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)氣田的關鍵技術。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實現(xiàn)水平井定點壓裂，而且施工效率高，能夠實現(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，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。

1 固井滑套分段壓裂工藝

1.1 工藝原理及技術特點

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）固井滑套內通徑與套管內徑一致，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 完井及壓裂管柱結構

1）完井管柱結構組成

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，其結構如圖1所示。

圖1 固井滑套分段壓裂工藝管柱結構示意圖

固井滑套是完井管柱的核心部分，其滑套結構主要有滑套本體、滑套內筒、壓裂孔眼以及滑套定位/鎖定槽等組成，其結構如圖2所示。

圖2 固井滑套外觀整體結構示意圖

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

2）壓裂施工管柱結構組成

固井滑套開啟采用連續(xù)油管作業(yè)，壓裂管柱結構為：（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構示意圖

圖4 固井滑套分段壓裂連續(xù)油管管柱結構示意圖

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)。在工具入井或轉層過程中，封隔器與錨定系統(tǒng)處于解封狀態(tài)。在壓裂結束轉層過程中，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。采用二級井身結構固井滑套+套管固井完井，井身結構如表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井井身結構表

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，結合水力噴砂射孔沿程摩阻與節(jié)流摩阻的計算結果，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，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，平均單段轉層時間介于25～55 min，施工后期平均單段轉層時間30 min左右；連續(xù)油管帶底封分段壓裂平均單段轉層時間50 min左右；可鉆橋塞分段壓裂單段轉層時間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，施工和轉層迅速。

4 結論

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，不僅能夠實現(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，轉層迅速，能夠實現(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。

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（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研究院。電話：18037373419。E-mail：skxv@163.com