安83 區(qū)頁(yè)巖油水平井大規(guī)模蓄能體積壓裂技術(shù)

李凱凱，安 然，岳潘東，陳世棟，楊凱瀾，韋 文

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油田開(kāi)發(fā)事業(yè)部，陜西西安 710018）

安83 區(qū)位于鄂爾多斯盆地，地質(zhì)儲(chǔ)量2.2×108t，是長(zhǎng)慶油田第一個(gè)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖油區(qū)[1]，其儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.75～0.85，自然能量嚴(yán)重不足。由于該區(qū)注水開(kāi)發(fā)不見(jiàn)效，目前主要開(kāi)發(fā)模式為長(zhǎng)水平段水平井自然能量開(kāi)發(fā)，共投產(chǎn)水平井229 口，平均水平段長(zhǎng)855 m，初期單井平均日產(chǎn)油11.7 t，第1 年自然遞減達(dá)50%～60%，目前單井平均日產(chǎn)油1.4 t，長(zhǎng)期處于低產(chǎn)低效狀態(tài)。為提高水平井單井產(chǎn)量，在安83 區(qū)早期探索了注水補(bǔ)能和重復(fù)壓裂措施，但未取得理想效果[2-3]。國(guó)內(nèi)部分油田探索研究了蓄能壓裂技術(shù)，其中，吉林油田通過(guò)提高壓裂入地液量補(bǔ)充地層能量，擴(kuò)大儲(chǔ)層改造規(guī)模，試驗(yàn)井增產(chǎn)效果較好，但補(bǔ)能規(guī)模有限，且措施后產(chǎn)量仍然下降較快[4]；吐哈油田針對(duì)水平井實(shí)施了縫網(wǎng)增能重復(fù)壓裂技術(shù)，通過(guò)注水補(bǔ)充地層能量先導(dǎo)性試驗(yàn)和室內(nèi)數(shù)值模擬確定壓裂前注水量，采用大規(guī)?；\統(tǒng)體積壓裂方式進(jìn)行儲(chǔ)層重復(fù)改造，但未充分考慮儲(chǔ)層差異[5]。安83 區(qū)頁(yè)巖油儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，需要著重刻畫(huà)層間差異。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)措施后的長(zhǎng)期增產(chǎn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化蓄能壓裂技術(shù)，以滿足高效開(kāi)發(fā)的需求。

為此，筆者在分析注水補(bǔ)能和前期重復(fù)壓裂存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，借鑒其他油田蓄能壓裂理念，采用大規(guī)模蓄能體積壓裂技術(shù)，通過(guò)壓前注水補(bǔ)能設(shè)計(jì)，優(yōu)選壓裂層段，優(yōu)化壓裂管柱及配套工藝，大幅提高了水平井重復(fù)改造效果，為低產(chǎn)水平井高效治理提供了較好的技術(shù)借鑒。

1 蓄能體積壓裂技術(shù)難點(diǎn)

2017 年，安83 區(qū)7 口水平井實(shí)施重復(fù)壓裂措施，單井累計(jì)增油僅510.0 t 即失效。前期經(jīng)驗(yàn)表明，該區(qū)井間連通性強(qiáng)，油水滲吸置換作用較弱，重復(fù)壓裂改造規(guī)模較小，措施后油井產(chǎn)量下降快，整體效果較差，采用蓄能體積壓裂技術(shù)進(jìn)行改造較為困難。分析認(rèn)為，存在的技術(shù)難點(diǎn)為：

1）壓裂效果減弱快。注水補(bǔ)能雖然在一定程度上可以提高地層能量，但由于對(duì)儲(chǔ)層未能有效改造，措施后含水較高，效果差；重復(fù)壓裂規(guī)模小、入地液量少，地層能量不充足，措施后產(chǎn)量下降快，壓裂效果減弱快，累計(jì)增油量較少。

2）受壓裂工具等限制，壓裂規(guī)模較小。水平井重復(fù)壓裂主要采用雙封單卡壓裂管柱，早期受壓裂井口、直井段和水平段管柱等的限制，儲(chǔ)層改造規(guī)模有限，在限壓范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工排量最高僅能達(dá)到5.5 m3/min，不能滿足開(kāi)發(fā)需求。

3）儲(chǔ)層初期改造不均勻。安83 區(qū)水平井初期射孔一般采用常規(guī)火力射孔或雙水力噴射器射孔技術(shù)，壓裂作業(yè)時(shí)進(jìn)液不均，其中雙水力噴射器在噴砂射孔時(shí)存在相互干擾，降低了兩簇同時(shí)射開(kāi)的概率，儲(chǔ)層初期改造不均勻。

4）不易形成復(fù)雜裂縫。安83 區(qū)最大和最小水平主應(yīng)力的差在5.00 MPa 左右，微地震測(cè)試顯示裂縫長(zhǎng)寬比為5:1 左右，縫寬相對(duì)較小，裂縫較為單一，不易形成復(fù)雜體積縫網(wǎng)。

2 蓄能體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)安83 區(qū)蓄能體積壓裂技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展了壓前注水補(bǔ)能、壓裂工具優(yōu)化改進(jìn)和裂縫復(fù)雜程度配套技術(shù)等研究。

2.1 壓前注水補(bǔ)能

安83 區(qū)目前地層壓力為6.20 MPa，壓力保持水平僅34.1%，壓裂前通過(guò)原有注水管網(wǎng)對(duì)單井籠統(tǒng)注水補(bǔ)能，一方面可以提高地層能量，有助于油井長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)；另一方面使原低應(yīng)力區(qū)人工縫網(wǎng)恢復(fù)初始?jí)毫Γ欣谛纬尚驴p，提高儲(chǔ)層有效改造體積。利用注入液量與局部壓力變化的關(guān)系式（式（1）），結(jié)合單井壓力，確定單井壓裂前注水蓄能用水量，確保地層壓力恢復(fù)至原始?jí)毫λ?，在提高地層能量和?chǔ)層改造效果的同時(shí)，促進(jìn)地層中流體飽和度重新分布，提高油水置換效率[5]。

式中：ΔV為儲(chǔ)層壓前蓄能需增加液量，m3；Ct為儲(chǔ)層綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；V為裂縫改造入地液量，m3；Δp為增加的儲(chǔ)層壓力，MPa。

安83 區(qū)儲(chǔ)層綜合壓縮系數(shù)受注入量等影響較小，補(bǔ)能液量與地層局部壓力增加量有較好的正相關(guān)性（見(jiàn)圖1）。根據(jù)單井所控制的儲(chǔ)層改造體積及目前壓力保持水平，為使單井控制區(qū)域地層壓力恢復(fù)至原始水平，壓裂前單井需補(bǔ)能液5 000～9 000 m3。

圖1 補(bǔ)能液量與地層局部壓力增量的關(guān)系Fig.1 Relationship between the amount of energy replenishing fluid and the increment of the local formation pressure

2.2 壓裂管柱優(yōu)化

為進(jìn)一步提高壓裂規(guī)模，增強(qiáng)儲(chǔ)層改造強(qiáng)度，將壓裂管柱優(yōu)化為φ101.6 mm 油管（直井段）+φ88.9 mm油管（水平段）+K344 封隔器+噴砂器+TDY 封隔器（見(jiàn)圖2），壓裂管柱內(nèi)徑增大了12.0 mm。

圖2 水平井重復(fù)壓裂管柱示意Fig.2 The refracturing string in the horizontal well

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果表明，在相同壓裂液體系下，采用優(yōu)化壓裂管柱直井段和水平段的摩阻分別降低了26.0% 和31.0%，施工排量可提高至8.0～10.0 m3/min。同時(shí)選用TDY 封隔器，采用機(jī)械坐封方式，有助于判斷下封隔器坐封情況，確保壓裂液進(jìn)入目的層段。

2.3 提高裂縫復(fù)雜程度配套技術(shù)

2.3.1 極限分簇射孔優(yōu)化

為改善初期改造不均勻的問(wèn)題，采用極限分簇射孔技術(shù)增加射孔簇?cái)?shù)，大幅減少單簇孔數(shù)，以提高壓裂初期井底壓力和孔眼同步起裂概率，實(shí)現(xiàn)多簇同時(shí)起裂。新補(bǔ)孔段單簇射孔長(zhǎng)度為0.40 m，射孔孔眼2 個(gè)/簇，孔眼有效率達(dá)到80.0%以上（見(jiàn)表1），較常規(guī)射孔提高20.0%～30.0%，有效進(jìn)液射孔簇?cái)?shù)提高25.0%，裂縫密度提高1.8 倍[6]。

表1 極限分簇射孔與常規(guī)射孔多簇起裂有效性對(duì)比Table 1 Comparison of the multi-cluster initiation effectiveness by extreme clustered perforation and conventional perforation

2.3.2 差異化裂縫設(shè)計(jì)

通過(guò)精細(xì)儲(chǔ)層解釋及開(kāi)發(fā)效果對(duì)比，改變以往均勻改造模式，對(duì)該區(qū)頁(yè)巖油儲(chǔ)層進(jìn)行分級(jí)，針對(duì)不同的儲(chǔ)層品質(zhì)，結(jié)合近幾年安83 區(qū)新投產(chǎn)水平井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、單井EUR 預(yù)測(cè)與加砂強(qiáng)度、進(jìn)液強(qiáng)度等壓裂參數(shù)的相關(guān)性，實(shí)施儲(chǔ)層改造差異化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量的最大程度動(dòng)用[7-8]。利用數(shù)值模擬軟件，模擬水平段長(zhǎng)800.00 m，井距500.00 m 時(shí)，不同物性條件下加砂強(qiáng)度和進(jìn)液強(qiáng)度對(duì)累計(jì)產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于I 類儲(chǔ)層，當(dāng)加砂強(qiáng)度超過(guò)5.0～6.0 t/m、進(jìn)液強(qiáng)度超過(guò)20.0～25.0 m3/m 時(shí)，累計(jì)產(chǎn)油量增幅顯著減小，于是將該加砂強(qiáng)度和進(jìn)液強(qiáng)度確定為I 類儲(chǔ)層的改造參數(shù)。同理，確定II 類儲(chǔ)層加砂強(qiáng)度為4.0～5.0 t/m，進(jìn)液強(qiáng)度為17.0～22.0 m3/m（見(jiàn)表2）。

表2 儲(chǔ)層改造差異化設(shè)計(jì)Table 2 Differential design for reservoir stimulation

2.3.3 多級(jí)動(dòng)態(tài)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)

為提高裂縫復(fù)雜程度，在壓裂過(guò)程中隨壓裂液多次加入多粒徑組合的可降解暫堵轉(zhuǎn)向劑。該組合暫堵劑由粒徑為100 目、1～2 mm 和3～4 mm的暫堵劑按質(zhì)量比1:1:1.5 配制，抗壓強(qiáng)度可達(dá)70.0 MPa 以上，在地層溫度下48 h 可完全溶解。多種粒徑組合的暫堵劑進(jìn)入裂縫后容易形成橋堵，抑制裂縫繼續(xù)延長(zhǎng)，使縫內(nèi)凈壓力不斷提高，當(dāng)壓力升高幅度超過(guò)最大和最小水平主應(yīng)力差時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向或開(kāi)啟側(cè)向微裂縫，使人工裂縫更加復(fù)雜，最大程度增加儲(chǔ)層改造體積，提高改造效果[9-11]。

2.4 悶井時(shí)間優(yōu)化

數(shù)值模擬及巖心滲吸試驗(yàn)結(jié)果表明，合理的悶井時(shí)間能夠增強(qiáng)油水滲吸置換作用[12]。當(dāng)井口壓力穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為油水滲吸平衡過(guò)程結(jié)束；礦場(chǎng)實(shí)踐表明，新投產(chǎn)水平井利用EM30S 滑溜水壓裂后悶井30～60 d，初期產(chǎn)能較高[13-14]。為充分利用注入能量，提高措施井初期產(chǎn)量，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合井口壓降情況，將悶井時(shí)間優(yōu)化為30～60 d。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

安83 區(qū)3 口井網(wǎng)邊部相鄰水平井均于2013 年底投產(chǎn)，水平段長(zhǎng)800.0 m，井距500.0 m，初期采用分段多簇壓裂方式，共壓裂30 段60 簇，每段入地液量593.0 m3，措施前單井累計(jì)產(chǎn)油量達(dá)到5 989.0 t。3 口井進(jìn)行了大規(guī)模蓄能體積壓裂施工，共改造31 段，其中根據(jù)原簇試擠結(jié)果，確定重復(fù)壓裂14 段，優(yōu)選未動(dòng)用優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層補(bǔ)孔壓裂17 段，所有壓裂段中Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層占比達(dá)到81.0 %。3 口井措施前實(shí)施注水補(bǔ)能措施，平均單井注水量達(dá)到0.8×104m3，地層能量恢復(fù)至原始?jí)毫λ剑粏味渭由傲?20.0～150.0 m3，單段入地液量1 200.0～1 500.0 m3，施工排量8.0～10.0 m3/min，每段壓裂實(shí)施2 級(jí)暫堵?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)75.0% 以上的壓裂段在大排量下施工壓力升高了3.0～6.0 MPa，起到了較好的暫堵效果。同時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化后的壓裂管柱，單趟管柱施工段數(shù)由1 段提至3 段，單井壓裂施工占井時(shí)間3 d，縮短了24.0%，與前期重復(fù)壓裂對(duì)比，壓裂強(qiáng)度和施工效率均得到大幅提高。壓裂結(jié)束后平均單井滯留液量達(dá)到2.0×104m3。壓裂結(jié)束悶井2 個(gè)月，井口壓力穩(wěn)定在2.0～4.0 MPa，局部地層壓力系數(shù)提高至1.20。

壓裂后開(kāi)井生產(chǎn)，平均單井產(chǎn)油量由1.2 t/d 提高至10.2 t/d，截至2020 年12 月底生產(chǎn)10 個(gè)月，單井累計(jì)增油量2 010.0 t，有效期內(nèi)單井日增油量6.6 t，是 2017 年措施井同期增油量的7.6 倍、鄰井產(chǎn)量的5.6 倍，油井增產(chǎn)效果顯著（見(jiàn)圖3）。結(jié)合目前產(chǎn)量遞減情況，預(yù)計(jì)有效期內(nèi)單井累計(jì)增油量可以達(dá)到4 500.0～6 000.0 t，投入產(chǎn)出比達(dá)到1∶1.1，可實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)。

圖3 2017 年與2019 年水平井體積壓裂后日增油量對(duì)比Fig.3 Comparison of daily oil increment after volumetric fracturing of horizontal wells in 2017 and 2019

截至2020 年12 月底，3 口井均持續(xù)有效，其中，X2井位于3 口井中部，2 口鄰井壓裂過(guò)程中使該井受效，補(bǔ)孔段比例達(dá)62.5%，壓裂結(jié)束后繼續(xù)注入4 900.0 m3補(bǔ)能液，儲(chǔ)層改造充分，日增油量6.7 t，累計(jì)增油量2 405.0 t，增油效果最好，但該井只改造了8 段，可見(jiàn)壓裂段數(shù)并非越多越好，可優(yōu)化補(bǔ)孔段占比和實(shí)施段數(shù)，降低壓裂費(fèi)用，進(jìn)一步提高壓裂效益。X1 井共壓裂12 段，日增油量5.7 t，累計(jì)增油量2 342.0 t；X3 井試油時(shí)改造規(guī)模大，累計(jì)產(chǎn)油量高達(dá)7 800.0 t，壓裂后效果相對(duì)一般，生產(chǎn)10 個(gè)月后，日增油量3.0 t，累計(jì)增油量1 282.0 t。X1 井和X3 井改造段數(shù)和壓裂前含水相近，但X3 井補(bǔ)孔段數(shù)占比低，壓裂前累計(jì)產(chǎn)油量比X1 井高3 200.0 t，壓裂后含水率相對(duì)較高，增油效果較差。3 口試驗(yàn)井壓裂規(guī)模及效果統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3 3 口措施井規(guī)模及效果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of fracturing scale and effect in 3 horizontal wells

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，X2 井改造段數(shù)最少，補(bǔ)孔段占比最高，效果效益預(yù)期最好，采取壓后補(bǔ)能措施后，未出現(xiàn)產(chǎn)液量下降快、含水率持續(xù)增高的情況，證明壓后繼續(xù)補(bǔ)能可行。后續(xù)水平井重復(fù)改造時(shí)，可優(yōu)先采取補(bǔ)孔體積壓裂措施，提高補(bǔ)孔段占比，有效利用未動(dòng)用儲(chǔ)量。同時(shí)，適當(dāng)減少壓裂段數(shù)，優(yōu)化壓前補(bǔ)能液量、壓裂入地液量和壓后補(bǔ)能液量，以進(jìn)一步提高壓裂效果。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)安83 區(qū)蓄能壓裂技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展了壓前注水補(bǔ)能、壓裂管柱優(yōu)化、極限分簇射孔、儲(chǔ)層差異化裂縫設(shè)計(jì)、多級(jí)動(dòng)態(tài)暫堵和悶井時(shí)間優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了安83 區(qū)水平井大規(guī)模蓄能體積壓裂技術(shù)，可大幅提高水平井重復(fù)壓裂的改造規(guī)模、作業(yè)效率和裂縫復(fù)雜程度，進(jìn)一步提高水平井的產(chǎn)量和延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期。

2）安83 區(qū)水平井實(shí)施大規(guī)模蓄能體積壓裂技術(shù)取得了較好的試驗(yàn)效果，相比單純注水吞吐和重復(fù)壓裂，效果大幅提高。該技術(shù)能同時(shí)補(bǔ)充地層能量和有效改造儲(chǔ)層，表現(xiàn)出較好的儲(chǔ)層適應(yīng)性和增產(chǎn)潛力，具有良好的應(yīng)用前景。

3）大規(guī)模蓄能體積壓裂技術(shù)仍舊多采用傳統(tǒng)的雙封單卡壓裂工藝，不利于地層能量和壓裂縫網(wǎng)形態(tài)保持，需要進(jìn)一步研發(fā)壓后不放噴壓裂工藝，以進(jìn)一步提高壓裂改造效果。