梁旭升

大慶油田有限責任公司采氣分公司，黑龍江 大慶

致密砂礫巖儲層高效開采技術探討

梁旭升

大慶油田有限責任公司采氣分公司，黑龍江 大慶

徐深氣田深層砂礫巖開發(fā)存在兩個難題：一是由于儲層橫向變化大，儲層致密、物性差，開采過程中出現(xiàn)關井壓力高、氣井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差等現(xiàn)象；二是營四段砂礫巖儲層直井和水平井壓后增產(chǎn)效果不理想，存在礫塊碎落堵塞縫口，壓裂施工困難，儲層難以得到有效改造的問題。通過攻關形成產(chǎn)能突破和長期穩(wěn)產(chǎn)工藝以及經(jīng)濟效益高的配套技術。開展雙分支水平井開發(fā)，優(yōu)化鉆具組合和井眼軌跡設計、壁掛式懸掛系統(tǒng)設計，實施完井及裸眼分段壓裂工藝，化學及機械暫堵工藝，保證了分支井眼接口密封、井眼重入、分段壓裂的要求，成功實現(xiàn)了儲層有效動用，實現(xiàn)了氣田高效開發(fā)。

致密氣藏，雙分支水平井，分段壓裂，砂礫巖儲層，高效開發(fā)

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1.深層礫巖開發(fā)現(xiàn)狀

采氣分公司已在水平氣井壓裂完井方面取得了一定的認識及成果。從2008年開始，陸續(xù)部署了21口水平井。針對深層火山巖，已取得了一定經(jīng)驗與認識，已完成壓裂試氣的部分氣井無阻流量達到100 × 104m3/d以上。但是針對砂礫巖儲層，已勘探10年以上，一直未有突破。統(tǒng)計10余年不同井型(直井39口 + 水平井 5口)營四段砂礫巖儲層改造規(guī)模，對初期效果和長期穩(wěn)產(chǎn)能力影響因素進行分析，效果較好的井增大改造規(guī)模，壓后效果有增加趨勢。因此，為了加快致密砂礫巖儲層評價動用步伐，嘗試采用雙分支井完井配套大規(guī)模壓裂工藝動用深層致密砂礫巖儲層，提高單井產(chǎn)量。

2.雙分支水平井井身結構設計

為實現(xiàn)砂礫巖儲層的有效動用，開展雙分支水平井配套大規(guī)模壓裂工藝。通過個性化的設計，實現(xiàn)發(fā)育多套薄差層的礫巖儲層可進行上下分支大規(guī)模體積壓裂、分層開采的分支水平井完井工藝，國內首次實現(xiàn)了四級雙分支裸眼分段壓裂完井，同時保證施工過程中的安全及儲層保護工作。

2.1.鉆具組合和井眼軌跡設計

徐深平32井從井深3420 m開始用?311.2 mm鉆頭造斜至井深3691.00 m，井斜角36.32?，方位角334.50?，平均機械鉆速0.85 m/h；然后用?215.9 mm鉆頭造斜至井深3971.30 m著陸，平均機械鉆速1.26 m/h；水平段用?215.9 mm鉆頭鉆至井深4764.00 m完鉆，平均機械鉆速1.18 m/h。

徐深平34井從井深3257.11 m開始用?215.9 mm鉆頭造斜至井深3657.00 m，平均機械鉆速1.17 m/h；水平段用?152.4 mm鉆頭鉆至井深4586.00 m完鉆，平均機械鉆速1.33 m/h。

以往鉆頭使用經(jīng)驗表明PDC鉆頭不適應營城組砂礫巖地層，因此在芳深6-平1井砂礫巖地層使用牙輪鉆頭試驗。

2.1.1.鉆具組合情況

1) 以往水平氣井造斜段鉆具組合 徐深平32井、徐深平34井造斜段均采用螺桿 + MWD的鉆具組合，?215.9 mm鉆頭 × 0.24 m + ?172 mm螺桿 × 6.66 m + ?127 mm加重鉆桿 × 9.16 m + ?172 mm浮閥 × 0.50 m + ?178 mm短鉆鋌 × 2.90 m + ?174 mm隨鉆測斜儀 × 10.31 m + ?127 mm加重鉆桿 × 268.20 m +?127 mm鉆桿。

2) 水平段鉆具組合 徐深平32井水平段采用螺桿 + 四參數(shù)無線隨鉆測量儀的鉆具組合，?215.9 mm鉆頭 × 0.24 m + ?172 mm螺桿 × 7.86 m + ?127 mm無磁加重鉆桿 × 9.25 m + ?172 mm陣列電阻率 × 5.9 m + ?174 mm隨鉆測斜儀 × 8.17 m + ?176 mm密度中子測量儀 × 6.04 m + ?127 mm鉆桿 + ?127 mm加重鉆桿 × 275.12 m + ?127 mm鉆桿。徐深平34井水平段采用螺桿 + 隨鉆測井儀的鉆具組合，?152.40 mm鉆頭 × 0.19 m + ?146.00 mm減磨接頭 × 2.40 m + ?120.00 mm陣列電阻率測量儀 × 5.97 m + ?127.00 mm浮閥 × 1.05 m + ?120.00 mm隨鉆測井儀 × 10.89 m + ?88.90 mm加重鉆桿 × 349.71 m + ?88.90 mm鉆桿。

徐深平32井、徐深平34井造斜段和水平段均采用螺桿定向，隨鉆測斜儀或隨鉆測井儀監(jiān)測井眼軌跡，而在芳深6-雙平1井造斜段旋轉導向定向施工，水平段開展低速馬達現(xiàn)場試驗。

3) 芳深6-平1井鉆具組合 下分支起始造斜采用Autotrak-Express，該系統(tǒng)柔性較好，造斜率較高，同時該系統(tǒng)測量單元完全置于無磁抗壓縮鉆桿內部，減少了對工具的磨損，同時該系統(tǒng)的抗震性也較好。從第1趟鉆的鉆井實踐看，該工具造斜率可很輕松達到(6～8?)/30 m，為后面的順利施工提供了保障。第2趟鉆開始采用ATK G3，該系統(tǒng)在原有Autotrak-Express測量參數(shù)的基礎上，增加了電阻率、ECD、Gamma成像的測量，工程上實現(xiàn)了對井眼軌跡的精確控制，同時OTK提供了較為全面的地質參數(shù)，精準地反映了井下地質情況，幫助地質人員更加精準的進行儲層導向。第5趟鉆采用了OTK + Motor的鉆具組合進行鉆進，該馬達耐溫性能好，抗溫達 175℃，該地層中含有礫巖，故選用牙輪鉆頭，采用高鉆壓低轉速的鉆井參數(shù)進行鉆進。該馬達在該井的鉆井過程中取得了良好的效果。整個鉆進過程中沒有因為馬達原因起鉆。最后4趟鉆仍然采用隨鉆測斜儀 + 伽馬 + 馬達的鉆具組合，順利鉆至設計井深。在預定時間內保質保量地完成下分支的鉆井任務。

結合該井下分支的施工經(jīng)驗，上分支起始造斜采用：PDC鉆頭 + Navi伽馬 + 馬達的鉆具組合。?9?in套管開窗后下入該趟鉆配合陀螺定向，由于使用PDC鉆頭反扭矩不穩(wěn)定造成馬達工具面不穩(wěn)，受套管磁干擾的影響實時的馬達工具面不可信，決定起鉆更換Autotrak Express + 牙輪鉆頭的組合。根據(jù)地質數(shù)據(jù)，第4～6趟鉆開始采用ATK G3，該系統(tǒng)在原有Autotrak Express測量參數(shù)的基礎上，增加了電阻率、井底壓力鉆井液當量密度(ECD)、伽馬成像的測量，工程上實現(xiàn)了對井眼軌跡的精確控制，同時OTK提供了較為全面的地質參數(shù)，精準地反映了井下地質情況，幫助地質人員更加精準地進行儲層導向。上分支開鉆后，沿用了下分支鉆進的經(jīng)驗，提高鉆速。

通過鉆具組合優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選形成了造斜段旋轉導向 + PDC鉆頭，水平段高溫低速馬達 + 牙輪鉆頭組合鉆井提速技術。通過優(yōu)化，與以前相比提高了139.7%。

2.1.2.井眼軌跡的設計及控制

依據(jù)2010年重新處理解釋的常規(guī)地震剖面，采用新解釋的砂礫巖儲層展布范圍、地震屬性、流體檢測等分析成果，結合測井解釋成果和區(qū)塊地質動態(tài)認識綜合確定水平井靶點及水平井軌跡，應用Landmark、Geoframe地震解釋系統(tǒng)和EPS反演軟件綜合預測水平段靶點海拔深度；通過對資料的分析，實際鉆井軌跡控制，該井水平段具有以下幾方面特征：

1) 水平段處于營城組頂面較高部位，頂面海拔?3098 m，構造位置相對較高。

2) 沉積相上屬于該區(qū)優(yōu)勢亞相——扇三角洲前緣亞相。

3) 過水平段地震反射特征相對有利，過設計井水平段營四段上部砂礫巖地震反射具有波形特征明顯、同相軸連續(xù)性好、中振幅等特征；下部砂礫巖地震反射特征具有雜亂反射、同相軸連續(xù)性好，弱-中強振幅，能量相對較弱等特征。

4) 儲層連續(xù)性較好，孔隙分布有利、裂縫較發(fā)育、含氣性較好。從過設計井水平段的波阻抗反演剖面上看，設計水平段上下兩段儲層均較連續(xù)；從過設計水平段的孔隙度預測平面圖上看，預測水平段上部礫巖孔隙度4.0%～5.5%，下部礫巖孔隙度3.5%～4.2%，較為有利；從過設計水平段的地震相干體和傾角屬性切片來看，水平段處于裂縫相對發(fā)育帶上；從過設計水平段的AVO含氣預測平面圖看，水平段上部礫巖和下部礫巖含氣性均較好。

5) 預測水平段所處地帶對應的上部礫巖砂體厚度分布范圍為21～28 m，下部礫巖砂體厚度分布范圍為50～64 m。

6) 靶點深度預測。在常規(guī)地震剖面上，對現(xiàn)有井的時深關系進行檢查校正，得到較好的時深對應，然后，以地震疊加速度體、層位和井分層數(shù)據(jù)作為約束，利用井上時深關系，建立三維空間速度場[1]，將時間域的地震數(shù)據(jù)體和層位數(shù)據(jù)轉換成深度域的地震數(shù)據(jù)體和層位數(shù)據(jù)，確定靶點海拔深度和對應的礫巖頂面海拔深度。應用Landmark、Geoframe從常規(guī)深度域地震體中讀取的芳深6-平1井入靶點海拔深度，并通過EPS反演數(shù)據(jù)形成的深度域平面圖上讀取水平井靶點海拔深度，誤差值不超過10 m (圖1)。

Figure 1.The schematic diagram of the upper and lower branches of Well Fangshen 6-Ping1圖1.芳深6-平1井上、下分支井眼軌跡示意圖

2.2.壁掛式懸掛系統(tǒng)設計

造斜組合回收完畢后，下壁掛式懸掛器和導向彎管將固井尾管串導入上分支井眼。分支井眼導向器預先裝好，上分支井眼壓裂結束后回收。通過壁掛式懸掛器的設計，實現(xiàn)了接口處的機械支撐及任意井眼重入，滿足后期各種作業(yè)需求。

壁掛式懸掛器是4級完井的核心工具，包含：上部和下部接頭、絲扣、定位槽、導向槽和密封筒、本體、舌板、法蘭、窗口作為套管開窗的接口并為窗口提供機械支撐。還有分支井眼導向器，主井眼導向器等工具(圖2)，其特點和功能如下：

1) 斜向器 用于造斜定位，進行側鉆開窗。其特點：①超過6000成功井次；②切割金屬，而不是研磨金屬；③不會形成鳥窩式的鐵屑；④一趟下入，開窗和修整窗口；⑤窗口更干凈，圓滑；⑥可回收。

2) 分支井眼導向器 與壁掛式懸掛器配合，實現(xiàn)可重入。其特點：①封閉主井眼，使其他工具可再次進入分支井眼，簡單可靠，8900 N插入、53400 N起出；②導向器提供彎曲的剛性的套筒穿過主井窗口；③通過壁掛式懸掛器，提供窗口完整的機械密封；④封閉主井眼可再進入分支井眼，插入和起出導向器簡單可靠。

3) 主井眼導向器 與壁掛式懸掛器配合，實現(xiàn)可重入。其特點：封閉分支井眼，可再進入主井眼。簡單可靠，8900 N插入、53400 N起出。

Figure 2.The working principle diagram of guide devices in the main borehole and branch hole圖2.主井眼導向器和分支井眼導向器工作原理圖

2.3.完井及裸眼分段壓裂工藝

早期制定方案時，考慮過采用精細水泥的方式來滿足窗口的密封，但是受工藝的限制，僅能承壓10 MPa左右，無法滿足施工需求。因此需要提高開窗點密封，解決開窗點密封問題主要有以下兩個途徑：一是提高固井質量；二是在套管上加上一個遇水膨脹封隔器。另外在開窗點的選擇上要注意：選擇固井質量好的層位、避開套管接箍、地層穩(wěn)定和避開水層。

后期采用管外封隔器的方案，但是該工藝存在等待時間長，水平段過長固井質量無法保證等問題，最重要的是窗口處仍然未實現(xiàn)真正意義上的密封。經(jīng)過多次方案對比，采取造斜段固井，然后后期鉆井可重入的方式來實現(xiàn)窗口的密封，并創(chuàng)新了固井工藝(圖3)。

1) 預置分支井眼導向器、內嵌尾管膠塞，保證接口處固井工藝的實施。

2) 導向器、回接筒和暫堵工具采取固井防護措施，保證導向器的取出及壓裂和生產(chǎn)完井工具的重入。

3) 尾管懸掛器和頂部固井封隔器提高完井工具懸掛和密封的可靠性，滿足安全投產(chǎn)要求。

Figure 3.The structure of the upper branch window structure圖3.上分支開窗結構處井身結構圖

2.4.化學及機械暫堵工藝

1) 采用PERFFLOW暫堵液，有效保護儲層的同時節(jié)省常規(guī)完井液500 m3。針對氣井大規(guī)模壓裂后壓井液漏失嚴重，導致儲層二次污染的問題，在該井應用了 PERFFLOW 屏蔽暫堵技術。主要原理是壓井過程中在裂縫或儲層的表面形成一道滲透率極低的暫堵層，有效降低壓井液的漏失，同時具有返排容易的特點。

2) 設計 DB暫堵封隔器 + 破裂盤，暫堵下分支井眼，保證上分支完井壓裂工藝的順利實施；上分支設計并應用了壓井球座：實現(xiàn)不壓儲層更換上分支壓裂管柱，避免儲層污染。下分支壓裂試氣施工結束后，在儲層上部下入DB暫堵封隔器 + 破裂盤，該破裂盤中心是陶瓷結構，實現(xiàn)下分支井眼的有效封堵，為上分支鉆井工作提供了安全可靠的保證。在上分支完成壓裂試氣后，進行生產(chǎn)完井時利用鋼絲作業(yè)的方式打碎破裂盤，實現(xiàn)下分支的開采。同時在上分支造斜段3400 m處，安裝了壓井球座。上分支試氣結束后，投入配套球，上部灌注高密度壓井液，實現(xiàn)下部儲層的暫堵，起出壓裂管柱，更換為生產(chǎn)完井管柱。

2.5.生產(chǎn)管柱采用三重密封保護

1) 三重密封保護即為井下安全閥、生產(chǎn)封隔器和兩道插入密封最大程度保證管柱安全可靠。為了保證后期生產(chǎn)的安全可靠，根據(jù)中國石油天然氣股份公司勘探與生產(chǎn)分公司《高溫高壓及高含硫井完整性指南》要求，生產(chǎn)完井具備兩道密封。為此，該井在?9?in套管設計應用了完井封隔器、?7in套管設計了插入密封，同時，加裝了井下安全閥，緊急時刻實現(xiàn)自動關閉，保證安全。

2) 選擇性合采或分采。通過開關滑套和投堵塞器，實現(xiàn)氣井分合采。在上下分支之間，安裝了坐落短節(jié)裝置；在坐落短節(jié)上部，設計并應用了開關滑套裝置。坐落短節(jié)處投入堵塞器，打開滑套時，實現(xiàn)上分支的單獨生產(chǎn)；關閉滑套，撈出堵塞器，實現(xiàn)下分支的單獨生產(chǎn)；打開滑套、撈出堵塞器，實現(xiàn)兩分支合采。通過分、合采，實現(xiàn)氣藏精細開發(fā)。

3.儲層改造優(yōu)化及現(xiàn)場實施效果

目前大慶油田深層致密砂礫巖探明儲量一直沒有實現(xiàn)有效動用。營四段砂礫巖儲層具有3個壓裂難點：一是以往營四段砂礫巖儲層直井和水平井壓后增產(chǎn)效果不理想[2]，常規(guī)水平井壓裂動用儲量范圍有限，尚無有效提高產(chǎn)能的開發(fā)方式。二是儲層致密、橫向變化快，層之間垂向距離較近，砂體平面分布較大但與斷層較近，壓裂設計難度大。三是微孔和粒間窄縫發(fā)育，裂縫易發(fā)生轉向，轉角處縫偏窄，加砂難度大[3]。

針對以上3個壓裂改造難點，自主攻關形成了致密砂礫巖分支水平井優(yōu)化設計方法及現(xiàn)場診斷、控制工藝，實現(xiàn)了不同層與儲層物性匹配、水平井筒與斷層匹配、人工裂縫上下匹配等個性化設計，形成了微孔和粒間縫發(fā)育的致密砂礫巖儲層現(xiàn)場診斷及控制工藝技術。

通過對致密孔隙和粒間縫洞型砂礫巖大規(guī)模體積壓裂方案的優(yōu)化，建立了對應施工參數(shù)優(yōu)化設計方法和現(xiàn)場診斷及控制技術，實現(xiàn)了營四段砂礫巖雙分支井“立體式”改造。

1) 結合實鉆巖性、物性變化和平面砂體預測，上下分支個性化設計實現(xiàn)“三個匹配”(裂縫分布與砂體匹配、人工裂縫與構造匹配、施工參數(shù)與物性匹配)，追求改造體積最大化為目標，合理優(yōu)化壓裂段數(shù)和改造規(guī)模。經(jīng)過模擬，下分支最佳壓裂段數(shù)為15～16段，上分支最佳壓裂段數(shù)為12～13段。

2) 上下分支均要實現(xiàn)大規(guī)模體積壓裂，為提高裂縫效率，降低成本，研究了立體交錯式布縫的設計方法，防止上下分支裂縫竄通，確保儲層得到充分體積改造。

3) 通過對比下分支與砂礫巖水平井的壓裂控制砂體范圍(表1)，發(fā)現(xiàn)芳深6-平1井下分支控制的砂體范圍大于常規(guī)砂礫巖水平井 1.4倍以上。針對下分支致密孔隙型砂礫巖儲層，以擴大裂縫接觸面積為目標，形成了以高密度布縫、大規(guī)模加砂為主的體積壓裂設計方法。與該區(qū)塊以往施工的氣井相比，壓裂段數(shù)增加了4～5倍、單段砂量提高11.1%、單段液量提高73.5%。根據(jù)構造和物性優(yōu)化加砂程序、前置液比例等施工參數(shù)，保證壓后效果長期有效，大幅度增大了砂體改造范圍，實現(xiàn)了儲層的有效動用。

Table 1.The comparative data between the lower branch and glutenite horizontal well表1.下分支與砂礫巖水平井對比數(shù)據(jù)

4) 從儲層物性上分析，上分支比下分支水平段砂體連續(xù)(上下分支有效儲層鉆遇率分別為 87.1%和62%)，同時上分支伽馬和密度值相對低，反映上分支物性比下分支好。因此針對上分支粒間縫洞型砂礫巖儲層，以有效溝通微孔和粒間縫、實現(xiàn)節(jié)點處長期有效支撐為目標，合理優(yōu)化砂比，提高有效壓裂改造體積。上分支采用高前置液比例、低砂比、多段塞加砂模式，實現(xiàn)轉角節(jié)點處長期有效支撐，實現(xiàn)了上分支的有效壓裂改造，無阻流量達到了68.3 × 104m3/d (表2)，成功實現(xiàn)了致密砂礫巖大規(guī)模立體式改造。

Table 2.The statistics of the scale and effect of fracturing in double branch wells表2.雙分支井壓裂規(guī)模及效果統(tǒng)計表

4.結論及建議

1) 首次成功實施了分支水平井分支井眼接口施工，該工序包括打撈主井眼斜向器、固井管串導入上分支井眼、壁掛式懸掛器坐掛到分支井眼窗口及上分支造斜段井眼固井施工等，整個施工過程涉及下井工具20余種，實現(xiàn)了連續(xù)施工，工藝成功率100%。

2) 通過鉆井提速配套技術、增產(chǎn)改造技術及有效動用發(fā)育多套儲層的分支井完井工藝，單分支縮短鉆井周期30 d以上，壓后試氣產(chǎn)量105 × 104m3/d，取得了致密砂礫巖儲層產(chǎn)量突破。

3) 完井管柱具備三重密封保護，滿足股份公司標準要求，能夠實現(xiàn)分合采的目的。

4) 通過芳深6-平1井的成功實施，建立了針對發(fā)育多套薄差儲層致密氣藏優(yōu)選動用的開發(fā)模式，為深層致密難采天然氣儲量的有效動用探索出有效途徑。

References)

[1] 張紹槐.多分支井鉆井完井技術新進展[J].石油鉆采工藝, 2001, 23(2): 1-3.

[2] 謝朝陽, 馮程濱, 謝建華.大慶油田水平井分流壓裂技術[J].油田化學, 2007, 24(4): 310-315.

[3] 王培義, 李宗田, 季龍華.水平井壓裂裂縫形成機理初探與應用[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報), 2008, 30(1): 148-150.

[編輯] 帥群

High Efficient Development

Discussion on High Efficient Development Technology of Dense Glutenite Reservoirs

Xusheng Liang
Gas Production Branch Company of Daqing Oilfield Company Ltd., Petro China, Daqing Heilongjiang

Received: Aug.30th, 2016; accepted: Dec.7th, 2016; published: Apr.15th, 2017

There existed 2 problems during the development of glutenite reservoirs in Xushen Gas Field: the first was the big lateral change of reservoirs with reservoir density and poor physical property.The shut-in pressure was high, and production in the gas wells and the stabilized production capacity were low.The second was that the stimulation effect in the vertical and horizontal wells was not ideal in the glutenite reservoirs of Ying 4 Section after fracturing, and there existed the problems of difficult reconstruction of reservoirs caused by fractures blocking with glutenite debris and in the fracturing operation.Through technical research and development, the technology of productivity breakthrough and long-term stable production and high efficient matching techniques were established.By using the dual branch horizontal wells and optimization of BHA and well design trajectory, wall mounted suspension system design, the technologies of completion and open hole staged fracturing, chemical and mechanical plugging process are implemented for ensuring the branch hole sealing, borehole re-entry and staged fracturing requirements.The effective producing in reservoirs and high efficient development of gas fields are achieved.

Tight Gas Reservoir, Dual Branch Horizontal Well, Staged Fracturing, Glutenite Reservoir,

梁旭升(1983-)，男，工程師，長期從事氣田開發(fā)與壓裂增產(chǎn)技術工作。

2016年8月30日；錄用日期：2016年12月7日；發(fā)布日期：2017年4月15日

文章引用: 梁旭升.致密砂礫巖儲層高效開采技術探討[J].石油天然氣學報, 2017, 39(2): 75-82.https://doi.org/10.12677/jogt.2017.392020

中國石油天然氣股份公司科技攻關項目(2011B-1506)。