致密儲層水平井改造技術(shù)研究與應(yīng)用

于 波，周長順，胡克儉，曹永強(qiáng)，李昆鵬

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

我國的致密油藏與頁巖油藏主要分布在鄂爾多斯盆地和松遼盆地。最新資料評價結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地致密油砂巖油藏資源量達(dá)20×108t。長慶油田豐富的致密油資源已成為油田上產(chǎn)的重要資源基礎(chǔ)，其經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)是建成“西部大慶”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要保障。由于致密儲層定向井開發(fā)產(chǎn)量低、效益差，通過常規(guī)技術(shù)手段無法得到有效動用。水平井作為油田開發(fā)的革命性技術(shù)，是提高致密儲層單井產(chǎn)量的有效手段。因此，致密儲層水平井改造技術(shù)是實現(xiàn)致密儲層高效開發(fā)的關(guān)鍵。

1 水平井開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 長慶油田水平井改造工藝技術(shù)進(jìn)展

水平井作為油氣田開發(fā)的革命性技術(shù)，是提高低滲油藏單井產(chǎn)量的有效手段。長慶低滲透油田水平井開發(fā)經(jīng)歷了早期探索、研究攻關(guān)、提高完善三個階段。主體改造工藝也由早期的填砂分段壓裂工藝逐步完善發(fā)展至目前的分段多簇大規(guī)模體積壓裂工藝（見圖1）。

隨著水平井壓裂技術(shù)的進(jìn)步，增產(chǎn)倍數(shù)逐年增加，2012 年水平井增產(chǎn)倍數(shù)突破了4 倍（見圖2）。

圖1 長慶油田水平井不同階段技術(shù)發(fā)展圖

圖2 長慶油田歷年水平井單井產(chǎn)量增產(chǎn)倍數(shù)柱狀圖

1.2 采油三廠水平井改造現(xiàn)狀

（1）水平井開發(fā)工藝現(xiàn)狀：2010 年以前主體工藝為水力噴射分段壓裂，2011 年應(yīng)用了多級分段壓裂、定向射孔+雙封單卡壓裂以及扇形定向射孔等多種改造方式（見表1）。

表1 采油三廠水平井主體改造工藝表

（2）水平井生產(chǎn)現(xiàn)狀：2013 年以前，采油三廠共有水平井73 口，開井61 口，單井日產(chǎn)油3.87 t，含水62.2%。高含水關(guān)井12 口。與鄰井產(chǎn)量相比，水平井增產(chǎn)效果不顯著。

2 致密儲層水平井開發(fā)技術(shù)及應(yīng)用

國外石油公司針對儲層物性差導(dǎo)致的直井常規(guī)壓裂單井產(chǎn)量低的問題，經(jīng)過多年的探索研究，在體積壓裂理論基礎(chǔ)上，掌握了水平井+多級分段壓裂技術(shù)，實現(xiàn)了致密油藏的高效開發(fā)。隨著國外致密油的成功開發(fā)，我國也加快了致密油的勘探開發(fā)和研究步伐。長慶油田先后在安83、西233 開展長7 致密油試驗攻關(guān)取得突破，單井產(chǎn)量達(dá)到10.0 t/d 以上，最高超過20 t/d，致密儲層的開發(fā)走在了全國前列。

2013 年以來，采油三廠在黃X、鹽X、吳X 三個致密油區(qū)塊開展水平井+體積壓裂試驗，主要應(yīng)用了水力噴射多級分段、水力噴射分段多簇、水力噴射分段多簇環(huán)空加砂及水力泵送橋塞壓裂技術(shù)。

2.1 多級水力噴砂分段壓裂技術(shù)

（1）工藝特點：水力噴砂分段壓裂技術(shù)是通過高速水射流射開套管和地層并形成一定深度的噴孔，流體動能轉(zhuǎn)化為壓能，當(dāng)壓能達(dá)到一定值時，噴孔不斷擴(kuò)大，并在噴孔附近產(chǎn)生微裂縫，同時通過環(huán)空擠壓使產(chǎn)生的微裂縫延伸，實現(xiàn)水力射孔壓裂。

針對水平井改造段數(shù)多、但改造規(guī)模小、施工效率低的特點，研發(fā)了滑套式封隔器、過球式噴射器等工具，形成了多級水力噴砂分段壓裂工藝。多級水力噴砂壓裂的技術(shù)可用于裸眼、套管完井等多種完井方式；實現(xiàn)了射孔壓裂一體化；在一定條件下，可以實現(xiàn)水力自動封隔；一趟管柱可以進(jìn)行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲層傷害；工藝具有降破壓功能，儲層易壓開。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用：YPXX-XX 井應(yīng)用多級水力噴砂分段壓裂技術(shù)，該井水平段長450 m，改造7 段，排量3.8 m3/min，砂量178.7 m3，入地液量1 744 m3，壓裂作業(yè)時間3 天（提高效率30 %），試油周期23 天（比同區(qū)域減少3 天），初期產(chǎn)量8.2 t/d（比周圍定向井產(chǎn)量高3倍）（見圖3）。

圖3 多級水力噴砂分段壓裂工具

2.2 水力噴砂分段多簇壓裂技術(shù)

（1）工藝特點：針對華慶長6 等超低滲油層，自2010 年起自主研發(fā)形成了水力噴砂分段多簇壓裂技術(shù)，通過多“簇”裂縫組成“段”，以增加裂縫擴(kuò)展過程中應(yīng)力干擾，溝通天然微裂縫，促使“縫網(wǎng)”形成，與油藏的接觸體積，從而實現(xiàn)體積壓裂的目的，水平井壓后增產(chǎn)倍數(shù)達(dá)到直井4 倍以上。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用：HPXX-XX 應(yīng)用水力噴砂分段多簇壓裂技術(shù)，水平段長874 m，改造9 段18 簇，排量3.8 m3/min，砂量378 m3，入地液量2 900 m3，試油周期34 d，初期產(chǎn)量8.6 t/d（比周圍定向井產(chǎn)量高3 倍）（見圖4）。

圖4 水力噴砂分段多簇壓裂工具示意圖

2013 年黃X、鹽X 兩個區(qū)塊實施分段多簇壓裂工藝8 口，初期日產(chǎn)液14.4 m3，日產(chǎn)油6.25 t（見表2）。

表2 2013 年采油三廠致密儲層改造工藝統(tǒng)計表

2.3 水力噴砂分段多簇環(huán)空加砂壓裂技術(shù)

（1）工藝特點：水力噴砂分段多簇環(huán)空加砂壓裂技術(shù)是針對水力噴砂分段多簇壓裂技術(shù)改造排量的局限性，創(chuàng)新形成了“環(huán)空加砂”水力噴砂體積壓裂工藝，實現(xiàn)了水平井“十方排量、千方砂量、萬方液量”體積壓裂。該工藝一是采用多噴射器同時噴砂，根據(jù)儲層優(yōu)化射孔數(shù)目，布放噴射器，實現(xiàn)多簇射孔；二是采用環(huán)空加砂、油管補(bǔ)液的注入方式，大幅度提高了壓裂排量，施工排量達(dá)到4 m3/min 以上；三是通過環(huán)空加砂，減少噴射器過砂量，延長噴射器使用壽命。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用：HPXX-XX 應(yīng)用水力噴砂分段多簇環(huán)空加砂壓裂技術(shù)，水平段長900 m，改造12 段24簇，排量5.0 m3/min，砂量617 m3，入地液量6 282 m3，試油周期56 d，初期產(chǎn)量23.1 t/d（比周圍定向井產(chǎn)量高10 倍）（見圖5）。

圖5 水力噴砂分段多簇環(huán)空加砂壓裂示意圖

2013 年黃X、鹽X、吳X 三個區(qū)塊實施環(huán)空加砂工藝6 口，初期日產(chǎn)液15.5 m3，日產(chǎn)油10.6 t（見表3）。

表3 2013 年分段多簇環(huán)空加砂工藝統(tǒng)計表

2.4 水力泵送橋塞分段壓裂技術(shù)

（1）工藝特點：水力泵送橋塞分段壓裂技術(shù)水平段采用套管固井完井的一種不限制壓裂級數(shù)的改造技術(shù)，在北美頁巖氣、致密油開發(fā)中被廣泛應(yīng)用，是國外水平井壓裂主體工藝。主要原理是每一段壓裂結(jié)束后，用液體將帶射孔槍的橋塞泵入水平段指定封隔位置，射孔與橋塞封堵聯(lián)作，逐級壓裂，改造后用連續(xù)油管鉆磨橋塞，合層排液求產(chǎn)。該技術(shù)具有多級點火射孔、橋塞座封一體化，對壓裂級數(shù)無限制，裂縫參數(shù)可靈活調(diào)整，可根據(jù)儲層情況調(diào)整級數(shù)和簇數(shù)，適合大排量施工，排量6 m3/min 以上，改造體積進(jìn)一步增大。該工藝通過密集布縫和大排量注入實現(xiàn)裂縫帶覆蓋整個油層，流態(tài)由“基質(zhì)滲流＋裂縫滲流”轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲芽p滲流”，大大降低了流體的滲流阻力，將油層內(nèi)流體全部“解放”。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用：HPXX-XX 應(yīng)用水力泵送橋塞分段壓裂技術(shù)，水平段長568 m，改造5 段20 簇，每簇2.4 m，排量8.0 m3/min，砂量308 m3，入地液量3 204 m3，試油周期26 d，初期產(chǎn)量7.9 t/d（比周圍定向井產(chǎn)量高3倍）（見圖6）。

采油三廠試驗水力泵送橋塞工藝3 口井，環(huán)空加砂工藝2 口井，對比兩種工藝水力泵送橋塞工藝在排量提高了2.1 m3/min 的情況下，施工壓力下降了8.9 MPa，試油周期縮短了近20 d（見圖7）。

圖6 水力泵送橋塞工藝示意圖

圖7 環(huán)空加砂與水力泵送橋塞工藝對比圖

3 致密儲層改造關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

3.1 工具升級

水平井體積壓裂井底壓力高、多段壓裂作業(yè)時間長，對壓裂工具性能要求較高，常規(guī)的封隔器、水力噴砂器壽命較短。在黃X 區(qū)平均單套壓裂工具使用壽命僅有1.3 段。

針對封隔器及水力噴砂器壽命短，對封隔器與水力噴砂器進(jìn)行分析改進(jìn)：（1）封隔器由短膠筒升級為長膠筒，由鋼絲式升級為鋼帶式，提高了封隔器抗損傷能力，實現(xiàn)大液量、長時間體積壓裂作業(yè)下的有效封隔；（2）將水力噴砂器噴嘴壓帽由普通式升級為合金式，提高水力噴砂器外表面抗反濺能力及噴砂器的耐磨性，大幅增加水力噴砂器壽命。在黃X 區(qū)平均單套壓裂工具的壽命提高到了2.6 段，與改進(jìn)前相比性能提高了1倍。

3.2 施工優(yōu)化

采油三廠水平井開發(fā)區(qū)儲層致密，改造難度大，地層破壓高，施工加砂難。針對這一現(xiàn)狀，從施工程序出發(fā)，通過優(yōu)化施工，提升致密儲層水平井改造質(zhì)量，確保單井產(chǎn)量的提高。（1）在噴砂射孔階段，通過優(yōu)化噴射排量，使用EM30 減阻滑溜水替代0.08 %胍膠滑溜水作為噴砂射孔液體與壓裂前置液，能有效降低施工壓力5～10 MPa，確保噴射排量提高到2.8 m3/min 以上，并延長噴射時間，由以前12 min 延長到20 min，從而提升噴射效果。（2）在預(yù)壓階段，使用前置酸，對致密儲層進(jìn)行酸蝕“摳縫”。（3）在前置階段，利用粉陶小砂比段塞，打磨孔眼，促進(jìn)主裂縫延伸。2013 年以來，采油三廠在致密儲層區(qū)塊改造水平井18 口，壓裂159段，僅放棄6 段，一次壓裂成功率達(dá)96.2 %（見圖8，圖9）。

圖8 HPXX-XX 第8 段施工曲線

圖9 HPXX-XX 第9 段施工曲線

3.3 參數(shù)研究

通過礦場試驗，對投產(chǎn)滿1 個月的14 口致密儲層水平井產(chǎn)量與水平段長、壓裂排量、入地液量、布縫密度進(jìn)行統(tǒng)計分析：水平井產(chǎn)量與水平段長、壓裂排量、入地液量、布縫密度均呈正相關(guān)系，且當(dāng)水平段長度≥800 m、壓裂排量≥4 m3/min、入地液量≥4 000 m3、布縫密度≥1 段/100 m，水平井初期產(chǎn)量達(dá)到8 噸以上（見圖10，圖11，圖12，圖13）。

4 工廠化作業(yè)探索

圖10 初期產(chǎn)量與水平段長相關(guān)性

圖11 初期產(chǎn)量與排量相關(guān)性

圖12 初期產(chǎn)量與入地液量相關(guān)性

圖13 初期產(chǎn)量與布縫密度相關(guān)性

“工廠化”作業(yè)起源于北美非常規(guī)油氣藏，是指應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和方法，集中配置人力、物力、投資、組織等要素，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)和管理手段，用于傳統(tǒng)石油開發(fā)施工和生產(chǎn)作業(yè)?！肮S化”作業(yè)具有“集群化”叢式水平井組布井、工廠化鉆井、工廠化壓裂等特點，能夠大幅度提高施工效率，降低開發(fā)成本。

2013 年，長慶油田借鑒國外工廠化作業(yè)的先進(jìn)理念，大力開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在高效水平井壓裂工藝、壓裂液回收處理再利用、高性能壓裂工具等多項關(guān)鍵技術(shù)上取得重要突破。在此基礎(chǔ)上開展了適應(yīng)采油三廠水平井試油“工廠化”作業(yè)道路的探索。

4.1 雙機(jī)組試油+交替壓裂

按照“集群化”叢式水平井組布井思路，2013 年采油三廠致密儲層水平井布井18 口，其中雙水平井井場5 個10 口井，占總井?dāng)?shù)的55.6 %。為減少水平井試油壓裂占井時間，采用了“雙機(jī)組試油+交替壓裂”模式，通過優(yōu)化壓裂施工組織各環(huán)節(jié)，壓裂管匯標(biāo)準(zhǔn)化連接+壓裂機(jī)組一站式布放：低壓管匯一趟連接，高壓管匯通過旋塞控制，A 井壓完無需重新連接管匯，可快速施工B 井，提高作業(yè)效率，同時降低施工安全風(fēng)險。A 井壓完后放噴、備水配料與B 井壓裂同時進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)井間交替壓裂，減少等停時間，提高井組作業(yè)效率。實施“雙機(jī)組試油+交替壓裂”后，相比單機(jī)組試油平均單井早投11.2 天（見圖14）。

圖14 雙機(jī)組交替壓裂示意圖

4.2 壓裂返排液再利用

致密儲層水平井采用大排量、大液量體積壓裂技術(shù)進(jìn)行改造，壓裂后返排液量大，處理困難，給油田生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)造成了極大的壓力。為此開展壓裂返排液再利用試驗。針對水平井壓裂返排液大液量、高粘度、高懸浮物等特點，以“混凝沉淀+過濾殺菌+水質(zhì)軟化+絡(luò)合掩蔽”為主體處理技術(shù)，通過現(xiàn)場工藝與設(shè)備配套、井場布置優(yōu)化，實現(xiàn)水平井壓裂液回收再利用；將壓裂返排液處理后再利用可節(jié)省大量的淡水資源，減少備水時間，提高壓裂施工效率。壓裂返排液處理與再利用裝置現(xiàn)場試驗1 口井4 段，污水處理能力80 m3/h，共回收污水1 600 m3，回收再利用率達(dá)到68 %（見圖15）。

圖15 壓裂返排液處理與再利用裝置示意圖

4.3 多元供水

由于水平井用水量大，單段用水量在600 m3以上，單純以傳統(tǒng)罐車?yán)姆绞诫y以滿足生產(chǎn)用水需求。為此，一是根據(jù)水平井布井情況，提前布置好水源井，將供水管線從水源井或供水站將直接鋪設(shè)到作業(yè)井場；二是深入應(yīng)用壓裂返排液回收再利用技術(shù)，實現(xiàn)壓裂返排液的回收；三是在采用前兩種方式后，仍有不足的部分輔以罐車?yán)?。通過建立“水源直供、回收再利用、罐車?yán)\”模式，實現(xiàn)了供水全面提速。通過現(xiàn)場統(tǒng)計對比，采用多元供水后平均單井節(jié)約備水4.5 d。

4.4 螺桿泵試采一體化

水平井壓裂后入地液量大，抽汲排液時間長。而螺桿泵排量在30～50 m3/d 范圍內(nèi)可控，能夠滿足水平井壓裂后排液需求，同時又能實現(xiàn)叢式水平井井場“邊試邊投”，提高采油時率，因此在現(xiàn)場推廣應(yīng)用了螺桿泵試采一體化工藝。應(yīng)用該工藝后減少抽汲時間5～8 d。

5 總結(jié)與認(rèn)識

（1）2013 年采油三廠三個致密油水平井規(guī)模示范區(qū)共投產(chǎn)水平井18 口，平均單井產(chǎn)量8.2 t/d，為普通定向井的4 倍；平均試油周期34.8 d，與致密儲層水平井開發(fā)初期（HPXX-XX 試油周期56 d）相比縮短了21 d。

（2）水力噴砂分段多簇環(huán)空加砂與水力泵送橋塞壓裂技術(shù)都具有改造排量大的特點，都能有效解放致密儲層內(nèi)的油流，是目前致密儲層改造的主體技術(shù)。

（3）水力泵送橋塞分段壓裂技術(shù)有效降低施工壓力，減少起下鉆次數(shù)，縮短試油周期，但是國外水力泵送橋塞分段壓裂技術(shù)相對施工費用較高，國內(nèi)水力泵送橋塞技術(shù)現(xiàn)雖然已經(jīng)試驗成功，但對井身結(jié)構(gòu)要求較高，還有待進(jìn)一步完善提高。

（4）壓裂工具改進(jìn)后有效提高了工具使用壽命得到了大幅提高，但存在易卡鉆、斷裂的風(fēng)險，且斷裂后沒辦法處理，只能遺留在井底。建議下步對壓裂工具的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)上作進(jìn)一步改進(jìn)，減少卡鉆現(xiàn)象，避免斷裂事故的發(fā)生。

（5）提高噴射效果、使用前置酸、增加小砂比段塞能有效解決地層壓不開的現(xiàn)象。對于上述三種手段仍不能壓開的地層還可以微調(diào)噴點，優(yōu)選儲層物性較好處進(jìn)行噴射，提高壓裂成功率。

（6）“工廠化”作業(yè)能有效提高試油周期，但“工廠化”作業(yè)之路還有待進(jìn)一步探索，進(jìn)一步向標(biāo)準(zhǔn)化程序、流水化作業(yè)方面發(fā)展。

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