水平井裸眼分段壓裂完井技術在克拉美麗氣田的應用

張藝瀚，盛志民，雷海林，徐傳友，馬永貴，宋道海，張麗萍

（西部鉆探工程有限公司井下作業公司，新疆克拉瑪依834000）

水平井裸眼分段壓裂完井技術在克拉美麗氣田的應用

張藝瀚*，盛志民，雷海林，徐傳友，馬永貴，宋道海，張麗萍

（西部鉆探工程有限公司井下作業公司，新疆克拉瑪依834000）

近年來，分段壓裂完井技術作為低孔、低滲透、儲層不連續特性油氣藏增產的重要工藝已廣泛應用于全國各大油氣田。新疆克拉美麗氣田二疊系梧洞溝組氣藏是典型的高壓、局部受巖性、物性控制的帶邊底水的構造—巖性氣藏，由于該氣藏受斷塊控制，孔滲連通性差，采用直井壓裂開采效果較差，而水平井裸眼分段壓裂完井技術能極大的增大水平段氣藏接觸面積，對于中間有多個泥巖薄夾層的氣藏更具有適應性。旨在通過引用國外先進的裸眼分段工具，進一步闡明該技術在克拉美麗氣田梧洞溝組氣藏的成效性，該技術不失為提高儲量動用程度、提高氣井單井開發效果有力手段。

水平井；裸眼完井；分段壓裂；完井管柱

水平井目前已成為提高新疆油田勘探開發綜合效益的重要途徑，但是對于低壓低滲透油氣藏水平井來說，由于單井產量達不到經濟開發的要求，這就必然面臨著儲層改造的問題。水平井分段壓裂改造已經成為提高低滲、特低滲透油氣藏儲量動用程度和采收率的重要手段。對于開發氣藏，采用裸眼水平井分段壓裂技術，可以最大限度地打開儲層，增加泄油面積，降低開發成本。水平井裸眼分段壓裂改造技術是國內外油田和石油服務公司研究的熱點問題，是提高低滲透油氣田單井產量的有效手段［1-3］。

1　儲層地質特征

克拉美麗氣田滴西178井區梧桐溝組氣藏含氣面積7.91km2，天然氣地質儲量33.38×108m3，分為上下兩套氣層，主力氣層為厚度大、發育穩定的下氣層，該主力氣層埋藏深達3595.5m，有效厚度均大于8m，氣層楊氏模量平均14247MPa，平均孔隙度10.42%，氣測水平滲透率平均0.39mD，原始地層壓力47.4MPa，氣層中部深度3595.5m，壓力系數1.345，地層溫度113.22℃；儲層巖性主要為不等粒砂巖、極細粒砂巖和粉砂巖；儲層存在極強的水敏和強水鎖、弱速敏、弱酸敏特征。梧洞溝組氣藏屬異常高壓、低孔特低滲砂巖儲層。

2　水平井裸眼分段壓裂管柱

2.1管柱結構

水平井分段壓裂完井管柱主要由錨定式封隔器、裸眼封隔器、投球壓裂滑套、壓差式滑套、座封短節、浮鞋和油管等組成，管柱結構如圖1所示。

2.2工藝原理

裸眼封隔器分段壓裂技術原理是按地質目的和工藝需求，在水平井段相應位置下入裸眼封隔器，在需要改造的位置下入壓裂滑套，封隔器座封后把水平段隔開若干段，依次投球打開滑套實現分段壓裂施工。施工完成后，壓裂管柱用作生產管柱，能夠實現快速返排并投產。

2.3完井工藝技術特點

（1）優化完井管柱組合，實現水平井選擇性分段壓裂，更大限度地發揮油氣井產能。

（2）工具一次入井可實現水平井多段壓裂作業。

（3）不需要下套管固井、射孔等作業，完井成本投入低，避免儲層二次傷害，建井周期短。

（4）壓裂施工中不需要輔助井口作業，減少壓裂作業時間、壓裂成本投入較低。

3　主要完井工具

克拉美麗氣田梧桐溝組氣藏采用國外先進的Zone Seeker水平井裸眼分段壓裂完井工具系統，主要包括裸眼封隔器、壓差式滑套、投球式滑套、套管錨定封隔器、座封短節等。工具耐溫150℃、耐壓70MPa，屬同行業中工具最短，適于現場作業。

3.1裸眼封隔器

圖1　水平井分段壓裂完井管柱示意圖①錨定懸掛封隔器；②裸眼封隔器；③投球壓裂滑套；④壓差式滑套；⑤座封短節；⑥浮鞋

裸眼封隔器是長井段水平井實現分段壓裂改造的封堵工具，用于卡封油層/氣層或分段開采。該工具隨壓裂完井管柱一起入井，通過座封球座投球憋壓，剪斷銷釘，活塞移動從而撐開膠筒，所有封隔器同時脹封，密封完井管柱與裸眼井壁之間的環空，為分段壓裂提供有效封堵，座封位置選擇在井徑規則的井段，壓裂過程中可承受70MPa壓差，其結構如圖2所示。

圖2　裸眼封隔器結構示意圖

3.2壓差式滑套

壓差式滑套是完井管柱與地層連通的通道。壓差滑套是第1段的壓裂通道，安裝在完井管串下部，主要通過座封球座憋壓，利用內滑套上、下截面受力面積不一樣產生壓差，打開滑套，連通完井管柱與地層。壓差式滑套的結構如圖3所示。

圖3　壓差式滑套的結構示意圖

3.3投球壓裂滑套

投球壓裂滑套與壓差式滑套一樣，是完井管柱與地層連通的通道。不同的是，它是通過投球憋壓來打開滑套，實現完井管柱與地層的連通。投球滑套的結構如圖4所示。

圖4　投球壓裂滑套的結構示意圖

3.4套管錨定式封隔器及棘齒密封回插工具

套管錨定式封隔器是水平井分段壓裂的重要工具，集密封與懸掛于一體，其作用是完井管柱定位。錨定式封隔器座封時，首先憋壓至22MPa左右，維持15min，然后在鉆具上提懸重的基礎上帶壓上提和下放管柱15t，確保懸掛器成功座封。懸掛器上部有回接裝置，在進行回接時保證回接插頭順利插入。回接工具和懸掛器的結構示意圖如圖5、圖6所示。

圖5　棘齒密封回插工具結構示意圖

4　水平井裸眼分段完井技術

4.1井眼清潔

針對梧桐溝儲層井眼存在縮徑、掉塊、虛泥餅、水平段巖屑床，以及水平波浪型調整井段造成管柱難下而采取如下措施。

圖6　套管錨定式懸掛封隔器結構示意圖

（1）采取每趟鉆通井到底第一循環周打入高粘、段塞，第二周大排量洗井盡可能清潔巖屑床。

（2）通過泵入潤滑劑及加入固體石墨粉措施分階段對井眼降摩減阻，對井眼加入乳化劑等措施，確保完井鉆井液性能的穩定，在長提鉆前打入稠漿封住水平裸眼段井眼，起到一定的懸浮作用，保證后期完井管柱順利下入井底，控制完井鉆井液摩擦系數控制在2.5°以內。

4.2模擬通井

采用特制滿眼螺旋銑柱，以逐級增加鉆具鋼性通井方法，單螺旋銑柱通井為輔、雙螺旋擴眼器通井為主的通井技術措施。

（1）以摩阻軟件計算的完井管柱下入摩阻為參考，通井模擬管柱現場“擬合”，對于梧桐溝組儲層砂層厚度變化快、泥巖夾層多的特點，重點采取雙螺旋擴眼器慢劃眼、洗井等通井技術措施，通井摩阻必須控制在參考范圍內。

（2）梧桐溝組水平段調整井段較多，尤其是“波浪形軌跡”較突出，采取每通必劃措施，將通井摩阻降到可控范圍內。

4.3壓裂管柱組合

受梧桐溝儲層軌跡特定波浪型影響，為保證后期壓裂施工的順利進行，采取雙壓差滑套、單封單卡管柱組合及技術套管內靠近A點附近安裝封隔器技術，并結合摩阻軟件優化管柱組合及封隔器安放位置，現場施工設計中盡可能減少短套管調整短節，以減少管柱的下入摩阻。

5　水平井裸眼分段壓裂設計

5.1單井壓裂段數、段距確定

一般而言，地層滲透率越低，流體粘度越高，要求的水平井段裂縫間距越小，對同樣長度水平段的壓裂段數越多。

梧桐溝組水平井水平段長設計為950m左右，壓裂裂縫間距60～80m。水平井壓裂段間距設置80m，單井壓裂段數可達到12段。實際單井壓裂段數與位置需依據水平段測井解釋結果進行優化。

5.2分段完井原則

（1）裸眼封隔器應盡量避開裂縫發育井段，應在物性、電性較差且井徑變化率較小井段上。

（2）井口裝置、完井管柱及壓裂工具匹配合理。

（3）壓裂端口放置于本段物性、氣測顯示最好，應力較低的儲層段。

（4）最大限度地利用裸眼井段，使水平段產層得到有效利用。

5.3懸掛封隔器座封位置

套管錨定封隔器座封位置由最大井斜、固井質量、壓裂時壓裂管柱受力及尾管密封膠筒位移等因素決定，因此，尾管懸掛器及回接密封總成的下入要求為：

（1）所下位置最大狗腿不超過8°/30m，井斜角小于30°。

（2）套管錨定封隔器座封位置固井質量要好，避開套管接箍（CBL/CCL）。

（3）座封位置在技術套管鞋以上300m。

5.4分段壓裂完井管柱優選

水平井壓裂后產量一般是直井的3～4倍，梧桐溝組氣藏水平井壓后產氣量可達15.0×104m3/d以上，優選?114.3mm×7.37mm P110尾管+回接?114.3mm× 7.37mm P110套管的完井壓裂管柱可以滿足氣井攜液的生產。相比于?114.3mm×7.37mmP110尾管+回接?88.9mm×6.45mm P110外加厚油管完井壓裂管柱，前者優點如下：

（1）可選用較大的壓裂球和球座，減輕攜砂液對球座的沖蝕，降低滑套開啟失敗風險、減小球座節流附加壓力。

（2）可有效降低管柱泵注摩阻，降低地面施工泵壓，提高管柱、泵車等設備施工安全系數。

（3）可為后期排液采氣工藝速度管柱尺寸的優化提供更多的選擇范圍。

5.5分段壓裂完井管柱安全校核

根據裸眼完井分段壓裂水平井的實施情況分析表明，封隔器的承壓能力是完井壓裂管柱的受力最薄弱點。

依據梧桐溝組氣藏地層壓力、水平井井深、壓裂套管及封隔器的基本性能參數進行管柱安全校核。當砂濃度為720kg/m3極限砂堵時，封隔器能承受的最大地面施工限壓為66.68MPa，滿足現場70MPa限壓施工的要求。

對管體抗內壓進行強度校核，基于梧桐溝組氣藏水平井現場數據，計算了施工排量5.0m3/min、考慮球座節流壓差條件下，第1段壓裂時的沿程管柱內外壓力、壓差，抗內壓安全系數大于2，滿足現場施工。

5.6壓裂液、支撐劑優選

由于梧桐溝組氣藏水平井井深較大，壓裂施工時摩阻大，優選低傷害防水鎖胍膠壓裂液體系。該體系具有良好的降阻性，抗120℃高溫穩定性及耐剪切性能。

參考梧桐溝組鄰直井儲層壓后停泵壓力在22～27MPa之間，估算出該區水平井閉合壓力在60MPa左右，施工選擇中密高強度30/50目陶粒（承壓級別69MPa以上）作為主支撐劑，采用前置液段塞工藝，待壓開地層形成主裂縫后，選用40/70目中密度陶粒打段塞，能夠起到打磨縫口、降低濾失的作用。

5.7加砂量優化

該區梧桐溝組氣藏巖性主要為粉、細砂巖、泥質細砂巖，加砂的規模對壓裂的效果起著決定性的作用，裂縫的產能會隨著加砂的規模增大而增加。參考該區直井加砂強度，水平井各段加砂量可按照大（30m3）、中（25m3）、小（20m3）3種規模配置。

6　現場應用

2014～2015年，新疆油田在克拉美麗氣田布署5口梧桐溝組水平井，截至目前，已完成5口梧桐溝組水平井儲層改造，應用效果良好。其中某井水平段長達909m，分段級數最多，為11級，砂層薄，作業難度大。下面以該井為例，介紹水平井裸眼分段壓裂完井工藝技術現場應用情況。

6.1某井基本情況

某井完鉆井深4654m，水平段長909m為四開水平井，其井身結構為：一開?444.5mm鉆頭×500m，?339.7mm套管×495.37m；二開，?311.15mm鉆頭×3140m，?244.48mm套管×3137m；三開，?215.9mm鉆頭× 3745m，?177.8mm套管×3743m；四開，?152.4mm鉆頭×4654m。

根據開發方案提供的油藏數據，在E-StimPlan壓裂軟件中建模進行裂縫參數優化，得出有利于該井長期穩產的最優裂縫間距，綜合該井的測井、錄井曲線，確定本井分段壓裂級數為11級。考慮投球尺寸及返排等因素，兼顧施工排量，本井選用級差1/10″+3/16″的可溶球。

6.2分段完井、壓裂施工工藝流程

6.2.1通井、套管刮削、鉆具稱重

（1）梧桐溝組水平段通井先采用套管刮削器+加重鉆桿+通徑規一趟鉆完成套管刮削稱重和套管通徑。

（2）然后采用單螺旋銑柱+三牙輪鉆頭通井，視摩阻準備短提趟數。

（3）重點采用雙螺旋銑柱+三牙輪鉆頭通井，對水平段調整井段進行反復多次劃眼、洗井、短提，完成模擬靜止下管柱時間。

6.2.2下入完井管柱、回接管柱

水平裸眼段下完井管串作業遵循“連續作業、控制下速、防卡”原則，裸眼封隔器進入水平段后不再灌漿，連續下入，一次性下入到位，丟手后替無固相保護液，后提鉆、下回接壓裂管柱到井口。

6.2.3壓裂施工

壓裂施工從壓差滑套開始，按照壓裂設計施工參數進行第一層壓裂。在泵注過程中，根據泵注壓力的大小，調整平衡壓力。壓裂完第一層后，停泵，開上旋塞閥，投球，關上旋塞閥，打平衡油壓，開下旋塞閥，投球結束，按設計程序泵送壓裂球。待投球滑套打開后，開始壓裂。壓后依次投入下一層壓裂球，進行一下層壓裂，直至壓裂施工結束。本井共投入10只可溶球，施工較順利。

6.2.4壓后返排、試氣

施工結束后4h開井合層排液，根據放噴情況隨時調整放噴措施。采用修正等時試氣，獲6.0mm油嘴，油壓33.50MPa，套壓10.13MPa，日產氣20×104m3。

6.3壓裂施工曲線分析

某井于2015年4月7～10日進行了投球分段壓裂施工，11段壓裂施工順利完成，達到設計要求。11段壓裂施工共泵入總液體4230.7m3，加砂301m3，施工排量5.0～5.2m3/min，施工壓力28～51MPa，停泵壓力24～26Pa。從圖7可以看出，每次投球后，油管壓力都有一個突變過程，說明打開了滑套，各級投球打開滑套壓力44～51MPa，均正常順利打開，且顯示明顯，1～11級的施工壓力都比較平穩。各項指標達到設計要求，投產后該井初期日產天然氣20×104m3。

6.4壓后評估

本井第四級壓后30min測壓降，由于僅獲得油壓值（影響因素較多）故僅對第四級進行施工擬合，對了解儲層參數，裂縫發育情況有一定參考價值，經過擬合，儲層參數在一定程度上接近實際情況，從而可以相對預測裂縫形態。第四級主壓裂施工設計與擬合參數對比見表1。

由軟件模擬結果可見，第四級裂縫的形態、裂縫長度、寬度、液體效率均較設計指標高，而縫高則較設計值低，這印證了頂底泥巖隔層對裂縫高度起到了有效的控制作用。壓裂施工按照設計完成，得到較好的支撐裂縫，從裂縫擬合情況看，該井獲得與儲層接觸面積較大，達到設計目的。

6.5實施效果分析

現場實施5口井中，除X-1井因完井管柱漏點（非工具問題）未正常壓裂施工完，其余4井均按設計分段壓裂施工完成，總體結果令人滿意，5口井天然氣產量均達到設計要求，裸眼分段壓裂完井技術在梧桐溝組氣藏取得了較好的開發效果。梧桐溝組已實施分段壓裂完井水平井數據統計見表2。

圖7　某井壓裂施工曲線

表1　第四級主壓裂施工設計與擬合參數對比表

表2　梧桐溝組已實施分段壓裂完井水平井數據統計表

7　認識與建議

（1）在對井眼軌跡和井筒認識清楚的前提下，優化模擬通井程序，確保在水平井裸眼完井條件下一次性下入水平井裸眼分段壓裂管柱。

（2）分段完井技術是一項技術含量高、工序復雜的工藝技術，在施工過程中具有不可逆的特點。現場施工必須做到精心組織施工，井口設備配套齊全，才能保證該工藝技術的成功率。

（3）經過5口井分段壓裂完井工藝的成功實施，充分體現出了裸眼封隔器完井分段壓裂工藝技術成熟、工具性能穩定、壓裂液性能良好，能夠滿足新疆油田克拉美麗等油氣田水平井分段改造的需要。

（4）實踐證明，停泵投球技術及多級段塞和階梯加砂泵注程序優化技術是保證分段壓裂施工安全、成功的基礎。

（5）通過滴西178井區梧桐溝組水平井的壓裂施工及后期試氣顯示表明，水平井都較周邊同層位直井產量有大幅度提升，水平井裸眼分段壓裂改造完井是此區塊優選的開發方式。

［1］王建軍，于志強.水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術及工具［J］.石油機械，2011，39（3）：59-62.

［2］陳作，王振鐸.水平井分段壓裂工藝技術現狀及展望［J］.天然氣工業，2007，27（9）：78-80.

［3］李宗田.水平井壓裂技術現狀與展望［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：13-18.

［4］朱正喜，李永革.水平井裸眼完井分段壓裂技術研究［J］.石油礦藏機械，2011，40（11）：44-47.

［5］張恒，劉洋，等.水平井裸眼分段壓裂完井技術在蘇里格氣田的應用［J］.石油鉆探技術，2011，39（4）：77-80.

TE357.1

B

1004-5716（2016）01-0095-05

2015-10-08

2015-10-20

張藝瀚（1975-），男（漢族），四川安岳人，高級工程師，現從事側鉆井、水平井鉆完井技術研究及應用工作。