非常規氣藏增產改造與監測技術實踐

王素兵 葉登勝 尹叢彬 李國慶 羅熾臻

中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司

非常規氣藏增產改造與監測技術實踐

王素兵 葉登勝 尹叢彬 李國慶 羅熾臻

中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司

王素兵等.非常規氣藏增產改造與監測技術實踐.天然氣工業，2012，32（7）：38-42.

非常規油氣藏必須經過增產改造方能投入有效開發，但目前卻存在增產改造范圍有限、封隔難度大、改造針對性不強等技術瓶頸。為此，針對這些技術難題，四川油氣田通過持續技術攻關和對引進技術的消化吸收，初步形成了適應不同類型非常規油氣藏儲層的增產技術系列，即：①非常規儲層機械分層（分段）改造技術系列；②水平井分段改造技術系列；③頁巖氣藏體積壓裂技術；④非常規儲層增產改造裂縫監測技術。這些新技術有效地解決了制約非常規油氣藏增產改造的技術難題，取得了良好的應用效果，為國內非常規油氣藏增產改造提供了強有力的技術支撐。

非常規天然氣藏 儲集層 特征 增產改造 監測技術 系列 應用 四川油氣田

1 非常規油氣藏儲層基本特征

與常規油氣藏儲層相比而言，非常規油氣藏油氣資源在成藏條件、巖性、物性特征，油氣賦存狀態既有相似之處，又有較大的差別，具有以下基本特征［1］：①儲層品味低，非常規儲層普遍具低孔、低滲、超低滲、含油氣豐度低、自然產能低的特點；②儲層類型復雜，非常規油氣藏既包含致密砂巖、碳酸鹽巖、火成巖，又包括頁巖、煤層以及油砂等；③儲層巖性、巖相、礦物成分組成類型復雜多樣，變化快；④儲層一般具縱向上非均質性，橫向上連續性差特點；⑤砂體發育多變，特別是對于致密砂巖氣藏而言透鏡狀砂體占很大比例且縱向上多砂體發育。

2 非常規氣藏增產改造的難點及對策

2.1 增產改造面臨的難點

面臨的難點：①縱向上多產層發育，儲層立體改造難度較大；②致密砂巖氣藏面臨產量低和衰減快的問題，大范圍改造難度較大；③致密砂巖、頁巖氣資源中，裂縫作為儲集空間，最大限度溝通裂縫系統難度較大；④水平井、其他特殊井眼井增產改造分隔難度大；⑤非常規氣藏特別是頁巖氣壓裂裂縫延伸情況極為復雜，為設計的優化提出了極大地挑戰。2.2 初步技術對策

技術對策為：①采用分層（段）改造技術，提高縱向上的小層動用程度；②采用大型增產改造技術，最大限度提高致密低滲儲層的改造體積；③針對頁巖氣增產改造采用“大液量、大排量、低砂比”輔以分簇射孔的“體積改造”技術；④采用裸眼水平井封隔器、可鉆橋塞、連續油管帶底封等機械封隔方法以及水力噴射分段等分隔方法來提高水平井、其他特殊井眼井改造的針對性；⑤采用包括微地震、地面、井下測斜儀等裂縫監測手段來實時評價裂縫延伸動態，從而優化壓裂作業的參數。

3 非常規氣藏增產改造技術的應用

3.1 致密氣藏增產技術及應用

3.1.1 致密多產層氣藏分層改造技術

3.1.1.1 封隔器帶滑套分層壓裂技術及應用

針對縱向上多層系儲層，開展了不動管柱連續分層壓裂工藝技術研究和現場規模化應用。該技術通過封隔器帶噴砂滑套，在壓裂過程中通過投球打開噴砂滑套的方法實現快速轉層達到分層壓裂，并進行壓裂后合層開采的目的。該技術的成功應用實現了非常規儲層的立體、高效開發。與常規逐層壓裂相比，縮短了作業時間，降低了壓裂作業成本。2009—2011年6

月底，該技術大規模推廣應用累計680余井次，最多分壓5層（段）。圖1為不同分壓層段所占比例統計結果。

圖1 分壓不同層（段）統計結果圖

3.1.1.2 連續油管帶底封噴砂射孔環空多級壓裂及應用

連續油管帶封隔器環空分級壓裂技術是目前國外較新研發的一種既能實現大規模改造，又能達到分層壓裂、精細壓裂的一種新型分級壓裂技術［2］。

工藝技術特點為：①該技術通過連續油管帶噴射工具和定位器進行定點噴砂射孔實現了薄層精細壓裂；②通過上提下放多次坐封解封的封隔器在理論上可以實現無限級次壓裂，現場轉層操作靈活可靠，施工周期短；③將連續油管起出井口后即具備生產條件，可實現多層直接測試投產，且井筒清潔，便于后期修井作業；④該技術可適用于直井、大斜度井、水平井分級壓裂。

工藝流程為：①連續油管定位；②通過連續油管進行噴砂射孔；③反循環洗井；④進行該層的壓裂施工；⑤施工后，上提連續油管解封封隔器，再次定位進入下一層后，下放坐封封隔器，開始進行次一層施工。以此步驟完成所有層段施工后，上提連續油管出井口。

該技術在西南油氣田HC構造現場先導性實施7井次，46層次，注入地層支撐劑總量822.63 t。從現場實施情況來看，該工藝操作簡單、轉層迅速。平均轉層時間為23 min，最少轉層時間僅為5 min。現場應用情況與效果見表1。

3.1.1.3 水力噴射分段改造及應用

水力噴射是目前先進的分層、分段增產改造工藝之一。中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司（以下簡稱川慶井下作業公司）通過自主研發，開發出水力噴射工具，現場應用效果良好。

表1 連續油管帶底封分級壓裂現場實施情況與效果表

工藝特點為：①井下工具簡單，不需要機械封隔，能夠自動隔離，可用于裸眼、套管完井，同時可適用于直井、斜井、水平井；②一次管柱可進行多段改造，施工周期短，有利于降低儲層傷害；③定向噴射、造縫準確，對薄互層、含水關系復雜井增產改造優勢明顯；④該工藝施工程序簡單，易于操作；⑤可采用不動管柱、動管柱（油管、連續油管拖動）噴射施工。

自主研發的水力噴射技術共進行了21口井水力噴射先導性增產施工，其中加砂壓裂6井次，噴射酸化15井次，單井噴射最多達15段，單井最大加砂量102.55 m3、單段最大加砂51.3 m3、最高砂濃度819 kg／m3，單井最大用液量895.5 m3。水平井中應用10井次、直井與斜井中應用11井次。施工成功率100%，單井平均增產天然氣16.7×104m3／d。

3.1.2 水平井裸眼封隔器分段改造技術與應用

川慶井下作業公司自主研發出水平井裸眼分段增產改造工具，填補了國內空白，打破了國外壟斷，為提高非常規油氣藏單井產量、降低開發成本，提供了技術支撐和有力保障，具有重要而深遠的意義。

3.1.2.1 技術指標

3.1.2.2 現場推廣應用情況

1）整體應用情況

從2010年開始到目前，該工具現場累計完成46井次290段作業，施工成功率、有效率均達100%。單井最多分段達12段、最大下入井深5 880.0 m、水平段最長1 310.0 m，單井最大加砂量450.8 m3、最大注液量4 498.1 m3。平均單井測試天然氣產能達23.51×104m3／d，增產效果明顯。圖2為該工具現場應用情況統計。

圖2 水平井裸眼分段改造技術應用情況統計圖

2）典型井應用情況

其應用情況如表2所示。

3.1.3 水平井電纜傳輸射孔（或連續油管噴砂射孔）

＋可鉆橋塞分段壓裂酸化及應用

3.1.3.1 工藝原理

該工藝技術是用連續油管或電纜將丟手＋射孔槍（或噴砂射孔工具）＋橋塞工具串送到水平井施工段位置，然后坐封橋塞—射孔—加砂壓裂。如此重復，可以實現對水平井無限多段的增產改造，施工完成后，下連續油管鉆開所有橋塞，放噴排液。

3.1.3.2 工藝流程

①第一段采用油管（或連續油管、電纜）傳輸射孔，提出射孔槍；②第一段施工；③凝膠沖洗井筒；④用連續油管或液體泵送電纜將射孔槍（連續油管帶噴砂射孔工具＋橋塞工具入井）；⑤座封橋塞，射孔工具與橋塞分離，橋塞試壓；⑥拖動連續油管或電纜帶射孔工具至射孔段，射孔，提出電纜（連續油管帶噴射工具可不提出井筒）；⑦施工第二層，重復步驟④～⑦，實現多層分段改造。壓后用連續油管磨銑鉆掉橋塞，合層排液求產。

表2 水平井裸眼封隔器現場應用典型井情況表

3.1.3.3 現場應用實踐

水平井電纜傳輸射孔（或連續油管噴砂射孔）＋可鉆橋塞分段壓裂工藝技術在四川盆地水平井中實施5井次、45層次。其中電纜傳輸射孔＋可鉆橋塞分段壓裂4井次，連續油管噴砂射孔＋可鉆橋塞分段壓裂1井次，施工成功率達100%。表3為現場實施具體情況。

3.2 頁巖氣藏體積壓裂先導性試驗

頁巖氣藏勘探開發潛力巨大，因其儲層物性差、孔隙度和滲透率低，需要應用水力壓裂技術才能獲得經濟開采，裂縫網絡是獲得工業性氣流的關鍵。國外的研究成果表明：頁巖氣儲層具有改造體積越大、增產效果越好的特點，且壓裂裂縫不再是單一的對稱裂縫，而是形成裂縫網絡，由此產生了體積改造的理念［3－4］。

表3 水平井可鉆橋塞分段壓裂現場實施情況表

3.2.1 頁巖氣體積壓裂技術

體積壓裂是指在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，從而增加改造體積，提高初始產量和最終采收率。由于頁巖氣低孔、低滲、巖石脆性系數高、儲層發育有天然裂縫。這些特性，決定了頁巖氣井特別適應于大規模體積壓裂［5－9］。

3.2.1.1 壓裂工藝

在分簇射孔的基礎上，應用滑溜水壓裂液，采用大液量、大排量的施工參數，形成網狀裂縫，溝通地層天然微裂縫，用低砂比、段塞式加砂轉向、橋接網狀裂縫。

3.2.1.2 工作液體系

頁巖氣壓裂一般采用滑溜水體系，配方組成通常為：清水＋降阻劑＋黏土穩定劑。

3.2.1.3 分簇射孔

為了提高頁巖氣改造效果，形成更大體積的網絡裂縫系統，射孔方式一般采用分簇射孔。一般分4～6簇射孔，每簇5～6孔。

3.2.1.4 頁巖氣水平井分段壓裂

采用可鉆橋塞＋噴砂射孔（或電纜傳輸射孔）分段壓裂技術：連續油管帶噴砂射孔工具及橋塞（或電纜傳輸射孔＋可鉆橋塞），對預定層段進行分簇噴砂（或電纜射孔傳輸射孔）并坐封橋塞，然后進行套管壓裂。壓裂完所有層段后，下入鉆磨工具鉆除所有橋塞，氣井投產。

3.2.2 頁巖氣體積改造現場應用實踐

中國石油在四川威遠—長寧地區、云南昭通地區共進行了12口井、42層（段）次頁巖氣體積改造。其中直井9口井（17層次），水平井3口井（25段）施工，平均單層（段）用液量達1 845.2 m3。部分井現場應用情況如表4所示。

表4 頁巖氣增產改造現場實施情況及效果表（部分井）

3.3 壓裂裂縫監測技術應用

非常規儲層特別是頁巖氣井實施壓裂改造措施后，需要有效的方法來確定壓裂作業效果，獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態、復雜性及其方位等諸多信息，以實時改進與優化頁巖氣藏后續壓裂增產作業程序與評價其效果。

目前利用井溫測井、地面、井下測斜儀與微地震監測技術結合的裂縫綜合診斷技術，可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產生裂縫網絡，確定裂縫的高度、長度、傾角及方位，評價壓裂作業效果，實現非常規儲層增產改造的最優化。

3.3.1 井溫測井應用

在D4井頁巖氣壓裂過程中應用了該項技術，通過井溫測井分析（圖3），得到了裂縫在高度上的延伸情況。主壓裂時壓裂縫頂端至1 990.3 m，壓裂縫向上延伸45.7 m（射孔井段頂2 036 m）。

3.3.2 微地震監測技術應用

在D1井壓裂過程中進行了微地震監測，通過對監測資料分析，得到了壓裂裂縫波及的體積（圖4）。為后續增產優化與效果評價提供了依據。

4 結論與建議

4.1 結論

1）非常規氣藏具有儲層復雜、巖性致密、單井產量低、穩產能力差，采收率低，前期開發成本相對較高等特點。

2）通過近年來的持續技術攻關與技術引進，非常規儲層增產改造技術無論在設計水平、配套工具還是工作液體系都有了長足的發展。初步形成了適應于不同儲層類型、不同井眼條件的工藝技術。

圖3 D4井壓后井溫測井曲線圖

圖4 D1井微地震監測結果圖

3）自主研發出的水平井裸眼封隔器，填補了國內空白，打破了國外壟斷。該工具可靠性高，現場應用成功率100%，與國外同類工具相比成本更低，為非常規油氣藏大規模水平井開發提供了技術保障。

4）針對非常規儲層增產改造目前有些技術尚處在先導性試驗階段，須進一步加強研究與完善。

4.2 建議

1）從目前技術發展來看，還需要進一步加強儲層綜合評價和儲層改造機理等基礎研究，加速針對非常規儲層改造低傷害新材料研發及推廣應用，加快增產改造配套工具（特別是針對水平井等特殊井眼井配套工具）的研制。

2）目前裂縫監測評價手段單一，應強化包括測斜儀及微地震波等裂縫診斷技術的應用，以此來提高非常規儲層改造的優化水平與針對性。

3）建議開展非常規油氣藏大型、超大型改造地面施工技術與配套研究。

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（修改回稿日期 2012-05-02 編輯 韓曉渝）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.009

王素兵，1972年生，高級工程師，工程碩士；主要從事油氣藏增產改造技術研究工作。地址：（610051）四川省成都市二環路北四段瑞豐巷6號。電話：（028）86019010。E-mail：wangsubing007＠163.com