水平井裸眼分段壓裂完井技術(shù)在克拉美麗氣田的應(yīng)用

張藝瀚，盛志民，雷海林，徐傳友，馬永貴，宋道海，張麗萍

（西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依834000）

水平井裸眼分段壓裂完井技術(shù)在克拉美麗氣田的應(yīng)用

張藝瀚*，盛志民，雷海林，徐傳友，馬永貴，宋道海，張麗萍

（西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依834000）

近年來，分段壓裂完井技術(shù)作為低孔、低滲透、儲層不連續(xù)特性油氣藏增產(chǎn)的重要工藝已廣泛應(yīng)用于全國各大油氣田。新疆克拉美麗氣田二疊系梧洞溝組氣藏是典型的高壓、局部受巖性、物性控制的帶邊底水的構(gòu)造—巖性氣藏，由于該氣藏受斷塊控制，孔滲連通性差，采用直井壓裂開采效果較差，而水平井裸眼分段壓裂完井技術(shù)能極大的增大水平段氣藏接觸面積，對于中間有多個泥巖薄夾層的氣藏更具有適應(yīng)性。旨在通過引用國外先進(jìn)的裸眼分段工具，進(jìn)一步闡明該技術(shù)在克拉美麗氣田梧洞溝組氣藏的成效性，該技術(shù)不失為提高儲量動用程度、提高氣井單井開發(fā)效果有力手段。

水平井；裸眼完井；分段壓裂；完井管柱

水平井目前已成為提高新疆油田勘探開發(fā)綜合效益的重要途徑，但是對于低壓低滲透油氣藏水平井來說，由于單井產(chǎn)量達(dá)不到經(jīng)濟(jì)開發(fā)的要求，這就必然面臨著儲層改造的問題。水平井分段壓裂改造已經(jīng)成為提高低滲、特低滲透油氣藏儲量動用程度和采收率的重要手段。對于開發(fā)氣藏，采用裸眼水平井分段壓裂技術(shù)，可以最大限度地打開儲層，增加泄油面積，降低開發(fā)成本。水平井裸眼分段壓裂改造技術(shù)是國內(nèi)外油田和石油服務(wù)公司研究的熱點(diǎn)問題，是提高低滲透油氣田單井產(chǎn)量的有效手段［1-3］。

1　儲層地質(zhì)特征

克拉美麗氣田滴西178井區(qū)梧桐溝組氣藏含氣面積7.91km2，天然氣地質(zhì)儲量33.38×108m3，分為上下兩套氣層，主力氣層為厚度大、發(fā)育穩(wěn)定的下氣層，該主力氣層埋藏深達(dá)3595.5m，有效厚度均大于8m，氣層楊氏模量平均14247MPa，平均孔隙度10.42%，氣測水平滲透率平均0.39mD，原始地層壓力47.4MPa，氣層中部深度3595.5m，壓力系數(shù)1.345，地層溫度113.22℃；儲層巖性主要為不等粒砂巖、極細(xì)粒砂巖和粉砂巖；儲層存在極強(qiáng)的水敏和強(qiáng)水鎖、弱速敏、弱酸敏特征。梧洞溝組氣藏屬異常高壓、低孔特低滲砂巖儲層。

2　水平井裸眼分段壓裂管柱

2.1管柱結(jié)構(gòu)

水平井分段壓裂完井管柱主要由錨定式封隔器、裸眼封隔器、投球壓裂滑套、壓差式滑套、座封短節(jié)、浮鞋和油管等組成，管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2工藝原理

裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)原理是按地質(zhì)目的和工藝需求，在水平井段相應(yīng)位置下入裸眼封隔器，在需要改造的位置下入壓裂滑套，封隔器座封后把水平段隔開若干段，依次投球打開滑套實(shí)現(xiàn)分段壓裂施工。施工完成后，壓裂管柱用作生產(chǎn)管柱，能夠?qū)崿F(xiàn)快速返排并投產(chǎn)。

2.3完井工藝技術(shù)特點(diǎn)

（1）優(yōu)化完井管柱組合，實(shí)現(xiàn)水平井選擇性分段壓裂，更大限度地發(fā)揮油氣井產(chǎn)能。

（2）工具一次入井可實(shí)現(xiàn)水平井多段壓裂作業(yè)。

（3）不需要下套管固井、射孔等作業(yè)，完井成本投入低，避免儲層二次傷害，建井周期短。

（4）壓裂施工中不需要輔助井口作業(yè)，減少壓裂作業(yè)時間、壓裂成本投入較低。

3　主要完井工具

克拉美麗氣田梧桐溝組氣藏采用國外先進(jìn)的Zone Seeker水平井裸眼分段壓裂完井工具系統(tǒng)，主要包括裸眼封隔器、壓差式滑套、投球式滑套、套管錨定封隔器、座封短節(jié)等。工具耐溫150℃、耐壓70MPa，屬同行業(yè)中工具最短，適于現(xiàn)場作業(yè)。

3.1裸眼封隔器

圖1　水平井分段壓裂完井管柱示意圖①錨定懸掛封隔器；②裸眼封隔器；③投球壓裂滑套；④壓差式滑套；⑤座封短節(jié)；⑥浮鞋

裸眼封隔器是長井段水平井實(shí)現(xiàn)分段壓裂改造的封堵工具，用于卡封油層/氣層或分段開采。該工具隨壓裂完井管柱一起入井，通過座封球座投球憋壓，剪斷銷釘，活塞移動從而撐開膠筒，所有封隔器同時脹封，密封完井管柱與裸眼井壁之間的環(huán)空，為分段壓裂提供有效封堵，座封位置選擇在井徑規(guī)則的井段，壓裂過程中可承受70MPa壓差，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　裸眼封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2壓差式滑套

壓差式滑套是完井管柱與地層連通的通道。壓差滑套是第1段的壓裂通道，安裝在完井管串下部，主要通過座封球座憋壓，利用內(nèi)滑套上、下截面受力面積不一樣產(chǎn)生壓差，打開滑套，連通完井管柱與地層。壓差式滑套的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　壓差式滑套的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3投球壓裂滑套

投球壓裂滑套與壓差式滑套一樣，是完井管柱與地層連通的通道。不同的是，它是通過投球憋壓來打開滑套，實(shí)現(xiàn)完井管柱與地層的連通。投球滑套的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　投球壓裂滑套的結(jié)構(gòu)示意圖

3.4套管錨定式封隔器及棘齒密封回插工具

套管錨定式封隔器是水平井分段壓裂的重要工具，集密封與懸掛于一體，其作用是完井管柱定位。錨定式封隔器座封時，首先憋壓至22MPa左右，維持15min，然后在鉆具上提懸重的基礎(chǔ)上帶壓上提和下放管柱15t，確保懸掛器成功座封。懸掛器上部有回接裝置，在進(jìn)行回接時保證回接插頭順利插入。回接工具和懸掛器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5、圖6所示。

圖5　棘齒密封回插工具結(jié)構(gòu)示意圖

4　水平井裸眼分段完井技術(shù)

4.1井眼清潔

針對梧桐溝儲層井眼存在縮徑、掉塊、虛泥餅、水平段巖屑床，以及水平波浪型調(diào)整井段造成管柱難下而采取如下措施。

圖6　套管錨定式懸掛封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

（1）采取每趟鉆通井到底第一循環(huán)周打入高粘、段塞，第二周大排量洗井盡可能清潔巖屑床。

（2）通過泵入潤滑劑及加入固體石墨粉措施分階段對井眼降摩減阻，對井眼加入乳化劑等措施，確保完井鉆井液性能的穩(wěn)定，在長提鉆前打入稠漿封住水平裸眼段井眼，起到一定的懸浮作用，保證后期完井管柱順利下入井底，控制完井鉆井液摩擦系數(shù)控制在2.5°以內(nèi)。

4.2模擬通井

采用特制滿眼螺旋銑柱，以逐級增加鉆具鋼性通井方法，單螺旋銑柱通井為輔、雙螺旋擴(kuò)眼器通井為主的通井技術(shù)措施。

（1）以摩阻軟件計(jì)算的完井管柱下入摩阻為參考，通井模擬管柱現(xiàn)場“擬合”，對于梧桐溝組儲層砂層厚度變化快、泥巖夾層多的特點(diǎn)，重點(diǎn)采取雙螺旋擴(kuò)眼器慢劃眼、洗井等通井技術(shù)措施，通井摩阻必須控制在參考范圍內(nèi)。

（2）梧桐溝組水平段調(diào)整井段較多，尤其是“波浪形軌跡”較突出，采取每通必劃措施，將通井摩阻降到可控范圍內(nèi)。

4.3壓裂管柱組合

受梧桐溝儲層軌跡特定波浪型影響，為保證后期壓裂施工的順利進(jìn)行，采取雙壓差滑套、單封單卡管柱組合及技術(shù)套管內(nèi)靠近A點(diǎn)附近安裝封隔器技術(shù)，并結(jié)合摩阻軟件優(yōu)化管柱組合及封隔器安放位置，現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)中盡可能減少短套管調(diào)整短節(jié)，以減少管柱的下入摩阻。

5　水平井裸眼分段壓裂設(shè)計(jì)

5.1單井壓裂段數(shù)、段距確定

一般而言，地層滲透率越低，流體粘度越高，要求的水平井段裂縫間距越小，對同樣長度水平段的壓裂段數(shù)越多。

梧桐溝組水平井水平段長設(shè)計(jì)為950m左右，壓裂裂縫間距60～80m。水平井壓裂段間距設(shè)置80m，單井壓裂段數(shù)可達(dá)到12段。實(shí)際單井壓裂段數(shù)與位置需依據(jù)水平段測井解釋結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

5.2分段完井原則

（1）裸眼封隔器應(yīng)盡量避開裂縫發(fā)育井段，應(yīng)在物性、電性較差且井徑變化率較小井段上。

（2）井口裝置、完井管柱及壓裂工具匹配合理。

（3）壓裂端口放置于本段物性、氣測顯示最好，應(yīng)力較低的儲層段。

（4）最大限度地利用裸眼井段，使水平段產(chǎn)層得到有效利用。

5.3懸掛封隔器座封位置

套管錨定封隔器座封位置由最大井斜、固井質(zhì)量、壓裂時壓裂管柱受力及尾管密封膠筒位移等因素決定，因此，尾管懸掛器及回接密封總成的下入要求為：

（1）所下位置最大狗腿不超過8°/30m，井斜角小于30°。

（2）套管錨定封隔器座封位置固井質(zhì)量要好，避開套管接箍（CBL/CCL）。

（3）座封位置在技術(shù)套管鞋以上300m。

5.4分段壓裂完井管柱優(yōu)選

水平井壓裂后產(chǎn)量一般是直井的3～4倍，梧桐溝組氣藏水平井壓后產(chǎn)氣量可達(dá)15.0×104m3/d以上，優(yōu)選?114.3mm×7.37mm P110尾管+回接?114.3mm× 7.37mm P110套管的完井壓裂管柱可以滿足氣井?dāng)y液的生產(chǎn)。相比于?114.3mm×7.37mmP110尾管+回接?88.9mm×6.45mm P110外加厚油管完井壓裂管柱，前者優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）可選用較大的壓裂球和球座，減輕攜砂液對球座的沖蝕，降低滑套開啟失敗風(fēng)險(xiǎn)、減小球座節(jié)流附加壓力。

（2）可有效降低管柱泵注摩阻，降低地面施工泵壓，提高管柱、泵車等設(shè)備施工安全系數(shù)。

（3）可為后期排液采氣工藝速度管柱尺寸的優(yōu)化提供更多的選擇范圍。

5.5分段壓裂完井管柱安全校核

根據(jù)裸眼完井分段壓裂水平井的實(shí)施情況分析表明，封隔器的承壓能力是完井壓裂管柱的受力最薄弱點(diǎn)。

依據(jù)梧桐溝組氣藏地層壓力、水平井井深、壓裂套管及封隔器的基本性能參數(shù)進(jìn)行管柱安全校核。當(dāng)砂濃度為720kg/m3極限砂堵時，封隔器能承受的最大地面施工限壓為66.68MPa，滿足現(xiàn)場70MPa限壓施工的要求。

對管體抗內(nèi)壓進(jìn)行強(qiáng)度校核，基于梧桐溝組氣藏水平井現(xiàn)場數(shù)據(jù)，計(jì)算了施工排量5.0m3/min、考慮球座節(jié)流壓差條件下，第1段壓裂時的沿程管柱內(nèi)外壓力、壓差，抗內(nèi)壓安全系數(shù)大于2，滿足現(xiàn)場施工。

5.6壓裂液、支撐劑優(yōu)選

由于梧桐溝組氣藏水平井井深較大，壓裂施工時摩阻大，優(yōu)選低傷害防水鎖胍膠壓裂液體系。該體系具有良好的降阻性，抗120℃高溫穩(wěn)定性及耐剪切性能。

參考梧桐溝組鄰直井儲層壓后停泵壓力在22～27MPa之間，估算出該區(qū)水平井閉合壓力在60MPa左右，施工選擇中密高強(qiáng)度30/50目陶粒（承壓級別69MPa以上）作為主支撐劑，采用前置液段塞工藝，待壓開地層形成主裂縫后，選用40/70目中密度陶粒打段塞，能夠起到打磨縫口、降低濾失的作用。

5.7加砂量優(yōu)化

該區(qū)梧桐溝組氣藏巖性主要為粉、細(xì)砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖，加砂的規(guī)模對壓裂的效果起著決定性的作用，裂縫的產(chǎn)能會隨著加砂的規(guī)模增大而增加。參考該區(qū)直井加砂強(qiáng)度，水平井各段加砂量可按照大（30m3）、中（25m3）、?。?0m3）3種規(guī)模配置。

6　現(xiàn)場應(yīng)用

2014～2015年，新疆油田在克拉美麗氣田布署5口梧桐溝組水平井，截至目前，已完成5口梧桐溝組水平井儲層改造，應(yīng)用效果良好。其中某井水平段長達(dá)909m，分段級數(shù)最多，為11級，砂層薄，作業(yè)難度大。下面以該井為例，介紹水平井裸眼分段壓裂完井工藝技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況。

6.1某井基本情況

某井完鉆井深4654m，水平段長909m為四開水平井，其井身結(jié)構(gòu)為：一開?444.5mm鉆頭×500m，?339.7mm套管×495.37m；二開，?311.15mm鉆頭×3140m，?244.48mm套管×3137m；三開，?215.9mm鉆頭× 3745m，?177.8mm套管×3743m；四開，?152.4mm鉆頭×4654m。

根據(jù)開發(fā)方案提供的油藏?cái)?shù)據(jù)，在E-StimPlan壓裂軟件中建模進(jìn)行裂縫參數(shù)優(yōu)化，得出有利于該井長期穩(wěn)產(chǎn)的最優(yōu)裂縫間距，綜合該井的測井、錄井曲線，確定本井分段壓裂級數(shù)為11級?？紤]投球尺寸及返排等因素，兼顧施工排量，本井選用級差1/10″+3/16″的可溶球。

6.2分段完井、壓裂施工工藝流程

6.2.1通井、套管刮削、鉆具稱重

（1）梧桐溝組水平段通井先采用套管刮削器+加重鉆桿+通徑規(guī)一趟鉆完成套管刮削稱重和套管通徑。

（2）然后采用單螺旋銑柱+三牙輪鉆頭通井，視摩阻準(zhǔn)備短提趟數(shù)。

（3）重點(diǎn)采用雙螺旋銑柱+三牙輪鉆頭通井，對水平段調(diào)整井段進(jìn)行反復(fù)多次劃眼、洗井、短提，完成模擬靜止下管柱時間。

6.2.2下入完井管柱、回接管柱

水平裸眼段下完井管串作業(yè)遵循“連續(xù)作業(yè)、控制下速、防卡”原則，裸眼封隔器進(jìn)入水平段后不再灌漿，連續(xù)下入，一次性下入到位，丟手后替無固相保護(hù)液，后提鉆、下回接壓裂管柱到井口。

6.2.3壓裂施工

壓裂施工從壓差滑套開始，按照壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)進(jìn)行第一層壓裂。在泵注過程中，根據(jù)泵注壓力的大小，調(diào)整平衡壓力。壓裂完第一層后，停泵，開上旋塞閥，投球，關(guān)上旋塞閥，打平衡油壓，開下旋塞閥，投球結(jié)束，按設(shè)計(jì)程序泵送壓裂球。待投球滑套打開后，開始壓裂。壓后依次投入下一層壓裂球，進(jìn)行一下層壓裂，直至壓裂施工結(jié)束。本井共投入10只可溶球，施工較順利。

6.2.4壓后返排、試氣

施工結(jié)束后4h開井合層排液，根據(jù)放噴情況隨時調(diào)整放噴措施。采用修正等時試氣，獲6.0mm油嘴，油壓33.50MPa，套壓10.13MPa，日產(chǎn)氣20×104m3。

6.3壓裂施工曲線分析

某井于2015年4月7～10日進(jìn)行了投球分段壓裂施工，11段壓裂施工順利完成，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。11段壓裂施工共泵入總液體4230.7m3，加砂301m3，施工排量5.0～5.2m3/min，施工壓力28～51MPa，停泵壓力24～26Pa。從圖7可以看出，每次投球后，油管壓力都有一個突變過程，說明打開了滑套，各級投球打開滑套壓力44～51MPa，均正常順利打開，且顯示明顯，1～11級的施工壓力都比較平穩(wěn)。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，投產(chǎn)后該井初期日產(chǎn)天然氣20×104m3。

6.4壓后評估

本井第四級壓后30min測壓降，由于僅獲得油壓值（影響因素較多）故僅對第四級進(jìn)行施工擬合，對了解儲層參數(shù)，裂縫發(fā)育情況有一定參考價(jià)值，經(jīng)過擬合，儲層參數(shù)在一定程度上接近實(shí)際情況，從而可以相對預(yù)測裂縫形態(tài)。第四級主壓裂施工設(shè)計(jì)與擬合參數(shù)對比見表1。

由軟件模擬結(jié)果可見，第四級裂縫的形態(tài)、裂縫長度、寬度、液體效率均較設(shè)計(jì)指標(biāo)高，而縫高則較設(shè)計(jì)值低，這印證了頂?shù)啄鄮r隔層對裂縫高度起到了有效的控制作用。壓裂施工按照設(shè)計(jì)完成，得到較好的支撐裂縫，從裂縫擬合情況看，該井獲得與儲層接觸面積較大，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

6.5實(shí)施效果分析

現(xiàn)場實(shí)施5口井中，除X-1井因完井管柱漏點(diǎn)（非工具問題）未正常壓裂施工完，其余4井均按設(shè)計(jì)分段壓裂施工完成，總體結(jié)果令人滿意，5口井天然氣產(chǎn)量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，裸眼分段壓裂完井技術(shù)在梧桐溝組氣藏取得了較好的開發(fā)效果。梧桐溝組已實(shí)施分段壓裂完井水平井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

圖7　某井壓裂施工曲線

表1　第四級主壓裂施工設(shè)計(jì)與擬合參數(shù)對比表

表2　梧桐溝組已實(shí)施分段壓裂完井水平井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

7　認(rèn)識與建議

（1）在對井眼軌跡和井筒認(rèn)識清楚的前提下，優(yōu)化模擬通井程序，確保在水平井裸眼完井條件下一次性下入水平井裸眼分段壓裂管柱。

（2）分段完井技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)含量高、工序復(fù)雜的工藝技術(shù)，在施工過程中具有不可逆的特點(diǎn)。現(xiàn)場施工必須做到精心組織施工，井口設(shè)備配套齊全，才能保證該工藝技術(shù)的成功率。

（3）經(jīng)過5口井分段壓裂完井工藝的成功實(shí)施，充分體現(xiàn)出了裸眼封隔器完井分段壓裂工藝技術(shù)成熟、工具性能穩(wěn)定、壓裂液性能良好，能夠滿足新疆油田克拉美麗等油氣田水平井分段改造的需要。

（4）實(shí)踐證明，停泵投球技術(shù)及多級段塞和階梯加砂泵注程序優(yōu)化技術(shù)是保證分段壓裂施工安全、成功的基礎(chǔ)。

（5）通過滴西178井區(qū)梧桐溝組水平井的壓裂施工及后期試氣顯示表明，水平井都較周邊同層位直井產(chǎn)量有大幅度提升，水平井裸眼分段壓裂改造完井是此區(qū)塊優(yōu)選的開發(fā)方式。

［1］王建軍，于志強(qiáng).水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術(shù)及工具［J］.石油機(jī)械，2011，39（3）：59-62.

［2］陳作，王振鐸.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（9）：78-80.

［3］李宗田.水平井壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：13-18.

［4］朱正喜，李永革.水平井裸眼完井分段壓裂技術(shù)研究［J］.石油礦藏機(jī)械，2011，40（11）：44-47.

［5］張恒，劉洋，等.水平井裸眼分段壓裂完井技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（4）：77-80.

TE357.1

B

1004-5716（2016）01-0095-05

2015-10-08

2015-10-20

張藝瀚（1975-），男（漢族），四川安岳人，高級工程師，現(xiàn)從事側(cè)鉆井、水平井鉆完井技術(shù)研究及應(yīng)用工作。