李海濤，盧 宇，謝 斌，黃 宇，聶尊浩

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

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水平井多段分簇射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

李海濤1，盧 宇1，謝 斌2，黃 宇3，聶尊浩3

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

水平井多段分簇射孔技術(shù)是“體積改造”的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前大多數(shù)分簇射孔是基于常規(guī)射孔經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，未做深入具體的定量研究。用布孔數(shù)取代孔密的概念，分析沿水平井筒破裂壓力差異，設(shè)計(jì)各簇的布孔數(shù)目，調(diào)節(jié)簇內(nèi)孔眼節(jié)流摩阻大小，發(fā)揮射孔孔眼分簇限流的作用，從而實(shí)現(xiàn)壓裂過程中各射孔簇同時(shí)起裂和均勻進(jìn)液。同時(shí)，基于裂縫起裂擴(kuò)展過程中應(yīng)力干擾作用，建立二維分析模型，確定裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)的臨界縫間距，并以此作為射孔簇間距設(shè)計(jì)的依據(jù)，給出了分簇射孔關(guān)鍵參數(shù)(相位、孔深、簇長(zhǎng)度、簇?cái)?shù))的設(shè)計(jì)原則，形成了一套分簇射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用該方法對(duì)一口實(shí)例井進(jìn)行了分簇射孔設(shè)計(jì)，微地震監(jiān)測(cè)表明，分簇射孔后壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)，較鄰井效果要好。該方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分簇射孔設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

分簇射孔；復(fù)雜縫網(wǎng)；分簇限流；應(yīng)力干擾；射孔摩阻；水平井

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)非常規(guī)油氣藏分簇射孔的設(shè)計(jì)大多數(shù)參照國(guó)外固定模式，各段、各族射孔數(shù)大多采取相同孔密設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮應(yīng)力干擾影響，忽略了分段壓裂井“體積改造”需同時(shí)起裂，形成復(fù)雜縫網(wǎng)的要求[1-8]。為此，引入分簇限流原理，用布孔數(shù)取代孔密概念，利用應(yīng)力干擾原理，優(yōu)化簇間距和射孔位置，同時(shí)確立分簇射孔關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，形成了整套分簇射孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 分簇射孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 分簇射孔孔深與孔徑

在分簇射孔壓裂井中，裂縫一般都是在接近孔眼的部分起裂并逐步向阻力最小的優(yōu)勢(shì)裂縫平面擴(kuò)展，且射孔彈的穿透性能與套管孔眼直徑的大小相互制約。研究發(fā)現(xiàn)，射孔深度為1.0～1.5倍井筒直徑的射孔彈可降低破裂壓力，井筒破壞深度接近1.0倍的井筒直徑。在射孔孔徑過大時(shí)很難建立起足夠大的回壓來實(shí)現(xiàn)分簇限流，若孔眼太小，則存在支撐劑鋪置問題。為防止支撐劑在井筒附近橋接，孔眼直徑應(yīng)大于支撐劑直徑的8～10倍[7]。

1.2 分簇射孔布孔數(shù)

用射孔孔眼數(shù)目(布孔數(shù))取代孔密的概念。射孔后壓裂一般盡可能采取大排量施工，根據(jù)儲(chǔ)層、井筒條件確定壓裂液在各條裂縫內(nèi)的分配，利用射孔孔眼摩阻提高井底壓力，依次壓開破裂壓力相近的地層，實(shí)現(xiàn)多裂縫同時(shí)起裂和均勻進(jìn)液，使裂縫不斷延伸、擴(kuò)展[9-10]。在分簇射孔后的壓裂過程中，由井口注入的壓裂液通過井筒進(jìn)入地層，整個(gè)水平井筒和裂縫為一個(gè)壓力平衡體系，多裂縫同時(shí)起裂遵循壓力平衡原則與體積守恒原則。

體積守恒原則：

(1)

以水平段含3個(gè)射孔簇為例，假設(shè)壓裂過程中每個(gè)射孔簇產(chǎn)生一條裂縫，多簇裂縫同時(shí)起裂，射孔后多裂縫間的壓力平衡關(guān)系見式(2)～(4)。首先根據(jù)水平段內(nèi)各簇之間的地應(yīng)力、沿程摩阻、破裂壓力計(jì)算出各射孔簇內(nèi)所需達(dá)到的孔眼摩阻，再根據(jù)壓裂施工排量在裂縫間的流量分配[9]與孔眼直徑確定各簇的布孔數(shù)目。

p1+pf1=p2+pf2+p12

(2)

p2+pf2=p3+pf3+p23

(3)

(4)

式中：Qt為施工排量，m3/min；Qi為裂縫縫內(nèi)流量，m3/min；m為裂縫數(shù)，條；p1、p2為破裂壓力，MPa；pf1、pf2、pf3、pfi為射孔孔眼摩阻，MPa；p12、p23為沿程摩阻，MPa；ρf為攜砂液密度，g/cm3；Np為孔眼個(gè)數(shù)；df為孔眼直徑，cm；Cd為流量系數(shù)。

1.3 分簇射孔相位

射孔方向與最大主應(yīng)力方向一致是壓裂井最理想的射孔方式，因?yàn)榇藭r(shí)沿著射孔孔眼起裂的裂縫，將會(huì)沿最小阻力的優(yōu)勢(shì)裂縫平面進(jìn)行擴(kuò)展。目前最普遍的射孔相位為60 °，該相位下可增加朝著最大主應(yīng)力方向射孔的概率，且施工過程中較少出現(xiàn)問題。

1.4 分簇射孔簇間距優(yōu)化

為充分發(fā)揮應(yīng)力干擾作用，使分簇射孔壓裂形成更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，提高油氣井產(chǎn)量，采用Sneddon誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)模型[10]，以水平最大、最小主應(yīng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)向作為裂縫轉(zhuǎn)向判斷依據(jù)，即裂縫原始最大、最小水平主應(yīng)力之差小于該條裂縫受到的最小水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力之差，以裂縫轉(zhuǎn)向時(shí)誘導(dǎo)應(yīng)力差對(duì)應(yīng)的臨界縫間距作為分簇射孔合理的簇間距：

(5)

1.5 分簇射孔簇長(zhǎng)度和射孔簇位置

為防止壓裂過程中壓力過高，同時(shí)利于多裂縫起裂。推薦分簇射孔簇長(zhǎng)度小于4倍井筒直徑[9]。通過優(yōu)化射孔簇位置，可以增加有效裂縫沿井筒的分布，提高油氣產(chǎn)量。射孔位置應(yīng)布置在巖石力學(xué)性質(zhì)較好且具有產(chǎn)生裂縫和擴(kuò)展裂縫能力的位置，以及儲(chǔ)層物性較好且具有一定產(chǎn)油氣能力的位置，并需要考慮井筒固井質(zhì)量等，需避開套管接箍等因素影響，同時(shí)結(jié)合分簇射孔優(yōu)化的合理間距，最終決定射孔位置。

2 實(shí)例分析

某致密油油藏某井水平段長(zhǎng)度為1 304 m，儲(chǔ)層巖石密度為2.17～2.69 g/cm3，儲(chǔ)層平均溫度為86.6 ℃，孔隙度平均為10.6%，滲透率平均為0.258×10-3μm2，原油密度平均為0.888 g/cm3。目標(biāo)層段為泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層，楊氏模量為20 000～40 000 MPa，泊松比平均值為0.21，水平最小主應(yīng)力為53～70 MPa，脆性指數(shù)為38%～75%，部分層段可見到裂縫發(fā)育，滿足體積壓裂改造的儲(chǔ)層特征。結(jié)合該井壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，對(duì)目標(biāo)井誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，計(jì)算不同凈壓力時(shí)水平誘導(dǎo)應(yīng)力差的變化(圖1)。

圖1 誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖1可知，在該井開啟壓力為15.18 MPa時(shí)，當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力之差大于該井原始最大與最小主應(yīng)力之差(9 MPa)時(shí)裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，則該水平誘導(dǎo)應(yīng)力差對(duì)應(yīng)的裂縫間距33.8 m為應(yīng)力干擾優(yōu)化的分簇射孔的合理簇間距。再結(jié)合目標(biāo)井固井質(zhì)量、油藏質(zhì)量、天然裂縫發(fā)育的位置等來優(yōu)化分簇射孔簇位置(圖2)。

由圖2可知，該井水平段破裂壓力剖面上破裂壓力有一定差異，分簇射孔時(shí)可以采取分簇限流射孔方式實(shí)現(xiàn)分簇限流。按照上述分簇限流設(shè)計(jì)方法計(jì)算，在該井分簇射孔位置內(nèi)，采取不同的布孔數(shù)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的最大布孔數(shù)達(dá)14個(gè)/簇，最小布孔數(shù)為8個(gè)/簇。全井采用38CCleanPACK射孔彈分16段分簇射孔，共射孔46簇。第1段用連續(xù)油管傳輸射孔方式，射孔長(zhǎng)度為3.0 m。第2～16段用多簇射孔與電纜泵送橋塞聯(lián)作工藝，逐級(jí)打開壓裂通道，每段射孔3簇，每簇射孔長(zhǎng)度為0.5 m。各簇內(nèi)采取分簇限流進(jìn)行布孔數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)(表1)，射孔相位為60 °?，F(xiàn)場(chǎng)分簇射孔施工作業(yè)順利。壓裂施工過程中水力裂縫延伸微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在各段射孔孔眼處均產(chǎn)生了一定復(fù)雜程度的裂縫網(wǎng)絡(luò)，共發(fā)生微地震事件14 360個(gè)，較鄰井微地震數(shù)(11 483個(gè))有較大提升。該井壓裂投產(chǎn)后平均日產(chǎn)油為22.8 m3/d，較鄰井提高21%，說明該井分簇射孔設(shè)計(jì)方法效果明顯。

圖2 水平段破裂壓力剖面

表1 分簇射孔布孔數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 用布孔數(shù)取代孔密的概念，結(jié)合分簇限流原理建立了分簇射孔布孔數(shù)設(shè)計(jì)方法，確定了射孔關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)原則：孔徑應(yīng)大于支撐劑直徑的8～10倍，射孔深度為1.0～1.5倍的井筒直徑，射孔簇長(zhǎng)度小于4倍井筒直徑，相位為60 °。

(2) 基于裂縫間應(yīng)力干擾原則，確定裂縫臨界轉(zhuǎn)向距離為分簇射孔優(yōu)化簇間距，并結(jié)合井筒固井質(zhì)量和儲(chǔ)層質(zhì)量共同確定射孔簇位置。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，分簇射孔后壓裂能形成復(fù)雜縫網(wǎng)，投產(chǎn)后較鄰井日產(chǎn)油量有較大提升。

[1] 王歡，等.非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層體積改造模擬技術(shù)研究進(jìn)展[J].特種油氣藏，2014，21(2)：8-16.

[2] 李龍龍，吳明錄，姚軍，等.射孔水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21(2)：45-50.

[3] 方思冬，戰(zhàn)劍飛，黃世軍，等.致密油藏多角度裂縫壓裂水平井產(chǎn)能計(jì)算方法[J].油氣地質(zhì)與采收率，2015，22(3)：84-89.

[4] 王歡，廖新維，趙曉亮，等.超低滲透油藏分段多簇壓裂水平井產(chǎn)能影響因素與滲流規(guī)律——以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8超低滲透油藏為例[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21(6)：107-110.

[5] 孫致學(xué)，等. 分段射孔水平井產(chǎn)能計(jì)算新方法[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2014，33 (6)：75-82.

[6] GRUESBECK C，COLLINS R E.Particle transport through perforations[C].SPE7006，1982：857-865.

[7] JEFFREY R G，BUNGER A，ZHANG X.Constraints on simultaneous growth of hydraulic fractures from multiple perforation clusters in horizontal wells[C].SPE163860，2013：1-17.

[8] WUTHERICH K，WALKER K J.Designing completions in horizontal shale gas wells： perforation strategies.society of petroleum engineers[C].SPE155485，2012：1-10.

[9] LECAMPION B，DESROCHES J.Simultaneous initiation of multiple transverse hydraulic fractures from a horizontal well[C].ARMA14-7110，2014：1-20.

[10] WARPINSKI N R，BRANAGAN P T.Altered-stress fracturing[C].SPE17533，1989：990-997.

編輯 孟凡勤

20151111；改回日期：20160316

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“非常規(guī)油氣資源井壓后返排優(yōu)化與攜液理論研究”(2016ZX05-037-005-001)和“深層碳酸鹽巖氣藏氣井完井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”(2016XZ05-010-010-003)

李海濤(1965-)，男，教授，1990年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣田開發(fā)專業(yè)，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事完井工程、注水理論與技術(shù)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.032

TE355.6

A

1006-6535(2016)03-0133-03