水平井完井方式與分段壓裂工藝適應性研究

陳曉宇 王彥興 李春穎 高龍 孫超

摘 要：優(yōu)選水平井的完井方式，需要考慮儲層類型、驅(qū)動方式、產(chǎn)層巖性、鉆井工藝、生產(chǎn)控制等；如果需要進行水平井壓裂作業(yè)，就不得不考慮到水平井完井方式與分段壓裂工藝是否適合。論述了水平井完井方式分別與水力噴射分段壓裂工藝、限流壓裂工藝、機械分段壓裂等工藝的適應性研究結(jié)果，可為水平井在選擇完井方式及其分段壓裂工藝上提供借鑒。

關 鍵 詞：水平井；完井方式；分段壓裂；適應性

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0799-04

Abstract： During choosing the horizontal well completion method， we need to consider reservoir type， drive way， producing formation lithology， drilling technology， production control； if the horizontal well fracturing operation is required， it is necessary to take into account the adaptability of the horizontal well completion method and the section fracturing technology. In this paper， research results about the adaptability of horizontal well completion method with hydraulic injection section fracturing technology， limited flow fracturing process， mechanical fracturing and other technology were introduced， which could provide reference for selection of completion methods and section fracturing technologies.

Key words： Horizontal well；Well completion system；Staged fracturing；Adaptability

水平井完井技術是整個水平井技術中至關重要的組成部分，較好的完井質(zhì)量不僅能保證以后各項井下作業(yè)的順利施展，同時，對于采取特殊的鉆井技術或利用完井方法最優(yōu)化來實施一些特殊的完井工藝技術，比如定向射孔，選擇性酸化壓裂等這些情況，它甚至能避免晚期的水錐進、地層出砂；從長遠眼光看，優(yōu)良的完井質(zhì)量能提高經(jīng)濟效益；而在完井工程當中，完井方法的優(yōu)選以及完井工藝技術的研究顯得尤為重要。

水平井完井方法的優(yōu)選要充分考慮到其儲層類型、驅(qū)替的方式、產(chǎn)層的巖石性質(zhì)、相關的鉆井工藝以及生產(chǎn)控制等等；如果需要進行水平井壓裂，還不得不考慮到水平井完井方式與分段壓裂工藝是否適合。

1 水平井完井方式與水力噴射分段壓裂工藝的適應性研究

水平井完井方式包括套管或尾管射孔完井、裸眼完井、篩管完井、裸眼防砂完井和裸眼或套管內(nèi)礫石充填完井。水平井完井方式的選擇要以滿足油氣藏類型、安全生產(chǎn)、修井作業(yè)、壓裂工藝等多方面的要求為前提，合理的完井方式應滿足是以下要求[1，2]：

（1）最大限度得在產(chǎn)層和井筒間建立起最佳連通條件，使儲集層收到的傷害最?。?/p>

（2）產(chǎn)層和井筒間具有盡可能大的滲流面積，油氣入井所遇阻力最小，有助于高產(chǎn)量；

（3）能很好地封隔油、氣、水層，以免發(fā)生氣竄和水竄的現(xiàn)象發(fā)生，延長油氣井壽命，減少修井工作量和修井費用；

（4）克服井塌或產(chǎn)層出砂，保障油氣井長期安全生產(chǎn)；

（5）有利于井下作業(yè)等。

（6）施工工藝簡單，成本低。

水力噴射分段壓裂工藝對完井的要求不高，只需要最大限度地保護油氣藏，減少在完井過程中對油氣藏的傷害。水力噴射分段壓裂工藝最佳的完井條件是：一是希望噴嘴的相位角與射孔的相位角一致，并且能下到井底噴嘴位置與射孔的位置在一條線上，可以有效降低破裂壓力，可以增加壓裂裂縫規(guī)模；二是如果噴嘴位置與射孔的位置不在一條線上，就必須對套管強度進行校核[3]。

2 水平井完井方式與限流壓裂工藝的適應性

水平井限流法壓裂是利用射孔位置、孔數(shù)數(shù)目的優(yōu)化以及施工參數(shù)的變化實施分段壓裂。限流壓裂主要針對射孔完井，對射孔的要求非常高。它所涉及的原理是在壓裂期間，壓裂液快速得經(jīng)過射孔孔眼，進入到儲層會產(chǎn)生孔眼摩阻，并且摩阻值會跟著泵注量的增加而上升，井底壓力因而升高，當壓力超過壓裂層段的破裂壓力的時候，將產(chǎn)生裂縫[4]。所以合理得確定射孔位置和孔數(shù)數(shù)目是限流法壓裂設計的關鍵。

水平井采用限流壓裂，必須要確定射孔的最佳位置。必須跟根據(jù)巖石力學和地應力數(shù)據(jù)來分析，應力高的層段孔眼多，摩阻小，而應力低的層段孔眼少，摩阻高；一般水平段的地應力相差不大，大概就是1.0～2.0 MPa。采用合理的射孔孔眼節(jié)流壓差可以達到封隔層段被有效壓開的目的。射孔孔眼的節(jié)流壓差計算公式是：

要使孔眼壓差達到1.0～2.0 MPa，如果排量為4 m3/min，孔眼直徑為1 cm，壓裂液流體密度為1.02 g/cm3。

由圖1可知，總射孔數(shù)最大可達到20～23個，即可實現(xiàn)射開層段全部吸液。但是射孔位置要根據(jù)地應力的情況來決定。

3 水平井完井方式與機械分段壓裂工藝的適應性

水平井機械分段壓裂工藝對水平井完井的要求非常高。對于采用套管射孔方式完井的水平井，不論在射孔方位、布孔方式、射孔長度的選擇還是孔密和射孔相位的確定上不僅要與油藏相適應還要與壓裂相適應。水平井采用機械分段壓裂工藝，其射孔參數(shù)的設計需滿足3個條件：一是要使選定的射孔參數(shù)有助于裂縫的起裂，并減少砂堵的可能性；二是要滿足下工具的需要；三是要求射孔參數(shù)能滿足壓裂攜砂液具有較好的攜砂能力、較小的孔眼摩阻，確保射孔孔眼與地層有最佳的連通。

3.1 射孔方位的影響

射孔方位角是指射孔軸線與最大水平地應力方向之間的夾角[5]。按照目前的施工水平，即使地應力條件非常有利，射孔孔眼方位還是不可能跟有利的起裂方位恰好重合。如果因為射孔位置不好而引發(fā)在非理想位置起裂，進而產(chǎn)生裂縫的情況，這就需要通過轉(zhuǎn)向才能達到最終的理想位置。在這些裂縫內(nèi)的流體的流動情況很糟，存在著比較大的摩阻，尤其是當加砂作業(yè)進行完以后，這會引起井底的壓力增大，進而產(chǎn)生出更多的裂縫；還有一個重要的因素是在非理想位置起裂的裂縫，它的連接性會比較較差。裂縫能否轉(zhuǎn)向可以通過裂縫起裂位置處的總轉(zhuǎn)向角度大小進行判斷。當微環(huán)面存在時，如果射孔孔眼恰好在最小破裂壓力處，則轉(zhuǎn)向角度較??；如果射孔孔眼跟最小破裂壓力處存在一定角度，那么在較大壓力下裂縫開始起裂，轉(zhuǎn)向角度比較大，產(chǎn)生較高的摩擦阻力。因此，理想的裂縫起裂位置除了要考慮起裂壓力的大小外還要考慮裂縫的連接容易程度與轉(zhuǎn)向角度大小，只有三者都比較理想的時候，此時的位置才是真正的理想起裂位置。通常情況下，這個理想位置靠近理想平面，也就是最大主應力方向[6]。

3.2 布孔方式的影晌

布孔方式是指射孔孔眼在地下巖層中的排列組合規(guī)律。通過將線狀布孔、對稱布孔和交錯布孔這三種布孔方式對地層破裂壓力產(chǎn)生的影響程度對比發(fā)現(xiàn)：在射孔方位相同的情況下，采用交錯布孔時其地層破裂壓力最小，采用線狀布孔其地層破裂壓力最大，這是由于裂縫都是成對出現(xiàn)的緣故。0°相位線狀布孔時，裂縫最開始是在孔眼處沿著孔眼軸線的方向起裂，同時壓裂液沿井筒壁面繞到孔眼對面的位置，形成雙翼裂縫。這個過程會有額外的能量損失，從而用于起裂裂縫的能量減小了；而180°相位布孔就不會出現(xiàn)這種情況。當射孔密度相同，180°相位對稱布孔的孔眼間距是大于交錯布孔的，此時對稱布孔的地層破裂壓力要大于交錯布孔。從降低地層破裂壓力這個角度上考慮，180°相位交錯布孔是最好的布孔方式[7]。

3.3 射孔密度的影響

較高的射孔密度可以獲得較大的產(chǎn)能，但射孔密度不能因此去無限制地增加孔密，因為套管強度會不能滿足壓裂的要求。在射孔作業(yè)施工中，存在一個最佳孔密，可以通過油氣井的條件和其他射孔參數(shù)的收集，確定一個最適合該井的孔密，使之既能滿足采油的需要又能滿足壓裂的要求。產(chǎn)能比隨著孔密的改變而變化，但當孔密增加到一定程度時，孔密的增加就不會明顯提升水平井產(chǎn)能了。在定向

射孔作業(yè)中，隨著射孔數(shù)量增多，射孔間距會越來越?。蝗绻锹菪淇?，要有效減小射孔間距就必須相應提高射孔密度。但是，在不易連接的地

方提高射孔密度反而會引起裂縫條數(shù)增加。

井眼最大軸向應力決定地層破裂壓力。射孔對井眼應力產(chǎn)生的影響可以當作是無限大體中開多孔應力集中相互影響的結(jié)果。隨著射孔密度增大，孔眼間距越來越小，多孔應力集中效應產(chǎn)生相互干擾，導致孔眼附近的應力集中情況發(fā)生變化，最大軸向應力沒有跟著射孔密度的增大而呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢，同時，地層破裂壓力表現(xiàn)出階段性的變化[8]。

3.4 射孔深度的影響

隨著射孔深度的增加和孔眼長度的增大，液體壓力作用在孔壁上的有效面積會隨之變大，而需要用于破裂地層的液體能量也要變大，這就導致孔眼的軸向應力增大，地層破裂壓力變小。同時，射孔深度增加可以最大程度地降低裂縫在井眼附近發(fā)生轉(zhuǎn)向的概率，從而在裂縫內(nèi)的壓裂液流動摩阻能夠得到降低。這有利于裂縫沿著最大水平地應力的方向進行延伸。由此可見，增加射孔深度可以增大軸向應力，不僅地層破裂壓力可以得到降低，同時也有利于裂縫的起裂[9]。

3.5 射孔液的影響

射孔液選擇主要是從對油氣層損害的程度上考慮，因為一旦污染就會影響壓后的產(chǎn)能，并且受到污染越厲害，產(chǎn)能就會越低。同時要求射孔液不能與壓裂液形成生化學沉淀或結(jié)垢，影響壓裂后的產(chǎn)能。要求射孔液性能：（1）配伍性；（2）防膨性好；（3）腐蝕性小；（4）無固相；（5）低濾失。

3.6 實例分析

依據(jù)水平井裂縫起裂壓力計算模型，用下表1所給的油層基礎數(shù)據(jù)和巖石特性數(shù)據(jù)，采用一般地層深部都存在的三個相互垂直的主地應力系統(tǒng)，即上覆地應力σv、水平最大主應力σH及水平最小主應力σh（即σv>σH>σh）來分析射孔相位角、射孔方位角、射孔段長度、射孔密度和布孔方式對水平井壓裂產(chǎn)生的影響。

（1）射孔相位角對水平井起裂壓力的影響

射孔方位角為0°、井筒方位角為0°時，油田里常見射孔相位角與每個孔眼的破裂壓力如表2、表3，射孔相位角60°、90°、120°、180°時，都存在著一個起裂壓力最小的孔眼。

相位角60°、90°、120°，孔眼起裂壓力相差8.4～11.2MPa，起裂壓力高的孔眼可能不吸液。相位角為180°，每個孔眼起裂壓力均為最低，有利于降低裂縫起裂壓力。

射孔方位角為0°、井筒方位角為90°時，常見射孔相位角及對應孔眼的起裂壓力如表4、表5，井筒方位角90°比0°時孔眼最小起裂壓力低39.9-32.7=7.2（MPa）。

（2）定向射孔和非定向射孔對水平井起裂壓力的影響[10]

（1）采用定向射孔：射孔方位角<15°，相位角180°定向射孔，這時的裂縫起裂壓力比較小，壓裂施工會比較安全。

（2）采用非定向射孔：如果相位角180°，可能導致破裂壓力很高，采用相位角120°，可降低起裂壓力高的風險（表6）。

（3）射孔段長度對裂縫起裂壓力影響

射孔段長度對起裂壓力的影響很大，射孔段長，孔眼摩阻小，破裂壓力也小，導致施工壓力也很小，當射孔方位角為0°，相位角為180°，只考慮了孔眼摩阻的情況下，破裂壓力隨射孔段長度變化關系見圖2。

由圖2可以看出當射孔段長度為5～6 m時，對破裂壓力影響很小，就已然能滿足施工要求；考慮到現(xiàn)場施工安全和保險起見，射孔段長度需要取10 m左右。

（4）孔密對摩阻的影響

孔眼摩阻對破裂壓力和處理壓力有著直接關系。如果沒妥善處理，會導致射孔孔眼與裂縫主體的連通變差，這就有可能導致近井筒脫砂。因此，孔眼摩擦阻力大小在對壓裂處理的實施和評價中有重要地位。假設射孔長度取1m，摩阻和孔眼間距都會隨著射孔密度增加而變小，多孔應力集中效應發(fā)生相互干擾，孔眼附近的應力集中程度會因此發(fā)生改變[11]。摩阻與孔密的關系見圖3。

從圖上看出：考慮到套管的強度問題，水平井孔密在16～20孔/m的摩阻變化不大，優(yōu)選出水平井孔密為16～20孔/m。

4 結(jié) 論

本文論述了水平井完井方式與水力噴射分段壓裂工藝、限流壓裂工藝、機械分段壓裂工藝的適應性研究結(jié)果，并根據(jù)其壓裂工藝對完井方式提出了應滿足的要求。其中，水平井機械分段壓裂工藝對水平井完井的要求非常高，對其各個影響因素做出了闡述。通過分析實例得出，起裂壓力在很大程度上受水平井井筒方位角的影響。當方向角跟最大主應力方向相同的時候，起裂壓力的值最小，這個時候易于縱裂縫的產(chǎn)生，導致增產(chǎn)效果不好。所以，當水平井進行壓裂作業(yè)時，要充分考慮到其井筒方位角是否有助于裂縫起裂和能達到的壓裂增產(chǎn)效果。

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