氣田裸眼水平井分段壓裂工藝技術及其應用探討

姚彬

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司，河北 任丘 062552）

0 引言

我國從上世紀80年代起就開始重視水平井分段壓裂技術，該技術幫助我國油氣行業快速發展起來，最終在國際上占有一席之地。本文主要針對裸眼水平井分段壓裂技術的要點進行了一些探討，希望能夠對氣田開發工作有所幫助。

1 裸眼水平井分段壓裂工藝技術的現狀

水平井分段壓裂工藝技術在中國的油田及天然氣田作業中被廣泛應用，根據其分隔方式的不同主要分為化學隔離技術、限流壓裂技術、機械封隔分段壓裂技術以及水力噴射壓裂技術四種。裸眼水平井分段壓裂技術是采用裸眼封隔器進行分段壓裂的一項技術，也是機械封隔技術的一種，相對于其他技術來說它操作簡單，能夠有效提高油氣田的開發效益，因此也是當前油田和天然氣田實現增產的主要手段。

2 氣田裸眼水平井分段壓裂工藝技術

2.1 裸眼水平井分段壓裂結構及原理

裸眼水平井分段技術是能夠提高低滲透、低孔以及低壓油氣藏產能的工藝技術，該項技術的施工流程較為簡單，工作效率較高，因此在氣田作業中也經常被使用。其具體的結構和原理為，在封隔器加滑套進行分段壓裂的過程中，管柱采用兩種滑套配合使用，即采用投球式的噴砂滑套和壓差式的開啟滑套，將兩種滑套與封隔器、球座、密度較低的小球、水力錨以及篩管等結構結合運用。在現場進行施工過程中將水平井分段壓裂的管柱與壓裂管柱銜接起來，然后將整體結構下放在井下的指定位置，將密度較低的小球投入到井內，然后利用泵車向井內加壓，將球座通道封閉，讓封隔器提高，當滑套內的銷釘在壓力作用下被剪斷時，利用壓力將內滑套下行推動到指定位置，然后進行鎖緊，利用外部噴砂孔開展壓裂，在壓裂施工的過程中逐次將密度較低的小球投入進去，將所有裂縫壓開。在施工結束后，利用補球器將投入的小球進行回收，避免影響后續的作業[1]。

2.2 裸眼水平井分段壓裂的工序及工具

在氣田作業時，通常要保證裂縫可以在分段壓裂過程中集中起裂，因此要使用兩種封隔器進行配合，然后開始進行單段式壓裂，例如，可以將整個水平井分為5段，采用8個裸眼式封隔器來分段操作，其具體的工序流程為圖1所示。其中，可以在分段壓裂施工開始之前選用反打開滑套，這樣就能夠保證在壓裂施工時監測到井內壓力[2]。裸眼水平井分段壓裂工藝所使用的工具較多，其中包括用作打撈的通井規、銑柱、反打開滑套、壓差式開啟滑套、投球式噴砂滑套、密度較低的小球、裸眼式封隔器、懸掛式封隔器以及浮鞋等。其中通井規的規格參數為外徑150毫米，長度為0.8米；銑柱的規格參數為外徑150毫米，內通徑為55毫米，長度為1.31米；反打開滑套的規格參數為外徑127毫米，內通徑為62毫米，長度為0.54米，啟動壓強為28兆帕；壓差式開啟滑套的規格參數為外徑142.8毫米，內通徑為98.4毫米，長度為0.82米，啟動壓強為25.6兆帕；投球式噴砂滑套的規格參數為外徑142.8毫米，內通徑為6.35毫米梯度，其分級段數小于6級，外徑為142.8毫米，長度為1.24米，啟動壓強為13.8兆帕；密度較低的小球外徑為31.8-57.2毫米；浮鞋的規格參數為外徑127毫米，長度為0.46米。

圖1 裸眼水平井分段壓裂工序過程

2.3 裸眼水平井分段壓裂裂縫起裂工藝機理

氣田井內壁會因為無限大地層水平鉆進入到井內而產生應力集中現象，該過程的應力模型如圖2所示。假設在水平位置上，最小的應力方向與井筒方向互相平行，則其徑向應力和垂向應力都可以通過計算得出，其具體的計算過程還要通過測量井內的最小主應力、最大主應力、徑向距離、井口的半徑、井口與水平面的夾角、井內與孔隙壓強、平均溶度以及地層的深度等參數信息，然后利用公式進行計算。

圖2 應力作用下水平井的物理模型

2.4 計算裸眼水平井裂縫的起裂壓力及起裂位置

水平井巖石斷裂應當符合張性破壞原理，因此，為了使裸眼水平井內的巖石出現起裂現象，就要破壞井壁巖石的抗張力強度以及圓周切向應力的規律，要確保起裂壓力等于井壁巖石抗張力強度和圓周切向應力的相加作用，由于井壁的巖石抗張力強度通常是固定不變的，因而在計算裸眼水平井裂縫的起裂壓力及起裂位置時，計算其圓周切向應力較為重要。以某氣田為例，將該地的地應力值帶入到應力模型結構中進行計算，先測量該地的最大應力值、最小應力值以及徑向應力值等相關參數，然后計算井壁內圓周角度不同時的切向應力[3]。

在通常情況下可認為井內的最小主應力方向與井筒方向相互平行，因此，在進行壓裂施工的過程中，產生的裂縫應當是垂直于井筒方向的橫向裂縫。但通過切向應力的計算分析可知，一般情況下水平井井筒內底部和頂部的切向應力較小，很多甚至比井內的最小主應力還要小，這就導致即使是在最小主應力方向與井筒方向垂直的情況下，壓裂施工所產生的裂縫也不會是垂直于井筒方向，而是會出現平行于井筒方向的縱向裂縫，這種縱向裂縫也是由于應力集中作用而產生的，因此還要計算裂縫的延伸大小。通過計算不同徑向距離井筒底部和頂部的圓周切向應力可以得知，一般徑向距離在井筒的4倍左右時，其應力集中作用才會大體消失，當應力集中作用消失以后再進行壓裂，就會產生垂直于井筒方向的橫向裂縫，因而可以根據這個規律來計算縱向裂縫的延伸大小。

2.5 裸眼水平井分段壓裂工藝的力學設計

2.5.1 次生裂縫與區域地應力

在進行裸眼水平井分段壓裂力學設計之前，可以對已經進行壓裂施工的同層位水平井開展凈壓力擬合工作，一般采用精確度較高的軟件來進行。在凈壓力擬合結束后可以獲得井內巖石的力學參數以及區域地應力參數，同時還能夠測得泊松比、閉合壓力梯度、產層和泥巖的閉合壓力、區域破裂壓力以及彈性模量等參數。

通過對得到的區域地應力參數及上述擬合結果進行分析可知，在地層破裂時，其裂縫內凈壓力可以由地層的破裂壓力與產層閉合壓力相減得出。當裂縫進行延伸時，其內部的凈壓力不斷上升，井底內的壓強也會不斷上升，并逐漸超過地層的破裂壓力，使得壓裂產生的裂縫不斷延伸。在裸眼水平井分段壓裂過程中，當井內的壓力達到地層破裂壓力時，會使得井內裸露段應力較為薄弱的部分產生次生裂縫，壓力轉移到次生裂縫以后，主裂縫也將不會再擴張延伸。由于次生裂縫沒有可造縫的前置液，因此會導致井內的壓強不斷攀升[4]。

2.5.2 井內壓裂參數的力學設計

將兩種不同的垂直厚度和兩種不同的砂量數據輸入到區域地應力參數當中，然后利用軟件進行預測，確定井內壓裂參數的力學設計原則為保證凈壓力參數低于地層破裂時的凈壓力，具體設計由圖3所示。通過分析可知，前置液占比對凈壓力的影響較大，相對來說排量及砂濃度對于凈壓力的影響較小，且垂直厚度越高，其凈壓力的漲幅就越小。

圖3 凈壓力值受到不同因素的影響

3 氣田裸眼水平井分段壓裂工藝現場應用

對某氣田運用裸眼水平井分段壓裂工藝，通過在多口水平井進行應用，測得水平井的壓裂參數及壓后效果，獲得無阻流量、測試產量、壓裂段數、水平段長度、總液量以及總砂量等參數，最后求出平均無阻流量、平均測試產量、最高無阻流量以及最高測試產量四項參數，其效果良好，結論準確，體現出該方法設計的正確性。

根據應用效果可以得出有關技術的四個關鍵點，一是在使用裸眼水平井分段壓裂工藝技術時，工具在進入井筒前的準備工作十分重要，在壓裂施工之前打開反打開滑套可以對井內壓強進行實時監測。二是在壓裂施工過程中由于應力集中，一開始不會產生預期的橫向裂縫，會先由應力集中作用產生縱向裂縫，在應力達到一定標準時再產生橫向裂縫。三是有關于次生裂縫的產生不僅導致主裂縫的延伸停止，也可能導致出現砂堵現象，給作業帶來一定風險。四是在凈壓力的擬合過程中，通過對參數進行設計可以優化壓裂工藝，最終使得施工的效果和成功率都能夠達到預期效果。

4 影響氣田裸眼水平井分段壓裂工藝效果的因素

4.1 分段壓裂施工技術人員的水平

裸眼水平井分段壓裂工藝近些年得到廣泛使用，不僅在氣田中，在很多油田水平井中也大范圍應用。影響水平井分段壓裂效果主要因素就是人員的技術水準，由于該項技術還處在不斷優化的階段，在新材料及新技術的應用過程中，若技術人員的水平較低、經驗不足，就會對施工效果造成很大影響。很多技術人員的責任意識不佳，在操作的過程中產生不規范操作，不僅影響作業質量，造成損失，還會給分段壓裂的設備帶來不良影響，嚴重時也可能造成風險。氣田作業存在著很多危險，生產工藝的不規范是極其嚴重的錯誤，但很多企業沒有認識到這一點，對于裸眼水平井分段壓裂工藝技術的使用沒有專業化培訓，僅從利益方面來考慮工藝的發展，使得該項工藝的使用效果不佳。因此，企業應當不斷提高分段壓裂施工人員的技術水平和責任意識，進一步將該項工藝落實到實際生產，提高企業的整體經濟效益。

4.2 在施工監管方面力度不強

很多企業在采用裸眼水平井分段壓裂工藝時，沒有重視施工的監管工作。監管部門作用喪失、監管制度不完善都給水平井分段壓裂的質量帶來了影響，很多水平井在長期使用的過程中，可能會出現路基坍塌問題，也給施工帶來一定的危險性。因此，企業應當完善水平井分段壓裂過程的監管機制，明確該項工藝開展過程中的責任劃分，根據實際情況制定完整的監管制度，對施工結束后的質量檢查加大力度，促進裸眼水平井分段壓裂施工能夠有序推進。

5 結語

綜上所述，氣田裸眼水平井分段壓裂工藝是提高氣田開發產量的主要技術，它能夠提高作業效率，因而應當不斷推進該項工藝的有效落實。由本文分析可知，氣田裸眼水平井分段壓裂工藝技術要點包括：分段壓裂結構及原理、分段壓裂的工序及工具、分段壓裂裂縫起裂工藝機理、計算起裂壓力及起裂位置、分段壓裂工藝的力學設計。