采用二級井身結(jié)構(gòu)固井滑套+套管固井完井，井身結(jié)構(gòu)如表1所示，完鉆井深3 812 m（垂深2 573 m），水平段長1 030 m。根據(jù)水平段測、錄井顯示結(jié)果、隨鉆伽馬成果以及地震反演剖面等綜合分析，優(yōu)化DPH-137井進行10段壓裂改造，其中第一段采用水力噴砂射孔，其余9段采用固井滑套分段壓裂。

表1 DPH-137井井身結(jié)構(gòu)表

2.2 壓裂施工管柱

根據(jù)DPH-137水平井實際情況、套管通徑以及注入頭（井口裝置，連續(xù)油管動力裝置）提升載荷能力，結(jié)合水力噴砂射孔沿程摩阻與節(jié)流摩阻的計算結(jié)果，以降低施工作業(yè)成本的原則，優(yōu)選φ50.8 mm連續(xù)油管（外徑50.8 mm、壁厚4.45 mm、抗內(nèi)壓70 MPa），射孔工具噴嘴直徑4.68 mm、噴嘴數(shù)量4個、射孔相位角90°。

2.3 壓裂參數(shù)設計

針對DPH-137井水力噴砂射孔壓裂及固井滑套分段壓裂工藝技術(shù)，優(yōu)化水力噴砂射孔參數(shù)以及主壓裂施工參數(shù)。

射孔參數(shù)：采用40～70目的石英砂為射孔磨料，射孔排量0.85m3/min，石英砂濃度120 kg/m3，射孔時間15 min。核算射流速度152m/s，大于臨界射流速度142m/s。

圖5 DPH-137井壓裂人工裂縫剖面圖

圖6 DPH-137井固井滑套分段壓裂典型施工曲線圖

施工參數(shù)：根據(jù)大牛地氣田盒1段氣藏水平井壓裂改造工藝參數(shù)優(yōu)化成果，為了充分改造儲層，設計單段加砂量在44 m3左右，套管排量4.5 m3/min，采用FracproPT軟件模擬裂縫形態(tài)如圖5所示。同時設計連續(xù)油管采用0.1～0.2 m3/min低排量補液，保護連續(xù)油管，并確保封隔器座封，防止支撐劑進入油管。

2.4 壓裂施工情況

DPH-137水平井順利完成十段壓裂施工，累計入地總液量4 368 m3，平均單段入地液量436.8 m3，累計加砂總量440 m3，平均單段加砂量44 m3。固井滑套打開壓力29～35 MPa之間，壓裂施工壓力25～58 MPa之間（環(huán)空）。其中第一段和第四段采用水力噴砂射孔壓裂，第四段由于固井滑套打開不完善導致施工壓力異常，重新選段進行噴砂射孔壓裂，順利完成壓裂施工；其余壓裂段采用連續(xù)油管打開固井滑套壓裂。

典型壓裂施工曲線如圖6所示，主要分為四個階段：①連續(xù)油管轉(zhuǎn)層（階段一）；②連續(xù)油管定位、座封、驗封，并通過環(huán)空打壓開啟固井滑套（階段二）；③環(huán)空主壓裂施工（階段三）。

2.5 施工復雜情況處理

DPH-137井壓裂施工過程中，第四段滑套打開后進行主壓裂，施工壓力異常，采用酸液處理和前置液段塞處理后，施工壓力仍然較高，如圖7所示。分析認為滑套打開不完善，導致滑套過流面積較小，存在較大的節(jié)流效應，影響壓裂正常施工。

上提連續(xù)油管解封封隔器，避開套管接箍（附近套管接箍3 428.5 m和3 440.0 m），優(yōu)選射孔位置（3 432.0 m）進行水力噴砂射孔，進行壓裂施工作業(yè)，順利完成本段施工作業(yè)，如圖8所示。

圖7 第四段固井滑套壓裂施工曲線圖

圖8 第四段水力噴砂射孔(a)及壓裂施工(b)曲線圖

3 DPH-137應用成果分析

3.1 壓后效果分析

DPH-137水平井壓后試氣產(chǎn)量為6352m3/d，無阻流量為7015m3/d，產(chǎn)液量為21.6m3/d，較同層位鄰井DPH-128（多級管外封隔分段壓裂）壓后產(chǎn)氣量欠佳。

通過壓后井底凈壓力擬合結(jié)果表明：DPH-137井擬合人工裂縫平均支撐縫長170 m，平均支撐縫高22 m，改造體積達到設計要求，滿足充分改造儲層的目的。而通過DPH-137井和DPH-128井導眼段和水平段的測錄井解釋對比分析表明：DPH-137井儲能系數(shù)、產(chǎn)能系數(shù)、水平段砂巖鉆遇顯示段長以及全烴值含量（平均全烴、最高全烴）均明顯差于DPH-128井（表2）。

表2 DPH-137井與DPH-128井測錄井顯示對比表

3.2 施工壓力分析

3.2.1 施工摩阻分析

DPH-137水平井主壓裂采用φ139.7 mm套管與φ50.8 mm連續(xù)油管環(huán)空進行施工作業(yè)，通過井底壓力計實測壓力與井口監(jiān)測壓力分析計算，結(jié)果表明：施工排量4.5m3/min環(huán)空摩阻系數(shù)約為0.94MPa/1000m，沿程摩阻較低。另外，結(jié)合停泵壓力和已知的管路摩阻，計算孔眼摩阻和近井筒迂曲摩阻，結(jié)果表明：固井滑套分段壓裂孔眼和近井筒的迂曲摩阻值較大，平均為6.29 MPa左右，說明前置液階段的段塞處理以及適當?shù)乃嵋禾幚韺τ谠摴に嚩苑浅１匾?/p>

3.2.1 施工壓力分析

DPH-137井固井滑套分段壓裂施工曲線總體表現(xiàn)為前置液階段施工壓力較高，而施工后期壓力較低，二者差值在10～20 MPa之間。通過井底凈壓力擬合結(jié)果表明：施工前期擬合裂縫體積因子介于4～6，開縫因子介于2～4，說明DPH-137井壓裂施工前期，主裂縫尚未形成，裂縫的起裂和延伸伴隨著多裂縫的發(fā)育，導致施工初期凈壓力偏高。

多裂縫原因分析：施工前期，尚未形成主裂縫，裂縫凈壓力高于10 MPa，大于儲層水平兩向主應力差，容易誘導形成多裂縫[7-8]。

3.3 工具施工性能評價

DPH-137井在壓裂施工前，封隔器上下部均安置壓力計對施工期間井底壓力進行實時監(jiān)測。通過壓后壓力回放結(jié)果表明：DPH-137井采用連續(xù)油管開啟固井滑套工具串封隔器性能良好，封隔器上下壓力計壓力顯示無溝通顯示，相鄰壓裂段施工期間無干擾，能夠滿足多段（DPH-137井10段）壓裂施工要求，保證施工效果，如圖9所示。

圖9 封隔器上下壓力計壓力回放圖

3.4 工藝時效性分析

DPH-137水平井10段壓裂改造累計作業(yè)時間20.2 h。其中固井滑套壓裂平均單段作業(yè)時間2.0 h；水力噴砂射孔壓裂平均單段作業(yè)時間2.2 h。而套管固井完井連續(xù)油管帶底封分段壓裂平均單段作業(yè)時間2.0～2.5 h[9-10]；可鉆橋塞分段壓裂平均單段作業(yè)時間4～6 h[11]。

另外，采用固井滑套分段壓裂，平均單段轉(zhuǎn)層時間介于25～55 min，施工后期平均單段轉(zhuǎn)層時間30 min左右；連續(xù)油管帶底封分段壓裂平均單段轉(zhuǎn)層時間50 min左右；可鉆橋塞分段壓裂單段轉(zhuǎn)層時間90～120 min左右[11]。

與套管固井完井連續(xù)油管帶底封分段壓裂和可鉆橋塞分段壓裂工藝相比，固井滑套分段壓裂工藝效率較高，施工和轉(zhuǎn)層迅速。

4 結(jié)論

1）固井滑套分段壓裂采用連續(xù)油管施工，滑套開啟后直接進行壓裂，無需射孔作業(yè)。與裸眼預置管柱管外封隔分段壓裂工藝相比，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)定點壓裂，便于水平井的布縫，而且壓后井眼全通徑，利于后期排液采氣作業(yè)及二次改造等措施的實施。

2）通過DPH-137井固井滑套分段壓裂的現(xiàn)場實施和分析：固井滑套分段壓裂工藝施工效率高，轉(zhuǎn)層迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)一天壓裂改造10段；且施工工具性能可靠，滿足多段施工的性能要求，并對施工壓力異常影響正常施工等復雜情況的處理手段豐富，確保施工成功率。

[1]米卡爾J.埃克諾米德斯、肯尼斯G.諾爾特著，張保平、蔣闐，等譯.油藏增產(chǎn)措施（第三版）[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2]彭成勇.頁巖油氣水平井壓裂工藝技術(shù)展望[J].天然氣勘探與開發(fā)2014，37（1）：68-71.

[3]李志剛，李子豐，郝蜀民，邢振輝，尤歡增.低壓致密氣藏壓裂工藝技術(shù)的研究與應用[J].天然氣工業(yè)，2005，25（1）：96-99.

[4]陳作，何青，王寶峰，劉世華，吳春方.大牛地氣田長水平段水平井分段壓裂優(yōu)化設計技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41（6）：82-85.

[5]HALDAR Surajit,AL-JANDAL Ahmed A,ALDRIWEESH Saad M,et al.Evaluation of rotary jetting tool application for matrix acid stimulation of carbonate reservoir in Southern Area Field of Saudi Arabia[C].paper 12023 MS presented at the International Petroleum Technology Conference,3-5 December 2008，Kuala Lumpur，Malaysia.IPTC,2008.

[6]Rytlewski G L，Cook J M.A study of fracture initiation pressures in cemented cased-hole wells without perforations[R]. SPE100572，2006.

[7]杜成良，姬長生，羅天雨，陳志軍.水力壓裂多裂縫產(chǎn)生機理及影響因素[J].特種油氣藏，2006，13（5）：19-21.

[8]申貝貝，何青，張永春，李雷，劉威.水平井段內(nèi)多裂縫壓裂技術(shù)研究與應用[J].天然氣勘探與開發(fā)，2014，37（1）：64-67.

[9]隋明政，李凱崢.連續(xù)油管帶底封分段壓裂技術(shù)應用與研究[J].中國化工貿(mào)易，2014，(10)：31-35.

[10]姚昌宇，王遷偉，高志軍，李嘉瑞，朱新春.連續(xù)油管帶底封分段壓裂技術(shù)在涇河油田的應用[J].石油鉆采工藝[J]，2014，36（1）：94-96.

[11]劉威，何青，張永春，陳付虎，余高華.可鉆橋塞水平井分段壓裂工藝在致密低滲氣田的應用[J].斷塊油氣田，2014，21（3）：394-397.

（修改回稿日期 2016-04-16 編輯 文敏）

申貝貝，1986年生，工程師；從事壓裂酸化工藝技術(shù)研究工作。地址：（450006）河南省鄭州市隴海西路199號中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院。電話：18037373419。E-mail：skxv@163.com