定向射孔多縫壓裂工藝案例分析

唐梅榮

(長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，西安 710021)

1 前言

水力壓裂技術(shù)為全世界低滲透油氣藏改造獲得經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)做出了巨大貢獻(xiàn)，它成為了低滲透油氣藏賴以開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。世界上著名的低孔、低滲、低壓油田以中國(guó)的長(zhǎng)慶油田最為典型，進(jìn)入21世紀(jì)長(zhǎng)慶油田開(kāi)發(fā)的三疊系油藏平均孔隙度7% ～12%、滲透率0.2～2.0 mD、壓力系數(shù)0.6～0.8。隨著水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步，長(zhǎng)慶油田開(kāi)發(fā)油藏的滲透率下限不斷下降，但針對(duì)0.5 mD以下的油藏壓裂改造技術(shù)沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，常規(guī)的水力壓裂技術(shù)表現(xiàn)出了明顯不足。

近年來(lái)，長(zhǎng)慶油田不斷探索、嘗試各種壓裂工藝，主要以大規(guī)模壓裂、低傷害壓裂液為主攻方向，但總體上沒(méi)有突破。在此背景下，提出了體積壓裂理念，壓裂由追求長(zhǎng)縫轉(zhuǎn)變?yōu)樽非蠖嗔芽p，由擴(kuò)大泄流面積轉(zhuǎn)變?yōu)樾沽黧w積。長(zhǎng)慶油田油層水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力之間的差值相對(duì)較小，水力裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的難度相對(duì)小，由此發(fā)明了定向射孔多縫壓裂工藝[1]。

2 工藝設(shè)想

實(shí)驗(yàn)室研究射孔方位與地層破裂壓力之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果射孔方位與水平最大主應(yīng)力方向之間存在夾角，壓裂裂縫首先沿著射孔方向延伸，之后轉(zhuǎn)向水平最大主應(yīng)力方向[2]。在此啟發(fā)下，提出了通過(guò)定向射孔誘導(dǎo)裂縫定向起裂，迫使裂縫轉(zhuǎn)向，配合分段壓裂工藝，在層內(nèi)形成多裂縫，多裂縫在地層內(nèi)相交點(diǎn)位于井眼位置，理想條件下壓裂形成的裂縫見(jiàn)圖1。

3 物理模擬試驗(yàn)

通過(guò)理論研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向影響較大的參數(shù)有射孔方位、水平應(yīng)力差[2]。為研究射孔方位、水平應(yīng)力差對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向半徑、破裂壓力等參數(shù)的影響，開(kāi)展了物理模擬試驗(yàn)研究。

圖1 定向射孔多縫壓裂工藝效果立體成像圖Fig.1 Visual image of the oriented perforating technology for the multiple crackfracturing technology

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

模擬地層三向應(yīng)力、水力壓裂，對(duì)試件進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn)，研究不同射孔方位、水平應(yīng)力差下裂縫起裂、轉(zhuǎn)向規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖2。

圖2 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Simulated experiment instruments ofthe hydraulic fracturing

3.2 模擬井筒、射孔

井筒外徑:20 mm;內(nèi)徑:15 mm。

射孔排數(shù):3排;孔排間距:25 mm;相位角:180°。

射孔孔徑:2 mm;孔深:30 mm。

3.3 模擬壓裂試件

試樣采用水泥和石英砂澆鑄而成，在澆鑄過(guò)程中，根據(jù)需要，將外徑為20 mm，內(nèi)徑為15 mm，長(zhǎng)為225 mm的鋼管置入在試樣中，作為模擬井筒。在模擬井筒上的3排小孔中插入不同規(guī)格的細(xì)紙卷，模擬射孔孔眼，且這些小孔也是壓裂模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)壓裂液的出口。

試件參數(shù):孔隙度1.85%、滲透率0.5 mD、彈性模量1.5×104MPa、泊松比0.23、單軸抗壓強(qiáng)度48.5 MPa。

3.4 模擬三向地應(yīng)力

水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)要求模擬地層條件，其中最主要的因素之一是地層應(yīng)力的大小和分布。一般情況下，地層三向主應(yīng)力互不相等，而且不同層位水平地應(yīng)力的大小也不同。對(duì)于水力壓裂來(lái)說(shuō)，三向主應(yīng)力的相對(duì)大小決定著裂縫擴(kuò)展的方向[3]。在模擬實(shí)驗(yàn)中采用真三軸加載方式能更好地反映地層的實(shí)際應(yīng)力狀況。

3.5 模擬試驗(yàn)結(jié)果

認(rèn)識(shí)一:當(dāng)射孔方位與最大主應(yīng)力方向呈一定夾角時(shí)，裂縫先沿射孔孔眼方向起裂，后轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向 (見(jiàn)圖3)。

圖3 定向射孔壓裂試件實(shí)拍照片F(xiàn)ig.3 Pictures of the oriented perforating technology for the multiple crack fracturing

認(rèn)識(shí)二:射孔方位與最大主應(yīng)力方向夾角越大，轉(zhuǎn)向半徑越大;隨應(yīng)力差增加，轉(zhuǎn)向半徑減小(見(jiàn)圖4)。

認(rèn)識(shí)三:對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的影響程度，射孔方位要大于水平兩向應(yīng)力差。

為直觀分析射孔方位和應(yīng)力差對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的影響，同時(shí)將射孔方位和應(yīng)力差作為自變量，轉(zhuǎn)向半徑作為函數(shù)值，進(jìn)行曲面擬合(見(jiàn)圖5和圖6)。

擬合曲面與實(shí)驗(yàn)曲面的吻合度較高，說(shuō)明通過(guò)擬合得到的函數(shù)關(guān)系式精度可靠。

式中，R為轉(zhuǎn)向半徑，cm;Δσ為水平應(yīng)力差，MPa;θ為射孔方位，°。

分析擬合公式發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力差增加，轉(zhuǎn)向半徑減小;射孔偏轉(zhuǎn)方位增加，轉(zhuǎn)向半徑增加。忽略方程中的平方項(xiàng)，對(duì)比應(yīng)力差和射孔方位的系數(shù)發(fā)現(xiàn)，射孔方位對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的影響要大一些。

圖4 轉(zhuǎn)向半徑與應(yīng)力差、射孔方位關(guān)系圖(σz=15 MPa)Fig.4 Relationship of turning radius，stress difference and shot direction(σz=15 MPa)

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲面擬合俯視圖Fig.5 Plan view of surface fitting of the simulation experiments data

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲面擬合側(cè)視圖Fig.6 Side view of surface fitting of the simulation experiments data

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)選井

通過(guò)對(duì)油田重點(diǎn)層位取芯分析水平最大應(yīng)力、水平最小應(yīng)力、垂直應(yīng)力，篩選水平兩向應(yīng)力差小于5 MPa。最終優(yōu)選了H區(qū)塊A井為試驗(yàn)對(duì)象，該井油層主要參數(shù)如下:油層厚度15.4 m、孔隙度8.9%、滲透率0.32 mD、水平兩向應(yīng)力差2.3 MPa。

4.2 裂縫方位

通過(guò)井下微地震測(cè)試獲取該區(qū)壓裂裂縫方位為NE75 °(見(jiàn)圖7)。

圖7 Y井井下微地震監(jiān)測(cè)裂縫方位圖Fig.7 Fracture direction of the Well Y bydownhole microseismic monitoring

4.3 射孔方位

根據(jù)物模試驗(yàn)結(jié)果，并考慮裂縫起裂破壓，選擇射孔方位與水平最大地應(yīng)力方位夾角為45°。因此，A井設(shè)計(jì)的兩個(gè)射孔段，一個(gè)在NE75°基礎(chǔ)上右偏轉(zhuǎn)45°，即NE120°。一個(gè)在NE75°基礎(chǔ)上左偏轉(zhuǎn)45 °，即 NE30 °。

4.4 射孔參數(shù)

通過(guò)壓縮射孔程度控制起裂點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)射孔長(zhǎng)度為 2 m，上下射孔段深度分別是2 701～2 703 m、2 710～2 712 m。為增加射孔深度，采用超深穿透射孔彈，穿透深度1 m左右。

4.5 壓裂參數(shù)

考慮A井為一口開(kāi)發(fā)井，注采井網(wǎng)是菱形反九點(diǎn)井網(wǎng)，根據(jù)裂縫與井網(wǎng)適配優(yōu)化結(jié)果，遠(yuǎn)離注水井的裂縫縫長(zhǎng)140 m(NE30°射孔段)、靠近注水井的裂縫縫長(zhǎng)130 m(NE120°射孔段)。綜合考慮確定NE30°射孔段壓裂規(guī)模35 m3，NE120°射孔段壓裂規(guī)模30 m3。圖8為油藏模擬5年后油井含水飽和度分布圖。

圖8 油藏模擬5年后油井含水飽和度分布圖Fig.8 Water saturation distribution of the oilreservoir in 5 years by simulation

5 施工作業(yè)

5.1 電纜傳輸定向射孔

定向射孔定位支撐裝置、方位測(cè)量?jī)x圖見(jiàn)圖9;定向射孔定位支撐裝置、射孔槍儀圖見(jiàn)圖10。

圖9 定向射孔定位支撐裝置、方位測(cè)量?jī)x圖Fig.9 Instruments of the oriented perforating

1)首先采用電纜將定位器和投放工具以及定位支撐裝置連接下井，用磁性定位器將深度確定為2 712.16 m后，點(diǎn)火將定位支撐裝置座在預(yù)定深度，然后起出電纜。

2)采用電纜將方位測(cè)量裝置連接下井，方位測(cè)量裝置插入定位支撐裝置后，測(cè)量定位裝置內(nèi)鍵的準(zhǔn)確方位為NE282°，然后起出電纜。

3)地面根據(jù)定位支撐裝置鍵的方位和射孔設(shè)計(jì)方位，調(diào)整定方位射孔槍下的導(dǎo)向頭和射孔槍夾角。定位裝置內(nèi)鍵的準(zhǔn)確方位為282°，下段射孔段方位120°，因此定位羅盤儀調(diào)出差值162°。羅盤儀套在導(dǎo)向定位頭上，將射孔彈方位與導(dǎo)向頭鍵槽調(diào)162°后緊固頂絲。采用電纜將定方位射孔槍連接下井。

圖10 定向射孔定位支撐裝置、射孔槍儀圖Fig.10 Instruments of the oriented perforating

4)當(dāng)導(dǎo)向頭插入定位支撐裝置后，射孔槍即對(duì)準(zhǔn)射孔段，射孔彈即對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的方位。

5)通電點(diǎn)火射孔，地面觀察電纜和絞車抖動(dòng)的狀況，判斷射孔槍起爆。

6)上起電纜和射孔槍并解鎖定位支撐裝置，定位支撐裝置隨射孔槍體一起起出井口，完成施工。

5.2 不動(dòng)管柱分段壓裂

1)下射孔段2 710～2 712 m，方位 NE120 °，設(shè)計(jì)縫長(zhǎng) 130 m、加砂 30 m3。井底破裂壓力47.75 MPa，井底停泵壓力31.63 MPa。壓裂初期發(fā)現(xiàn)施工壓力在持續(xù)上升，與該區(qū)常規(guī)壓裂施工特征不同，分析原因主要是裂縫在初始階段發(fā)生轉(zhuǎn)向造成的高彎曲摩阻，導(dǎo)致壓力在地層破裂后不降反升。圖11為下段壓裂施工曲線圖。

圖11 下段壓裂施工曲線圖Fig.11 Fracturing curve for the lower part

2)上射孔段2 701～2 703 m，方位NE30°，設(shè)計(jì)縫長(zhǎng)140 m、加砂35 m3。井底破裂壓力49.33 MPa，井底停泵壓力31.04 MPa。該段壓裂破壓明顯且高，說(shuō)明壓裂初始階段兩條裂縫沒(méi)有溝通。油層起裂后壓力沒(méi)有繼續(xù)上升，分析認(rèn)為可能是射孔方位與最大主應(yīng)力方向夾角較小，裂縫彎曲摩阻小造成的。圖12為上段壓裂施工曲線圖。

圖12 上段壓裂施工曲線圖Fig.12 Fracturing curve for the upper part

6 測(cè)試結(jié)果

6.1 壓力計(jì)監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)射孔段位置壓力變化情況，判斷是否有壓力傳導(dǎo)至此，如果有壓力傳導(dǎo)需要識(shí)別清楚來(lái)源，根據(jù)壓力來(lái)源可判別兩次壓裂裂縫是否連通。

壓裂射孔段2(下段)時(shí)，如果裂縫延伸到射孔段1(上段)，則上壓力計(jì)將顯示壓力急劇上升;若未壓串，上壓力計(jì)壓力無(wú)變化。圖13為下段壓裂時(shí)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)布放圖。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖14，在上射孔段處的壓力計(jì)記錄到的數(shù)據(jù)顯示，此處壓力明顯小于下射孔段(正壓裂段)處壓力，說(shuō)明裂縫沒(méi)有在進(jìn)井筒地帶溝通。

圖13 下段壓裂時(shí)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)布放圖Fig.13 Downhole pressure position forthe lower part fracturing

圖14 下段壓裂時(shí)壓力計(jì)數(shù)據(jù)圖Fig.14 Pressure curve of the lower part fracturing

壓裂射孔段1(上段)時(shí)，如果裂縫與射孔段2(下段)裂縫溝通，則下壓力計(jì)將顯示壓力急劇上升;若未壓串，下壓力計(jì)壓力無(wú)變化。圖15為上段壓裂時(shí)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)布放圖。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖16，在下射孔段處的壓力計(jì)記錄到的數(shù)據(jù)顯示，此處壓力明顯小于上射孔段(正壓裂段)處壓力，說(shuō)明裂縫沒(méi)有在進(jìn)井筒地帶溝通。

6.2 井下微地震裂縫測(cè)試

A井壓裂采用井下微地震全程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)NE120°射孔段壓裂形成的裂縫主體方位為NE83°(見(jiàn)圖17);NE30°射孔段壓裂形成的裂縫主體方位為NE61°(見(jiàn)圖18)，兩條裂縫之間的夾角為22°。兩條裂縫均趨于最大水平主應(yīng)力方向，發(fā)生轉(zhuǎn)向[2]。

7 增產(chǎn)效果

A井生產(chǎn)半年后日產(chǎn)油4.5 t，相比鄰井產(chǎn)量提高了38%(見(jiàn)圖19)。

8 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)定向射孔強(qiáng)制初始裂縫轉(zhuǎn)向，使分段壓裂在層內(nèi)形成多裂縫的設(shè)想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，成為多縫壓裂技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

2)根據(jù)定向射孔多縫壓裂工藝設(shè)計(jì)了物模實(shí)驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案，取得了以下主要認(rèn)識(shí):裂縫轉(zhuǎn)向半徑隨著射孔夾角增加而增加。裂縫轉(zhuǎn)向半徑隨著水平應(yīng)力差增加而減小。對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的影響程度，射孔方位大于水平應(yīng)力差。

圖16 上段壓裂時(shí)壓力計(jì)數(shù)據(jù)圖Fig.16 Pressure curve of the upper part fracturing

圖17 NE120°射孔段壓裂裂縫監(jiān)測(cè)圖Fig.17 MS monitoring results in NE120 °

圖18 NE30°射孔段壓裂裂縫監(jiān)測(cè)圖Fig.18 MS monitoring results in NE 30 °

圖19 試驗(yàn)井與對(duì)比井產(chǎn)量對(duì)比圖Fig.19 Productivity contract between the experimented well and compared well

3)通過(guò)井下微地震裂縫監(jiān)測(cè)證實(shí)，多縫壓裂技術(shù)可以在層內(nèi)形成多縫，達(dá)到了進(jìn)一步提高泄油體積的目的。

4)多縫壓裂工藝的試驗(yàn)成功，其作用不止是單井產(chǎn)量的提高，而且通過(guò)提高油藏橫向動(dòng)用程度可以減小井網(wǎng)密度，從而降低低滲透油田開(kāi)發(fā)成本。

[1]劉建中，王秀娟，孫玉玲，等.人工壓裂形成多裂縫的可能性研究[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā)，2002，29(3):103－106.

[2]劉建中，劉繼民，劉志鵬，等.用微地震法監(jiān)測(cè)壓裂裂縫轉(zhuǎn)向過(guò)程[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005，32(2):75－77.

[3]劉建中，張金珠，張 雪.油田應(yīng)力測(cè)量[M].北京:地震出版社，1993.