海上油田水力壓裂儲層改造技術研究與應用

摘 要：【目的】為了實現海上油田含油氣儲層的精細評價與改造，進一步提升海上油田勘探開發效益。【方法】開展基于海上油田水力壓裂儲層改造技術的研究與應用，通過只射開下部射孔段的方式，避免以往全部射開射孔段后進行水力壓裂所帶來的改造效果差且難以彌補的短板。【結果】實現了海上油田目標儲層的精準評價，具有良好的增產效果。【結論】與傳統壓裂方法相比，水力壓裂儲層改造技術可以有效避免儲層評價時所產生的地質與環境風險，具有極好的推廣價值。

關鍵詞：壓裂增產；水力壓裂；儲層改造；海上油田

中圖分類號：TE53" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.012

Research and Application of Hydraulic Fracturing Reservoir"Reconstruction Technology in Offshore Oilfield

LI Keyan

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300459，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to achieve precise evaluation and transformation of oil and gas bearing reservoirs in offshore oilfields， and further enhance the exploration and development benefits of offshore oilfields. [Methods] This paper carries out research and application of hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology based on offshore oilfields， and avoids the shortcomings caused by hydraulic fracturing after all the perforated sections being perforated， which are difficult to make up. [Findings] Accurate evaluation of target reservoirs in offshore oilfields was achieved， with good stimulation effects.[Conclusions] Compared with traditional fracturing methods， hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology can effectively avoid the geological and environmental risks generated during reservoir evaluation， and has excellent promotion value.

Keywords： fracturing to increase production; hydraulic fracturing; reservoir reconstruction; offshore oil fields

0 引言

壓裂技術是保障油氣田增產穩產的重要技術手段之一，而如何對壓裂效果進行準確評價一直是油氣田勘探開發工作中的重要環節。由于壓裂效果評價的準確性對于后續各項工作的開展具有重要意義，國內外各大油氣田都開展了大量的研究工作。然而，由于壓裂系統本身所具有的復雜性、多目標性、動態性、信息不完備等特點， 使壓裂效果評價成為一個復雜而又困難的工作。同時，由于環保及評價精度要求的不斷提高，往往難以通過傳統方法對壓裂效果進行準確評價，對后續開發方案選擇、井位部署等工作帶來了諸多不便^［1-2］。

1 水力壓裂技術優勢

由于海上油田油井通常上下油層之間隔層段較長，常規增產作業無法一次壓裂溝通上下兩層，而水力壓裂儲層改造技術可以通過地質建模軟件實現對儲層的精細評價，并在此基礎上實現對目標儲層的有效層間封隔。

2 水力壓裂技術方案優選

目前，在海上油田作業中常用的壓裂方案有以下兩種：方案一為上下射孔段全部射開，RTTS籠統壓裂+Accessfrac轉向壓裂，兩次泵注+1次轉向；方案二為只射開下部射孔段，RTTS籠統壓裂，一次泵注。對于有效實現儲層的改造來說，可以通過施工比選和產量比選兩個方面進行綜合評價。

①施工比選：方案一液量相對大，壓裂液費用比方案二高約54萬元，如果一次轉向不成功需要第二次頂替轉向液，增加費用約24萬元，增加工期約0.5 d，費用整體高約150萬元。

②產量比選：方案一（轉向壓裂）產量約為111.5×10 m³/d，方案二產量約為102×10 m³/d，理想狀態下方案一比方案二增產僅9.5×10 m³/d，如果方案一底層壓裂效果不如預期，產量可能不如方案二。

綜合評價認為方案二選取泥質含量較低、閉合壓力較低、脆性較好、可壓性較好的射孔段，進行籠統壓裂一次泵注，能打破以往全部射開射孔段進行水力壓裂的方式，并可以得到理想的壓裂結果。

3 水力壓裂實施儲層改造流程

3.1 精準控制裂縫形態

3.1.1 優化裂縫長度。通過壓裂單元劃分及參數優化，最大限度增加儲層改造體積，實現儲層高效動用。壓裂裂縫參數主要是縫長和導流能力，優化縫長和導流能力主要與儲層滲透率相關性大，在相同條件下滲透率越低，對縫長的要求越高；滲透率越高，對導流能力的要求越高。根據達西定律，擬穩態產能分析，結合裂縫傳輸流體至井眼的裂縫傳導能力與地層輸送流體至裂縫的傳導能力比較，得出60 mD滲透率最優結果為最優半縫長136 m，最優導流能力200 mD·m。

3.1.2 設計泵注程序。以優化的裂縫半長和導流能力為指導，通過改變泵注排量、液量、前置液比例，根據地層物性設計壓裂液類型和陶粒類型、粒徑，優化得到半縫長接近或不小于半縫長136 m的泵注程序。施工排量22 bpm，最高砂比5 lb/gal，設計總砂量76 032 lbs，最大限度發揮油層潛能和裂縫延展的作用，具體泵注程序設計參數見表1。

3.1.3 模擬施工壓力。渤海某油田孔隙壓力在0.95～1.05 g/cm³之間，油田屬于正常孔隙壓力體系，不存在高壓。明化鎮組巖石單軸抗壓強度基本小于10 MPa，屬于軟弱地層；明下段下部泥巖抗壓強度有所增加，明下段與館陶組地層單軸抗壓強度在10～30 MPa之間，屬于中等強度地層。東營組和沙河街組地層單軸抗壓強度波動劇烈，一些層位單軸抗壓強度接近5 MPa，東營組與沙河街組地層單軸抗壓強度總體來說呈現增加的趨勢。

油田水平最小地應力較小，當量密度在1.4～1.6 g/cm³之間，水平最大地應力在1.6～1.9 g/cm³之間。東營組以下火成巖發育地層，水平最小地應力波動較大，一些層位上水平最小地應力當量密度接近1.43 g/cm3，波動較為劇烈的水平地應力反映了火成巖地層壓實不均勻，在地質歷史形成過程中，內部裂縫發育導致地應力有一定程度的釋放，經過模擬所得最小水平應力為46 MPa，計算垂深3 196 m處當量密度為1.47 g/cm³；破裂壓力為50 MPa時，計算垂深3 196 m當量密度為1.60 g/cm³。對不同的加砂規模下儲層壓裂裂縫進行模擬、對比，加砂量增加，支撐縫長隨之增加，綜合考慮數值模擬優化縫長及現場施工能力，施工排量為22 bpm，地面施工壓力為39.36 MPa。

3.2 應用自清潔射孔工藝

常規射孔的壓裂液體能量只有部分進入射孔孔道，并且作用方向是由井筒向孔道內部，巖石碎屑和射流殘體不能排出孔道，孔道得不到清洗^［3］。自清潔射孔彈的特殊含能材料的全部能量直接作用在射孔孔道內部，產生壓裂、沖刷和反涌作用，同時結合負壓射孔技術利用井筒和地層的壓差，使能量更加集中，得到更大的反向沖刷孔道作用力，壓裂和清潔效果更好。

本次施工采用基于自清潔的負壓返涌射孔工藝，使用16孔/mRDX深穿透自清潔射孔彈，選擇60°相位，射孔炮眼與裂縫方向最大夾角為30°，射孔密度為16孔/m，共34孔，單孔排量為1.3～1.9 bpm/孔，開孔率50%。既能滿足低排量需求，也能滿足近井射孔段“聚能”效果。

3.3 應用加強型可循環式壓裂管柱

3.3.1 設計壓裂管柱。水力壓裂管柱組合從下至上依次為引鞋、扶正器、CHAMP XHP封隔器、安全接頭、震擊器、鉆鋌、伸縮接頭、鉆桿。水力壓裂管柱中相關鉆具及工具抗內壓強度均≥68.95 MPa，大于本井最高施工壓力39.36 MPa，滿足作業要求。

3.3.2 模擬管柱伸縮量。根據Wellcat軟件計算結果，壓裂管柱最大縮短2.5 m，全通徑伸縮接頭伸縮行程1.5 m/個，設計下入2個，兩根伸縮接頭均安裝在CHAMPXHP封隔器上部鉆鋌之上。

3.3.3 應用CHAMP XHP加強型封隔器。CHAMP XHP封隔器具有旁通功能，可省去專門的旁通工具入井，上提管柱（無需旋轉管柱）即打開旁通孔進行循環洗壓井，本體一周裝有6組水力錨，相鄰之間有夾角為60°的高強度卡瓦及錨塊，可重復坐封在高硬度的套管上，其結構強度大，耐用性好，可靠性高。

3.4 優選“清潔”儲層保護材料

3.4.1 Hybor H高溫壓裂液體系。根據溫度梯度3.68 ℃/100 m，推算儲層溫度約為114 ℃，常規壓裂液無法在該溫度環境下有效攜砂，因此選擇Hybor H高溫壓裂液體系，具有低殘渣，稠化劑水不溶物在1%～3%之間，交聯時間精確可控，有效降低管柱磨阻和地層傷害，凍膠濾餅可以在壓后排液過程中破膠清除、破膠時間可控等特點，Hybor H壓裂液流變試驗結果顯示在120 ℃下，2 h后液體黏度仍高于120 cP，完全滿足現場壓裂施工的要求^［4］。

3.4.2 壓裂支撐劑。作用在支撐劑上的力為閉合應力，閉合應力=最小水平應力流動油藏壓力。棄井時井底流動油藏壓力最小，油井約為0.6倍孔隙壓力為19.2 MPa，閉合應力為26.8 MPa，考慮支撐劑壓實、嵌入、破碎及應力循環等因素，支撐劑抗壓級別滿足不低于52 MPa、支撐劑粒徑不大于射孔孔徑的1/6、支撐劑粒徑不大于裂縫動態縫寬的1/3等要求。結合支撐大部分主裂縫需要，同時保證加砂順利和滿足裂縫導流能力要求，優選用德塞爾20/40目陶粒，從而提高了支撐裂縫導流能力所相應的產出^［5］。進一步強化“清潔”壓裂理念，通過壓裂傷害機理研究、配伍性評價，優選低傷害壓裂材料，形成集成式儲層保護技術。

4 壓裂效果檢測評價

由于射孔壓裂后，壓裂液往往會優先沿著最大主應力方向進行推進，在推進的過程中會加大或改變地層的各向異性特性。因此地層各向異性與壓裂效果存在密切關系，測井中常應用交叉偶極橫波獲得地層各向異性方向，利用快橫波各向異性進行壓裂效果評價。三維聲波測井技術能夠測量井周多個方位的縱波、橫波信號，提供地層徑向、軸向及周向三維立體地層信息^［6］。該技術除了具有常規聲波的所有功能外，還可以實現徑向聲波速度剖面成像，在復雜儲層評價、致密儲層壓裂分析評價中具有良好的應用效果。測量結果表明，本井段壓裂前、后徑向速度剖面在方位上均發生了明顯變化，應用三維聲波測井技術獲得的壓裂檢測圖譜如圖1所示。由圖1可知，時差有所增大，波幅明顯降低，說明地層受壓裂作業影響指示本井射孔層段產生均勻壓裂效果，產生流體交換通道，對儲層進行了改造，壓裂高度約為12.8 m。

5 現場應用及效果

5.1 油井概況

海上某油田A井目的層為沙河街組油層，實鉆油層垂厚11 m，差油層垂厚3 m，其中垂厚3 m差油層滲透率為1.8～4.2 mD，垂厚11 m油層滲透率為51.7～77.7 mD，儲層物性較差，為中孔—中低滲儲層，且小層間連通性較差，地層導流能力弱，儲層滲透率低。為了提高單井產能，規避低產風險，指導后續作業，作業過程中應對該井采取壓裂增產措施。

5.2 施工參數

本次施工具有顯著的“三高”特點：高壓力、高排量、高砂量。為最大程度發揮油層潛能和裂縫的作用，使壓裂后油氣井和注水井達到最佳狀態，壓裂井的有效期和穩產期長，在結合現場實際情況的基礎上，綜合地質油藏選井選層、射孔參數設計、人工裂縫數值模擬、井下施工管柱設計、施工參數優化設計、返排工作制度等方面，打破常規模式，進行低滲儲層專項技術攻關，最終優選采取CHAMP XHP封隔器籠統壓裂、一次泵注的增產措施的方案，該方案通過施工數據擬合的裂縫長度和寬度均大于設計尺寸，充填系數及裂縫導流能力也得到提高，打破了水力壓裂常規模式，以實現油井產能最大化。

為此，針對該井的改造是在原有壓裂施工設計的基礎上，結合小壓測試數據以及裂縫填砂過程中的壓力反應，適當提高壓裂施工規模。在排量不變的情況下，增加6 ppg砂比泵注階段，增大泵入砂量和液量。具體來說，就是在結合水力壓裂裂縫參數和形態、保障裂縫開啟、保證各裂縫攜砂要求、克服工具管柱及壓裂設備能力限制等條件下，最終施工排量達到22 bpm，泵入地層砂量為87 388 lbs，井口施工壓力28.13 MPa amp; 22 bpm，最高砂比為6 ppg，實際裂縫長度為156.3 m，裂縫高度為18 m，平均縫寬為18.8 mm，導流能力239 mD·m，充填系數為17 757 lbs/ft。

5.3 應用效果

水力壓裂技術在海上某油田A井得到成功應用，該井已啟泵投產，鉆后配產產液量為36×10 m³/d，投產后實際產液量為142×10 m³/d，產油量139×10 m³/d，產能較配產增幅達380%，生產壓差較同層位井低2 MPa。

6 結語

針對海上油田的儲層改造，通過實施水力壓裂新型開發模式取得了良好的應用效果。不僅解決了低滲儲量開發難題，提高了油氣井的采收率，而且大大降低了開發成本，提高了經濟效益，同時也對后續該類型作業具有極大的工藝參考價值，為進一步盤活海上油氣儲量資源，推進增儲上產提供了技術支持。

參考文獻：

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［4］陳建宏，沈德新，呂廣.渤海A油田φ311 mm井眼鉆井液鉀離子加量評價與應用［J］.石油化工應用， 2022，41（9）：54-57.

［5］張藝耀，李進，馮碩.自清潔射孔技術在渤海油田的應用［J］.石油礦場機械，2020，49（4）：69-73.

［6］譚紹栩，林家昱，張藝耀.渤海油田低滲透儲層籠統壓裂實踐與認識［J］.石油化工應用，2021，40（1）：99-103.

收稿日期：2023-03-28

作者簡介：李科研（1983—），男，本科，工程師，研究方向：海洋石油鉆完井及油田增產。