水平井限流法壓裂技術的發展與應用

摘 要

摘要：水平井限流法壓裂采用套管壓裂，具有井下工具少、一次施工完成多條裂縫改造、壓后增產效果好等優點，是低滲透油氣藏水平井增產改造的很好選擇，大慶油田已應用該方法壓裂完成
摘要：水平井限流法壓裂采用套管壓裂，具有井下工具少、一次施工完成多條裂縫改造、壓后增產效果好等優點，是低滲透油氣藏水平井增產改造的很好選擇，大慶油田已應用該方法壓裂完成了20多口水平井的改造，取得了很好的經濟效益。根據南214-平324井的主壓裂施工曲線分析了水平井限流法壓裂的特點，介紹了“有效孔數法”、G函數法、連續油管井溫測井、大地電位和井下微地震等配套技術。從壓裂液流動的角度提出了水平井限流法壓裂存在徑向流區的觀點，對壓裂液在徑向流區流動的正確認識是水平井限流法壓裂設計和施工控制的關鍵。最后總結了目前水平井限流法壓裂在施工過程及壓后裂縫診斷方面所存在的問題，并提出了相應的解決辦法及技術發展思路。
關鍵詞：水平井；壓裂；限流法；技術；特點；應用；建議；大慶油田
0 引言
    國外關于水平井限流法壓裂的報道較少，本文參考文獻[1]中列舉了限流法壓裂在裸眼或套管完井的水平井中的成功應用，最多可以壓開9段。國內水平井限流法壓裂主要集中在大慶油田，該油田經過“八五”國家重點技術攻關形成了適應于新井完井壓裂的套管限流壓裂技術，一次施工可壓開多條裂縫，最初在4口井上成功應用[2]。2003年采用該技術在薄互層壓裂改造2口井，實現裂縫穿層；2006年采用該技術在水平井筒方向與地層最小主應力方向垂直時的薄互層壓裂改造2口井，形成的沿井筒方向的裂縫增產效果也很好。從20世紀90年代至今，大慶油田已應用該方法完成24口井的改造，均取得了較好的增產效果。
1 技術原理及主要特點
1.1 技術原理
    水平井限流法壓裂與直井限流法壓裂原理一樣，都是通過控制炮眼數量和直徑，以盡可能大的排量施工，利用炮眼摩阻提高井底壓力，迫使壓裂液分流，使破裂壓力相近的地層依次壓開[3]，最終填砂形成有效的支撐裂縫。國內水平井限流法壓裂主要集中在大慶油田外圍，根據儲層厚度分為兩類：裂縫限制在儲層內和裂縫穿透隔層貫穿多個薄儲層[4～5]。
1.2 主要特點
    水平井限流法壓裂與直井限流壓裂原理相同，但又有獨特之處。
    1) 施工控制井段長、規模大，施工井段為固液兩相的變質量流。因此，長層段中沿程流體摩阻不能忽視，使得孔眼限流摩阻值的計算不能像直井一樣僅考慮壓裂層段間的破裂壓力差值。當確定最大施工排量時，水平井筒引起的摩阻通常也是限制因素。
    2) 攜砂液引起的炮眼侵蝕對流量分配及裂縫形態影響很大。射孔侵蝕對垂直井的流體分布影響較小，但對水平井作業中流體的分布有很大影響。通常認為根部孔眼首先接觸攜砂液，所以根端孔眼受到的沖擴程度比趾部的大得多。
由于炮眼磨損引起的施工壓力變化在限流法壓裂施工曲線中有很明顯的顯示，圖1是南214-平324井的主壓裂施工曲線，從圖中可以看出支撐劑到達井底后，井口壓力大幅度下降，這在其他壓裂方式中是沒有的現象。此現象是由于支撐劑加入引起的混砂液凈液柱壓力、管柱摩阻和孔眼摩阻的變化綜合作用的結果。根據南214-平324井的井身結構及施工情況定量計算出前兩項的值[6～7]，可以發現它們對施工壓力的影響遠沒有這么大，因此可以判斷出現施工壓力如此大幅度降低的主要原因是孔眼受支撐劑打磨孔徑變大后，摩阻急劇降低造成的，但目前的壓裂設計軟件還不能模擬孔眼摩阻的動態變化對裂縫形態的影響。
3) 從壓裂液流動角度看，水平井限流法壓裂與垂直井壓裂的主要區別是壓裂存在徑向流區(如圖2)所示)。因此增加了近井裂縫復雜程度，產生附加摩阻，高濃度砂漿在其中流動風險很大。
2 現場應用情況及增產效果
從20世紀90年代至今，大慶油田累計完成水平井限流壓裂24口，取得了很好的增產效果(見表1)。最高施工排量9m3/min，加入支撐劑90m3，最多射孔6段實現全部進液(見表2)。
 

表1 限流法壓裂增產情況統計表    t/d
地區
生產情況
初期
目前
液
油
液
油
肇州
6口限流壓裂水平井平均產量
18.0
16.7
11.3
10.0
7口壓裂直井平均產量
3.8
3.2
3.3
2.7
水平井/直井
4.7
5.2
3.4
3.7
敖南
5口限流壓裂水平井
7.2
7.1
2.0
20.3
2口壓裂直井平均產量
1.3
1.3
1.2
1.2
水平井/直井
5.5
5.4
1.7
1.7
表2 部分限流壓裂井施工參數表
序號
井號
布孔段數
孔數
支撐劑量/m3
最高排量/m3#min-1
1
肇62-平22
5
15
48
9
2
南232-平255
4
20
90
7.2
3
南246-平309
6
18
54
7.5
4
南214-平324
5
20
80
8.5
現場形成了系統的水平井限流壓裂設計方法、裂縫形態診斷技術和段內限流壓裂等配套技術：
    1) 采用“有效孔數法”及G函數法判斷壓開裂縫數。
    2) 開展了連續油管井溫測井、大地電位和井下微地震等研究及現場試驗。對南214-平324等4口井進行了連續油管井溫測井，對認識限流壓裂的裂縫形態、裂縫開啟位置、相對改造程度起到了積極作用；對南236-平252等8口井應用了大地電位法測試水平井多裂縫的裂縫方向；對南246-平309井應用井下微地震測試技術進行了裂縫形態測試，與井溫測井和測試壓裂G函數法解釋的結果比較吻合，另外該測試技術也初步證實限流法壓裂可以在薄互層溝通多個儲層。
    3) 針對施工井段長、物性差異大，限流壓裂可能造成部分層段施工達不到要求或者直接丟縫的現象，開展了水平井機械分段與限流壓裂結合的段內限流分段壓裂現場試驗。
3 存在的主要問題
    水平井的限流法壓裂在壓前地質認識、施工過程中的控制方法和壓后裂縫診斷方面還存在以下問題。
    1) 水平段長、橫向巖性分布復雜，現有地應力計算方法還不能獲得詳細的水平段的應力差別情況，使造縫部位針對性不強。
    2) 控制各段裂縫均勻延伸的手段還不夠有效，各條裂縫規模難于控制：①由于改造對象主要為薄互儲層，層段物性差異大，僅依靠射孔方案的調整難以實現對水平段的均勻改造，還可能使部分裂縫縫長遠遠大于預期設計值，如果存在邊底水或后期注水開發，引發暴性水淹；②針對經過磨蝕后的孔眼不能產生足夠的井底壓力使難壓層段繼續延伸的現象，現場采用加砂后提高施工排量來保證施工，但缺乏定量化的理論指導。
    3) 缺乏有針對性的裂縫定量解釋方法。
    目前現場采用了連續油管井溫測井、大地電位測試裂縫方向、井下微地震裂縫檢測等技術，但施工復雜、費用昂貴。“有效孔數法”被作為壓開裂縫數目的診斷方法也存在很大誤差，“有效孔數法”是建立在系統壓力分析基礎上的，但限于目前水平井限流法壓裂壓力計只能下到直井段的噴嘴上方。因此，噴嘴下方直井段的摩阻和水平段固液兩相變質量流的摩阻計算精度遠遠不夠，導致“有效孔數”計算結果不準確，也影響了壓開裂縫數的準確判斷。
4 結論及建議
    通過上述分析和討論，得出以下結論和建議。
    1) 現場試驗證明，限流法壓裂對需要改造規模比較大的水平井，具有很好的增產效果。
    2) 提出了水平井限流法壓裂存在徑向流區的觀點。
    3) 由于壓裂層段復雜及認識水平的限制，目前水平井限流法壓裂還存在許多問題。因此，建議開展以下研究：①開展凈液和各攜砂濃度下的油、套管摩阻的理論和實驗研究，以及對炮眼磨蝕規律研究，提高壓裂設計對現場施工的指導水平；②在連續油管井溫測井等裂縫監測手段的指導下，開展裂縫形態定量解釋的理論研究；③在橫向地應力剖面精細解釋的基礎上，加大段內限流壓裂的現場試驗力度，提高水平井對薄互儲層的動用程度。
參考文獻
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(本文作者：邢慶河 張士誠 中國石油大學石油工程教育部重點實驗室)