曹學軍 雷先軫 傅 偉 張明江 康 杰

( 1.中國石化集團西南石油局井下作業(yè)公司 2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院)

0 引言

川西地區(qū)具有巨大的天然氣資源和儲量前景，天然氣資源量為28149.4×108m3，占中石化整個西南探區(qū)天然氣剩余資源的65.7%。但是由于儲層低孔、低滲、非均質(zhì)性強等特征，導致前期直井壓裂溝通的泄流面積較小，氣藏開采出現(xiàn)單井產(chǎn)量低、壓力遞減快、穩(wěn)產(chǎn)期短等動態(tài)特征。國內(nèi)外水平井開發(fā)致密氣藏的成功實踐表明：壓裂后的水平井可以達到增大氣層泄流接觸面積，增加單井控制儲量，提高整個氣藏采收率的目的，水平井開發(fā)可以作為突破川西地區(qū)勘探開發(fā)瓶頸的重要手段。川西地區(qū)于2006 年開始水平井開發(fā)先導試驗，先后經(jīng)歷了籠統(tǒng)酸化投產(chǎn)、籠統(tǒng)壓裂投產(chǎn)、分段壓裂投產(chǎn)等試驗，通過不斷地總結(jié)、分析和技術(shù)攻關(guān)，初步確定了以套管完井、多封隔器分段壓裂改造為主的水平井投產(chǎn)方式，形成了井筒預診斷及清障凈化、投產(chǎn)工序組合、管柱優(yōu)化設(shè)計及連續(xù)油管特殊處理等水平井投產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)，為“十二五”川西致密砂巖氣藏的高效開發(fā)提供了有力的技術(shù)保障。

1 川西水平井投產(chǎn)工藝難點分析

目前川西水平井投產(chǎn)作業(yè)主要包括井筒準備、壓裂改造、壓后投產(chǎn)三個階段，涉及井筒清障及凈化、井下工具選型及管柱設(shè)計、壓裂參數(shù)優(yōu)化、排液求產(chǎn)等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或隱患都會嚴重影響投產(chǎn)進程，甚至導致井況惡化和棄井報廢。從前期試驗情況來看，水平井投產(chǎn)存在的主要難點如下：

(1)工程地質(zhì)特征復雜，井眼軌跡不規(guī)則

川西致密砂巖儲層非均質(zhì)性強，以砂巖夾含泥巖為主，水平井井眼軌跡控制難度大，造成完井井眼不規(guī)則，管柱下入摩阻大，遇阻、遇卡風險高。

(2)井筒條件惡劣，清障凈化難度大

川西水平井水平段長(800～1500 m)，位垂比大(最大1.52)，多采用組合套管完井，導致井筒變徑臺階多，剛性遇阻幾率大；另外，地層壓力高、泥漿密度大、固相含量高、靜置時間長、地層流體干擾大，現(xiàn)有的鉆完井泥漿性能難以完全滿足川西水平井安全投產(chǎn)作業(yè)需要，易在長水平段沉淀堵塞，凈化困難。

(3)工具組合適應性差，選型困難

川西致密氣藏特征客觀上要求水平井必須進行多段數(shù)(10 段以上)規(guī)模壓裂改造，但受小套管(Φ139.7 mm)完井方式限制，多段壓裂井下工具選型和管柱組合優(yōu)化設(shè)計困難；同時，在大規(guī)模(250 m3砂量)、高壓(95 MPa)、大排量(5～8 m3/ min)、長時間(連續(xù)10 h以上)惡劣作業(yè)工況下，對井下工具和管柱整體工作性能，特別是長時間耐高壓、抗沖蝕能力提出了極高要求。

(4)分段壓裂工藝要求高，設(shè)計和施工難度大

壓裂管柱通徑小、變徑節(jié)流多，低摩阻、高攜砂、抗剪切性能要求高；儲層非均質(zhì)性強，井筒及儲層條件復雜，裂縫參數(shù)和施工參數(shù)優(yōu)化難度大；另外，井下工具組合復雜、分段數(shù)多、施工規(guī)模大、作業(yè)時間長為壓裂液性能精準性、施工參數(shù)實時調(diào)整、壓裂設(shè)備穩(wěn)定性都提出了更高要求。

(5)管柱結(jié)構(gòu)復雜，砂堵砂埋幾率高，處理難度大

川西水平井完井管柱結(jié)構(gòu)復雜，井下工具多、通徑小、變徑多，壓裂和排采期間易出現(xiàn)砂堵、砂埋。采用常規(guī)修井作業(yè)難度大、時間長、成本高，難以及時有效解決管柱堵塞難題，易導致棄井報廢。

2 投產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井筒預診斷及清障凈化技術(shù)

(1)井筒預診斷技術(shù)

根據(jù)井眼曲率、井眼直徑、工具尺寸等數(shù)據(jù)分析，通過多節(jié)點受力模擬和現(xiàn)場實踐，形成了完井管柱通過能力模擬預診斷技術(shù)，對狗腿度和方位角變化超過1°/5 m井段進行風險預測，為設(shè)計施工提供了技術(shù)支撐，降低了施工風險，提高了完井投產(chǎn)施工效率。

(2)井筒清障凈化技術(shù)

?井筒清障技術(shù)：針對川西水平井復雜井筒結(jié)構(gòu)，研發(fā)的以特殊構(gòu)造的梨形銑錐、刮管器為主的井筒清障工具，優(yōu)化了作業(yè)控制參數(shù)，能夠有效清除毛刺和水泥等障礙物，保證后期管柱的順利下入和封隔器的有效密封。

?井眼凈化技術(shù)：針對地層壓力高、泥漿密度大、固相含量高、長水平段易沉淀的特點，研發(fā)的特殊沖砂工具和高效清洗液，優(yōu)化形成了長水平段井眼凈化工藝技術(shù)，能夠有效沖洗沉砂、水泥塊等固相雜質(zhì)，為完井投產(chǎn)提供了合格的井筒條件。

?投產(chǎn)泥漿優(yōu)化技術(shù)：目前川西水平井投產(chǎn)作業(yè)直接沿用簡單維護后的鉆井液體系，對于位垂比大的水平井，受工況的限制，工作液性能指標難以同時滿足投產(chǎn)管柱順利下入和地層流體影響泥漿性能避免沉淀卡埋的需要；分析了川西水平井投產(chǎn)泥漿性能與作業(yè)要求的耦合特征，通過室內(nèi)評價實驗系統(tǒng)優(yōu)化以切力為主要指標的泥漿流變性能參數(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，初步制定了投產(chǎn)泥漿的性能控制標準。

2.2 投產(chǎn)工序優(yōu)化組合

?通井刮管一體化工藝：為提高作業(yè)效率，通過優(yōu)化組合管柱結(jié)構(gòu)，研制了帶液流轉(zhuǎn)向功能的通井規(guī)，形成了通井、刮管、沖砂一體化管柱，制定了完整的防卡、沖洗工藝流程，有效提高攜帶磨屑和雜物的能力，確保了水平段能夠徹底循環(huán)、洗井。

?射孔工序優(yōu)化：針對清水射孔后泥漿壓井困難，易卡槍的難題，采用泥漿為射孔液，防噴器為射孔井口裝置，通過射孔后氣竄速度計算和觀察工序優(yōu)化，縮短施工時間24 h，避免射孔后因壓井及拆采氣樹、裝防噴器、多次替漿壓井等長時間作業(yè)造成卡槍風險。

?排液工藝優(yōu)化：針對川西水平井分段數(shù)多，入地液量大，根據(jù)壓裂液破膠時間和地層閉合壓力，優(yōu)化了排液時機和制度，優(yōu)選助排方式，減少污染，提高壓裂增產(chǎn)效果。同時，依據(jù)高速流體刺蝕機理，研制高耐磨節(jié)流裝置，優(yōu)化了地面排液流程，有效降低了地面流程刺蝕風險。

2.3 投產(chǎn)管柱優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

綜合考慮儲層特征、完井方式、井身結(jié)構(gòu)、水平段長、施工工藝等因素，通過優(yōu)化設(shè)計分段分縫數(shù)，優(yōu)選油管及工具組合。

(1)井下工具優(yōu)化

針對水平井井眼軌跡不規(guī)則造成下入工具時，封隔器易遇卡導致膠皮損壞和提前座封的情況，改進了封隔器結(jié)構(gòu)(去掉封隔器卡瓦裝置和反洗井通道)，優(yōu)化了封隔器長度，降低了封隔器下入過程中的遇阻概率；另外，增加了Y341封隔器的鎖定機構(gòu)，避免了封隔器座封銷釘在機械力的作用下被剪斷而造成封隔器提前座封的事故。

由于原有的封隔器帶有單向卡瓦，卡瓦尺寸限制了工具內(nèi)徑的進一步提升(內(nèi)徑最大46 mm)，不能滿足5段以上的多段壓裂，通過優(yōu)選，取消了單向卡瓦，優(yōu)化改進了封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了通徑尺寸，提高施工排量和級差窗口，從而滿足了水平井12段18縫大規(guī)模、大排量、高壓施工的需要。

(2)管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于5段及以上分段水平井壓裂管柱采用在最上面一級的噴砂滑套附近加入水力錨，以固定整個施工管柱，并起到扶正作用，防止長時間施工對管柱的抖動造成井下工具疲勞受損。

2.4 分段壓裂改造技術(shù)

根據(jù)儲層特征，針對不同完井方式，優(yōu)選壓裂改造工藝：

(1)套管“液壓封隔器分段+限流”壓裂工藝

將滑套與封隔器有機結(jié)合，通過工藝的改進和工藝的優(yōu)化，形成了多段滑套封隔器分段壓裂技術(shù)。通過自主研發(fā)，已經(jīng)實現(xiàn)9封10段18縫的水平井套管“液壓封隔器分段+限流”壓裂，單井最大加砂規(guī)模為339 m3，最大入地液量2606 m3、最大排量7.6 m3/min。

(2)水力噴射分段壓裂工藝

在工具優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，研究形成了水力噴射分段壓裂工藝，在最高泵壓107 MPa下成功完成對埋深4000 m以上的儲層進行3 段100 m3加砂規(guī)模壓裂，實現(xiàn)深層水平井超高壓水力噴射分段壓裂作業(yè)。

(3)裸眼封隔器分段壓裂工藝

優(yōu)選了井下工具和管柱組合，實施了4 口井的裸眼封隔器分段壓裂改造。已經(jīng)實現(xiàn)10段分段壓裂，單井加砂規(guī)模為226 m3，入地液量1944.5 m3。

2.5 連續(xù)油管特殊處理技術(shù)

針對水平井壓裂砂堵、排液出砂堵塞管柱、滑套無法打開等常規(guī)修井無法處理的復雜情況，結(jié)合連續(xù)油管作業(yè)優(yōu)點，形成了以下復雜情況連續(xù)油管特殊處理技術(shù)。

(1)水平井連續(xù)油管特殊解堵技術(shù)

針對水平井投產(chǎn)過程砂卡、砂埋等復雜情況，形成了以震動、旋流沖砂噴嘴為代表的解堵工具系列，優(yōu)選低摩阻沖砂液，能夠有效降低循環(huán)摩阻20%，有效解除砂卡砂埋，快速恢復油氣流動通道。

(2)水平井連續(xù)油管壓裂窗口開啟技術(shù)

針對不同結(jié)構(gòu)、通徑的井下工具，自主研制了低環(huán)形間隙下具有高通過能力的特殊開啟裝置，采用連續(xù)油管下入，通過小環(huán)空加壓實現(xiàn)壓裂窗口的開啟。該技術(shù)解決了水平井壓裂砂堵無流通通道的技術(shù)難題，避免了棄井報廢的風險，并成功應用于MP71-1H井，具有較高的推廣應用價值。

3 現(xiàn)場應用

3.1 應用實例

MP71-1H井是中國石化西南油氣分公司部署的一口水平井，井深2760 m。該井水平段較長(1300 m)，壓裂改造分段數(shù)多(7封8段14縫)，并且在前期井筒準備期間通井、刮管管柱多次遇阻，在對第一段JP23(2697.12～2700.12 m)進行壓裂施工時，泵壓至90 MPa地層無進液現(xiàn)象，判斷油管內(nèi)砂堵，放噴不出液，鋼球無法泵入，滑套無法開啟，面臨棄井風險。 針對出現(xiàn)的上述復雜情況，采用了以下技術(shù)措施進行處理：

(1)井筒處理

通過診斷分析，判斷出回接筒處異常和水平段沉砂造成通井管柱無法下入；針對此類情況，先采用研制的梨形銑錐對回接筒進行磨銑，采用特殊沖砂工具對水平段沉砂進行清理。

(2)通井、刮管一體化工序

采用通井、刮管一體化管柱處理井筒，保證了投產(chǎn)管柱順利下入。

(3)連續(xù)油管沖砂解堵技術(shù)

針對油管內(nèi)壓裂砂堵復雜情況，通過優(yōu)化設(shè)計采用連續(xù)油管帶球形噴嘴進行探砂、沖砂至噴砂滑套1(2506 m)，成功解除管內(nèi)堵塞。

(4)連續(xù)油管壓裂窗口開啟技術(shù)

針對解堵后從連續(xù)油管與普通油管環(huán)空加壓驗證管柱與地層仍不連通，常規(guī)投球開滑套無法實施的情況，通過優(yōu)化設(shè)計、研制了特殊開滑套工具，并采用連續(xù)油管送至預計的噴砂滑套位置，實現(xiàn)了滑套開啟(圖1)。

3.2 總體應用效果評價

研究形成的系列技術(shù)已經(jīng)在川西水平井投產(chǎn)中逐步推廣應用，起到了有效預防施工風險、大幅提高施工時效、顯著提高單井產(chǎn)能的作用：工藝成功率100%，平均單井投產(chǎn)作業(yè)時間從25 天降至12 天，平均單井井筒處理時間從16.5 天縮短至3 天；與相鄰同層位直井相比，產(chǎn)氣量是直井的1.30～4.94 倍，且穩(wěn)產(chǎn)期更長。

圖1 MP71-1H井井身結(jié)構(gòu)圖

表1 2011～2012年川西部分水平井投產(chǎn)施工情況

4 認識與結(jié)論

(1)形成的井筒預診斷及清障凈化、投產(chǎn)工序組合、投產(chǎn)管柱優(yōu)化設(shè)計、分段壓裂改造、連續(xù)油管特殊處理等系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，能夠有效解決川西水平井井筒清障凈化難度大、井下工具選型困難、設(shè)計和施工難度大、砂堵砂埋幾率高且處理難度大等一系列復雜問題。

(2)通過49口水平井的現(xiàn)場應用表明，川西水平井投產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)能有效預防復雜情況發(fā)生、大幅提高施工時效、顯著提高施工成功率 ，具有廣泛的推廣應用前景。

(3)雖然在完井液的懸浮能力、抗干擾能力、潤滑性能各方面取得一定研究成果，但針對水平段長、位垂比大、井眼軌跡復雜的水平井，仍然需要對完井液進行進一步研究。

1 曲占慶，溫慶志.水平井壓裂技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

2 吳奇.井下作業(yè)工程師[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

3 李宗田.連續(xù)油管技術(shù)手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.