水平井多段分簇射孔優化設計

李海濤，盧 宇，謝 斌，黃 宇，聶尊浩

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

?

水平井多段分簇射孔優化設計

李海濤1，盧 宇1，謝 斌2，黃 宇3，聶尊浩3

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

水平井多段分簇射孔技術是“體積改造”的關鍵技術之一。目前大多數分簇射孔是基于常規射孔經驗設計，未做深入具體的定量研究。用布孔數取代孔密的概念，分析沿水平井筒破裂壓力差異，設計各簇的布孔數目，調節簇內孔眼節流摩阻大小，發揮射孔孔眼分簇限流的作用，從而實現壓裂過程中各射孔簇同時起裂和均勻進液。同時，基于裂縫起裂擴展過程中應力干擾作用，建立二維分析模型，確定裂縫發生轉向時的臨界縫間距，并以此作為射孔簇間距設計的依據，給出了分簇射孔關鍵參數(相位、孔深、簇長度、簇數)的設計原則，形成了一套分簇射孔優化設計方法。利用該方法對一口實例井進行了分簇射孔設計，微地震監測表明，分簇射孔后壓裂形成復雜縫網，較鄰井效果要好。該方法對現場分簇射孔設計具有指導意義。

分簇射孔；復雜縫網；分簇限流；應力干擾；射孔摩阻；水平井

0 引 言

目前國內非常規油氣藏分簇射孔的設計大多數參照國外固定模式，各段、各族射孔數大多采取相同孔密設計，設計時沒有充分考慮應力干擾影響，忽略了分段壓裂井“體積改造”需同時起裂，形成復雜縫網的要求[1-8]。為此，引入分簇限流原理，用布孔數取代孔密概念，利用應力干擾原理，優化簇間距和射孔位置，同時確立分簇射孔關鍵參數的設計原則，形成了整套分簇射孔參數優化設計方法。

1 分簇射孔參數優化設計

1.1 分簇射孔孔深與孔徑

在分簇射孔壓裂井中，裂縫一般都是在接近孔眼的部分起裂并逐步向阻力最小的優勢裂縫平面擴展，且射孔彈的穿透性能與套管孔眼直徑的大小相互制約。研究發現，射孔深度為1.0～1.5倍井筒直徑的射孔彈可降低破裂壓力，井筒破壞深度接近1.0倍的井筒直徑。在射孔孔徑過大時很難建立起足夠大的回壓來實現分簇限流，若孔眼太小，則存在支撐劑鋪置問題。為防止支撐劑在井筒附近橋接，孔眼直徑應大于支撐劑直徑的8～10倍[7]。

1.2 分簇射孔布孔數

用射孔孔眼數目(布孔數)取代孔密的概念。射孔后壓裂一般盡可能采取大排量施工，根據儲層、井筒條件確定壓裂液在各條裂縫內的分配，利用射孔孔眼摩阻提高井底壓力，依次壓開破裂壓力相近的地層，實現多裂縫同時起裂和均勻進液，使裂縫不斷延伸、擴展[9-10]。在分簇射孔后的壓裂過程中，由井口注入的壓裂液通過井筒進入地層，整個水平井筒和裂縫為一個壓力平衡體系，多裂縫同時起裂遵循壓力平衡原則與體積守恒原則。

體積守恒原則：

(1)

以水平段含3個射孔簇為例，假設壓裂過程中每個射孔簇產生一條裂縫，多簇裂縫同時起裂，射孔后多裂縫間的壓力平衡關系見式(2)～(4)。首先根據水平段內各簇之間的地應力、沿程摩阻、破裂壓力計算出各射孔簇內所需達到的孔眼摩阻，再根據壓裂施工排量在裂縫間的流量分配[9]與孔眼直徑確定各簇的布孔數目。

p1+pf1=p2+pf2+p12

(2)

p2+pf2=p3+pf3+p23

(3)

(4)

式中：Qt為施工排量，m3/min；Qi為裂縫縫內流量，m3/min；m為裂縫數，條；p1、p2為破裂壓力，MPa；pf1、pf2、pf3、pfi為射孔孔眼摩阻，MPa；p12、p23為沿程摩阻，MPa；ρf為攜砂液密度，g/cm3；Np為孔眼個數；df為孔眼直徑，cm；Cd為流量系數。

1.3 分簇射孔相位

射孔方向與最大主應力方向一致是壓裂井最理想的射孔方式，因為此時沿著射孔孔眼起裂的裂縫，將會沿最小阻力的優勢裂縫平面進行擴展。目前最普遍的射孔相位為60 °，該相位下可增加朝著最大主應力方向射孔的概率，且施工過程中較少出現問題。

1.4 分簇射孔簇間距優化

為充分發揮應力干擾作用，使分簇射孔壓裂形成更為復雜的裂縫網絡體系，提高油氣井產量，采用Sneddon誘導應力場模型[10]，以水平最大、最小主應力方向發生轉向作為裂縫轉向判斷依據，即裂縫原始最大、最小水平主應力之差小于該條裂縫受到的最小水平主應力方向的誘導應力與最大水平主應力方向的誘導應力之差，以裂縫轉向時誘導應力差對應的臨界縫間距作為分簇射孔合理的簇間距：

(5)

1.5 分簇射孔簇長度和射孔簇位置

為防止壓裂過程中壓力過高，同時利于多裂縫起裂。推薦分簇射孔簇長度小于4倍井筒直徑[9]。通過優化射孔簇位置，可以增加有效裂縫沿井筒的分布，提高油氣產量。射孔位置應布置在巖石力學性質較好且具有產生裂縫和擴展裂縫能力的位置，以及儲層物性較好且具有一定產油氣能力的位置，并需要考慮井筒固井質量等，需避開套管接箍等因素影響，同時結合分簇射孔優化的合理間距，最終決定射孔位置。

2 實例分析

某致密油油藏某井水平段長度為1 304 m，儲層巖石密度為2.17～2.69 g/cm3，儲層平均溫度為86.6 ℃，孔隙度平均為10.6%，滲透率平均為0.258×10-3μm2，原油密度平均為0.888 g/cm3。目標層段為泥質粉砂巖儲層，楊氏模量為20 000～40 000 MPa，泊松比平均值為0.21，水平最小主應力為53～70 MPa，脆性指數為38%～75%，部分層段可見到裂縫發育，滿足體積壓裂改造的儲層特征。結合該井壓裂裂縫參數優化設計要求，對目標井誘導應力場進行分析，計算不同凈壓力時水平誘導應力差的變化(圖1)。

圖1 誘導應力計算結果

由圖1可知，在該井開啟壓力為15.18 MPa時，當誘導應力之差大于該井原始最大與最小主應力之差(9 MPa)時裂縫發生轉向，則該水平誘導應力差對應的裂縫間距33.8 m為應力干擾優化的分簇射孔的合理簇間距。再結合目標井固井質量、油藏質量、天然裂縫發育的位置等來優化分簇射孔簇位置(圖2)。

由圖2可知，該井水平段破裂壓力剖面上破裂壓力有一定差異，分簇射孔時可以采取分簇限流射孔方式實現分簇限流。按照上述分簇限流設計方法計算，在該井分簇射孔位置內，采取不同的布孔數設計，優化設計后的最大布孔數達14個/簇，最小布孔數為8個/簇。全井采用38CCleanPACK射孔彈分16段分簇射孔，共射孔46簇。第1段用連續油管傳輸射孔方式，射孔長度為3.0 m。第2～16段用多簇射孔與電纜泵送橋塞聯作工藝，逐級打開壓裂通道，每段射孔3簇，每簇射孔長度為0.5 m。各簇內采取分簇限流進行布孔數優化設計(表1)，射孔相位為60 °。現場分簇射孔施工作業順利。壓裂施工過程中水力裂縫延伸微地震監測結果顯示，在各段射孔孔眼處均產生了一定復雜程度的裂縫網絡，共發生微地震事件14 360個，較鄰井微地震數(11 483個)有較大提升。該井壓裂投產后平均日產油為22.8 m3/d，較鄰井提高21%，說明該井分簇射孔設計方法效果明顯。

圖2 水平段破裂壓力剖面

表1 分簇射孔布孔數優化結果

3 結 論

(1) 用布孔數取代孔密的概念，結合分簇限流原理建立了分簇射孔布孔數設計方法，確定了射孔關鍵參數的設計原則：孔徑應大于支撐劑直徑的8～10倍，射孔深度為1.0～1.5倍的井筒直徑，射孔簇長度小于4倍井筒直徑，相位為60 °。

(2) 基于裂縫間應力干擾原則，確定裂縫臨界轉向距離為分簇射孔優化簇間距，并結合井筒固井質量和儲層質量共同確定射孔簇位置。

(3) 現場微地震監測結果表明，分簇射孔后壓裂能形成復雜縫網，投產后較鄰井日產油量有較大提升。

[1] 王歡，等.非常規油氣藏儲層體積改造模擬技術研究進展[J].特種油氣藏，2014，21(2)：8-16.

[2] 李龍龍，吳明錄，姚軍，等.射孔水平井產能預測方法[J].油氣地質與采收率，2014，21(2)：45-50.

[3] 方思冬，戰劍飛，黃世軍，等.致密油藏多角度裂縫壓裂水平井產能計算方法[J].油氣地質與采收率，2015，22(3)：84-89.

[4] 王歡，廖新維，趙曉亮，等.超低滲透油藏分段多簇壓裂水平井產能影響因素與滲流規律——以鄂爾多斯盆地長8超低滲透油藏為例[J].油氣地質與采收率，2014，21(6)：107-110.

[5] 孫致學，等. 分段射孔水平井產能計算新方法[J]. 大慶石油地質與開發，2014，33 (6)：75-82.

[6] GRUESBECK C，COLLINS R E.Particle transport through perforations[C].SPE7006，1982：857-865.

[7] JEFFREY R G，BUNGER A，ZHANG X.Constraints on simultaneous growth of hydraulic fractures from multiple perforation clusters in horizontal wells[C].SPE163860，2013：1-17.

[8] WUTHERICH K，WALKER K J.Designing completions in horizontal shale gas wells： perforation strategies.society of petroleum engineers[C].SPE155485，2012：1-10.

[9] LECAMPION B，DESROCHES J.Simultaneous initiation of multiple transverse hydraulic fractures from a horizontal well[C].ARMA14-7110，2014：1-20.

[10] WARPINSKI N R，BRANAGAN P T.Altered-stress fracturing[C].SPE17533，1989：990-997.

編輯 孟凡勤

20151111；改回日期：20160316

國家重大科技專項“非常規油氣資源井壓后返排優化與攜液理論研究”(2016ZX05-037-005-001)和“深層碳酸鹽巖氣藏氣井完井關鍵技術研究與應用”(2016XZ05-010-010-003)

李海濤(1965-)，男，教授，1990年畢業于西南石油學院油氣田開發專業，2006年畢業于西南石油大學油氣田開發專業，獲博士學位，現從事完井工程、注水理論與技術方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.032

TE355.6

A

1006-6535(2016)03-0133-03