申貝貝 何 青 張永春 李 雷 劉 威

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院）

水平井段內(nèi)多裂縫壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

申貝貝 何 青 張永春 李 雷 劉 威

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院）

針對大牛地氣田致密低滲地層特征，在總結(jié)水平井壓裂工藝應(yīng)用情況及其優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，開展了水平井段內(nèi)多裂縫壓裂新工藝的研究，特別是對水平井段內(nèi)多裂縫壓裂使用高強(qiáng)度水溶性暫堵劑的控制工藝原理以及段內(nèi)裂縫的干擾進(jìn)行了分析。并對DPT－8和DPH－60兩口水平井實施了段內(nèi)多縫壓裂技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用試驗。試驗結(jié)果表明，該技術(shù)利用暫堵劑能依次封堵先期壓裂形成的裂縫，使其不斷蹩壓而在段內(nèi)發(fā)生多次起裂并延伸，形成多條新的裂縫，從而有效地增加改造體積，擴(kuò)大泄油氣面積或范圍，進(jìn)而提高壓裂改造程度和油氣增產(chǎn)效果。并能節(jié)約封隔器和壓差滑套，降低施工作業(yè)成本，為大牛地氣田致密低滲儲層的改造探索出了新的技術(shù)途徑。圖7參9

致密低滲儲層 水平井壓裂 段內(nèi)多裂縫壓裂 大牛地氣田

0 前言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，主要含氣層位為上古生界下石盒子組、山西組和太原組。自從1999年首鉆大探1井試獲工業(yè)氣流后，經(jīng)過多年的勘探開發(fā)與研究，取得了豐碩的成果。目前，上古生界砂巖儲層的開發(fā)已經(jīng)逐漸走向規(guī)模化、工業(yè)化的開發(fā)階段。

常規(guī)的直井開發(fā)在大牛地致密低滲儲層中開發(fā)難度大，建產(chǎn)率低。為了擴(kuò)大井筒泄氣面積，提高單井控制儲量和產(chǎn)能，并借鑒前期氣田開發(fā)的探索實踐，華北分公司工程技術(shù)研究院通過轉(zhuǎn)變理念、優(yōu)化設(shè)計、完善管理，不斷完善工程工藝措施，逐漸形成了滿足大牛地氣田致密低滲儲層有效開發(fā)的工程工藝技術(shù)措施。

目前，大牛地氣田主要以水平井開發(fā)為主，并已經(jīng)建成國內(nèi)第一個全部采用水平井開發(fā)的10×108m3產(chǎn)能氣田。但氣田主要采用裸眼管外封隔器＋投球分段壓裂以及水力噴射分段壓裂的改造技術(shù)措施，其工藝措施相對單一。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗水平井段內(nèi)多裂縫壓裂可以通過一次或多次使用高強(qiáng)度水溶性暫堵劑臨時封堵前次壓裂形成的裂縫，迫使流體轉(zhuǎn)向來達(dá)到壓開多條新裂縫的目的，該技術(shù)在減少封隔器使用量的基礎(chǔ)上，可以有效增加壓裂改造體積，提高單井產(chǎn)量，為改善大牛地氣田低滲儲層的開發(fā)效果開辟了新的工藝技術(shù)途徑。

1 水平井分段壓裂工藝現(xiàn)狀與存在的問題

通過水平井分段壓裂開發(fā)在大牛地致密低滲氣層的探索、試驗和推廣，逐漸形成“以羥丙基瓜膠壓裂液體系為基礎(chǔ)，多級管外封隔連續(xù)分段壓裂為主，水力噴射分段壓裂為輔”的大牛地氣田水平井分段壓裂的開發(fā)模式。

1.1 裸眼管外封隔器分段壓裂

裸眼管外封隔器分段壓裂工藝通過裸眼封隔器與滑套開關(guān)實現(xiàn)裸眼水平井段多段連續(xù)壓裂，完井管柱和壓裂工具一體下入井內(nèi)，施工過程中投入直徑大小不同的球，控制各級滑套打開，實現(xiàn)水平井的多段連續(xù)壓裂施工。

裸眼管外封隔器分段壓裂工藝的管柱一次性下入，不需要進(jìn)行固井和射孔作業(yè)，減少對儲層基質(zhì)的污染；而且多段壓裂施工可連續(xù)進(jìn)行，施工周期縮短，作業(yè)成本降低。另外，施工過程中可以大排量作業(yè)，使其造縫充分而實現(xiàn)儲層的深度改造。但是該工藝在施工過中打開滑套時壓力變化有時不明顯，而且無法驗證封隔器是否有效座封；特別是對于裸眼井，裂縫起裂的位置只能確定在上下封隔器之間，具體位置無法確認(rèn)；而且管柱永久留在井里，無法進(jìn)行后續(xù)重復(fù)壓裂施工等作業(yè)。

1.2 水力噴射定點分段壓裂

水力噴射定點分段壓裂是集射孔、分段壓裂一體化，不用封隔器與橋塞等隔離工具，實現(xiàn)水力自動封隔，一趟管柱可以實現(xiàn)多段壓裂。具體施工過程中可分為拖動管柱和不動管柱兩種分段壓裂工藝。

該工藝技術(shù)的優(yōu)點在于射孔與壓裂聯(lián)作，一趟管柱可進(jìn)行多段壓裂，減少了起下管柱作業(yè)的次數(shù)，而且適應(yīng)于不同的完井方式（裸眼、篩管及套管完井）。但是水力噴射分段壓裂的各段之間不能可靠隔離，不能進(jìn)行分段試油，施工砂比和施工排量的調(diào)整都存在局限性。

綜上所述，裸眼管外封隔器分段壓裂工藝技術(shù)是目前大牛地氣田水平井開發(fā)的主導(dǎo)工藝措施，得到廣泛的推廣應(yīng)用，而水力噴射分段壓裂工藝則處于試驗和不斷完善階段。鑒于裸眼管外封隔器分段壓裂工藝的優(yōu)缺點，為了進(jìn)一步降本增效，減少封隔器及壓裂滑套使用數(shù)量，降低小球級差數(shù)量，提高多級滑套內(nèi)徑級差尺寸，同時考慮增加壓裂改造體積及改造效果，開展了新工藝——裸眼水平井段內(nèi)多裂縫壓裂工藝的研究和應(yīng)用試驗。

2 水平井段內(nèi)多裂縫壓裂工藝

2.1 壓裂改造體積對產(chǎn)能的影響

數(shù)值模擬表明，儲層改造體積越大（以頁巖氣為例），壓后增產(chǎn)效果越明顯（圖1），SRV在不同取值下，累計產(chǎn)氣量呈現(xiàn)大幅上升趨勢，儲層改造體積與增產(chǎn)效果呈明顯的正相關(guān)性［1］。

圖1 頁巖氣不同改造體積下累計產(chǎn)量預(yù)測曲線圖

水平井封隔器分段內(nèi)多裂縫壓裂技術(shù)是在裸眼封隔分段壓裂的基礎(chǔ)上，利用暫堵劑依次封堵先期壓裂形成的裂縫，使其不斷蹩壓而在段內(nèi)發(fā)生多次起裂并延伸，形成多條新的裂縫，從而有效地擴(kuò)大改造體積，增加泄油氣面積或范圍，進(jìn)而提高壓裂改造程度和油氣增產(chǎn)效果。

2.2 段內(nèi)分縫控制技術(shù)原理

水平井段內(nèi)分縫控制技術(shù)的原理是在施工過程中實時地向地層中加入控制劑，控制劑在遵循流體向阻力最小方向流動原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)入地層中已經(jīng)存在的裂縫內(nèi)，產(chǎn)生濾餅并橋堵，形成高于地層裂縫破裂壓力的壓差值，從而使后續(xù)工作液發(fā)生蹩壓并壓破地層產(chǎn)生新裂縫。而產(chǎn)生橋堵的控制劑在施工完成后溶于地層水或者壓裂液，不對地層基質(zhì)和支撐劑充填裂縫產(chǎn)生污染。

2.3 段內(nèi)多裂縫壓裂

裸眼水平井段內(nèi)多裂縫壓裂工藝是在兩個裸眼封隔器之間的分段內(nèi)通過一次或多次使用高強(qiáng)度水溶性暫堵劑臨時封堵先前已加砂充填的裂縫，并提高縫內(nèi)應(yīng)力從而迫使流體轉(zhuǎn)向，達(dá)到壓開新裂縫的目的（圖2）。該技術(shù)的優(yōu)點在于，在不增加分段工具的基礎(chǔ)上，可以在施工過程中通過投送暫堵劑的次數(shù)與數(shù)量來實現(xiàn)每個分段內(nèi)裂縫數(shù)量、間距與規(guī)模的控制。

圖2 段內(nèi)2條縫與5條縫

在現(xiàn)場施工過程中，暫堵劑投送方式是壓裂完上一條裂縫后，關(guān)閉井口，地面高壓管線放壓，打開旋塞閥，利用混砂車將預(yù)先放置在管線中的暫堵劑低壓送入管線，關(guān)閉旋塞閥，打開井口，壓裂車正常泵送，開始壓裂施工（圖3）。

圖3 段內(nèi)多裂縫體積壓裂工藝圖

2.4 段內(nèi)裂縫干擾分析

裸眼水平井分段內(nèi)多裂縫壓裂施工過程中，要在兩封隔器之間的每一單段內(nèi)壓開多條裂縫，如果裂縫間距太小，則縫間干擾嚴(yán)重，影響施工效果。

根據(jù)局部效應(yīng)原理，利用ABAQUS有限元分析軟件，模擬分析多條橫向裂縫間距對裂縫形態(tài)和壓后生產(chǎn)動態(tài)的影響，從而確定合理的裂縫間距，以發(fā)揮水平井最大產(chǎn)能［2－5］。分別模擬兩條橫向裂縫和多條橫向裂縫的情況，分析裂縫間距對裂縫寬度和流動阻力的影響［6］（圖4）。

圖4 兩條橫向裂縫縫寬和流動阻力計算結(jié)果

數(shù)值模擬表明：對于兩條橫向裂縫的情況而言，當(dāng)裂縫間距dX大于縫高H的2倍時，裂縫間距對縫寬和流動阻力影響變小，即對裂縫的導(dǎo)流能力影響變小。

圖5 多條橫向裂縫縫寬和流動阻力計算結(jié)果

而對于多條橫向裂縫而言，當(dāng)縫間距dX大于2倍縫高H時，裂縫間距對流動阻力影響最小，此時裂縫導(dǎo)流能力最大；而當(dāng)縫間距dX大于1.5倍縫高H時，裂縫間距對縫寬影響變小。因此，水平井分段內(nèi)多裂縫壓裂應(yīng)盡可能將裂縫間距控制在大于2倍縫高的范圍，以降低裂縫間的干擾，提高裂縫的導(dǎo)流能力，進(jìn)而提高壓厚增產(chǎn)效果。

3 水平井段內(nèi)多裂縫壓裂的應(yīng)用

以裸眼管外封隔器分段壓裂為基礎(chǔ)，依據(jù)水平井壓裂設(shè)計原則，結(jié)合分段內(nèi)多裂縫壓裂施工情況，開展裸眼水平井分段內(nèi)多裂縫壓裂工藝的現(xiàn)場試驗。

3.1 段內(nèi)多裂縫壓裂設(shè)計依據(jù)

以水平井測、錄井顯示結(jié)果、隨鉆伽馬成果以及物探AVO數(shù)據(jù)和反演剖面等資料為依據(jù)，設(shè)計優(yōu)選物性較好、氣測全烴高、電性較好的井段為滑套噴砂器的位置；而物性較差的泥質(zhì)砂巖、井徑變化較小、沒有明顯擴(kuò)徑以及鉆時較長的井段為封隔器坐封位置。

另外，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低的層段優(yōu)先起裂，結(jié)合水平段測井解釋曲線、巖石力學(xué)參數(shù)解釋成果以及破裂壓力剖面分析，得出裂縫起裂點，合理設(shè)計分段內(nèi)的裂縫條數(shù)。

3.2 段內(nèi)多裂縫壓裂效果

截至目前為止，大牛地氣田共開展兩口水平井段內(nèi)多裂縫壓裂（DPT－8和DPH－60）施工試驗。

DPT－8井水平段總長度為1200 m，設(shè)計7段17級壓裂改造，累計加砂量591.0 m3，累計入地總凈液量5166.9 m3，試氣產(chǎn)量（圖6），測壓計算無阻流量為5.4656×104m3／d。目前生產(chǎn)油壓6.2 MPa，套壓7.6 MPa，平均日產(chǎn)量為2.7515×104m3／d，185天累計產(chǎn)氣509.0219×104m3。

圖6 DPT－8井試氣產(chǎn)量示意圖

DPH－60井水平段總長度為1215 m，設(shè)計7段17級壓裂改造，累計加砂量665.0 m3，累計入地總凈液量5834.1 m3，壓后換2 3／8″生產(chǎn)管柱，試氣產(chǎn)量（圖7），測壓計算無阻流量達(dá)11.0990×104m3／d。目前生產(chǎn)油壓7.3 MPa，套壓8.7 MPa，平均日產(chǎn)量為4.5433×104m3／d，165天累計產(chǎn)氣749.6511×104m3。

圖7 DPH－60井試氣產(chǎn)量示意圖

4 認(rèn)識與結(jié)論

水平井封隔器分段內(nèi)多裂縫壓裂工藝在裸眼管外封隔器分段壓裂的基礎(chǔ)上，利用高強(qiáng)度水溶性暫堵劑來封堵先期壓裂形成的裂縫，迫使壓裂液蹩壓到高于另處的地層破裂壓裂而轉(zhuǎn)向壓破另處地層，形成新的裂縫。如此依次封堵先期裂縫而蹩壓壓開新的裂縫就可在裸眼水平井每段封隔器已分段內(nèi)實現(xiàn)多裂縫壓裂，從而減少封隔器及壓裂滑套使用數(shù)量，降低坐封球體的級差數(shù)量，提高多級滑套內(nèi)徑級差尺寸。這不僅能進(jìn)一步降本增效，同時也增加了壓裂改造體積（裂縫數(shù)量），提高了壓裂改造效果，還為大牛地氣田致密低滲儲層的改造探索出了一條新途徑。但是，裸眼水平井封隔器分段內(nèi)多裂縫壓裂工藝技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用才剛剛嘗試，還需要在更多的現(xiàn)場應(yīng)用實踐中進(jìn)行改進(jìn)與完善，特別是在多裂縫之間的干擾以及對壓后產(chǎn)能的影響等方面還需要深入研究，以期為該工藝措施的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 Cipolla C L，WarpinskiN R，MayerhofeM J，etal.The relationship between fracture complexity，reservoir properties，and fracture－treatment design［R］.SPE115769，2008.

2 杜現(xiàn)飛，李建山，齊銀，等.致密厚油層斜井多段壓裂技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012，4（5）：12－15.

3 楊亞東，廖闊，李彬，等.水力加砂壓裂技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，5（3）：34－36.

4 蔣廷學(xué)，王寶峰，單文文，等.整體壓裂優(yōu)化方案設(shè)計的理論模式［J］.石油學(xué)報，2001，5（3）：26－29.

5 張勁，張士誠.水平多縫間的相互干擾研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（14）：2351－2354.

6 吳則鑫.致密砂巖氣藏水平井段內(nèi)多裂縫體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用及其效果分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（7）：253－256.

7 秦玉英.連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分層壓裂技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，32（4）：49－50.

8 陳付虎，王娟娟，秦玉英.水力噴射分段壓裂技術(shù)在大牛地氣田DP1井的應(yīng)用研究［J］.2012，9（8）：62－64.

9 陳作，王振鐸，曾華國.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（9）：78－80.

（修改回稿日期 2013－05－15 編輯 文敏）

申貝貝，男，1986年出生，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事致密低滲油氣田儲層改造工藝研究。地址：（450006）河南省鄭州市隴海西路199號。電話：13837184899。E－mail：skxv＠163.com