王智君 邱 玲

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

0 引言

水平井分段壓裂是致密砂巖氣藏開發(fā)的有效手段，采用以主縫為主導(dǎo)實(shí)現(xiàn)改善儲層滲流能力的常規(guī)加砂壓裂工藝進(jìn)行改造導(dǎo)致儲量動用程度不高［1］。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，對水平井進(jìn)行加密分段，采用大規(guī)模大排量滑溜水改造的體積壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基巖向各方向裂縫的“最短距離”滲流，需要的驅(qū)動壓力大大降低，可以極大地提高儲層儲量動用率，是致密油氣藏提高儲量動用下限的有效手段［2-5］。目前水平井分段壓裂工藝主要有連續(xù)油管拖動、橋塞分段、暫堵轉(zhuǎn)向、多級多縫等工藝［6-9］，這些工藝存在作業(yè)周期長、施工成本高，各裂縫改造針對性不強(qiáng)，暫堵有效性差，壓后穩(wěn)產(chǎn)效果無法保證的問題。因此，針對上述問題，筆者的研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種大尺寸全通徑無級滑套完井管柱，在鉆井完成后下入該完井管柱至預(yù)定位置后固井，壓裂施工時(shí)打開管柱上的滑套即可對“甜點(diǎn)”位置進(jìn)行針對性的加砂壓裂改造，通過對裂縫間距、施工排量等施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即可以實(shí)現(xiàn)儲層體積壓裂改造，理論上可以實(shí)現(xiàn)不限級數(shù)分段體積壓裂。四川盆地中江氣田中侏羅統(tǒng)沙溪廟組氣藏屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖氣藏，隨著氣藏的逐年開采，儲層地層壓力逐漸下降、儲層品質(zhì)逐年變差，儲層巖心孔隙度平均不足10%，巖心滲透率平均介于0.1～0.3 mD。對于此類低品位儲層，常規(guī)壓裂工藝技術(shù)提產(chǎn)難度大，儲量難以升級動用，大幅度增加了壓裂施工成本，經(jīng)濟(jì)效益不佳。因此，考慮采用水平井全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂來提高該氣藏壓后效果。

1 致密砂巖體積壓裂增產(chǎn)機(jī)理

體積壓裂技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理是采用“大排量＋低砂比＋大液量＋低黏滑溜水體系”的施工方式，開啟天然裂縫，使裂縫壁面產(chǎn)生剪切滑移、錯(cuò)斷，利用支撐劑形成有效支撐，使人工裂縫與儲層天然裂縫相結(jié)合并貫穿整個(gè)油氣藏的縫網(wǎng)系統(tǒng)，從而提高單井產(chǎn)量。體積壓裂工藝主要是針對天然裂縫較發(fā)育、巖石脆性指數(shù)較高的致密儲層，采用低傷害滑溜水進(jìn)行壓裂作業(yè)，在形成高導(dǎo)流主縫及復(fù)雜支縫的同時(shí)開啟天然裂縫，并形成有效支撐，實(shí)現(xiàn)對儲層的三維“立體改造”。

國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明，體積壓裂網(wǎng)絡(luò)裂縫形成的主要因素為巖石脆性指數(shù)、天然裂縫發(fā)育程度及水平應(yīng)力差異。同時(shí)研究表明，在不產(chǎn)生嚴(yán)重縫間干擾的前提下盡可能縮短裂縫間距、提高布縫密度和施工排量，加大施工規(guī)模，可以提高致密油氣藏的壓裂改造體積及改造效果［10-11］。中江氣田沙溪廟組氣藏總體上表現(xiàn)為裂縫不發(fā)育，為孔隙型儲層，且最大、最小水平主應(yīng)力差值大，較難形成縫網(wǎng)，因此需要從工程措施上優(yōu)化參數(shù)，力求形成縫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)體積壓裂。針對中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏，基于大尺寸全通徑無級滑套分段壓裂管柱，對水平段工程地質(zhì)“甜點(diǎn)”進(jìn)行加密切割，精細(xì)分段。通過大尺寸管柱提高施工排量和凈壓力以克服兩向應(yīng)力差，從而提高裂縫復(fù)雜性。根據(jù)河道寬度、砂體厚度優(yōu)化人工裂縫參數(shù)及施工參數(shù)，對每個(gè)“甜點(diǎn)”針對性地進(jìn)行加砂壓裂，實(shí)現(xiàn)“長、寬、高”三維立體的體積壓裂，可以達(dá)到增大儲層改造體積和提高壓后天然氣產(chǎn)量的目的。

2 水平井全通徑無級滑套體積壓裂工藝及優(yōu)勢

中江氣田沙溪廟組氣藏儲層為低孔隙度、低滲透率，儲層具有一定的水敏、水鎖特征，同時(shí)壓裂過程中裂縫延伸壓力較高，導(dǎo)致施工壓力高，排量受限。前期主要采用Ф139.7 mm 套管射孔完井，下入Ф73 mm 油管＋Y341 封隔器＋全通徑無級滑套壓裂管柱進(jìn)行分段改造，但該管柱在95 MPa 井口限壓下施工排量最高達(dá)4.0～4.5 m3／min，不利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，無法實(shí)現(xiàn)體積壓裂。根據(jù)體積壓裂工藝的要求，施工排量需在12 m3／min 以上，需要選擇Ф101.6 mm 及以上尺寸的油管。為了滿足不動管柱、連續(xù)大排量施工，采用自主研發(fā)的大尺寸全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂施工。目前配套的工具尺寸已系列化，可以滿足不同排量的需求。除了具有前期全通徑無級滑套分段壓裂工藝的優(yōu)點(diǎn)外，該工藝還具有減少完井工序、縮減建井流程、減低作業(yè)成本的優(yōu)點(diǎn)，在大輻度提高施工規(guī)模和壓后效果的條件下，相對前期采用常規(guī)分段壓裂管柱進(jìn)行的壓裂施工，成本只增加了約24%，綜合來看達(dá)到了增加效益的目的。相對橋塞分段壓裂工藝，采用全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂，可以減少泵送橋塞、射孔等施工環(huán)節(jié)，大輻度減少壓裂作業(yè)時(shí)間，降低作業(yè)成本、提高作業(yè)效率。相對泵送橋塞的體積壓裂，采用該工藝單井壓裂施工費(fèi)用可以節(jié)約27%～34%。典型的全通徑無級滑套完井管柱如圖1所示。

圖1 典型全通徑無級滑套完井管柱示意圖

3 壓裂參數(shù)優(yōu)化

中江氣田沙溪廟組氣藏屬于致密— 超致密砂巖氣藏，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，儲層巖性主要為長石、長石巖屑砂巖，該氣藏順河道呈“條帶狀”展布，河道寬度介于0.4～1.5 km，儲層埋深介于1 300～3 200 m，彈性模量為13 030 MPa，泊松比為0.21，孔隙度主要介于0.9%～15.3%，滲透率介于0.008～1.453 mD，地層壓力系數(shù)介于1.0～1.9。該氣藏裂縫整體不發(fā)育，水平地應(yīng)力差異系數(shù)較高、大于0.3，較難形成縫網(wǎng)，但通過地質(zhì)工程一體化分析，可以從工程上優(yōu)化工藝措施來促進(jìn)縫網(wǎng)的形成，從而實(shí)現(xiàn)體積壓裂。

以A-10HF 井為例，該井水平段長825.5 m，完鉆井深3 397 m，完鉆垂深2 176 m。儲層原始水平應(yīng)力差為16.7 MPa。水平段儲層鉆遇率為99.3%，以Ⅱ類儲層為主，其中Ⅰ類儲層長度為92.6 m，Ⅱ類儲層長度為695.2 m，Ⅲ類儲層長度為26.7 m。水平段聲波時(shí)差值介于67.7～76.1 μs／m、平均值為72.7 μs／m；孔隙度介于7.5%～12.1%、平均值為10.4%；滲透率介于0.05～0.23 mD、平均值為0.14 mD；含水飽和度平均為46.8%，屬于低孔隙度—特低孔隙度、致密儲層。

3.1 裂縫間距優(yōu)化

體積壓裂裂縫間距優(yōu)化主要是基于壓裂多裂縫條件下誘導(dǎo)應(yīng)力干擾進(jìn)行優(yōu)化。對于天然裂縫不發(fā)育的致密砂巖儲層，如果要形成縫網(wǎng)則必須在巖石本體破裂形成分支縫，裂縫內(nèi)的凈壓力在數(shù)值上應(yīng)至少大于兩個(gè)水平主應(yīng)力差值與巖石抗張強(qiáng)度之和。

根據(jù)研究表明，當(dāng)?shù)貙又杏谐跏剂芽p時(shí)，會在自己周圍產(chǎn)生一個(gè)誘導(dǎo)應(yīng)力場，在誘導(dǎo)應(yīng)力場和初始應(yīng)力場的共同作用下，可以在局部形成二者的協(xié)同應(yīng)力場，在這個(gè)協(xié)同應(yīng)力場中，應(yīng)力會在井筒和初始裂縫周圍的橢圓形區(qū)域內(nèi)重定向，從而影響裂縫的持續(xù)起裂和延伸。當(dāng)有多條裂縫時(shí)，每條裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力場將會相互疊加干擾，從而使得裂縫的起裂和延伸更加復(fù)雜。如果這個(gè)裂縫有支撐劑支撐并保持一定的寬度，應(yīng)力場的作用會一直存在，保持裂縫的復(fù)雜性［12］。誘導(dǎo)應(yīng)力場是有一定范圍的，必須在誘導(dǎo)應(yīng)力場的有效范圍內(nèi)才能影響到裂縫的起裂和延伸。根據(jù)雷群、胥云等人的研究［13］238，得出垂直于裂縫方向所誘導(dǎo)的水平應(yīng)力最大，在裂縫方向上所誘導(dǎo)的水平應(yīng)力最小。因此壓裂過程中產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力甚至可能導(dǎo)致原來的最小水平主應(yīng)力大于原來的最大水平主應(yīng)力，從而改變原有的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)雷群、胥云等人的研究［13］238，推導(dǎo)出儲層兩個(gè)水平主應(yīng)力差值Δσh的計(jì)算公式為：

式中，σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；pi為地層壓力，MPa；pf為井底破裂壓力，MPa；σf為巖石抗張強(qiáng)度，MPa。

因此，當(dāng)壓裂多裂縫存在時(shí)，產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，可使水平應(yīng)力差值減小。充分利用誘導(dǎo)應(yīng)力設(shè)計(jì)裂縫，并且通過凈壓力控制，可以實(shí)現(xiàn)凈壓力克服壓裂水平兩向應(yīng)力差與抗張強(qiáng)度之和，最終提高裂縫的復(fù)雜性。

根據(jù)多裂縫下誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法［13］238，可以獲得誘導(dǎo)應(yīng)力與距離先壓裂縫距離的關(guān)系曲線（圖2）及不同凈壓力下誘導(dǎo)應(yīng)力差與壓裂裂縫距離的關(guān)系曲線（圖3）。從圖2、圖3 可以看出：①在一定的凈壓力下，裂縫的間距越小，產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力差越大，相應(yīng)的水平兩向應(yīng)力差也會越小，越有利于形成復(fù)雜裂縫，因此，在一定凈壓力即一定施工排量的情況下，密切割有利于提高水平誘導(dǎo)應(yīng)力差，降低水平兩向應(yīng)力差異；②在相同的裂縫間距下，提高凈壓力有利于提高水平誘導(dǎo)應(yīng)力差，形成復(fù)雜裂縫，因此，在一定的裂縫間距下，為更好地利用裂縫干擾，在施工允許的情況下應(yīng)盡可能地增大裂縫凈壓力，即提高施工排量。然而施工排量的大輻度提高會造成壓裂設(shè)備費(fèi)用的增加，導(dǎo)致作業(yè)成本的增加，因此需要優(yōu)化施工排量。

圖2 誘導(dǎo)應(yīng)力與距離先壓裂縫距離的關(guān)系曲線圖

圖3 不同凈壓力下誘導(dǎo)應(yīng)力差與壓裂裂縫距離的關(guān)系曲線圖

根據(jù)儲層原始水平應(yīng)力差16.7 MPa，得出壓裂施工排量與凈壓力的關(guān)系模擬曲線（圖4），從圖4可以看出，施工排量越大，所對應(yīng)的凈壓力越高。當(dāng)施工排量大于12 m3／min 時(shí)，凈壓力增長趨勢不明顯。因此優(yōu)化施工排量為12 m3／min，此時(shí)凈壓力值為11.8 MPa，若要提高裂縫復(fù)雜性，需要克服4.9 MPa水平誘導(dǎo)應(yīng)力差值。根據(jù)圖3所示，可得相應(yīng)的平均裂縫間距為50 m。

圖4 施工排量與凈壓力的關(guān)系模擬曲線圖

從圖2～圖4 可知，水平井體積壓裂施工排量越大，凈壓力越大，最優(yōu)的裂縫間距越大；反之，水平井體積壓裂施工排量越小，凈壓力越小，最優(yōu)的裂縫間距越小。

3.2 裂縫參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)中江氣田沙溪廟組砂體橫向及縱向展布及測錄井解釋情況，依據(jù)縫長控制河道寬度為原則，以產(chǎn)能最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)行不同縫長條件下的產(chǎn)能模擬［14-15］。根據(jù)河道寬度300 m±，優(yōu)化裂縫長度為200 m±，根據(jù)砂體垂厚優(yōu)化壓裂裂縫高度為20 m。考慮產(chǎn)量最優(yōu)下不同裂縫間距下的不同裂縫條數(shù)產(chǎn)能進(jìn)行模擬，裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表1所示，從表1可得出，最優(yōu)裂縫間距隨著儲層品質(zhì)的變差而減小。綜合考慮應(yīng)力干擾及水平方向上破裂壓力計(jì)算，最終確定裂縫間距為50～70 m、A-10HF 井分段數(shù)為13段。

表1 A-10HF井裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表

3.3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，對不同砂量、液量等施工參數(shù)下的裂縫參數(shù)進(jìn)行模擬，優(yōu)化形成針對A-10HF井的體積壓裂施工參數(shù)方案，如表2所示。

表2 A-10HF井施工參數(shù)表

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

目前在中江氣田沙溪廟組采用全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂完成了3井次的現(xiàn)場試驗(yàn)，如表3所示，與儲層情況相當(dāng)?shù)泥従啾?，試?yàn)井單井測試產(chǎn)量是鄰井的3.2～4.9倍。其中A-10HF 井的壓裂效果最佳。A-10HF井采用Φ101.6 mm配套全通徑無級滑套完井管柱完成13段分段加砂壓裂，施工排量介于7～12 m3／min，入地液量為2 942.0 m3，入地砂量為273.0 m3，施工壓力介于40～62 MPa，壓后在油壓14.5 MPa 下獲得測試產(chǎn)氣量25.2×104m3／d，與其物性相當(dāng)?shù)泥従瓵-4HF 井相比，總加砂量減少了14%，液量增加了36%，施工排量增加1.4 倍，產(chǎn)量提高了3.9倍，增產(chǎn)效果較為明顯?？傮w來看，采用全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行壓裂施工過程中工具性能穩(wěn)定，有效提高了施工排量，排量大輻度增加有效提高了裂縫復(fù)雜程度，從而改善了體積壓裂效果，最終達(dá)到了提高產(chǎn)量的目的。

表3 全通徑無級滑套體積壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)井情況表

5 結(jié)論

1）為了提高裂縫復(fù)雜性，可以通過優(yōu)化施工排量，以增大裂縫凈壓力且降低壓裂成本為目的，實(shí)現(xiàn)體積壓裂。

2）中江氣田沙溪廟組氣藏采用全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂改造，可以大輻度提高施工排量，針對儲層垂直厚度為15～20 m 的水平井，總體方案優(yōu)化為采用Φ101.6 mm 及以上大尺寸管柱，施工排量為12 m3／min，裂縫間距介于50～70 m。通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明，達(dá)到了增大改造體積、提高壓后天然氣產(chǎn)量的目的，總體增產(chǎn)效果較好，為中江氣田沙溪廟組氣藏后期的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。

3）采用自主研發(fā)的全通徑無級滑套完井管柱進(jìn)行體積壓裂，可以減少完井工序、縮減建井流程、降低作業(yè)成本、提高作業(yè)效率，同時(shí)工具尺寸已系列化，可以滿足不同排量需求的體積壓裂施工。