張?jiān)迄i 張 璐 李 宇 趙俊 楊生文 趙戰(zhàn)江

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司， 天津 300450； 2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院， 天津 300450； 3. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉西分公司， 山西 呂梁 033200)

0 前 言

臨興區(qū)塊主要開發(fā)層位為太原組、石盒子組，其孔隙度主要介于5%～10%，滲透率主要介于(0.1～1.0 )×10-3μm2，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層屬于低孔、低滲致密砂巖氣儲(chǔ)層。儲(chǔ)層埋深較淺(1 100～1 900 m)，井底溫度可低至30 ℃。地層壓力系數(shù)低，主要介于0.80～0.90[1]。此外，儲(chǔ)層還具有砂體連續(xù)性差、厚度小、非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)量豐度低、單井動(dòng)用儲(chǔ)量少、地層含水飽和度高等特點(diǎn)。 水平井分段壓裂技術(shù)是臨興區(qū)塊致密砂巖儲(chǔ)層開發(fā)的有效手段[2-4]，在區(qū)塊內(nèi)水平井前期開發(fā)中主要采用了“裸眼封隔器+投球滑套”分段壓裂方式。隨著開發(fā)日久，在多口井逐漸出現(xiàn)了井筒積液，導(dǎo)致產(chǎn)氣量嚴(yán)重下降，甚至關(guān)井[5]。氣藏動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明，產(chǎn)出水主要為層內(nèi)束縛水與可動(dòng)水，儲(chǔ)層的可動(dòng)水飽和度較高，在壓裂過程中又會(huì)進(jìn)一步增大。采用裸眼水平井分段壓裂方式時(shí)，需要投球，生產(chǎn)管柱直徑大，攜液能力較差。 當(dāng)壓裂位置不確定時(shí)，有可能在高含水區(qū)域造縫而導(dǎo)致壓后產(chǎn)水量加大。井筒內(nèi)徑受球座限制，難以對(duì)出水段進(jìn)行處理。

為了避免此類問題，在實(shí)施裸眼壓裂作業(yè)的易出水區(qū)域，可以應(yīng)用連續(xù)油管分段壓裂工藝。連續(xù)油管分段壓裂技術(shù)，是指利用水力噴槍，通過噴嘴節(jié)流將高壓磨料射孔液轉(zhuǎn)化為高速磨料射孔液，對(duì)套管、水泥環(huán)進(jìn)行噴射沖蝕，使其與地層之間形成通道，然后通過環(huán)空進(jìn)行加砂壓裂作業(yè)[6-7]。該技術(shù)集噴砂射孔、封隔器分層、連續(xù)油管定位和環(huán)空大排量注入于一體，對(duì)臨興區(qū)塊儲(chǔ)層均質(zhì)性差、水層發(fā)育的特點(diǎn)具有較好的適應(yīng)性[8-10]。

我們根據(jù)儲(chǔ)層條件優(yōu)化了連續(xù)油管分段壓裂工藝的參數(shù)設(shè)計(jì)，并在臨興區(qū)塊8口水平井進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了單井一趟管柱作業(yè)完成14級(jí)壓裂的較高記錄。通過壓后下入速度管，改善了井筒攜液的問題。壓后產(chǎn)氣量較高，應(yīng)用效果良好。

1 臨興區(qū)塊水平井生產(chǎn)概況

在臨興區(qū)塊水平井前期開發(fā)過程中，全部采用“裸眼封隔器+投球滑套”分段壓裂模式。 儲(chǔ)層含水飽和度高、生產(chǎn)過程中產(chǎn)水量大，因而“裸眼封隔器+投球滑套”分段壓裂完井管柱中以31/2″油管作為生產(chǎn)管柱，臨界攜液氣量要求較高。區(qū)塊內(nèi)儲(chǔ)層壓力較低，產(chǎn)氣量往往難以滿足攜液要求，造成井筒積液、產(chǎn)量下降，甚至關(guān)井。圖1所示為臨興區(qū)塊部分裸眼水平井積液前后產(chǎn)氣量變化情況。

圖1 臨興區(qū)塊部分裸眼水平井積液前后產(chǎn)氣量變化情況

在裸眼水平井LX-101-4H、LX-102-5H、LX-9-1H的生產(chǎn)過程中，均出現(xiàn)了產(chǎn)量大幅度降低的情況，多為井筒積液所致。經(jīng)過液面深度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)井筒積液情況嚴(yán)重。這3口井的產(chǎn)氣量下降幅度分別達(dá)到75%、55%、63%，平均為64%。

以區(qū)塊內(nèi)某定向井為例，應(yīng)用Pipesim軟件分別計(jì)算了31/2″、27/8″、23/8″、2″、1.66″、11/2″等6種管柱的臨界攜液氣量，結(jié)果依次為2.05×104、1.41×104、0.99×104、0.69×104、0.53×104、0.49×104m3/d。其中，2″速度管的臨界攜液氣量為0.69×104m3/d，31/2″油管的臨界攜液氣量為2.05×104m3/d。經(jīng)過對(duì)比，認(rèn)為采用2″速度管可以極大地提高攜液能力，從而避免井筒積液。

2 連續(xù)油管分段壓裂技術(shù)優(yōu)化

2.1 工序及壓裂完井工具優(yōu)化

施工工序如下：

(1) 安裝連續(xù)油管設(shè)備；

(2) 通井、刮管；

(3) 連續(xù)油管工具入井，試坐封；

(4) 校深，拖動(dòng)至射孔位置，坐封封隔器；

(5) 噴砂射孔；

(6) 試擠至裂縫起裂；

(7) 環(huán)空加砂壓裂，通過連續(xù)油管進(jìn)行小排量補(bǔ)液；

(8) 解封封隔器，上提管柱，準(zhǔn)備進(jìn)行下一級(jí)噴砂射孔；

(9) 重復(fù)工序(4) — (8)，完成所有層段的射孔、壓裂作業(yè)；

(10) 起出連續(xù)油管工具，同時(shí)環(huán)空放噴排液；

(11) 拆卸井口設(shè)備及壓裂工具串；

(12) 當(dāng)井口壓力低于10 MPa時(shí)，下入速度管。

以LX-102-7H井為例實(shí)施該工藝，其壓裂完井工具結(jié)構(gòu)如圖2所示，工具參數(shù)如表2所示。連續(xù)油管底封拖動(dòng)分段壓裂管柱(適用于51/2″套管)，工具串自上而下包括：2″CT接頭+73 mm卡瓦連接器+73 mm安全接頭+115 mm剛性扶正器+90 mm水力噴砂器(噴嘴4×4.5 mm)+85 mm反循環(huán)閥+116 mm封隔器+130 mm摩擦塊+133 mm機(jī)械定位器+115 mm引鞋。

根據(jù)噴砂射孔施工排量要求，計(jì)算連續(xù)油管的管路磨阻(見表3)。綜合考慮噴砂射孔摩阻、設(shè)備費(fèi)用等，優(yōu)選2″連續(xù)油管。

圖2 LX-102-7H壓裂完井工具結(jié)構(gòu)示意圖

表2 連續(xù)油管分段壓裂工具參數(shù)

表3 連續(xù)油管噴砂射孔管路摩阻計(jì)算

2.2 壓裂完井工藝參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 噴砂射孔施工參數(shù)優(yōu)化

水力噴射射孔技術(shù)運(yùn)用了水動(dòng)力學(xué)動(dòng)量-沖量原理，可使固體顆粒在水載體下加速，高速?zèng)_擊套管和巖石，以產(chǎn)生高效的切割作用[11]。在水射流中混入一定數(shù)量的磨料微粒，可大幅度提升射流的切割效率。影響水力噴砂射孔的因素主要包括流體參數(shù)、磨料參數(shù)、圍壓及巖石性質(zhì)等[12]。研究人員應(yīng)用磨料射流裝置對(duì)水力噴射參數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，分析了磨料濃度、噴射時(shí)間、磨料粒度等參數(shù)對(duì)水力噴射射孔的影響[13]。通過實(shí)驗(yàn)，確定了水力噴射射孔的最優(yōu)磨料粒度為40/70目石英砂，最優(yōu)磨料體積分?jǐn)?shù)為6%～8%。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為磨料體積分?jǐn)?shù)可優(yōu)化為8%。實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)噴砂射孔時(shí)間為10～15 min。為了能夠更好地壓開地層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)將噴射時(shí)間設(shè)定為15 min。

2.2.2 噴嘴個(gè)數(shù)與噴射排量?jī)?yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了2種方案。為保證壓裂噴射效果，噴嘴流速需要控制在170 m/s以上；為了減少噴嘴磨損，噴射速度需要控制在250 m/s以內(nèi)。具體參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表4。

方案一中，采用4個(gè)噴嘴，砂比為8%，在噴射排量0.7、0.8 m3/min下均可滿足射開地層并且減少噴嘴磨損的要求。為了保證更好地射開地層、降低近井摩阻，最終選定射孔排量為0.8 m3/min。此時(shí)，射孔泵壓為60.55 MPa，射孔功率為812 kW。

在同等條件下，方案二中采用6個(gè)噴嘴，當(dāng)排量為1.0 m3/min時(shí)才能滿足射開地層的最低要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，當(dāng)流速過低時(shí)不易射開地層，需要加大噴射速度；但當(dāng)排量大于1.0 m3/min時(shí)，壓力超過限壓，不能滿足施工要求。

以上方案，均是首先考慮滿足射孔的需要，然后再考慮降低施工風(fēng)險(xiǎn)。采用方案一，即4個(gè)4.5 mm噴嘴，射孔排量為0.8 m3/min，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在不超壓的情況下適當(dāng)提高排量。最后，綜合考慮噴射速度、施工壓力等因素的影響，將方案一作為最優(yōu)選項(xiàng)。

表4 水力噴砂射孔參數(shù)優(yōu)化

2.2.3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)區(qū)塊設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及軟件模擬結(jié)果，在裂縫半長(zhǎng)200 m、導(dǎo)流能力300 ×10-3μm2·m的條件下即可達(dá)到產(chǎn)能要求。

根據(jù)儲(chǔ)層條件，結(jié)合前期設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化壓裂施工參數(shù)：施工排量為3.0～4.0 m3/min，每段加砂量為30～40 m3，前置液占比為35%～40%，平均砂比為19%～23%。

通過壓裂施工參數(shù)優(yōu)化，可在保證壓裂施工順利完成的同時(shí)獲取最佳改造效果。

2.3 速度管完井技術(shù)優(yōu)化

臨興區(qū)塊地層壓力較低，在前期裸眼水平井生產(chǎn)中出現(xiàn)了攜液能力差的問題，導(dǎo)致井底積液，甚至關(guān)井。為了解決這一難題，需要提高生產(chǎn)管柱的氣流速度，增強(qiáng)攜液能力。為此，改用小直徑油管以加快氣流速度[14]。當(dāng)氣流速度大于氣井臨界攜液流速時(shí)，產(chǎn)出液就可以隨著氣流被帶到地面[15]。小直徑油管又分為常規(guī)小油管和速度管。更換常規(guī)小油管的工作需要在壓井作業(yè)中進(jìn)行，容易污染地層，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能下降；而下入速度管可以帶壓作業(yè)，施工工序簡(jiǎn)單、周期短，還能避免壓井過程中對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

根據(jù)氣藏配產(chǎn)及臨界攜液能力，綜合考慮氣井生產(chǎn)中后期的產(chǎn)能及后期作業(yè)等方面因素，優(yōu)選Φ50.8 mm(2″)速度管作為生產(chǎn)管柱。表5所示為速度管設(shè)備參數(shù)。

表5 速度管設(shè)備參數(shù)

速度管下入流程為：當(dāng)井口壓力低于10 MPa時(shí)，安裝速度管懸掛器，油管四通側(cè)翼保持排液狀態(tài)，放置堵塞器，試壓，下入速度管，坐封懸掛器，拆卸井口裝置并切管，打撈堵塞器。

3 現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化及應(yīng)用效果分析

3.1 水力噴砂射孔曲線分析

連續(xù)油管拖動(dòng)環(huán)空壓裂是一種聯(lián)作技術(shù)，分為水力噴砂射孔和環(huán)空加砂壓裂兩個(gè)過程。在此，僅針對(duì)水力噴砂射孔進(jìn)行分析。

根據(jù)地面施工情況，可將水力噴砂射孔過程分為兩個(gè)階段：地面加砂階段和頂替階段。實(shí)際噴砂射孔時(shí)間段，是指砂子到達(dá)噴嘴后開始射孔，直至頂替液到達(dá)噴嘴后停止射孔這一時(shí)間段[16]。

噴砂射孔過程中的壓力變化如式(1)所示：

pT=pf1+pf2+pjet+pb-pn1+pn2

(1)

式中：pT—— 地面油管壓力，MPa；

pf1—— 油管摩阻，MPa；

pf2—— 環(huán)空摩阻，MPa；

pjet—— 噴嘴節(jié)流摩阻，MPa；

pb—— 井口回壓，MPa；

pn1—— 油管內(nèi)靜液柱壓力，MPa；

pn2—— 油套環(huán)空內(nèi)靜液柱壓力，MPa。

當(dāng)連續(xù)油管正循環(huán)結(jié)束時(shí)開始加砂，砂粒進(jìn)入連續(xù)油管，油管摩阻pf1略微增大。當(dāng)砂粒到達(dá)直井段時(shí)，會(huì)使油管內(nèi)的靜液柱壓力pn1升高，同時(shí)使地面油管壓力pT顯著降低。當(dāng)砂粒到達(dá)水平段時(shí)，油管靜液柱壓力的變化量達(dá)到最大，地面泵壓降至最低。當(dāng)混砂液在水平段流動(dòng)時(shí)，油管內(nèi)摩阻pf1增大，地面油管壓力略微升高。當(dāng)砂粒到達(dá)噴嘴時(shí)，噴嘴的節(jié)流壓差加大，地面油管壓力也顯著升高。

當(dāng)砂粒從噴嘴切割套管進(jìn)入油套環(huán)空時(shí)，環(huán)空沿程摩阻增大，地面泵壓也略有升高。當(dāng)砂粒到達(dá)環(huán)空直井段時(shí)，地面泵壓隨著環(huán)空靜液柱壓力的不斷升高而升高。

繼續(xù)泵注，直到從地面加砂階段進(jìn)入頂替階段。當(dāng)砂粒前端由油套環(huán)空到達(dá)地面時(shí)，如果井口仍未停止加砂，則施工曲線上將會(huì)出現(xiàn)平穩(wěn)段。當(dāng)井口停止加砂而開始頂替時(shí)，若環(huán)空砂粒前端未到達(dá)地面，則施工曲線不會(huì)出現(xiàn)平穩(wěn)段，而是會(huì)繼續(xù)升高。當(dāng)頂替液進(jìn)入垂直段時(shí)，油管靜液柱壓力降低，地面油管壓力升高。當(dāng)頂替液經(jīng)過噴嘴時(shí)，噴嘴壓降會(huì)減小。當(dāng)油管內(nèi)沿程摩阻減小時(shí)，施工壓力也開始降低。

在實(shí)際施工當(dāng)中，將砂比提高到設(shè)計(jì)值需要等待一段時(shí)間，其間砂比、排量不可能完全穩(wěn)定，因此其結(jié)果與理論值之間或有一定差異。

從上述壓力變化分析可以看出，水力噴砂射孔施工曲線為一條先下降后升高然后再下降的倒“S”形曲線。此曲線的最低點(diǎn)表示混砂液到達(dá)水平段，最高點(diǎn)表示頂替液到達(dá)噴嘴?，F(xiàn)場(chǎng)施工當(dāng)中受多種因素影響，連續(xù)油管拖動(dòng)環(huán)空壓裂施工曲線的變化可能比較復(fù)雜，但總體上仍呈“S”形(見圖3)。

3.2 水力噴砂射孔磨料優(yōu)化

在現(xiàn)場(chǎng)施工當(dāng)中，以40/70目石英砂作為磨料時(shí)常有射孔后壓不開的情況。從地面返出流程來看，噴射切割套管后的石英砂經(jīng)過沖擊而變成粉末?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了磨料優(yōu)化，將40/70目石英砂調(diào)整為其與40/70目陶粒的組合磨料，石英砂與陶粒的質(zhì)量比為6 ∶4。通過對(duì)噴射磨料組合的這一優(yōu)化調(diào)整，極大地改善了噴砂射孔作業(yè)的效果。噴砂射孔后試擠了1～2次，均能順利壓開地層。

圖3 連續(xù)油管分段壓裂施工曲線

3.3 應(yīng)用效果分析

通過連續(xù)油管分段壓裂工藝的應(yīng)用，在臨興區(qū)塊實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)壓裂，其間還創(chuàng)造了單井壓裂數(shù)達(dá)到14段的較高記錄。同時(shí)，壓后見氣時(shí)間短，壓后12 h即見氣。在臨興區(qū)塊8口水平井開發(fā)中應(yīng)用了此工藝，壓裂完井的成功率達(dá)到100%，且在水平井測(cè)試期間均獲得高產(chǎn)氣流，平均單井日產(chǎn)量達(dá)3.0×104m3。

4 結(jié) 語

采用連續(xù)油管分段壓裂工藝，只需一趟管柱作業(yè)即可完成多段射孔壓裂施工，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)壓裂，降低壓開高含水段的風(fēng)險(xiǎn)，壓后井筒全通徑，有利于后續(xù)作業(yè)及二次改造。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)臨興區(qū)塊儲(chǔ)層特征及井筒條件對(duì)水力噴砂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：2″連續(xù)油管，4個(gè)4.5 mm噴嘴，射孔液采用壓裂液基液，磨料采用40/70目石英砂與40/70目陶粒的組合磨料，噴射排量為0.75～0.80 m3/min，砂比為7%～8%，噴射時(shí)間為15 min。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，噴砂射孔與壓裂過程均能順利完成。連續(xù)油管分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用，避免了因壓井導(dǎo)致的產(chǎn)能降低，有效地解決了攜液能力差的問題，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。