基于全通徑無級滑套的體積壓裂技術優化
——以中江氣田沙溪廟組氣藏為例

王智君 邱 玲

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

0 引言

水平井分段壓裂是致密砂巖氣藏開發的有效手段，采用以主縫為主導實現改善儲層滲流能力的常規加砂壓裂工藝進行改造導致儲量動用程度不高［1］。國內外學者普遍認為，對水平井進行加密分段，采用大規模大排量滑溜水改造的體積壓裂技術，實現基巖向各方向裂縫的“最短距離”滲流，需要的驅動壓力大大降低，可以極大地提高儲層儲量動用率，是致密油氣藏提高儲量動用下限的有效手段［2-5］。目前水平井分段壓裂工藝主要有連續油管拖動、橋塞分段、暫堵轉向、多級多縫等工藝［6-9］，這些工藝存在作業周期長、施工成本高，各裂縫改造針對性不強，暫堵有效性差，壓后穩產效果無法保證的問題。因此，針對上述問題，筆者的研究團隊自主研發了一種大尺寸全通徑無級滑套完井管柱，在鉆井完成后下入該完井管柱至預定位置后固井，壓裂施工時打開管柱上的滑套即可對“甜點”位置進行針對性的加砂壓裂改造，通過對裂縫間距、施工排量等施工參數進行優化，即可以實現儲層體積壓裂改造，理論上可以實現不限級數分段體積壓裂。四川盆地中江氣田中侏羅統沙溪廟組氣藏屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖氣藏，隨著氣藏的逐年開采，儲層地層壓力逐漸下降、儲層品質逐年變差，儲層巖心孔隙度平均不足10%，巖心滲透率平均介于0.1～0.3 mD。對于此類低品位儲層，常規壓裂工藝技術提產難度大，儲量難以升級動用，大幅度增加了壓裂施工成本，經濟效益不佳。因此，考慮采用水平井全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂來提高該氣藏壓后效果。

1 致密砂巖體積壓裂增產機理

體積壓裂技術增產機理是采用“大排量＋低砂比＋大液量＋低黏滑溜水體系”的施工方式，開啟天然裂縫，使裂縫壁面產生剪切滑移、錯斷，利用支撐劑形成有效支撐，使人工裂縫與儲層天然裂縫相結合并貫穿整個油氣藏的縫網系統，從而提高單井產量。體積壓裂工藝主要是針對天然裂縫較發育、巖石脆性指數較高的致密儲層，采用低傷害滑溜水進行壓裂作業，在形成高導流主縫及復雜支縫的同時開啟天然裂縫，并形成有效支撐，實現對儲層的三維“立體改造”。

國內外相關文獻調研結果表明，體積壓裂網絡裂縫形成的主要因素為巖石脆性指數、天然裂縫發育程度及水平應力差異。同時研究表明，在不產生嚴重縫間干擾的前提下盡可能縮短裂縫間距、提高布縫密度和施工排量，加大施工規模，可以提高致密油氣藏的壓裂改造體積及改造效果［10-11］。中江氣田沙溪廟組氣藏總體上表現為裂縫不發育，為孔隙型儲層，且最大、最小水平主應力差值大，較難形成縫網，因此需要從工程措施上優化參數，力求形成縫網，實現體積壓裂。針對中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏，基于大尺寸全通徑無級滑套分段壓裂管柱，對水平段工程地質“甜點”進行加密切割，精細分段。通過大尺寸管柱提高施工排量和凈壓力以克服兩向應力差，從而提高裂縫復雜性。根據河道寬度、砂體厚度優化人工裂縫參數及施工參數，對每個“甜點”針對性地進行加砂壓裂，實現“長、寬、高”三維立體的體積壓裂，可以達到增大儲層改造體積和提高壓后天然氣產量的目的。

2 水平井全通徑無級滑套體積壓裂工藝及優勢

中江氣田沙溪廟組氣藏儲層為低孔隙度、低滲透率，儲層具有一定的水敏、水鎖特征，同時壓裂過程中裂縫延伸壓力較高，導致施工壓力高，排量受限。前期主要采用Ф139.7 mm 套管射孔完井，下入Ф73 mm 油管＋Y341 封隔器＋全通徑無級滑套壓裂管柱進行分段改造，但該管柱在95 MPa 井口限壓下施工排量最高達4.0～4.5 m3／min，不利于形成復雜縫網，無法實現體積壓裂。根據體積壓裂工藝的要求，施工排量需在12 m3／min 以上，需要選擇Ф101.6 mm 及以上尺寸的油管。為了滿足不動管柱、連續大排量施工，采用自主研發的大尺寸全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂施工。目前配套的工具尺寸已系列化，可以滿足不同排量的需求。除了具有前期全通徑無級滑套分段壓裂工藝的優點外，該工藝還具有減少完井工序、縮減建井流程、減低作業成本的優點，在大輻度提高施工規模和壓后效果的條件下，相對前期采用常規分段壓裂管柱進行的壓裂施工，成本只增加了約24%，綜合來看達到了增加效益的目的。相對橋塞分段壓裂工藝，采用全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂，可以減少泵送橋塞、射孔等施工環節，大輻度減少壓裂作業時間，降低作業成本、提高作業效率。相對泵送橋塞的體積壓裂，采用該工藝單井壓裂施工費用可以節約27%～34%。典型的全通徑無級滑套完井管柱如圖1所示。

圖1 典型全通徑無級滑套完井管柱示意圖

3 壓裂參數優化

中江氣田沙溪廟組氣藏屬于致密— 超致密砂巖氣藏，儲層非均質性強，儲層巖性主要為長石、長石巖屑砂巖，該氣藏順河道呈“條帶狀”展布，河道寬度介于0.4～1.5 km，儲層埋深介于1 300～3 200 m，彈性模量為13 030 MPa，泊松比為0.21，孔隙度主要介于0.9%～15.3%，滲透率介于0.008～1.453 mD，地層壓力系數介于1.0～1.9。該氣藏裂縫整體不發育，水平地應力差異系數較高、大于0.3，較難形成縫網，但通過地質工程一體化分析，可以從工程上優化工藝措施來促進縫網的形成，從而實現體積壓裂。

以A-10HF 井為例，該井水平段長825.5 m，完鉆井深3 397 m，完鉆垂深2 176 m。儲層原始水平應力差為16.7 MPa。水平段儲層鉆遇率為99.3%，以Ⅱ類儲層為主，其中Ⅰ類儲層長度為92.6 m，Ⅱ類儲層長度為695.2 m，Ⅲ類儲層長度為26.7 m。水平段聲波時差值介于67.7～76.1 μs／m、平均值為72.7 μs／m；孔隙度介于7.5%～12.1%、平均值為10.4%；滲透率介于0.05～0.23 mD、平均值為0.14 mD；含水飽和度平均為46.8%，屬于低孔隙度—特低孔隙度、致密儲層。

3.1 裂縫間距優化

體積壓裂裂縫間距優化主要是基于壓裂多裂縫條件下誘導應力干擾進行優化。對于天然裂縫不發育的致密砂巖儲層，如果要形成縫網則必須在巖石本體破裂形成分支縫，裂縫內的凈壓力在數值上應至少大于兩個水平主應力差值與巖石抗張強度之和。

根據研究表明，當地層中有初始裂縫時，會在自己周圍產生一個誘導應力場，在誘導應力場和初始應力場的共同作用下，可以在局部形成二者的協同應力場，在這個協同應力場中，應力會在井筒和初始裂縫周圍的橢圓形區域內重定向，從而影響裂縫的持續起裂和延伸。當有多條裂縫時，每條裂縫的誘導應力場將會相互疊加干擾，從而使得裂縫的起裂和延伸更加復雜。如果這個裂縫有支撐劑支撐并保持一定的寬度，應力場的作用會一直存在，保持裂縫的復雜性［12］。誘導應力場是有一定范圍的，必須在誘導應力場的有效范圍內才能影響到裂縫的起裂和延伸。根據雷群、胥云等人的研究［13］238，得出垂直于裂縫方向所誘導的水平應力最大，在裂縫方向上所誘導的水平應力最小。因此壓裂過程中產生的誘導應力甚至可能導致原來的最小水平主應力大于原來的最大水平主應力，從而改變原有的應力狀態。根據雷群、胥云等人的研究［13］238，推導出儲層兩個水平主應力差值Δσh的計算公式為：

式中，σh為最小水平主應力，MPa；pi為地層壓力，MPa；pf為井底破裂壓力，MPa；σf為巖石抗張強度，MPa。

因此，當壓裂多裂縫存在時，產生誘導應力，可使水平應力差值減小。充分利用誘導應力設計裂縫，并且通過凈壓力控制，可以實現凈壓力克服壓裂水平兩向應力差與抗張強度之和，最終提高裂縫的復雜性。

根據多裂縫下誘導應力計算方法［13］238，可以獲得誘導應力與距離先壓裂縫距離的關系曲線（圖2）及不同凈壓力下誘導應力差與壓裂裂縫距離的關系曲線（圖3）。從圖2、圖3 可以看出：①在一定的凈壓力下，裂縫的間距越小，產生的誘導應力差越大，相應的水平兩向應力差也會越小，越有利于形成復雜裂縫，因此，在一定凈壓力即一定施工排量的情況下，密切割有利于提高水平誘導應力差，降低水平兩向應力差異；②在相同的裂縫間距下，提高凈壓力有利于提高水平誘導應力差，形成復雜裂縫，因此，在一定的裂縫間距下，為更好地利用裂縫干擾，在施工允許的情況下應盡可能地增大裂縫凈壓力，即提高施工排量。然而施工排量的大輻度提高會造成壓裂設備費用的增加，導致作業成本的增加，因此需要優化施工排量。

圖2 誘導應力與距離先壓裂縫距離的關系曲線圖

圖3 不同凈壓力下誘導應力差與壓裂裂縫距離的關系曲線圖

根據儲層原始水平應力差16.7 MPa，得出壓裂施工排量與凈壓力的關系模擬曲線（圖4），從圖4可以看出，施工排量越大，所對應的凈壓力越高。當施工排量大于12 m3／min 時，凈壓力增長趨勢不明顯。因此優化施工排量為12 m3／min，此時凈壓力值為11.8 MPa，若要提高裂縫復雜性，需要克服4.9 MPa水平誘導應力差值。根據圖3所示，可得相應的平均裂縫間距為50 m。

圖4 施工排量與凈壓力的關系模擬曲線圖

從圖2～圖4 可知，水平井體積壓裂施工排量越大，凈壓力越大，最優的裂縫間距越大；反之，水平井體積壓裂施工排量越小，凈壓力越小，最優的裂縫間距越小。

3.2 裂縫參數優化

根據中江氣田沙溪廟組砂體橫向及縱向展布及測錄井解釋情況，依據縫長控制河道寬度為原則，以產能最優為目標，進行不同縫長條件下的產能模擬［14-15］。根據河道寬度300 m±，優化裂縫長度為200 m±，根據砂體垂厚優化壓裂裂縫高度為20 m。考慮產量最優下不同裂縫間距下的不同裂縫條數產能進行模擬，裂縫參數優化結果如表1所示，從表1可得出，最優裂縫間距隨著儲層品質的變差而減小。綜合考慮應力干擾及水平方向上破裂壓力計算，最終確定裂縫間距為50～70 m、A-10HF 井分段數為13段。

表1 A-10HF井裂縫參數優化結果表

3.3 壓裂施工參數優化

依據裂縫參數優化結果，對不同砂量、液量等施工參數下的裂縫參數進行模擬，優化形成針對A-10HF井的體積壓裂施工參數方案，如表2所示。

表2 A-10HF井施工參數表

4 現場試驗

目前在中江氣田沙溪廟組采用全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂完成了3井次的現場試驗，如表3所示，與儲層情況相當的鄰井相比，試驗井單井測試產量是鄰井的3.2～4.9倍。其中A-10HF 井的壓裂效果最佳。A-10HF井采用Φ101.6 mm配套全通徑無級滑套完井管柱完成13段分段加砂壓裂，施工排量介于7～12 m3／min，入地液量為2 942.0 m3，入地砂量為273.0 m3，施工壓力介于40～62 MPa，壓后在油壓14.5 MPa 下獲得測試產氣量25.2×104m3／d，與其物性相當的鄰井A-4HF 井相比，總加砂量減少了14%，液量增加了36%，施工排量增加1.4 倍，產量提高了3.9倍，增產效果較為明顯?？傮w來看，采用全通徑無級滑套完井管柱進行壓裂施工過程中工具性能穩定，有效提高了施工排量，排量大輻度增加有效提高了裂縫復雜程度，從而改善了體積壓裂效果，最終達到了提高產量的目的。

表3 全通徑無級滑套體積壓裂現場試驗井情況表

5 結論

1）為了提高裂縫復雜性，可以通過優化施工排量，以增大裂縫凈壓力且降低壓裂成本為目的，實現體積壓裂。

2）中江氣田沙溪廟組氣藏采用全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂改造，可以大輻度提高施工排量，針對儲層垂直厚度為15～20 m 的水平井，總體方案優化為采用Φ101.6 mm 及以上大尺寸管柱，施工排量為12 m3／min，裂縫間距介于50～70 m。通過現場試驗表明，達到了增大改造體積、提高壓后天然氣產量的目的，總體增產效果較好，為中江氣田沙溪廟組氣藏后期的經濟有效開發提供了重要的技術支撐。

3）采用自主研發的全通徑無級滑套完井管柱進行體積壓裂，可以減少完井工序、縮減建井流程、降低作業成本、提高作業效率，同時工具尺寸已系列化，可以滿足不同排量需求的體積壓裂施工。