鄧艷波

中國石油吉林油田公司，吉林 松原

1.引言

分簇射孔技術(shù)對壓裂目的層進(jìn)行嚴(yán)格地低密度射孔，地面壓裂設(shè)備在保持油層破裂壓力的條件下，盡可能高的加大施工排量，利用最先被壓開層吸收壓裂液時(shí)產(chǎn)生的炮眼磨阻，大幅度提高井底壓力，迫使壓裂液分流，使得破裂壓力相近的其它層相繼被壓開。一次施工可同時(shí)壓開性質(zhì)相近幾個(gè)油層的壓裂工藝技術(shù)[1]。

分簇射孔技術(shù)是頁巖氣水平井多段、分段壓裂完井工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)，隨著我國頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，分簇射孔技術(shù)也得到了不斷發(fā)展和應(yīng)用，在分簇射孔的基礎(chǔ)上，針對吉林油田扶余油層儲(chǔ)層特征為低孔、超低滲、油層多且薄，縱向砂泥交互，不同層段地層破裂壓力存在差異的特點(diǎn)[2]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益在內(nèi)的多個(gè)因素，開發(fā)過程中往往需要多層合壓。為使壓裂過程中多個(gè)射孔層段能夠同時(shí)開啟，盡可能地提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，本文從分段多簇射孔、限流壓裂改造機(jī)理、破裂壓力預(yù)測、優(yōu)化孔密射孔方案優(yōu)化等幾個(gè)方面開展了限流法壓裂技術(shù)研究探索，現(xiàn)場取得成功應(yīng)用，形成定點(diǎn)多簇、優(yōu)化孔密射孔配套技術(shù)，為同類儲(chǔ)層壓裂改造提供了有效的技術(shù)支撐[3]。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外的頁巖油、頁巖氣、水平井、煤層氣等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著效果[4][5]。

2.定點(diǎn)多簇、優(yōu)化孔密射孔工藝流程

定點(diǎn)多簇、優(yōu)化孔密射孔工藝主要是結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化方面內(nèi)容，其目的是解決定點(diǎn)多簇選發(fā)、射孔任意相位定向、器材定向過程中信號傳輸及供電、射孔后未射孔器材的密封、以及針對不同地質(zhì)特點(diǎn)，制定合理射孔密度，解決一次壓裂，多層開縫等難題[6]。

其工藝流程是射孔槍與復(fù)合橋塞聯(lián)作，電纜作業(yè)，工具下到預(yù)定深度后點(diǎn)火，橋塞座封，丟手，然后上提電纜將射孔槍對應(yīng)到第一簇射孔段點(diǎn)火射孔，然后拖拉電纜對準(zhǔn)第二簇射孔段點(diǎn)火射孔……重復(fù)上述完成第一段射孔后，開始壓裂。

3.壓裂技術(shù)原理及孔眼優(yōu)化

限流法分層壓裂技術(shù)是通過嚴(yán)格限制各層射孔孔眼的數(shù)量和直徑，大排量進(jìn)行施工，利用先壓開層壓裂液流經(jīng)孔眼時(shí)產(chǎn)生的孔眼摩阻，大幅度提高井底壓力，并迫使壓裂液分流，使破裂壓力接近的地層相繼被壓開，達(dá)到一次加砂能夠同時(shí)處理幾個(gè)層的目的。

在限流法壓裂設(shè)計(jì)中，射孔的孔眼摩阻計(jì)算是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。計(jì)算孔眼摩阻的公式為：[7]

將上式整理可得射孔孔眼總數(shù)計(jì)算公式：[8]

式中：Δpperf—射孔孔眼摩阻，MPa；

Q—施工排量，m3/min；

ρ—壓裂液密度，kg/m3；

n—孔數(shù)目；

D—射孔孔眼直徑，mm；

a—孔眼流量系數(shù)。

在現(xiàn)場施工過程中，孔眼流量系數(shù)a是變化的，一般取0.8～0.85。

由式(2)可知，在壓裂液類型、射孔孔眼直徑，孔眼摩阻值、孔眼流量系數(shù)確定之后，射孔數(shù)量和排量之間是線性關(guān)系。

4.巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、地層破裂壓力等參數(shù)預(yù)測研究

不同層段的破裂壓力值的準(zhǔn)確預(yù)測，是限流壓裂射孔方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。為準(zhǔn)確預(yù)測地層破裂壓力，要同時(shí)進(jìn)行各小層巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力預(yù)測。

4.1.巖石力學(xué)參數(shù)

楊氏模量和泊松比除了用聲波測示的方法得到以外，還可以利用區(qū)塊以往施工井壓力參數(shù)和常規(guī)測井資料求得，公式如下：

式中：μ—泊松比，無因次

E—楊氏模量，MPa

g—980

σv—垂向主應(yīng)力，MPa

Ppo—地層孔隙壓力，MPa

φ—地層孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)，無因次

ΔTP—縱波時(shí)差，us/m

ρ—地層密度，g/cm3

其中，孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)可以由區(qū)塊已經(jīng)做過的橫、縱波聲波測井資料求得。由大安北大5-21井和大2-9井長源距聲波測井資料，可以計(jì)算孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)分別為0.636和0.625，取平均值0.6305；最小主應(yīng)力σh可由區(qū)塊其它施工井測瞬時(shí)停泵的方法估算；垂向上覆巖層壓力可由密度測井資料求得。

4.2.地應(yīng)力及破裂壓力

計(jì)算水平主應(yīng)力的方法還在不斷的探索和發(fā)展過程中，利用聲波測井資料和水力壓裂數(shù)據(jù)來確定水平主應(yīng)力的方法已得到多年的實(shí)踐檢驗(yàn)[9]。

與傳統(tǒng)的基因改造方法不同，新技術(shù)在改造基因上更加精準(zhǔn)、快速并且成本低廉。公司管理層希望這款產(chǎn)品能夠避免出現(xiàn)第一代轉(zhuǎn)基因食品面臨負(fù)面聲譽(yù)和監(jiān)管障礙的問題。

式中：σH—水平最大主應(yīng)力，MPa；

A，B—地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無因次。

地層破裂壓力可以由以下公式求得：

式中：St—巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

式(7)中巖石抗張強(qiáng)度St可以利用壓裂瞬時(shí)停泵時(shí)巖石的破裂壓力和重張壓力之差求得，對于壓裂時(shí)沒有測瞬時(shí)停泵的井，可以查測井曲線中壓裂目的層和泥巖層的自然伽馬差值并利用巖石抗張強(qiáng)度St和自然伽馬差值關(guān)系曲線得出壓裂層的巖石抗張強(qiáng)度St，巖石抗張強(qiáng)度St和自然伽馬差值關(guān)系曲線由壓裂時(shí)已測瞬時(shí)停泵井的抗張強(qiáng)度和自然伽馬差值數(shù)據(jù)畫出。

區(qū)塊儲(chǔ)層的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)可由礦場方法求得，利用瞬時(shí)停泵測試方法算的A、B值，計(jì)算結(jié)果見表1。

Table 1.Calculation table of geological structure stresscoefficient 表1.地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算表

通過區(qū)塊4口井的計(jì)算，A、B取值分別為：A= 0.9626，B=0.3178。

4.3.施工壓力預(yù)測

井底施工壓力計(jì)算公式如下：

式中：PB—井底處理壓力，MPa；

PS—地面施工泵壓，MPa；

PH—靜液柱壓力，MPa；

PWellbore—壓裂液沿程總管損，MPa；

PPerf——射孔孔眼摩阻，MPa。

5.油層射孔、壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用

5.1.區(qū)塊儲(chǔ)層特點(diǎn)

大45區(qū)塊位于大安向斜西翼，區(qū)塊西側(cè)發(fā)育一條反向正斷層，油藏類型為斷層巖性油藏，向東過渡為巖性油藏，開發(fā)的主要目的層位為扶余油層。大45區(qū)塊扶余油層小層發(fā)育多，單層厚度薄，主力開發(fā)層為F3、5、10、11號小層，平均單井鉆遇砂巖厚度為31.6 m，有效厚度為7.2 m。扶余油層有效厚度內(nèi)孔隙度一般為11.7%，滲透率一般為0.3～0.4 mD，為低孔、超低滲儲(chǔ)層。

5.2.破裂壓力計(jì)算

應(yīng)用以上計(jì)算方法，在吉林大安北大45區(qū)塊進(jìn)行了兩口井的巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力和各小層破裂壓力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2[1]。從計(jì)算結(jié)果看，兩口井層間最大破裂壓力差值0.7～2.1 MPa，也就是說，要想達(dá)到限流壓裂一次壓開所有射孔層段的目的，施工過程中產(chǎn)生的最大孔眼摩阻必須大于層間最大破裂壓力差值1.9和2.1 MPa。

Table 2.Calculation resultsof fracture pressure of each layer of multi-cluster perforation of 2 wells in Da45 block 表2.大45區(qū)塊2口井多簇射孔各小層破裂壓力計(jì)算結(jié)果表

Continued

5.3.孔眼摩阻計(jì)算

在限流法壓裂施工過程中，射孔孔眼摩阻是保障壓開盡可能多的目的層的關(guān)鍵內(nèi)容之一。大45區(qū)塊這兩口井采用102槍、102彈射孔、全程滑溜水壓裂，現(xiàn)場設(shè)備可提供施工排量8～15 m3/min，根據(jù)區(qū)塊以往開發(fā)井大排量壓裂施工監(jiān)測資料，區(qū)塊設(shè)計(jì)施工排量10 m3/min。在確定了施工排量和射孔孔眼直徑前提下，計(jì)算不同排量對應(yīng)的孔眼摩阻見表3[10]。

Table 3.Calculation resultsof different perforation friction under different displacementsin Da45 block 表3.大45區(qū)塊不同排量下不同孔眼摩阻計(jì)算結(jié)果表

在壓裂液密度和孔眼直徑確定的情況下，射孔孔眼總數(shù)計(jì)算公式可以簡化為[8]：

利用公式(9)計(jì)算，得到大47-10-32井破裂壓力差值為1.9 MPa 時(shí)，最大射孔孔眼總數(shù)為36孔；大47-12-32井破裂壓力差值為2.1 MPa 時(shí)，最大射孔孔眼總數(shù)為34孔。

5.4.射孔方案優(yōu)化

大47-10-32與大47-12-32兩口井限流射孔方案見表4。

Table 4.Result of optimization design of current-limiting fracturing perforation scheme for 2 wells in Da45 block 表4.大45區(qū)塊2口井限流壓裂射孔方案優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表

5.5.壓裂方案設(shè)計(jì)及施工

大47-10-32和大47-12-32井均采用套管壓裂、橋塞分壓方式來實(shí)現(xiàn)單井10層和9層的改造。單段多簇射孔有利于多裂縫的產(chǎn)生，多裂縫的開啟可以增大體積壓裂改造帶寬，從面增大改造體積來達(dá)到提高產(chǎn)能的目的。為有利于近井復(fù)雜裂縫的產(chǎn)生，采用了縫口暫堵的方式施工。大47-10-32與大47-12-32兩口井施工參數(shù)設(shè)計(jì)見表5。2019年8月22日至8月26日，對兩口井5個(gè)層進(jìn)行了限流法壓裂施工改造，從施工壓力反映，限流法壓裂技術(shù)在扶余油層得到了成功應(yīng)用，各射孔層段均得到了有效的開啟，油層壓開率達(dá)到100%，達(dá)到一次壓開多層的目的。大47-10-32第一段、第二段壓裂施工曲線分別見圖1、圖2。

Table 5.Construction parameter design resultsof 2 wellsin Da45 block 表5.大45區(qū)塊2口井施工參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果表

Figure 1.Hydrofracture curve of the first stage of Well Da 47-10-32圖1.大47-10-32井第一段壓裂施工曲線

Figure 2.Hydrofracture curve of the second stage of Well Da 47-10-32 圖2.大47-10-32井第二段壓裂施工曲線

6.結(jié)論和建議

1)利用普通測井資料對地應(yīng)力的預(yù)測結(jié)果，可以對壓裂射孔方案及地面壓裂設(shè)備的選擇提供科學(xué)依據(jù)，特別是對限流壓裂的孔眼摩阻選擇，其意義十分巨大。

2)對于未施工井，各小層地層破裂壓力值以往總是無從準(zhǔn)確預(yù)測，從測井曲線，往往只能有一個(gè)大概的判斷，而沒有一個(gè)量的認(rèn)識(shí)。本文中的預(yù)測方法為限流壓裂射孔方案的確定提供了一個(gè)前提。

3)最大射孔數(shù)量公式簡化，使得射孔孔眼數(shù)量確定更便捷。

4)多簇射孔，配合全程滑溜水壓裂、組合支撐技術(shù)，可以使壓裂過程產(chǎn)生更為復(fù)雜的多裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增大裂縫改造體積提高產(chǎn)能。

5)射孔方案除考慮各層均勻開啟外，也可根據(jù)實(shí)際需要，通過控制各層射孔數(shù)量來達(dá)到不同的改造效果。