川西地區(qū)小井眼水平井多級(jí)壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用

曹學(xué)軍，唐祖兵，李 暉，岳迎春，郭淑芬

（中國(guó)石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽(yáng) 618000）

川西地區(qū)大部分儲(chǔ)層具有低孔、低滲、非均質(zhì)性強(qiáng)等特征，單井自然產(chǎn)能低［1］。前期川西氣田利用水平井提高砂體鉆遇率，以期提高單井產(chǎn)量和儲(chǔ)量動(dòng)用程度，實(shí)現(xiàn)致密氣藏的高效開發(fā)［2］。同時(shí)，對(duì)于川西低品位儲(chǔ)層，水平井與壓裂工藝相結(jié)合才能發(fā)揮應(yīng)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使長(zhǎng)水平段對(duì)單井產(chǎn)能做出貢獻(xiàn)。然而，前期的壓裂工藝受井下工具通徑、管柱結(jié)構(gòu)等限制，壓裂改造級(jí)數(shù)整體較少，難以達(dá)到對(duì)水平井段的充分改造。通過(guò)前期的水平井壓裂改造效果分析發(fā)現(xiàn)，不少井存在壓后高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期短、產(chǎn)量遞減快、投資成本高等難題。為此開展了小井眼水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)研究［3－5］，通過(guò)工具改進(jìn)、管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及射孔參數(shù)和壓裂施工參數(shù)優(yōu)化［6－7］，大大增加了川西小井眼水平井分段壓裂級(jí)數(shù)和開發(fā)效益，壓后產(chǎn)能與鄰井直井相比，平均增產(chǎn)3.8倍左右。該技術(shù)為水平井的高效改造提供了有力的技術(shù)支撐。

1 小井眼水平井多級(jí)壓裂實(shí)施難點(diǎn)

對(duì)于水平井而言，為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)水平段的有效改造，增加壓裂改造級(jí)數(shù)是最主要的方式。而對(duì)于致密氣藏水平井而言，單條人工裂縫控制的泄流面積小，進(jìn)一步對(duì)壓裂改造級(jí)數(shù)提出了更高的要求。川西致密儲(chǔ)層水平井受井筒條件、工具尺寸及工藝措施的影響，多級(jí)壓裂存在以下問(wèn)題。

（1）封隔器內(nèi)徑較小，壓裂改造級(jí)數(shù)受限。川西地區(qū)水平井大多采用φ139.7 mm套管完井，采用Y241封隔器和φ73 mm油管組合，施工時(shí)需要通過(guò)從小到大依次投入不同直徑球來(lái)打開不同層位滑套以實(shí)現(xiàn)分段壓裂改造。原Y241封隔器是帶單向卡瓦、液壓座封、上提解封的水力壓差式封隔器，卡瓦尺寸限制了工具內(nèi)徑的進(jìn)一步提升（內(nèi)徑最大46 mm），與噴砂滑套配合使用時(shí)，目前最多只能實(shí)現(xiàn)5段壓裂，無(wú)法滿足川西致密氣藏水平井對(duì)壓裂改造級(jí)數(shù)的要求。

（2）井眼小、位垂比大，工具下入較長(zhǎng)，易發(fā)生管柱遇阻問(wèn)題。川西致密砂巖水平井的井斜度較大，井眼軌跡比較復(fù)雜，原Y241封隔器在下放過(guò)程中當(dāng)外筒遇卡、遇阻噸位達(dá)到一定的時(shí)，封隔器座封銷釘在機(jī)械力的作用下被剪斷，導(dǎo)致封隔器提前座封，管柱無(wú)法下放問(wèn)題，這不僅增加了管柱下放過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也增加了作業(yè)周期和施工成本。

2 小井眼水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)

2.1 封隔器改進(jìn)及管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 封隔器改進(jìn)

以投球打開滑套為主要方式的分段壓裂改造技術(shù)，其封隔器及配套工具的內(nèi)徑是提高分段級(jí)數(shù)的瓶頸所在，由于原來(lái)常用的Y241封隔器帶有單向卡瓦，卡瓦尺寸限制了工具內(nèi)徑的進(jìn)一步提升（內(nèi)徑最大46 mm），不能滿足5段以上的分段壓裂。因此，為實(shí)現(xiàn)更多段壓裂的目的，對(duì)工具進(jìn)行了改進(jìn)（圖1）：①取消了單向卡瓦和反洗通道，其多出的內(nèi)部空間全部是中心管內(nèi)徑，這樣將封隔器長(zhǎng)度由原來(lái)的1.5 m縮短至0.9 m，極大的增強(qiáng)了封隔器在小曲率半徑井內(nèi)的通過(guò)能力；②中心管壁厚減小為6 mm，內(nèi)徑增加為62 mm，大幅增加了封隔器內(nèi)徑與噴砂滑套配合使用時(shí)的壓裂級(jí)數(shù)；③通過(guò)優(yōu)選材質(zhì)，加強(qiáng)了工件的強(qiáng)度，中心管材質(zhì)由原來(lái)的35 CrMo改為42 CrMo，其機(jī)械性能進(jìn)一步得到了提高。

圖1 改進(jìn)后的水平井封隔器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水平井分段壓裂管柱的選擇主要考慮壓裂參數(shù)及后期排液、采氣等多方面因素。中淺層水平井的壓裂管柱前期試驗(yàn)，主要采用外徑73 mm管柱或89 mm＋73 mm的組合管柱，經(jīng)優(yōu)化后，目前普遍采用的是外徑73 mm管柱。形成的水平井分段壓裂管柱主要由油管、封隔器、滑套和扶正器等部件組成。

（1）通過(guò)在管柱封隔器前后加裝旋轉(zhuǎn)扶正器（圖2），確保了管柱居中，提高了封隔器的密封效果。同時(shí)通過(guò)在管柱底界管鞋位置加裝滾珠引鞋（圖3），降低了管串起下時(shí)的摩擦力，且防阻、防卡、保證施工安全，使管串能順利入井。

圖2 旋轉(zhuǎn)扶正器示意圖

（2）優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)，保證了長(zhǎng)時(shí)間壓裂的管柱穩(wěn)定性。針對(duì)分段水平井壓裂管柱在最上面一級(jí)的噴砂滑套附近加入水力錨，以固定整個(gè)施工管柱，并起到扶正作用，防止長(zhǎng)時(shí)間施工對(duì)管柱的抖動(dòng)造成井下工具疲勞受損。

圖3 滾珠引鞋示意圖

（3）根據(jù)封隔器內(nèi)徑，優(yōu)化噴砂滑套和開滑套球的尺寸組合，增加壓裂改造級(jí)數(shù)。通過(guò)增加新型Y341水平井壓裂封隔器內(nèi)徑、改變滑套內(nèi)徑和減小球的直徑，增加了管柱中球通過(guò)的數(shù)量，形成了在139.7 mm套管井中11級(jí)的滑套和球的組合方式。

通過(guò)上述優(yōu)化、改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)出一套適合于川西小井眼水平井壓裂的管柱結(jié)構(gòu)（自上而下）：油管掛＋油管＋丟手接頭＋多組（油管＋噴砂滑套＋接球座＋油管＋扶正器＋Y341封隔器＋扶正器）＋油管＋噴砂器（帶座封球座）＋接球座＋引鞋。

2.2 多級(jí)多縫壓裂工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

受井筒條件及工具限制，在139.7 mm套管內(nèi)，采用較小的級(jí)差設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)11級(jí)的分段壓裂。對(duì)于越來(lái)越長(zhǎng)的水平井段，目前的級(jí)數(shù)仍然不能滿足儲(chǔ)層改造的需要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)水平段的有效改造，提高加砂壓裂人工裂縫的效率，采用級(jí)間多縫的多級(jí)分段壓裂工藝，即分段壓裂＋限流壓裂工藝。

2.2.1 工藝基本原理

常規(guī)的分段壓裂是兩個(gè)封隔器間射一段孔，壓裂僅造一條裂縫。新的多級(jí)多縫壓裂技術(shù)在分析水平段物性條件和含氣性的基礎(chǔ)之上，在兩個(gè)封隔器間進(jìn)行多簇射孔（射2～3段），便于后續(xù)壓裂施工時(shí)在兩個(gè)封隔器之間形成多條裂縫，增加整個(gè)水平井段的改造級(jí)數(shù)。以水平段實(shí)現(xiàn)16段造縫為例，若采用常規(guī)封隔器＋噴砂滑套分段壓裂技術(shù)，至少需15個(gè)封隔器，在現(xiàn)有139.7 mm套管條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但采用多級(jí)多縫工藝，僅需要7～8個(gè)封隔器，每段進(jìn)行多簇射孔，即可實(shí)現(xiàn)16條縫的水平井分段壓裂目的（圖4），這大大節(jié)約了壓裂井下工具費(fèi)用，提高了改造效果。

在限流法壓裂施工過(guò)程中，必須控制射孔孔眼摩阻的大小，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證每條裂縫的順利開啟。目前，計(jì)算孔眼壓力降時(shí)，假設(shè)孔眼是一個(gè)柱狀通道，與地層連通性能好，且不考慮孔眼深度對(duì)摩阻的影響，計(jì)算公式為：

圖4 單級(jí)單段壓裂與單級(jí)多縫壓裂示意圖

式中：Ppf——孔眼摩阻，MPa；Q——施工排量，m3／min；ρ——液體密度，g／cm3；np——孔眼數(shù)，個(gè)；dp——孔眼直徑，mm；Cd——修正系數(shù)，0.8～1.0。

通過(guò)施工排量與射孔方式的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了施工排量與孔眼摩阻之間的匹配，從而達(dá)到兩個(gè)封隔器之間的多級(jí)裂縫同時(shí)延伸的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)水平段的充分改造。

2.2.2 施工排量?jī)?yōu)化

在每?jī)蓚€(gè)封隔器間按照限流原理射兩段孔，壓裂時(shí)通過(guò)排量控制實(shí)現(xiàn)每個(gè)射孔段都達(dá)到壓裂改造的目的。采用PT軟件，模擬相同加砂量、相同泵注程序下的壓裂支撐裂縫寬度。排量越大，產(chǎn)生的凈壓力越大，使裂縫變得更寬、更高，裂縫越寬越利于攜砂液的進(jìn)入，減小縫內(nèi)摩阻。

為了防止限流壓裂中某條裂縫寬度不足而砂堵，需要一個(gè)極限縫寬。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在一定的砂濃度范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫寬度與支撐劑粒徑的比值達(dá)到一定要求后，加砂才能順利進(jìn)行，表1為不同砂濃度下的極限縫寬要求。水平井限流壓裂采用30／50目的支撐劑，支撐劑能濃度最高在30%左右時(shí)，根據(jù)計(jì)算縫寬需大于2.4 mm才能順利加砂。由圖5可知，單裂縫寬度要大于2.4 mm，排量要大于1.5 m3／min，為減小風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)單縫排量大于2 m3／min。

表1 不同砂比時(shí)的縫寬要求

圖5 排量與裂縫寬度的關(guān)系

2.2.3 射孔方式優(yōu)化

射孔數(shù)量必須根據(jù)地面所能提供的最大施工排量、施工管柱結(jié)構(gòu)以及各目的層段的物性參數(shù)來(lái)確定。考慮到水平井段在縱向上的波動(dòng)，以及地層的非均質(zhì)性，各射孔段會(huì)存在一定的破裂壓力差值，此時(shí)最大炮眼摩阻要大于水平段壓力損失與最大、最小破裂壓力差值之和。表2中給出了不同排量、不同孔眼數(shù)量下的孔眼摩阻。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)水平段破裂壓力差異、施工排量，進(jìn)行射孔孔眼數(shù)量?jī)?yōu)化，從而使多簇射孔段都能起裂延伸。

表2 兩段限流壓裂排量、孔數(shù)與摩阻的關(guān)系

根據(jù)“射孔數(shù)量影響進(jìn)液量，進(jìn)液量決定裂縫幾何形態(tài)”的原則，為了使限流壓裂的多條裂縫形態(tài)大體相同，每段都得到充分改造，一個(gè)分級(jí)內(nèi)每個(gè)射孔段的射孔數(shù)量應(yīng)大致相同。同時(shí)，為防止單個(gè)射孔段內(nèi)產(chǎn)生多裂縫，需要減小射孔段的長(zhǎng)度，射孔長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)0.5 m。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)川西致密氣藏的儲(chǔ)層特征，設(shè)計(jì)孔眼摩阻為5～8 MPa。同時(shí)，為保證加砂壓裂施工成功，根據(jù)極限縫寬理論，確定單縫最小排量為2 m3／min；兩條裂縫最小排量為4～5 m3／min；三縫為6～7 m3／min。

XS21－4H井為沙溪廟組水平井，采用多級(jí)多縫壓裂技術(shù)設(shè)計(jì)，采用3個(gè)封隔器進(jìn)行4級(jí)10縫的壓裂工藝，成功完成180.5 m3支撐劑、1572 m3壓裂液的注入（圖6）。壓后在油壓22 MPa、套壓23 MPa的條件下，日產(chǎn)氣5.21×104m3，計(jì)算無(wú)阻流量21.64×104m3，增產(chǎn)倍比為鄰井直井壓后的6倍，效果良好。

圖6 XS21－4H井多級(jí)多縫加砂壓裂施工曲線

XP101－1H井為蓬萊鎮(zhèn)組水平井，采用多級(jí)多縫壓裂技術(shù)設(shè)計(jì)，采用9個(gè)封隔器進(jìn)行10級(jí)18縫的壓裂工藝，成功完成339 m3支撐劑、2606 m3壓裂液的注入（圖7），為目前川西最多分段數(shù)壓裂施工。

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)套管封隔器改進(jìn)、滑套與球的組合優(yōu)化和分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了管柱在小井眼水平井內(nèi)的通過(guò)能力和壓裂級(jí)數(shù)，能夠滿足11級(jí)分段壓裂需要，有助于提高川西水平井改造效果。

圖7 XP101－1H井多級(jí)多縫加砂壓裂施工曲線

（2）通過(guò)射孔方式和壓裂施工參數(shù)優(yōu)化，將限流壓裂技術(shù)與封隔器＋滑套的水平井分段壓裂管柱相結(jié)合，形成了特有的小井眼水平井多級(jí)壓裂技術(shù)，同時(shí)，減少了封隔器、滑套等井下工具的使用數(shù)量，降低了施工成本，為致密氣藏的高效、經(jīng)濟(jì)開發(fā)提供了新的技術(shù)支撐。

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