海上油田水力壓裂儲層改造技術(shù)研究與應(yīng)用

摘 要：【目的】為了實現(xiàn)海上油田含油氣儲層的精細評價與改造，進一步提升海上油田勘探開發(fā)效益。【方法】開展基于海上油田水力壓裂儲層改造技術(shù)的研究與應(yīng)用，通過只射開下部射孔段的方式，避免以往全部射開射孔段后進行水力壓裂所帶來的改造效果差且難以彌補的短板。【結(jié)果】實現(xiàn)了海上油田目標儲層的精準評價，具有良好的增產(chǎn)效果。【結(jié)論】與傳統(tǒng)壓裂方法相比，水力壓裂儲層改造技術(shù)可以有效避免儲層評價時所產(chǎn)生的地質(zhì)與環(huán)境風(fēng)險，具有極好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：壓裂增產(chǎn)；水力壓裂；儲層改造；海上油田

中圖分類號：TE53" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.012

Research and Application of Hydraulic Fracturing Reservoir"Reconstruction Technology in Offshore Oilfield

LI Keyan

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300459，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to achieve precise evaluation and transformation of oil and gas bearing reservoirs in offshore oilfields， and further enhance the exploration and development benefits of offshore oilfields. [Methods] This paper carries out research and application of hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology based on offshore oilfields， and avoids the shortcomings caused by hydraulic fracturing after all the perforated sections being perforated， which are difficult to make up. [Findings] Accurate evaluation of target reservoirs in offshore oilfields was achieved， with good stimulation effects.[Conclusions] Compared with traditional fracturing methods， hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology can effectively avoid the geological and environmental risks generated during reservoir evaluation， and has excellent promotion value.

Keywords： fracturing to increase production; hydraulic fracturing; reservoir reconstruction; offshore oil fields

0 引言

壓裂技術(shù)是保障油氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一，而如何對壓裂效果進行準確評價一直是油氣田勘探開發(fā)工作中的重要環(huán)節(jié)。由于壓裂效果評價的準確性對于后續(xù)各項工作的開展具有重要意義，國內(nèi)外各大油氣田都開展了大量的研究工作。然而，由于壓裂系統(tǒng)本身所具有的復(fù)雜性、多目標性、動態(tài)性、信息不完備等特點， 使壓裂效果評價成為一個復(fù)雜而又困難的工作。同時，由于環(huán)保及評價精度要求的不斷提高，往往難以通過傳統(tǒng)方法對壓裂效果進行準確評價，對后續(xù)開發(fā)方案選擇、井位部署等工作帶來了諸多不便^［1-2］。

1 水力壓裂技術(shù)優(yōu)勢

由于海上油田油井通常上下油層之間隔層段較長，常規(guī)增產(chǎn)作業(yè)無法一次壓裂溝通上下兩層，而水力壓裂儲層改造技術(shù)可以通過地質(zhì)建模軟件實現(xiàn)對儲層的精細評價，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對目標儲層的有效層間封隔。

2 水力壓裂技術(shù)方案優(yōu)選

目前，在海上油田作業(yè)中常用的壓裂方案有以下兩種：方案一為上下射孔段全部射開，RTTS籠統(tǒng)壓裂+Accessfrac轉(zhuǎn)向壓裂，兩次泵注+1次轉(zhuǎn)向；方案二為只射開下部射孔段，RTTS籠統(tǒng)壓裂，一次泵注。對于有效實現(xiàn)儲層的改造來說，可以通過施工比選和產(chǎn)量比選兩個方面進行綜合評價。

①施工比選：方案一液量相對大，壓裂液費用比方案二高約54萬元，如果一次轉(zhuǎn)向不成功需要第二次頂替轉(zhuǎn)向液，增加費用約24萬元，增加工期約0.5 d，費用整體高約150萬元。

②產(chǎn)量比選：方案一（轉(zhuǎn)向壓裂）產(chǎn)量約為111.5×10 m³/d，方案二產(chǎn)量約為102×10 m³/d，理想狀態(tài)下方案一比方案二增產(chǎn)僅9.5×10 m³/d，如果方案一底層壓裂效果不如預(yù)期，產(chǎn)量可能不如方案二。

綜合評價認為方案二選取泥質(zhì)含量較低、閉合壓力較低、脆性較好、可壓性較好的射孔段，進行籠統(tǒng)壓裂一次泵注，能打破以往全部射開射孔段進行水力壓裂的方式，并可以得到理想的壓裂結(jié)果。

3 水力壓裂實施儲層改造流程

3.1 精準控制裂縫形態(tài)

3.1.1 優(yōu)化裂縫長度。通過壓裂單元劃分及參數(shù)優(yōu)化，最大限度增加儲層改造體積，實現(xiàn)儲層高效動用。壓裂裂縫參數(shù)主要是縫長和導(dǎo)流能力，優(yōu)化縫長和導(dǎo)流能力主要與儲層滲透率相關(guān)性大，在相同條件下滲透率越低，對縫長的要求越高；滲透率越高，對導(dǎo)流能力的要求越高。根據(jù)達西定律，擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能分析，結(jié)合裂縫傳輸流體至井眼的裂縫傳導(dǎo)能力與地層輸送流體至裂縫的傳導(dǎo)能力比較，得出60 mD滲透率最優(yōu)結(jié)果為最優(yōu)半縫長136 m，最優(yōu)導(dǎo)流能力200 mD·m。

3.1.2 設(shè)計泵注程序。以優(yōu)化的裂縫半長和導(dǎo)流能力為指導(dǎo)，通過改變泵注排量、液量、前置液比例，根據(jù)地層物性設(shè)計壓裂液類型和陶粒類型、粒徑，優(yōu)化得到半縫長接近或不小于半縫長136 m的泵注程序。施工排量22 bpm，最高砂比5 lb/gal，設(shè)計總砂量76 032 lbs，最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫延展的作用，具體泵注程序設(shè)計參數(shù)見表1。

3.1.3 模擬施工壓力。渤海某油田孔隙壓力在0.95～1.05 g/cm³之間，油田屬于正常孔隙壓力體系，不存在高壓。明化鎮(zhèn)組巖石單軸抗壓強度基本小于10 MPa，屬于軟弱地層；明下段下部泥巖抗壓強度有所增加，明下段與館陶組地層單軸抗壓強度在10～30 MPa之間，屬于中等強度地層。東營組和沙河街組地層單軸抗壓強度波動劇烈，一些層位單軸抗壓強度接近5 MPa，東營組與沙河街組地層單軸抗壓強度總體來說呈現(xiàn)增加的趨勢。

油田水平最小地應(yīng)力較小，當(dāng)量密度在1.4～1.6 g/cm³之間，水平最大地應(yīng)力在1.6～1.9 g/cm³之間。東營組以下火成巖發(fā)育地層，水平最小地應(yīng)力波動較大，一些層位上水平最小地應(yīng)力當(dāng)量密度接近1.43 g/cm3，波動較為劇烈的水平地應(yīng)力反映了火成巖地層壓實不均勻，在地質(zhì)歷史形成過程中，內(nèi)部裂縫發(fā)育導(dǎo)致地應(yīng)力有一定程度的釋放，經(jīng)過模擬所得最小水平應(yīng)力為46 MPa，計算垂深3 196 m處當(dāng)量密度為1.47 g/cm³；破裂壓力為50 MPa時，計算垂深3 196 m當(dāng)量密度為1.60 g/cm³。對不同的加砂規(guī)模下儲層壓裂裂縫進行模擬、對比，加砂量增加，支撐縫長隨之增加，綜合考慮數(shù)值模擬優(yōu)化縫長及現(xiàn)場施工能力，施工排量為22 bpm，地面施工壓力為39.36 MPa。

3.2 應(yīng)用自清潔射孔工藝

常規(guī)射孔的壓裂液體能量只有部分進入射孔孔道，并且作用方向是由井筒向孔道內(nèi)部，巖石碎屑和射流殘體不能排出孔道，孔道得不到清洗^［3］。自清潔射孔彈的特殊含能材料的全部能量直接作用在射孔孔道內(nèi)部，產(chǎn)生壓裂、沖刷和反涌作用，同時結(jié)合負壓射孔技術(shù)利用井筒和地層的壓差，使能量更加集中，得到更大的反向沖刷孔道作用力，壓裂和清潔效果更好。

本次施工采用基于自清潔的負壓返涌射孔工藝，使用16孔/mRDX深穿透自清潔射孔彈，選擇60°相位，射孔炮眼與裂縫方向最大夾角為30°，射孔密度為16孔/m，共34孔，單孔排量為1.3～1.9 bpm/孔，開孔率50%。既能滿足低排量需求，也能滿足近井射孔段“聚能”效果。

3.3 應(yīng)用加強型可循環(huán)式壓裂管柱

3.3.1 設(shè)計壓裂管柱。水力壓裂管柱組合從下至上依次為引鞋、扶正器、CHAMP XHP封隔器、安全接頭、震擊器、鉆鋌、伸縮接頭、鉆桿。水力壓裂管柱中相關(guān)鉆具及工具抗內(nèi)壓強度均≥68.95 MPa，大于本井最高施工壓力39.36 MPa，滿足作業(yè)要求。

3.3.2 模擬管柱伸縮量。根據(jù)Wellcat軟件計算結(jié)果，壓裂管柱最大縮短2.5 m，全通徑伸縮接頭伸縮行程1.5 m/個，設(shè)計下入2個，兩根伸縮接頭均安裝在CHAMPXHP封隔器上部鉆鋌之上。

3.3.3 應(yīng)用CHAMP XHP加強型封隔器。CHAMP XHP封隔器具有旁通功能，可省去專門的旁通工具入井，上提管柱（無需旋轉(zhuǎn)管柱）即打開旁通孔進行循環(huán)洗壓井，本體一周裝有6組水力錨，相鄰之間有夾角為60°的高強度卡瓦及錨塊，可重復(fù)坐封在高硬度的套管上，其結(jié)構(gòu)強度大，耐用性好，可靠性高。

3.4 優(yōu)選“清潔”儲層保護材料

3.4.1 Hybor H高溫壓裂液體系。根據(jù)溫度梯度3.68 ℃/100 m，推算儲層溫度約為114 ℃，常規(guī)壓裂液無法在該溫度環(huán)境下有效攜砂，因此選擇Hybor H高溫壓裂液體系，具有低殘渣，稠化劑水不溶物在1%～3%之間，交聯(lián)時間精確可控，有效降低管柱磨阻和地層傷害，凍膠濾餅可以在壓后排液過程中破膠清除、破膠時間可控等特點，Hybor H壓裂液流變試驗結(jié)果顯示在120 ℃下，2 h后液體黏度仍高于120 cP，完全滿足現(xiàn)場壓裂施工的要求^［4］。

3.4.2 壓裂支撐劑。作用在支撐劑上的力為閉合應(yīng)力，閉合應(yīng)力=最小水平應(yīng)力流動油藏壓力。棄井時井底流動油藏壓力最小，油井約為0.6倍孔隙壓力為19.2 MPa，閉合應(yīng)力為26.8 MPa，考慮支撐劑壓實、嵌入、破碎及應(yīng)力循環(huán)等因素，支撐劑抗壓級別滿足不低于52 MPa、支撐劑粒徑不大于射孔孔徑的1/6、支撐劑粒徑不大于裂縫動態(tài)縫寬的1/3等要求。結(jié)合支撐大部分主裂縫需要，同時保證加砂順利和滿足裂縫導(dǎo)流能力要求，優(yōu)選用德塞爾20/40目陶粒，從而提高了支撐裂縫導(dǎo)流能力所相應(yīng)的產(chǎn)出^［5］。進一步強化“清潔”壓裂理念，通過壓裂傷害機理研究、配伍性評價，優(yōu)選低傷害壓裂材料，形成集成式儲層保護技術(shù)。

4 壓裂效果檢測評價

由于射孔壓裂后，壓裂液往往會優(yōu)先沿著最大主應(yīng)力方向進行推進，在推進的過程中會加大或改變地層的各向異性特性。因此地層各向異性與壓裂效果存在密切關(guān)系，測井中常應(yīng)用交叉偶極橫波獲得地層各向異性方向，利用快橫波各向異性進行壓裂效果評價。三維聲波測井技術(shù)能夠測量井周多個方位的縱波、橫波信號，提供地層徑向、軸向及周向三維立體地層信息^［6］。該技術(shù)除了具有常規(guī)聲波的所有功能外，還可以實現(xiàn)徑向聲波速度剖面成像，在復(fù)雜儲層評價、致密儲層壓裂分析評價中具有良好的應(yīng)用效果。測量結(jié)果表明，本井段壓裂前、后徑向速度剖面在方位上均發(fā)生了明顯變化，應(yīng)用三維聲波測井技術(shù)獲得的壓裂檢測圖譜如圖1所示。由圖1可知，時差有所增大，波幅明顯降低，說明地層受壓裂作業(yè)影響指示本井射孔層段產(chǎn)生均勻壓裂效果，產(chǎn)生流體交換通道，對儲層進行了改造，壓裂高度約為12.8 m。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

5.1 油井概況

海上某油田A井目的層為沙河街組油層，實鉆油層垂厚11 m，差油層垂厚3 m，其中垂厚3 m差油層滲透率為1.8～4.2 mD，垂厚11 m油層滲透率為51.7～77.7 mD，儲層物性較差，為中孔—中低滲儲層，且小層間連通性較差，地層導(dǎo)流能力弱，儲層滲透率低。為了提高單井產(chǎn)能，規(guī)避低產(chǎn)風(fēng)險，指導(dǎo)后續(xù)作業(yè)，作業(yè)過程中應(yīng)對該井采取壓裂增產(chǎn)措施。

5.2 施工參數(shù)

本次施工具有顯著的“三高”特點：高壓力、高排量、高砂量。為最大程度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用，使壓裂后油氣井和注水井達到最佳狀態(tài)，壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長，在結(jié)合現(xiàn)場實際情況的基礎(chǔ)上，綜合地質(zhì)油藏選井選層、射孔參數(shù)設(shè)計、人工裂縫數(shù)值模擬、井下施工管柱設(shè)計、施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、返排工作制度等方面，打破常規(guī)模式，進行低滲儲層專項技術(shù)攻關(guān)，最終優(yōu)選采取CHAMP XHP封隔器籠統(tǒng)壓裂、一次泵注的增產(chǎn)措施的方案，該方案通過施工數(shù)據(jù)擬合的裂縫長度和寬度均大于設(shè)計尺寸，充填系數(shù)及裂縫導(dǎo)流能力也得到提高，打破了水力壓裂常規(guī)模式，以實現(xiàn)油井產(chǎn)能最大化。

為此，針對該井的改造是在原有壓裂施工設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合小壓測試數(shù)據(jù)以及裂縫填砂過程中的壓力反應(yīng)，適當(dāng)提高壓裂施工規(guī)模。在排量不變的情況下，增加6 ppg砂比泵注階段，增大泵入砂量和液量。具體來說，就是在結(jié)合水力壓裂裂縫參數(shù)和形態(tài)、保障裂縫開啟、保證各裂縫攜砂要求、克服工具管柱及壓裂設(shè)備能力限制等條件下，最終施工排量達到22 bpm，泵入地層砂量為87 388 lbs，井口施工壓力28.13 MPa amp; 22 bpm，最高砂比為6 ppg，實際裂縫長度為156.3 m，裂縫高度為18 m，平均縫寬為18.8 mm，導(dǎo)流能力239 mD·m，充填系數(shù)為17 757 lbs/ft。

5.3 應(yīng)用效果

水力壓裂技術(shù)在海上某油田A井得到成功應(yīng)用，該井已啟泵投產(chǎn)，鉆后配產(chǎn)產(chǎn)液量為36×10 m³/d，投產(chǎn)后實際產(chǎn)液量為142×10 m³/d，產(chǎn)油量139×10 m³/d，產(chǎn)能較配產(chǎn)增幅達380%，生產(chǎn)壓差較同層位井低2 MPa。

6 結(jié)語

針對海上油田的儲層改造，通過實施水力壓裂新型開發(fā)模式取得了良好的應(yīng)用效果。不僅解決了低滲儲量開發(fā)難題，提高了油氣井的采收率，而且大大降低了開發(fā)成本，提高了經(jīng)濟效益，同時也對后續(xù)該類型作業(yè)具有極大的工藝參考價值，為進一步盤活海上油氣儲量資源，推進增儲上產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

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收稿日期：2023-03-28

作者簡介：李科研（1983—），男，本科，工程師，研究方向：海洋石油鉆完井及油田增產(chǎn)。