致密氣水平井分段多簇壓裂關鍵參數優選

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 (北京)，北京 102249)

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致密氣水平井分段多簇壓裂關鍵參數優選

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 (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、壓裂后生產數據等參數，運用彈性力學方法，建立誘導應力計算模型。結合實際井數據，優選了簇間距、射孔數、射孔位置等參數。結果表明：簇間距的選取受施工凈壓力與地應力差的限制；單段總射孔數受排量、地應力差的影響，單簇射孔數與簇數需根據實際條件調節；最佳射孔位置為含氣量高、天然裂縫發育、地應力差較低的區域。該文對致密氣藏現場選取合理射孔參數，提高壓裂效果具有重要指導作用。

致密氣；分段多簇壓裂；誘導應力；簇間距；射孔

0 引 言

中國致密氣儲層非均質性強，物性差，具有明顯的低孔、低滲特征，自然狀態下基本無工業產能[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，國內外許多學者進行了針對性的研究。Chaudhary[5]、尹洪軍[6]等以致密儲層為研究對象，采用數值模擬方法[7-8]研究了水平井橫斷裂縫間距對產量和采收率的影響，認為裂縫間距越小，產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能的影響，認為在天然裂縫聚集區射孔可使累計產量提高20%以上。運用彈性力學方法，建立了水平井分段壓裂誘導應力場計算模型，提出簇間距確定方法，優化射孔數及優選射孔位置方法。該研究對于提高水平井分段多簇射孔效率，合理選取壓裂設計參數，提高壓裂優化設計水平具有重要理論指導意義。

1 分段多簇射孔壓裂機理

分段多簇射孔壓裂形成多條裂縫，彼此之間受應力干擾影響，裂縫擴展延伸難度增大，裂縫延伸凈壓力升高[10]，使得微裂縫剪切開啟，容易產生分支裂縫或次級裂縫，整體形成復雜縫網，充分改造儲層。在最大、最小水平主應力方向存在誘導應力差值，當誘導應力差值大于原始最大、最小水平主應力差值時，會形成應力反轉區(原來最大水平主應力方向變成最小水平主應力方向)。在應力反轉區內，裂縫在延伸過程中會發生轉向，促使復雜裂縫形成，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，與常規分段壓裂相比，可大幅縮短作業周期，降低作業成本，提高作業時效[11]。

2 關鍵參數優化

分段多簇壓裂效果主要受3個關鍵參數影響：簇間距、射孔數、射孔位置。

2.1 簇間距優化

簇間距對于能否形成高效貫通的裂縫網絡具有重要影響。簇間距過大，多簇射孔應力干擾優勢不明顯，不能充分促進裂縫網絡形成；簇間距過小，受誘導應力擠壓影響，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凈壓力作用下誘導應力場分布，依據彈性力學理論[12-13]，平面上某點誘導應力與縫內凈壓力、該點與裂縫中心點距離、水力裂縫半長等因素有關。在x、y方向產生的誘導應力及二者差值分別為：

(1)

(2)

Δσ誘導=σx誘導-σy誘導

(3)

(4)

式中：σx誘導為x方向誘導應力，MPa；σy誘導為y方向誘導應力，MPa；Δσ誘導為誘導應力差，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到裂縫前尖端點、中心點、后尖端點的距離，m；L為裂縫半縫長，m；θ1、θ2、θ3為平面任意一點分別與裂縫前尖端點、中心點、后尖端點連線與y軸負向之間的夾角，°。

裂縫兩側具有對稱性，以裂縫右側為例，為求取區域內任意一點誘導應力值，推導并建立各角度(θ1、θ2、θ3)與各距離值(r1、r2、r3)轉換關系(表1)。

表1 各角度與各距離對應關系

為方便表述，采用無量綱量表示誘導應力與簇間距關系。定義無因次誘導應力值為誘導應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力差下所需要的無因次距離。

當誘導應力差大于或等于原始最大、最小水平地應力差值時，利于實現水力裂縫擴展轉向，形成復雜裂縫，由此可確定最優射孔簇間距[14]。由圖1可知，誘導應力差曲線在前半段呈上升趨勢，最優簇間距隨著原始地應力差的增大而增大，但誘導應力差存在最大值。實際中，當誘導應力差不足以抵消原地應力差時，水力裂縫延伸不易發生轉向，此時可通過提高排量增大裂縫內凈壓力，致使誘導應力差增大，以滿足抵消原地應力差的要求?，F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，增大誘導應力差，實現裂縫轉向延伸。對于圖1，若原始最大、最小水平地應力差為4MPa，則最優簇間距對應的無因次距離為0.43。一般情況下，根據原始地應力條件，通過選擇合理的簇間距促使裂縫轉向擴展，增強各簇裂縫彼此間溝通，利于形成復雜裂縫網絡，達到體積改造目的。

圖1 不同原始地應力差下模擬計算結果

2.2 射孔數優化

受儲層應力非均質性影響，分段多簇射孔壓裂時，同一壓裂段內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力非均質性影響。

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，個；df為射孔孔眼直徑，m；Cd為流量系數。

假設壓裂液密度為1.0g/cm3，射孔孔眼直徑為0.01m，流量系數為0.85，作射孔摩阻與射孔數關系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，隨射孔數的增多，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，以平衡原地應力差，因此，每簇射孔數不能過多。同時也不能過少，導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關系曲線

對于分段多簇壓裂而言，在一個壓裂段內，一定排量下應保持總的射孔孔眼數一定，單簇射孔孔眼數與射孔簇數可適當調節?？紤]不同射孔位置處應力差異，高應力區應保持較多射孔，低應力區較少射孔。

2.3 射孔位置優化

射孔位置的選擇對產量同樣重要[19]。北美致密氣井壓裂后生產測試數據統計表明，在儲層高應力區域約有1/2的射孔簇對產量沒有貢獻，而在低應力區域30%的射孔簇卻對產量有高達70%的貢獻。

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

3 現場應用

以大牛地氣田盒1氣層的1口開發水平井為例，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。設計分8級壓裂，每級3簇射孔，設計施工排量為2.5～13.2m3/min，主壓裂施工平均排量為12.0m3/min，設計壓裂縫長為140m。根據室內巖石聲發射Kaiser效應結果，測得層位最大最小水平地應力差為4MPa，施工凈壓力為6MPa，由圖1可知，當無因次距離取0.43時，對應簇間距取值為30.1m，此時誘導應力差可抵消原地應力差，實現應力反轉，利于裂縫轉向。

考慮儲層非均質性與沿水平井筒方向應力分布差異，設計射孔摩阻為2.0～3.0MPa，在平均設計排量12.00m3/min下，根據圖2要求單段射孔數目為32～39個，考慮排量上下波動，設計單段射孔數目為36個，對應單簇射孔數目為12個，平均單孔流量為0.28m3/min，此時射孔摩阻為2.3MPa。設計平均每簇射孔長度為1m，由水平井段長、簇間距、射孔簇數確定平均段間距為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，油壓為5.44～6.37MPa，火焰高為11m，呈橘黃色，試氣平均日產氣量為10.5×104m3/d，后續跟蹤日產氣量穩定在9×104m3/d，分段多簇壓裂效果顯著。

4 結論及認識

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

(2) 各射孔簇有效開啟是分段多簇射孔壓裂追求的目標，選取合理的簇間距、射孔數與射孔位置是保證壓裂效果的關鍵。當排量一定時，簇間距的選取受縫內凈壓力、原始地應力差限制，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，射孔簇數與每簇射孔數可根據儲層條件適當調節；射孔位置應選取在高含氣量、低地應力水平、天然裂縫發育、水平應力差小的“甜點區”。

[1] 王歡，廖新維，趙曉亮，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)：8-14.[2] 吳奇，胥云，王曉泉，等.非常規油氣藏體積改造技術——內涵、優化設計與實現[J].石油勘探與開發，2012，39(3)：252-258.

[3] 任勇,馮長青,胡相君,等.長慶油田水平井體積壓裂工具發展淺析[J].中國石油勘探，2015, 20(2)：75-81.

[4] 逄仁德,崔莎莎,尹寶福, 等.鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣縫網壓裂技術應用分析[J]. 中國石油勘探, 2015, 20(6): 66-71.

[5]CHAUDHARYAS，EHLIG-ECOMIDESC，WATTENBARGERR.Shaleoilproductionperformancefromastimulatedreservoirvolume[C].SPE147596，2011:1-21.[6] 尹洪軍，楊春城，唐鵬飛，等.大慶長垣YP1超長水平井分段壓裂優化設計[J].特種油氣藏，2014，21(5)：68-71.

[7] 任殿星,周久寧,田昌炳，等.復雜逆斷塊油藏地質建模及其數值模擬網格粗化的一種解決方案——以英東一號油藏為例[J]. 中國石油勘探, 2015, 20(6): 29-38.

[8] 陳祖銀,王用軍,彭達.彈性波波場分離數值模擬[J].中國石油勘探，2014,19(6)：47-53.

[9]MULLENM，PITCHERJ，HINZD，etal.DoesthepresenceofnaturalfractureshaveanimpactonproductionacasestudyfromtheMiddleBakkenDolomite，NorthDakota[C].SPE135319，2010:1-15.

[10]CHENGY.Boundaryelementanalysisofthestressdistributionaroundmultiplefractures：implicationsforthespacingofperforationclustersofhydraulicallyfracturedhorizontalwells[C].SPE125769，2009：992-1001.

[11] 任勇，葉登勝，李劍秋，等.易鉆橋塞射孔聯作技術在水平井分段壓裂中的實踐[J].石油鉆采工藝，2013，35(2)：90-93.

[12] 方思冬， 程林松， 李彩云，等. 應力敏感油藏多角度裂縫壓裂水平井產量模型[J].東北石油大學學報，2015，39(1)：87-94.

[13] 汪道兵, 葛洪魁, 周福建，等. 注入流體誘導應力場模擬計算[J].東北石油大學學報，2015，39(2)：85-93.

[14] 袁俊亮，鄧金根，張定宇，等.頁巖氣儲層可壓裂性評價技術[J].石油學報，2013，34(3)：523-527.

[15]EL-RABAAAM，SHAHSN，LordDL.NewperforationpressurelosscorrelationForlimitedentryfracturingtreatments[C].SPE54533，1999：63-71.

[16] 雷鑫， 張士誠， 許國慶，等. 射孔對致密砂巖氣藏水力壓裂裂縫起裂與擴展的影響[J].東北石油大學學報，2015，39(2)：94-101.

[17] 丁惠姝.喇嘛甸油田二類油層聚驅油井壓裂效果預測方法 [J]. 大慶石油地質與開發，2013，32(4)：76-80.

[18] 鄒信芳，鞏繼海，胡仲敏，等.松遼盆地北部中淺層壓裂返排液示蹤監測技術[J]. 大慶石油地質與開發，2013，32(4)：86-89.

[19]CIOPOLLACL，LOLONEP，DZUBINB.Evaluatingstimulationeffectivenessinunconventionalgasreservoirs[C].SPE124843，2009:1-17.

[20]KOKJ，etal.Thesignificanceofaccuratewellplacementintheshalegasplays[C].SPE138438，2010:1-7.

編輯 朱雅楠

20160127；改回日期：20160512

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

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

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.030

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