致密氣水平井分段多簇壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選

吳百烈，周建良，曹硯鋒，金 衍，張濱海

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國石油大學(xué) (北京)，北京 102249)

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致密氣水平井分段多簇壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選

吳百烈1，周建良1，曹硯鋒1，金 衍2，張濱海1

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國石油大學(xué) (北京)，北京 102249)

針對致密氣藏壓裂效果差的問題，綜合考慮排量、射孔摩阻、壓裂后生產(chǎn)數(shù)據(jù)等參數(shù)，運(yùn)用彈性力學(xué)方法，建立誘導(dǎo)應(yīng)力計算模型。結(jié)合實際井?dāng)?shù)據(jù)，優(yōu)選了簇間距、射孔數(shù)、射孔位置等參數(shù)。結(jié)果表明：簇間距的選取受施工凈壓力與地應(yīng)力差的限制；單段總射孔數(shù)受排量、地應(yīng)力差的影響，單簇射孔數(shù)與簇數(shù)需根據(jù)實際條件調(diào)節(jié)；最佳射孔位置為含氣量高、天然裂縫發(fā)育、地應(yīng)力差較低的區(qū)域。該文對致密氣藏現(xiàn)場選取合理射孔參數(shù)，提高壓裂效果具有重要指導(dǎo)作用。

致密氣；分段多簇壓裂；誘導(dǎo)應(yīng)力；簇間距；射孔

0 引 言

中國致密氣儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，物性差，具有明顯的低孔、低滲特征，自然狀態(tài)下基本無工業(yè)產(chǎn)能[1]，水平井分段多簇射孔壓裂[2-4]是開采致密氣的主體手段之一，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了針對性的研究。Chaudhary[5]、尹洪軍[6]等以致密儲層為研究對象，采用數(shù)值模擬方法[7-8]研究了水平井橫斷裂縫間距對產(chǎn)量和采收率的影響，認(rèn)為裂縫間距越小，產(chǎn)量和最終采收率越高；Mullen[9]等研究了天然裂縫和射孔對水平井產(chǎn)能的影響，認(rèn)為在天然裂縫聚集區(qū)射孔可使累計產(chǎn)量提高20%以上。運(yùn)用彈性力學(xué)方法，建立了水平井分段壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力場計算模型，提出簇間距確定方法，優(yōu)化射孔數(shù)及優(yōu)選射孔位置方法。該研究對于提高水平井分段多簇射孔效率，合理選取壓裂設(shè)計參數(shù)，提高壓裂優(yōu)化設(shè)計水平具有重要理論指導(dǎo)意義。

1 分段多簇射孔壓裂機(jī)理

分段多簇射孔壓裂形成多條裂縫，彼此之間受應(yīng)力干擾影響，裂縫擴(kuò)展延伸難度增大，裂縫延伸凈壓力升高[10]，使得微裂縫剪切開啟，容易產(chǎn)生分支裂縫或次級裂縫，整體形成復(fù)雜縫網(wǎng)，充分改造儲層。在最大、最小水平主應(yīng)力方向存在誘導(dǎo)應(yīng)力差值，當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力差值大于原始最大、最小水平主應(yīng)力差值時，會形成應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)(原來最大水平主應(yīng)力方向變成最小水平主應(yīng)力方向)。在應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)，裂縫在延伸過程中會發(fā)生轉(zhuǎn)向，促使復(fù)雜裂縫形成，具有更大的改造體積。分段多簇射孔壓裂一次施工壓開多條裂縫，與常規(guī)分段壓裂相比，可大幅縮短作業(yè)周期，降低作業(yè)成本，提高作業(yè)時效[11]。

2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

分段多簇壓裂效果主要受3個關(guān)鍵參數(shù)影響：簇間距、射孔數(shù)、射孔位置。

2.1 簇間距優(yōu)化

簇間距對于能否形成高效貫通的裂縫網(wǎng)絡(luò)具有重要影響。簇間距過大，多簇射孔應(yīng)力干擾優(yōu)勢不明顯，不能充分促進(jìn)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成；簇間距過小，受誘導(dǎo)應(yīng)力擠壓影響，容易引起縫寬降低，破裂壓力升高，造成施工困難甚至砂堵。

采用無限長平板單邊受力模型模擬在縫內(nèi)凈壓力作用下誘導(dǎo)應(yīng)力場分布，依據(jù)彈性力學(xué)理論[12-13]，平面上某點(diǎn)誘導(dǎo)應(yīng)力與縫內(nèi)凈壓力、該點(diǎn)與裂縫中心點(diǎn)距離、水力裂縫半長等因素有關(guān)。在x、y方向產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力及二者差值分別為：

(1)

(2)

Δσ誘導(dǎo)=σx誘導(dǎo)-σy誘導(dǎo)

(3)

(4)

式中：σx誘導(dǎo)為x方向誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa；σy誘導(dǎo)為y方向誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa；Δσ誘導(dǎo)為誘導(dǎo)應(yīng)力差，MPa；Δp為裂縫壁面上的凈壓力，MPa；r1、r2、r3分別為平面任意一點(diǎn)到裂縫前尖端點(diǎn)、中心點(diǎn)、后尖端點(diǎn)的距離，m；L為裂縫半縫長，m；θ1、θ2、θ3為平面任意一點(diǎn)分別與裂縫前尖端點(diǎn)、中心點(diǎn)、后尖端點(diǎn)連線與y軸負(fù)向之間的夾角，°。

裂縫兩側(cè)具有對稱性，以裂縫右側(cè)為例，為求取區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)誘導(dǎo)應(yīng)力值，推導(dǎo)并建立各角度(θ1、θ2、θ3)與各距離值(r1、r2、r3)轉(zhuǎn)換關(guān)系(表1)。

表1 各角度與各距離對應(yīng)關(guān)系

為方便表述，采用無量綱量表示誘導(dǎo)應(yīng)力與簇間距關(guān)系。定義無因次誘導(dǎo)應(yīng)力值為誘導(dǎo)應(yīng)力值與裂縫凈壓力之比，無因次距離為簇間距與水力裂縫半長之比。圖1給出了在不同原始地應(yīng)力差下所需要的無因次距離。

當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力差大于或等于原始最大、最小水平地應(yīng)力差值時，利于實現(xiàn)水力裂縫擴(kuò)展轉(zhuǎn)向，形成復(fù)雜裂縫，由此可確定最優(yōu)射孔簇間距[14]。由圖1可知，誘導(dǎo)應(yīng)力差曲線在前半段呈上升趨勢，最優(yōu)簇間距隨著原始地應(yīng)力差的增大而增大，但誘導(dǎo)應(yīng)力差存在最大值。實際中，當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力差不足以抵消原地應(yīng)力差時，水力裂縫延伸不易發(fā)生轉(zhuǎn)向，此時可通過提高排量增大裂縫內(nèi)凈壓力，致使誘導(dǎo)應(yīng)力差增大，以滿足抵消原地應(yīng)力差的要求。現(xiàn)場施工時，也常常在壓裂液中加入暫堵劑，以提高裂縫延伸凈壓力，增大誘導(dǎo)應(yīng)力差，實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向延伸。對于圖1，若原始最大、最小水平地應(yīng)力差為4MPa，則最優(yōu)簇間距對應(yīng)的無因次距離為0.43。一般情況下，根據(jù)原始地應(yīng)力條件，通過選擇合理的簇間距促使裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，增強(qiáng)各簇裂縫彼此間溝通，利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到體積改造目的。

圖1 不同原始地應(yīng)力差下模擬計算結(jié)果

2.2 射孔數(shù)優(yōu)化

受儲層應(yīng)力非均質(zhì)性影響，分段多簇射孔壓裂時，同一壓裂段內(nèi)并非所有孔眼都會吸收壓裂液，為使射孔簇有效開啟并延伸，需要利用射孔摩阻平衡儲層應(yīng)力非均質(zhì)性影響。

射孔孔眼摩阻計算公式[15]為：

(5)

式中：ppf為射孔孔眼摩阻，MPa；Q為施工排量，m3/min；ρf為壓裂液密度，g/cm3；Np為射孔孔眼數(shù)，個；df為射孔孔眼直徑，m；Cd為流量系數(shù)。

假設(shè)壓裂液密度為1.0g/cm3，射孔孔眼直徑為0.01m，流量系數(shù)為0.85，作射孔摩阻與射孔數(shù)關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，隨射孔數(shù)的增多，射孔摩阻逐漸減小[16-18]。實際中各射孔簇不會同時開啟，最先開啟的射孔簇要具有很大的孔眼摩阻，以平衡原地應(yīng)力差，因此，每簇射孔數(shù)不能過多。同時也不能過少，導(dǎo)致射孔摩阻大幅增加，致使施工壓力過高。

圖2 不同施工排量下孔眼摩阻與射孔數(shù)關(guān)系曲線

對于分段多簇壓裂而言，在一個壓裂段內(nèi)，一定排量下應(yīng)保持總的射孔孔眼數(shù)一定，單簇射孔孔眼數(shù)與射孔簇數(shù)可適當(dāng)調(diào)節(jié)。考慮不同射孔位置處應(yīng)力差異，高應(yīng)力區(qū)應(yīng)保持較多射孔，低應(yīng)力區(qū)較少射孔。

2.3 射孔位置優(yōu)化

射孔位置的選擇對產(chǎn)量同樣重要[19]。北美致密氣井壓裂后生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在儲層高應(yīng)力區(qū)域約有1/2的射孔簇對產(chǎn)量沒有貢獻(xiàn)，而在低應(yīng)力區(qū)域30%的射孔簇卻對產(chǎn)量有高達(dá)70%的貢獻(xiàn)。

分段多簇壓裂應(yīng)選擇“甜點(diǎn)區(qū)”射孔，“甜點(diǎn)區(qū)”特征包括：含氣量高、天然裂縫相對發(fā)育、地應(yīng)力水平低且水平應(yīng)力差較小等[20]?，F(xiàn)場實際中，通過在“甜點(diǎn)區(qū)”布簇射孔，保證壓裂后最大程度地實現(xiàn)各簇裂縫開啟及縫網(wǎng)改造。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

以大牛地氣田盒1氣層的1口開發(fā)水平井為例，該井壓裂層位垂深為2 461m，巖性主要為巖屑砂巖，物性較好，水平段長為1 200m。設(shè)計分8級壓裂，每級3簇射孔，設(shè)計施工排量為2.5～13.2m3/min，主壓裂施工平均排量為12.0m3/min，設(shè)計壓裂縫長為140m。根據(jù)室內(nèi)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)結(jié)果，測得層位最大最小水平地應(yīng)力差為4MPa，施工凈壓力為6MPa，由圖1可知，當(dāng)無因次距離取0.43時，對應(yīng)簇間距取值為30.1m，此時誘導(dǎo)應(yīng)力差可抵消原地應(yīng)力差，實現(xiàn)應(yīng)力反轉(zhuǎn)，利于裂縫轉(zhuǎn)向。

考慮儲層非均質(zhì)性與沿水平井筒方向應(yīng)力分布差異，設(shè)計射孔摩阻為2.0～3.0MPa，在平均設(shè)計排量12.00m3/min下，根據(jù)圖2要求單段射孔數(shù)目為32～39個，考慮排量上下波動，設(shè)計單段射孔數(shù)目為36個，對應(yīng)單簇射孔數(shù)目為12個，平均單孔流量為0.28m3/min，此時射孔摩阻為2.3MPa。設(shè)計平均每簇射孔長度為1m，由水平井段長、簇間距、射孔簇數(shù)確定平均段間距為81.5m。

該井壓裂前用酸液處理孔眼，降低破裂壓力及近井地帶摩阻，前置液采用滑溜水，攜砂液采用瓜膠壓裂液。施工中先采用0.5～2.0m3/min排量測試壓裂45min，停泵40min后重新起泵，主壓裂施工排量為12.0m3/min，油壓為44～50MPa，前置液階段添加段塞，段塞砂濃度為4%～8%，攜砂液階段采用階梯加砂方式，砂濃度為8%～25%，總施工時長為200min，總累計注入液體體積為5 741m3，總加入高強(qiáng)度陶粒為608m3。

壓裂后，先后采用3、4、5、6、8mm油嘴控制放噴，用20mm孔板求產(chǎn)，油壓為5.44～6.37MPa，火焰高為11m，呈橘黃色，試氣平均日產(chǎn)氣量為10.5×104m3/d，后續(xù)跟蹤日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在9×104m3/d，分段多簇壓裂效果顯著。

4 結(jié)論及認(rèn)識

(1) 水平井分段多簇射孔壓裂是開采致密氣的有效手段，壓裂后在儲層內(nèi)部形成多條主裂縫同時延伸，各主裂縫相互干擾，形成應(yīng)力反轉(zhuǎn)區(qū)，引起主裂縫轉(zhuǎn)向延伸并溝通分支裂縫或次級裂縫，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，尤其在高脆性、天然微裂縫發(fā)育、水平地應(yīng)力差較小的儲層，這種表現(xiàn)更為明顯。

(2) 各射孔簇有效開啟是分段多簇射孔壓裂追求的目標(biāo)，選取合理的簇間距、射孔數(shù)與射孔位置是保證壓裂效果的關(guān)鍵。當(dāng)排量一定時，簇間距的選取受縫內(nèi)凈壓力、原始地應(yīng)力差限制，合理的簇間距利于各簇裂縫間的彼此溝通；每個壓裂段需要保證一定的總射孔數(shù)，射孔簇數(shù)與每簇射孔數(shù)可根據(jù)儲層條件適當(dāng)調(diào)節(jié)；射孔位置應(yīng)選取在高含氣量、低地應(yīng)力水平、天然裂縫發(fā)育、水平應(yīng)力差小的“甜點(diǎn)區(qū)”。

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編輯 朱雅楠

20160127；改回日期：20160512

國家“973”重大專項“致密儲層人工縫網(wǎng)形成與重復(fù)壓裂改造控制機(jī)理”(2015CB250903)；中海石油(中國)有限公司科技發(fā)展項目“臨興-神府致密氣壓裂裂縫形態(tài)研究”(2016-KJZC-004)

吳百烈(1986-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2014年畢業(yè)于該校油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事非常規(guī)油氣鉆采方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.030

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