姚彬

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

0 引言

我國從上世紀(jì)80年代起就開始重視水平井分段壓裂技術(shù)，該技術(shù)幫助我國油氣行業(yè)快速發(fā)展起來，最終在國際上占有一席之地。本文主要針對(duì)裸眼水平井分段壓裂技術(shù)的要點(diǎn)進(jìn)行了一些探討，希望能夠?qū)馓镩_發(fā)工作有所幫助。

1 裸眼水平井分段壓裂工藝技術(shù)的現(xiàn)狀

水平井分段壓裂工藝技術(shù)在中國的油田及天然氣田作業(yè)中被廣泛應(yīng)用，根據(jù)其分隔方式的不同主要分為化學(xué)隔離技術(shù)、限流壓裂技術(shù)、機(jī)械封隔分段壓裂技術(shù)以及水力噴射壓裂技術(shù)四種。裸眼水平井分段壓裂技術(shù)是采用裸眼封隔器進(jìn)行分段壓裂的一項(xiàng)技術(shù)，也是機(jī)械封隔技術(shù)的一種，相對(duì)于其他技術(shù)來說它操作簡單，能夠有效提高油氣田的開發(fā)效益，因此也是當(dāng)前油田和天然氣田實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的主要手段。

2 氣田裸眼水平井分段壓裂工藝技術(shù)

2.1 裸眼水平井分段壓裂結(jié)構(gòu)及原理

裸眼水平井分段技術(shù)是能夠提高低滲透、低孔以及低壓油氣藏產(chǎn)能的工藝技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的施工流程較為簡單，工作效率較高，因此在氣田作業(yè)中也經(jīng)常被使用。其具體的結(jié)構(gòu)和原理為，在封隔器加滑套進(jìn)行分段壓裂的過程中，管柱采用兩種滑套配合使用，即采用投球式的噴砂滑套和壓差式的開啟滑套，將兩種滑套與封隔器、球座、密度較低的小球、水力錨以及篩管等結(jié)構(gòu)結(jié)合運(yùn)用。在現(xiàn)場進(jìn)行施工過程中將水平井分段壓裂的管柱與壓裂管柱銜接起來，然后將整體結(jié)構(gòu)下放在井下的指定位置，將密度較低的小球投入到井內(nèi)，然后利用泵車向井內(nèi)加壓，將球座通道封閉，讓封隔器提高，當(dāng)滑套內(nèi)的銷釘在壓力作用下被剪斷時(shí)，利用壓力將內(nèi)滑套下行推動(dòng)到指定位置，然后進(jìn)行鎖緊，利用外部噴砂孔開展壓裂，在壓裂施工的過程中逐次將密度較低的小球投入進(jìn)去，將所有裂縫壓開。在施工結(jié)束后，利用補(bǔ)球器將投入的小球進(jìn)行回收，避免影響后續(xù)的作業(yè)[1]。

2.2 裸眼水平井分段壓裂的工序及工具

在氣田作業(yè)時(shí)，通常要保證裂縫可以在分段壓裂過程中集中起裂，因此要使用兩種封隔器進(jìn)行配合，然后開始進(jìn)行單段式壓裂，例如，可以將整個(gè)水平井分為5段，采用8個(gè)裸眼式封隔器來分段操作，其具體的工序流程為圖1所示。其中，可以在分段壓裂施工開始之前選用反打開滑套，這樣就能夠保證在壓裂施工時(shí)監(jiān)測到井內(nèi)壓力[2]。裸眼水平井分段壓裂工藝所使用的工具較多，其中包括用作打撈的通井規(guī)、銑柱、反打開滑套、壓差式開啟滑套、投球式噴砂滑套、密度較低的小球、裸眼式封隔器、懸掛式封隔器以及浮鞋等。其中通井規(guī)的規(guī)格參數(shù)為外徑150毫米，長度為0.8米；銑柱的規(guī)格參數(shù)為外徑150毫米，內(nèi)通徑為55毫米，長度為1.31米；反打開滑套的規(guī)格參數(shù)為外徑127毫米，內(nèi)通徑為62毫米，長度為0.54米，啟動(dòng)壓強(qiáng)為28兆帕；壓差式開啟滑套的規(guī)格參數(shù)為外徑142.8毫米，內(nèi)通徑為98.4毫米，長度為0.82米，啟動(dòng)壓強(qiáng)為25.6兆帕；投球式噴砂滑套的規(guī)格參數(shù)為外徑142.8毫米，內(nèi)通徑為6.35毫米梯度，其分級(jí)段數(shù)小于6級(jí)，外徑為142.8毫米，長度為1.24米，啟動(dòng)壓強(qiáng)為13.8兆帕；密度較低的小球外徑為31.8-57.2毫米；浮鞋的規(guī)格參數(shù)為外徑127毫米，長度為0.46米。

圖1 裸眼水平井分段壓裂工序過程

2.3 裸眼水平井分段壓裂裂縫起裂工藝機(jī)理

氣田井內(nèi)壁會(huì)因?yàn)闊o限大地層水平鉆進(jìn)入到井內(nèi)而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，該過程的應(yīng)力模型如圖2所示。假設(shè)在水平位置上，最小的應(yīng)力方向與井筒方向互相平行，則其徑向應(yīng)力和垂向應(yīng)力都可以通過計(jì)算得出，其具體的計(jì)算過程還要通過測量井內(nèi)的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、徑向距離、井口的半徑、井口與水平面的夾角、井內(nèi)與孔隙壓強(qiáng)、平均溶度以及地層的深度等參數(shù)信息，然后利用公式進(jìn)行計(jì)算。

圖2 應(yīng)力作用下水平井的物理模型

2.4 計(jì)算裸眼水平井裂縫的起裂壓力及起裂位置

水平井巖石斷裂應(yīng)當(dāng)符合張性破壞原理，因此，為了使裸眼水平井內(nèi)的巖石出現(xiàn)起裂現(xiàn)象，就要破壞井壁巖石的抗張力強(qiáng)度以及圓周切向應(yīng)力的規(guī)律，要確保起裂壓力等于井壁巖石抗張力強(qiáng)度和圓周切向應(yīng)力的相加作用，由于井壁的巖石抗張力強(qiáng)度通常是固定不變的，因而在計(jì)算裸眼水平井裂縫的起裂壓力及起裂位置時(shí)，計(jì)算其圓周切向應(yīng)力較為重要。以某氣田為例，將該地的地應(yīng)力值帶入到應(yīng)力模型結(jié)構(gòu)中進(jìn)行計(jì)算，先測量該地的最大應(yīng)力值、最小應(yīng)力值以及徑向應(yīng)力值等相關(guān)參數(shù)，然后計(jì)算井壁內(nèi)圓周角度不同時(shí)的切向應(yīng)力[3]。

在通常情況下可認(rèn)為井內(nèi)的最小主應(yīng)力方向與井筒方向相互平行，因此，在進(jìn)行壓裂施工的過程中，產(chǎn)生的裂縫應(yīng)當(dāng)是垂直于井筒方向的橫向裂縫。但通過切向應(yīng)力的計(jì)算分析可知，一般情況下水平井井筒內(nèi)底部和頂部的切向應(yīng)力較小，很多甚至比井內(nèi)的最小主應(yīng)力還要小，這就導(dǎo)致即使是在最小主應(yīng)力方向與井筒方向垂直的情況下，壓裂施工所產(chǎn)生的裂縫也不會(huì)是垂直于井筒方向，而是會(huì)出現(xiàn)平行于井筒方向的縱向裂縫，這種縱向裂縫也是由于應(yīng)力集中作用而產(chǎn)生的，因此還要計(jì)算裂縫的延伸大小。通過計(jì)算不同徑向距離井筒底部和頂部的圓周切向應(yīng)力可以得知，一般徑向距離在井筒的4倍左右時(shí)，其應(yīng)力集中作用才會(huì)大體消失，當(dāng)應(yīng)力集中作用消失以后再進(jìn)行壓裂，就會(huì)產(chǎn)生垂直于井筒方向的橫向裂縫，因而可以根據(jù)這個(gè)規(guī)律來計(jì)算縱向裂縫的延伸大小。

2.5 裸眼水平井分段壓裂工藝的力學(xué)設(shè)計(jì)

2.5.1 次生裂縫與區(qū)域地應(yīng)力

在進(jìn)行裸眼水平井分段壓裂力學(xué)設(shè)計(jì)之前，可以對(duì)已經(jīng)進(jìn)行壓裂施工的同層位水平井開展凈壓力擬合工作，一般采用精確度較高的軟件來進(jìn)行。在凈壓力擬合結(jié)束后可以獲得井內(nèi)巖石的力學(xué)參數(shù)以及區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)，同時(shí)還能夠測得泊松比、閉合壓力梯度、產(chǎn)層和泥巖的閉合壓力、區(qū)域破裂壓力以及彈性模量等參數(shù)。

通過對(duì)得到的區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)及上述擬合結(jié)果進(jìn)行分析可知，在地層破裂時(shí)，其裂縫內(nèi)凈壓力可以由地層的破裂壓力與產(chǎn)層閉合壓力相減得出。當(dāng)裂縫進(jìn)行延伸時(shí)，其內(nèi)部的凈壓力不斷上升，井底內(nèi)的壓強(qiáng)也會(huì)不斷上升，并逐漸超過地層的破裂壓力，使得壓裂產(chǎn)生的裂縫不斷延伸。在裸眼水平井分段壓裂過程中，當(dāng)井內(nèi)的壓力達(dá)到地層破裂壓力時(shí)，會(huì)使得井內(nèi)裸露段應(yīng)力較為薄弱的部分產(chǎn)生次生裂縫，壓力轉(zhuǎn)移到次生裂縫以后，主裂縫也將不會(huì)再擴(kuò)張延伸。由于次生裂縫沒有可造縫的前置液，因此會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)的壓強(qiáng)不斷攀升[4]。

2.5.2 井內(nèi)壓裂參數(shù)的力學(xué)設(shè)計(jì)

將兩種不同的垂直厚度和兩種不同的砂量數(shù)據(jù)輸入到區(qū)域地應(yīng)力參數(shù)當(dāng)中，然后利用軟件進(jìn)行預(yù)測，確定井內(nèi)壓裂參數(shù)的力學(xué)設(shè)計(jì)原則為保證凈壓力參數(shù)低于地層破裂時(shí)的凈壓力，具體設(shè)計(jì)由圖3所示。通過分析可知，前置液占比對(duì)凈壓力的影響較大，相對(duì)來說排量及砂濃度對(duì)于凈壓力的影響較小，且垂直厚度越高，其凈壓力的漲幅就越小。

圖3 凈壓力值受到不同因素的影響

3 氣田裸眼水平井分段壓裂工藝現(xiàn)場應(yīng)用

對(duì)某氣田運(yùn)用裸眼水平井分段壓裂工藝，通過在多口水平井進(jìn)行應(yīng)用，測得水平井的壓裂參數(shù)及壓后效果，獲得無阻流量、測試產(chǎn)量、壓裂段數(shù)、水平段長度、總液量以及總砂量等參數(shù)，最后求出平均無阻流量、平均測試產(chǎn)量、最高無阻流量以及最高測試產(chǎn)量四項(xiàng)參數(shù)，其效果良好，結(jié)論準(zhǔn)確，體現(xiàn)出該方法設(shè)計(jì)的正確性。

根據(jù)應(yīng)用效果可以得出有關(guān)技術(shù)的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是在使用裸眼水平井分段壓裂工藝技術(shù)時(shí)，工具在進(jìn)入井筒前的準(zhǔn)備工作十分重要，在壓裂施工之前打開反打開滑套可以對(duì)井內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。二是在壓裂施工過程中由于應(yīng)力集中，一開始不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的橫向裂縫，會(huì)先由應(yīng)力集中作用產(chǎn)生縱向裂縫，在應(yīng)力達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再產(chǎn)生橫向裂縫。三是有關(guān)于次生裂縫的產(chǎn)生不僅導(dǎo)致主裂縫的延伸停止，也可能導(dǎo)致出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象，給作業(yè)帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。四是在凈壓力的擬合過程中，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以優(yōu)化壓裂工藝，最終使得施工的效果和成功率都能夠達(dá)到預(yù)期效果。

4 影響氣田裸眼水平井分段壓裂工藝效果的因素

4.1 分段壓裂施工技術(shù)人員的水平

裸眼水平井分段壓裂工藝近些年得到廣泛使用，不僅在氣田中，在很多油田水平井中也大范圍應(yīng)用。影響水平井分段壓裂效果主要因素就是人員的技術(shù)水準(zhǔn)，由于該項(xiàng)技術(shù)還處在不斷優(yōu)化的階段，在新材料及新技術(shù)的應(yīng)用過程中，若技術(shù)人員的水平較低、經(jīng)驗(yàn)不足，就會(huì)對(duì)施工效果造成很大影響。很多技術(shù)人員的責(zé)任意識(shí)不佳，在操作的過程中產(chǎn)生不規(guī)范操作，不僅影響作業(yè)質(zhì)量，造成損失，還會(huì)給分段壓裂的設(shè)備帶來不良影響，嚴(yán)重時(shí)也可能造成風(fēng)險(xiǎn)。氣田作業(yè)存在著很多危險(xiǎn)，生產(chǎn)工藝的不規(guī)范是極其嚴(yán)重的錯(cuò)誤，但很多企業(yè)沒有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)于裸眼水平井分段壓裂工藝技術(shù)的使用沒有專業(yè)化培訓(xùn)，僅從利益方面來考慮工藝的發(fā)展，使得該項(xiàng)工藝的使用效果不佳。因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷提高分段壓裂施工人員的技術(shù)水平和責(zé)任意識(shí)，進(jìn)一步將該項(xiàng)工藝落實(shí)到實(shí)際生產(chǎn)，提高企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 在施工監(jiān)管方面力度不強(qiáng)

很多企業(yè)在采用裸眼水平井分段壓裂工藝時(shí)，沒有重視施工的監(jiān)管工作。監(jiān)管部門作用喪失、監(jiān)管制度不完善都給水平井分段壓裂的質(zhì)量帶來了影響，很多水平井在長期使用的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)路基坍塌問題，也給施工帶來一定的危險(xiǎn)性。因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)完善水平井分段壓裂過程的監(jiān)管機(jī)制，明確該項(xiàng)工藝開展過程中的責(zé)任劃分，根據(jù)實(shí)際情況制定完整的監(jiān)管制度，對(duì)施工結(jié)束后的質(zhì)量檢查加大力度，促進(jìn)裸眼水平井分段壓裂施工能夠有序推進(jìn)。

5 結(jié)語

綜上所述，氣田裸眼水平井分段壓裂工藝是提高氣田開發(fā)產(chǎn)量的主要技術(shù)，它能夠提高作業(yè)效率，因而應(yīng)當(dāng)不斷推進(jìn)該項(xiàng)工藝的有效落實(shí)。由本文分析可知，氣田裸眼水平井分段壓裂工藝技術(shù)要點(diǎn)包括：分段壓裂結(jié)構(gòu)及原理、分段壓裂的工序及工具、分段壓裂裂縫起裂工藝機(jī)理、計(jì)算起裂壓力及起裂位置、分段壓裂工藝的力學(xué)設(shè)計(jì)。