高水平應(yīng)力差儲層水平井多段分簇射孔方法

劉 鵬　蔣映輝　劉博峰　楊洪銳　李茂青

(1. 玉門油田鉆采工程研究院， 甘肅 酒泉 735019； 2. 玉門油田YL57201隊， 甘肅 玉門 735200)

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高水平應(yīng)力差儲層水平井多段分簇射孔方法

劉 鵬1蔣映輝1劉博峰1楊洪銳1李茂青2

(1. 玉門油田鉆采工程研究院， 甘肅 酒泉 735019； 2. 玉門油田YL57201隊， 甘肅 玉門 735200)

選用二維垂向裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力模型，對水平井多段分簇壓裂中的水平段最小主應(yīng)力構(gòu)成要素進(jìn)行分析，模擬初始1～3條裂縫時沿井筒方向產(chǎn)生的最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力，并計算先壓裂縫與后續(xù)射孔簇間的應(yīng)力差。研究表明，沿井筒方向最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力隨先壓裂縫的條數(shù)增加而增大，先壓裂縫附近誘導(dǎo)應(yīng)力最大，隨遠(yuǎn)離先壓裂縫逐步減小；水平最小主應(yīng)力差隨段間距、簇間距增加而逐步增大。通過水平井分簇壓裂產(chǎn)生橫向縫及各簇裂縫全部開啟條件分析，給出分簇射孔總數(shù)確定及各簇射孔數(shù)優(yōu)化方法。

儲層； 水平井； 最小水平主應(yīng)力； 分簇射孔

多段分簇射孔是低滲透油藏水平井開展體積壓裂所采用的主流射孔方法之一。所謂分簇射孔，即通過優(yōu)化水平段段數(shù)和射孔簇數(shù)，壓裂形成多條垂直水平井井筒的橫向裂縫，并利用分簇裂縫間的應(yīng)力干擾使裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化[1]，以此來提高水平井的壓裂效果。在多段分簇壓裂過程中，初始壓裂裂縫會在裂縫周圍形成誘導(dǎo)應(yīng)力場，引起沿井筒方向最小水平主應(yīng)力的變化，并導(dǎo)致后續(xù)射孔簇間最小水平應(yīng)力差隨之發(fā)生變化[2-4]。本次研究將采用二維垂向裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力模型，模擬高水平應(yīng)力差儲層多簇壓裂過程中后續(xù)射孔簇間的應(yīng)力差變化。

1　水平井橫向裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力模型

在對低滲透油藏水平井實施分段壓裂時，需要先通過分簇射孔產(chǎn)生多條裂縫來擴(kuò)大油藏改造體積，初始裂縫會在裂縫周圍產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力場，使沿井筒方向的最小主應(yīng)力發(fā)生變化，從而影響后續(xù)射孔簇的起裂壓力和裂縫延伸長度[5-6]。假設(shè)，水平井井筒方向與最小水平主應(yīng)力方向一致，且壓裂產(chǎn)生垂直于井筒方向的橫向裂縫。根據(jù)二維垂直裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場模型(圖1)及A.E.Green解析解，計算先壓裂縫沿井筒方向產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力σx：

圖1　二維垂直裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場模型

(1)

由式(1)可以看出，沿井筒方向最小主應(yīng)力的誘導(dǎo)應(yīng)力與先壓裂縫的高度(h)、縫內(nèi)的凈壓力(p)及距離裂縫的長度(L)相關(guān)。

如圖2所示，水平井進(jìn)行多簇射孔時，初始壓裂的n-1條裂縫會在后續(xù)第n簇裂縫處產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力。

誘導(dǎo)應(yīng)力的存在，導(dǎo)致沿水平井井筒方向最小水平主應(yīng)力差發(fā)生變化。

圖2　多段壓裂裂縫分布示意圖

2　沿井筒方向最小水平主應(yīng)力分析

以玉門油田鴨兒峽E3b儲層為例，其參數(shù)如下：儲層厚度為50 m； 平均孔隙度為6% ～ 8%；滲透率為3×10-3～5×10-3μm2；原始最大水平主應(yīng)力為100 MPa，最小水平主應(yīng)力為55 MPa左右。通常分簇射孔最大水平誘導(dǎo)應(yīng)力與最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力之差小于10 MPa，而本區(qū)域最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差已高達(dá)40 MPa以上，因此不考慮誘導(dǎo)應(yīng)力引起的水平主應(yīng)力反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。壓裂技術(shù)主要利用多簇射孔產(chǎn)生橫向裂縫及分簇裂縫間應(yīng)力干擾來增加儲層改造體積。為便于模擬分析，假設(shè)初始裂縫的縫高h(yuǎn)均為50 m，初始裂縫內(nèi)壓力為15 MPa。

分別模擬計算初始1條、2條、3條裂縫沿水平井井筒方向的最小誘導(dǎo)應(yīng)力，得到圖3所示沿井筒方向最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力分布圖。隨著初始裂縫至先壓裂縫的距離延長，最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力呈減小趨勢。當(dāng)初始裂縫與先壓裂縫相距50 m以內(nèi)時誘導(dǎo)應(yīng)力衰減較快，而相距120 m以上時最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力最大可降至1 MPa以下。隨著初始裂縫條數(shù)增加，沿井筒方向最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力也相應(yīng)增加，但增幅并不大。

圖3　沿井筒方向最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力分布圖

以每段兩簇等簇間距水平井壓裂模式為基礎(chǔ)，在定段間距的前提下，模擬計算初始兩簇裂縫對后續(xù)兩個射孔簇間產(chǎn)生的最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力差。由圖4可知，先壓裂縫會使后續(xù)壓裂射孔簇間的最小水平應(yīng)力差增加。當(dāng)段間距固定時，隨著簇間距增加，后續(xù)射孔簇間的最小水平應(yīng)力差逐漸增大，簇間距在25 m以內(nèi)水平應(yīng)力差增幅較大；當(dāng)簇間距一定時，隨著段間距增加水平應(yīng)力差明顯減小。

圖4　不同段簇間距的最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力差

3　多簇射孔產(chǎn)生橫向裂縫及起裂條件

水平井壓裂產(chǎn)生橫向裂縫還是縱向裂縫，主要與水平井井筒在地應(yīng)力場中所處的方位有關(guān)。一般情況下，水力裂縫方向總是平行于最大水平主應(yīng)力方向，只要水平井井筒沿著最小水平主應(yīng)力方向布置，壓裂就可以形成垂直于井筒方向的橫切縫。

水平井分段分簇壓裂主要基于限流壓裂原理，分簇裂縫是否能夠全部開啟，由射孔段間的最小水平主應(yīng)力差來決定。當(dāng)射孔摩阻大于各射孔簇間的最小主應(yīng)力差值時，才能實現(xiàn)多簇壓裂。

多簇射孔完全起裂條件：

射孔孔眼摩阻由射孔孔數(shù)、孔徑及壓裂施工排量等參數(shù)確定：

式中：△pef—— 孔眼摩阻，MPa；

ρ—— 液體密度，kgm3；

q—— 注入排量，m3min；

n—— 有效孔數(shù)；

Cd—— 孔眼流量系數(shù)，無因次；

d—— 孔眼直徑，cm。

由前面誘導(dǎo)應(yīng)力分析可知，沿井筒方向最小水平主應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離初始裂縫而逐漸減小，最小水平主誘導(dǎo)應(yīng)力差逐漸增大。為了保證達(dá)到射孔摩阻的要求，應(yīng)合理分配各簇射孔長度及射孔數(shù)。

4　水平井多段分簇射孔方法及計算實例

首先，根據(jù)測井解釋儲層厚度、跨度資料確定施工井壓裂總段數(shù)及簇數(shù)，第一段按各簇間原始最小水平主應(yīng)力差進(jìn)行射孔；然后根據(jù)先期壓裂產(chǎn)生的裂縫數(shù)，模擬計算后續(xù)段間距、簇間距下射孔簇間的復(fù)合最小水平應(yīng)力差，接下來根據(jù)井筒條件及井口壓力限壓確定最大施工排量，利用孔眼摩阻公式計算最大排量下可起裂的射孔總數(shù)； 最后根據(jù)各段射孔簇數(shù)確定各簇射孔長度及射孔數(shù)。

以鴨兒峽油田某水平井套管橋塞分段壓裂作業(yè)為例。為了提高水平井儲層動用程度，決定對該井進(jìn)行 6段14簇壓裂改造。由前面分析得知，距離先壓裂縫超過120 m時誘導(dǎo)應(yīng)力可以忽略不計，而只考慮前一級壓裂裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的影響。表1所示為段分簇數(shù)據(jù)及復(fù)合最小水平應(yīng)力差計算結(jié)果。

表1　段分簇數(shù)據(jù)及復(fù)合最小水平應(yīng)力差計算結(jié)果

根據(jù)體積壓裂要求及井筒條件，確定該井施工時的最大排量為11 m3min。水平井φ139 mm套管射孔參數(shù)如下：φ89 mm射孔槍示孔密13個孔m；孔眼直徑為8 mm；射孔流量系數(shù)取0.8。計算11 m3min排量下不同孔眼數(shù)產(chǎn)生的孔眼摩阻，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2　11 m3min排量下不同射孔數(shù)對應(yīng)的孔眼摩阻

表2　11 m3min排量下不同射孔數(shù)對應(yīng)的孔眼摩阻

射孔數(shù)孔眼摩阻∕MPa3011.74358.63406.61455.22504.23553.49602.94652.50702.16751.88

電纜橋塞射孔單次最大裝槍長度≤6 m，每段射孔總數(shù)及每簇射孔長度如表3所示。

表3　各段射孔總數(shù)及射孔簇長度優(yōu)化結(jié)果

5　結(jié)　語

水平井多段多簇壓裂作業(yè)中，初始壓裂裂縫在裂縫周圍形成誘導(dǎo)應(yīng)力場，導(dǎo)致沿井筒方向最小水平主應(yīng)力發(fā)生變化。隨著初始裂縫到先壓裂縫的距離延長，最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力總體呈減小趨勢，距離先壓裂縫50 m以內(nèi)的誘導(dǎo)應(yīng)力衰減較快；隨著初始裂縫條數(shù)增加，沿井筒方向的最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力也相應(yīng)增大。

先壓裂縫會使后續(xù)壓裂射孔簇間的最小水平應(yīng)力差增大。距離先壓裂縫較近時，最小水平誘導(dǎo)應(yīng)力差較大且不能忽略。為了確保高水平應(yīng)力差儲層多簇裂縫正常起裂，射孔孔眼摩阻應(yīng)該大于各簇間復(fù)合最小水平主應(yīng)力差。

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The Perforating Methods of the Multi-Cluster Staged Fracturing in Horizontal Well with High Stress Reservoir

LIU Peng1JIANG Yinghui1LIU Bofeng1YANG Hongrui1LI Maoqing2

(1.Drlling and Production Engineering Research Institute of Yumen Oilfield, Jiuquan Gansu 735019, China;2. YL57201 Team of Yumen Oilfield, Yumen Gansu 735200, China)

Based on 2D vertical cracks of the induced stress model, this paper analyzed the minimum horizontal stress of multi-stage fracturing in horizontal well, and calculated the minimum horizontal induced stress with 1～3 initial cracks along the wellbore direction in order to achieve the stress difference between the first pressure crack and the subsequent perforation clusters. The results show that the minimum induced stress along wellbore direction increases with the increasing cracks of the first stages, and the induced stress is the largest near the cracks; it decreases gradually away from the first fracturing cracks. The induced stress value between clusters increases with the increasing of stage space and cluster space. With the conditions analysis of all clusters opening and crosscutting cracks formation, this paper also points out the total perforation numbers in every stage and the cluster distance optimization methods.

reservoir; horizontal well; the minimum horizontal stress; multi-cluster perforating

2015-10-20

中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“玉門油田重上百萬噸勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013E-3309)

劉鵬(1981 — ),男，甘肅慶陽人，工程師，研究方向為壓裂措施增產(chǎn)。

TE355

A

1673-1980(2016)04-0018-04