固井滑套多簇體積壓裂在大牛地氣田致密砂巖氣藏的應(yīng)用

劉 威

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006）

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，隨著開發(fā)不斷深入，可動(dòng)用儲(chǔ)量逐漸減少，未動(dòng)用儲(chǔ)量僅占探明儲(chǔ)量的12.1%，儲(chǔ)層品位大幅下降，主要表現(xiàn)為砂體變薄、物性變差、非均質(zhì)性變強(qiáng)等。大牛地氣田主要采用可溶橋塞分段壓裂工藝，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、大排量施工，可提高物性變差后氣藏的改造體積。隨著開發(fā)節(jié)奏的加快，如何在滿足改造要求的前提下，大幅提高壓裂作業(yè)效率是重要的優(yōu)化方向。固井滑套多簇體積壓裂采用投球打開滑套的方式[1-3]，區(qū)別于需要連續(xù)油管打開固井滑套的設(shè)計(jì)，可在滿足多簇體積改造、井筒大通徑的同時(shí)進(jìn)一步提高作業(yè)效率，并在大牛地氣田致密砂巖水平井開展了先導(dǎo)試驗(yàn)。

1 固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)及工具組合

固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)為無限極高效的作業(yè)方式，配套一球打開多個(gè)滑套，從而實(shí)現(xiàn)多簇體積壓裂的設(shè)計(jì)。該技術(shù)無需泵送橋塞或者下入連續(xù)油管，節(jié)省泵送液體及整體壓裂作業(yè)時(shí)間；無需連續(xù)油管及電纜作業(yè)的射孔及橋塞坐封，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；采用硬質(zhì)合金的噴嘴消除沖蝕孔眼，確保壓裂液各層分配均勻，形成更高效的多簇體積壓裂復(fù)雜裂縫，增大了改造體積和提高了氣井產(chǎn)量。

固井滑套多簇體積壓裂工藝的工具主要由固井壓裂滑套（固定徑球座）、固井壓裂滑套（可變徑球座）和趾端滑套組成。固井壓裂滑套（固定徑球座）在單簇改造層段中設(shè)計(jì)，固井壓裂滑套（可變徑球座）配套固井壓裂滑套（固定徑球座）在多簇改造層段中設(shè)計(jì)，趾端滑套使用在第一個(gè)壓裂層段。

1.2 施工步驟

（1）完井過程中，進(jìn)行刮管與通井作業(yè)，確保固井滑套多簇壓裂工具在井筒中順利下入。

（2）固井滑套工具入井后，對(duì)套管接箍定位器定位、校深，確保下入設(shè)計(jì)位置。

（3）完井結(jié)束后，開始施工作業(yè)，提高泵壓至趾端壓裂閥后打開趾端滑套，進(jìn)行第1段加砂壓裂。

（4）第2～8段投入坐封球后，進(jìn)行送球及球入座開滑套，滑套開啟后進(jìn)行第2～8段壓裂施工。

（5）壓裂結(jié)束后，安裝捕球器，準(zhǔn)備放噴排液求產(chǎn)。

1.3 關(guān)鍵配套技術(shù)

固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，包含鉆井作業(yè)、壓裂作業(yè)和試氣作業(yè)等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致整個(gè)周期及后期效果受較大影響，因此配套工藝技術(shù)的優(yōu)化也尤為關(guān)鍵。為了保障固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)的順利施工和壓后快速見氣，對(duì)不同種類滑套順利打開及壓后液體快速返排進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3.1 可變徑固井滑套設(shè)計(jì)

通過可變徑固井滑套實(shí)現(xiàn)多簇體積壓裂，可變徑固井滑套由本體、滑套總成，變徑球座總成等部分組成。首先當(dāng)球到滑套位置后加壓，剪切滑套推筒上的銷釘作用在球上，開始推動(dòng)變徑球座和滑套前進(jìn)，滑套就位連通井筒和套管環(huán)空，同時(shí)變徑球座與滑套之間的開關(guān)也被打開；其次可變徑球座繼續(xù)向前移動(dòng)，球座與本體有了一定環(huán)形空間，球座逐漸張開至球可以完全通過，同時(shí)激活滑套的限位開關(guān)，鎖死滑套；最后坐封球下移至下一個(gè)可變徑或者定徑球座。同一個(gè)球最多能一次開啟三個(gè)變徑球座，若與一個(gè)定徑球座配合，可實(shí)現(xiàn)一段內(nèi)四簇的壓裂要求。因此可變徑固井滑套能否順利打開是多簇體積壓裂的重要環(huán)節(jié)，是可變徑固井滑套設(shè)計(jì)的重中之重。

1.3.2 井口捕球設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)壓后大通徑，固井滑套多簇體積壓裂設(shè)計(jì)球直徑最大能達(dá)到95.25 mm，防止壓后放噴過程中球堵塞放噴管線，造成無法順利捕球和試氣作業(yè)停止。為了縮短試氣周期，達(dá)到減小儲(chǔ)層傷害的目的，設(shè)計(jì)了一種無間歇沉降式捕球器。

無間歇沉降式捕球器結(jié)構(gòu)由左至右依次為：法蘭、外筒、沉降筒、全通徑閥門、多孔篩網(wǎng)和變徑絲扣（圖1）。通過法蘭將外筒連接到采氣樹，沉降筒通過焊接方式與外筒連接為一體，全通徑閥門直接組裝在沉降筒的管柱上，最后再通過變徑絲扣將無間歇沉降式捕球器組合體與放噴管柱連接，形成一個(gè)完整的放噴管線流程。為了保證多孔篩網(wǎng)的牢固，多孔篩網(wǎng)通過鑄造與捕球器外筒連為一體。

圖1 無間歇沉降式油氣井井口捕球器示意圖

無間歇沉降式捕球器結(jié)構(gòu)簡單，放噴試氣無需關(guān)井，且能實(shí)現(xiàn)放噴管線全通徑，操作安全，能準(zhǔn)確求出氣井真實(shí)產(chǎn)能，不影響放噴排液、試氣作業(yè)。

2 工藝優(yōu)化及現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 裂縫參數(shù)優(yōu)化

（1）裂縫縫長：裂縫長度優(yōu)化取決于儲(chǔ)層有效滲透率，儲(chǔ)層有效滲透率越小，需要的裂縫支撐半長越大。大牛地氣田有效滲透率主要為0.3×10-3～1.0×10-3μm2，優(yōu)化裂縫半長為150.0～250.0 m。

（2）導(dǎo)流能力：通過對(duì)裂縫導(dǎo)流能力及加砂量進(jìn)行優(yōu)化，大牛地氣田的水平井裂縫最佳導(dǎo)流能力為25～30 μm2·cm。

（3）簇間距：針對(duì)低滲儲(chǔ)層的特點(diǎn)，根據(jù)誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算模型，利用三維壓裂模擬軟件，建立誘導(dǎo)應(yīng)力場中井筒地應(yīng)力分布模型，并分析得到裂縫轉(zhuǎn)向臨界位置，對(duì)簇間距進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)的簇間距為10.0～20.0 m。

2.1.2 施工參數(shù)優(yōu)化

（1）平均砂比：利用壓裂軟件模擬優(yōu)化不同平均加砂濃度下的裂縫導(dǎo)流能力[4-5]，當(dāng)導(dǎo)流能力為30 μm2·cm時(shí)，對(duì)應(yīng)平均加砂濃度為420 kg/m3，對(duì)應(yīng)的平均砂比為24.7%（圖2）。綜合考慮現(xiàn)場施工風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化的平均砂比為23.0%～25.0%。

圖2 不同加砂濃度下的裂縫導(dǎo)流能力

（2）加砂規(guī)模：加砂規(guī)模優(yōu)化綜合考慮導(dǎo)流能力裂縫的幾何尺寸、安全施工及經(jīng)濟(jì)性等因素，根據(jù)不同砂體厚度，利用壓裂模擬軟件進(jìn)行優(yōu)化模擬[6-10]，從而確定合理較優(yōu)的加砂規(guī)模。不同砂體厚度條件下，支撐縫長均隨加砂量的增加而增加（圖3）。加砂量過少會(huì)影響具導(dǎo)流能力的支撐縫長過短；但是加砂量過多，一方面影響到安全施工，一方面增加成本。綜合不同加砂量對(duì)導(dǎo)流能力和裂縫形態(tài)的影響，最終優(yōu)化砂體厚度8.0 m，加砂量40.0 m3；砂體厚度12.0 m，加砂量50.0 m3；砂體厚度16.0 m，加砂量60.0 m3。

圖3 支撐縫長隨加砂量變化曲線

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.2.1 單井基本情況及設(shè)計(jì)思路

A井是大牛地一口開發(fā)水平井，砂體厚度11.0 m，氣層厚度10.6 m，上下部隔層8.0～10.0 m，孔隙度7.9%，滲透率0.8×10-3μm2，含氣飽和度50.1%，第3、4、6、7段平均全烴11.2%～20.5%，第1、2、5、8段平均全烴2.1%～6.5%。根據(jù)該井砂體厚度和遮擋層分布情況，采用長縫壓裂設(shè)計(jì)思路。結(jié)合不同層段鉆遇顯示，進(jìn)行差異化的設(shè)計(jì)，第3、4、6、7段采用多簇大規(guī)模壓裂，簇間距20.0 m，壓裂規(guī)模55.0～60.0 m3，平均砂比25.0%；第1、2、5、8段采用單簇壓裂，壓裂規(guī)模45.0～50.0 m3，平均砂比23.0%。

2.2.2 施工情況及壓后效果

A井第1段通過提高泵壓至趾端壓裂閥后打開趾端滑套，進(jìn)行第1段加砂壓裂；第2～8段投入坐封球后，進(jìn)行送球及球入座打開滑套，滑套開啟后依次進(jìn)行第2～8段壓裂施工。從施工曲線（圖4）來看，投球打開滑套顯示明顯，一天順利完成8段壓裂施工，固井滑套工具可靠，較可溶橋塞和連續(xù)油管壓裂工藝作業(yè)效率提高了86.5%。該井累計(jì)入地液量3 428.2 m3，加砂量418.8 m3。試氣過程液體放噴順暢，壓裂球未堵塞放噴管線，后期拆除捕球器，成功捕到兩個(gè)壓裂球。

圖4 A井第6段施工曲線

A井壓后投產(chǎn)初期，油壓8.6 MPa，穩(wěn)定氣產(chǎn)量1.22×104m3/d，在物性及鉆遇顯示差于鄰井、壓裂段數(shù)少于鄰井的情況下，獲得和鄰井相近的產(chǎn)量（表1），說明固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)能夠增大改造體積，壓后效果較好。

表1 A井與鄰井參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

（1）固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)是國內(nèi)提高改造體積較為前沿的工藝，為無限極分段高效作業(yè)方式，配套一球打開多個(gè)滑套，滑套噴嘴采用硬質(zhì)合金消除沖蝕孔眼，確保壓裂液各層分配均勻，并通過多簇體積壓裂形成更為復(fù)雜的裂縫，最終達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

（2）利用壓裂模擬軟件對(duì)固井滑套多簇體積壓裂的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化模擬，確定最優(yōu)施工參數(shù)，平均砂比為23.0%～25.0%，加砂規(guī)模為45.0～60.0 m3。先導(dǎo)試驗(yàn)井一天順利完成8段壓裂施工，較可溶橋塞分段壓裂工藝作業(yè)效率提高了86.5%。壓裂施工過程中各段投球打開滑套顯示明顯，工具可靠。

（3）對(duì)比鄰井地質(zhì)情況和施工參數(shù)，壓后效果在物性及鉆遇顯示差于鄰井，壓裂段數(shù)少于鄰井的情況下，獲得和鄰井相近的產(chǎn)量，說明固井滑套多簇體積壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)增大改造體積的目的，壓后效果較好。