[收稿日期]2010 07 02[基金项目]国家油气重大专项(2008ZX05006 005 002)。
[作者简介]曾凡辉(1981 ),男,2004年大学毕业,博士,讲师,现主要从事压裂酸化理论与现场应用研究工作。
水平井压裂工艺现状及发展趋势曾凡辉 (西南石油大学地质资源与地质工程博士后科研流动站,四川成都610500)郭建春,苟 波 (西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500)袁 伟 (塔里木油田分公司开发事业部油藏工程部,新疆库尔勒841000)[摘要]水平井是薄、低渗透以及小储量边际油气藏开发的有效方式。
对于渗透率极低、渗流阻力大、连通性差的油气藏,往往压开多条裂缝来增加油气渗流能力。
水平井段跨度大,压裂时如何实现各段间的有效封隔,是保证水平井改造有效性需要考虑的重要方面。
广泛调研了国内外水平井现有压裂工艺,对限流法、封隔器分段、封隔器+滑套分段、水力喷射分段、不动管柱滑套式水力喷射分段压裂工艺的特点、适应性及关键问题进行了讨论,并列举了相关应用实例。
针对不同的水平井完井情况,推荐了相适应的分段压裂改造工艺,对以后水平井压裂改造工艺的选择具有借鉴意义。
[关键词]水平井;压裂;分段压裂;工艺现状;适应性[中图分类号]T E357 1[文献标识码]A [文章编号]1000 9752(2010)06 0294 05水平井在开发油气藏过程中具有泄油面积大、单井产量高、储量动用程度高等优点,它是薄储层、低渗透、稠油油气藏以及小储量边际油气藏的有效开发方式。
为了进一步提高开采效果,往往需要采取水力压裂工艺对水平井压裂形成多条裂缝增加油气井产量。
水平井分段压裂改造的难点在于水平段跨度大,为了实现各改造段间有效封隔,要求分段工具能够 下得去、封得住、取得出 。
为此,笔者广泛调研了目前各种水平井分段压裂改造的工艺现状,分析了各种工艺的优缺点,对分段工艺的发展进行了展望,对以后水平井分段压裂工艺的选择具有指导意义。
1 水平井压裂增产机理水平井压裂后的裂缝形态主要取决于水平井筒轴线方向与地层最大主应力方向的关系。
水平井压裂后裂缝形态主要有3种:水平井筒与最大主应力方向平行,形成纵向裂缝;水平井筒与最大主应力方向垂直,形成横向裂缝;水平井筒与最大主应力方向有一定的夹角,形成扭曲裂缝[1]。
水平井压裂的增产机理在于压裂改变了渗流模式:压裂前的径向流流线在井底高度集中,井底渗流阻力大;压裂后的流线平行于裂缝壁面,其渗流阻力相对小很多。
高渗透、裂缝性储层水平井压裂后形成纵向裂缝有利于提高改造效果,低渗透储层水平井压裂形成横向裂缝对改造有利[2]。
2 水平井压裂工艺现状为了充分利用水平井开发低渗透油气藏,水平井的压裂施工一般是沿着水平井筒压开多条裂缝。
与单裂缝压裂工艺相比,需要解决压开多条裂缝的有效隔离问题。
目前压开多裂缝的技术主要有限流法压裂和分段压裂两类。
2 1 限流法压裂采用套管作为压裂管柱,在低密度布孔前提下,压裂液高速通过射孔孔眼进入储层时会产生摩阻, 294 石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2010年12月 第32卷 第6期Journal of Oil and Gas Technology (J JPI) Dec2010 Vol 32 No 6图1 限流压裂管柱示意图且随排量增加而增大,带动井底压力上升。
当压力超过多个压裂层段的破裂压力时,将会在每一个层段上压开裂缝,一次施工同时压开多个层段的目的。
该方法的关键是制定合理的射孔方案,使各层段破裂压力接近。
现场常采用小型压裂测试摩阻分析法判断压开孔数,如判断预计的裂缝数目没有全部压开,可投一定数量的炮眼球强制压裂液转向分流,达到一次加砂同时处理多段的目的。
图1给出了限流压裂的管柱示意图。
目前主要有两套压裂管柱: 139 7m m9 17mmN80以上钢级套管固井、射孔完井; 244 5mm 套管悬挂139 7m m 9 17m mN80以上钢级套管固井完井。
工艺优点是:无工具下入,施工周期短;工艺简单,一次压开多条裂缝,有利于油层保护。
缺点是:只适用套管完井;分段针对性相对较差;各裂缝延伸不均衡,影响了增产效果;射孔孔眼少,打开程度不完善,产量较大时,影响后期生产;返排时流速快,容易出砂。
该项工艺主要用在埋藏浅、采用套管射孔完井以及各段破裂压力相近的储层,在大庆、吉林、长庆油田采用较多。
大庆油田在肇57 平35井通过射孔工艺研究,优选了4个射孔段,将射孔段长度控制在1m 以内,孔密10孔/m,施工排量7 5m 3/min,改造后获得了日产油19 9t 的高产,是相邻直井压后产量的5 5倍。
2 2 分段压裂当水平井需要改造的段数较多,不能使用限流法压裂实现一次改造所有层段时,就需要采用分段压裂工艺。
分段压裂的突出特点是逐段改造,每次只压裂开1个井段,根据工艺技术的不同,可以分为以下5类:段塞分段压裂、封隔器分段压裂、封隔器+滑套喷砂器水平井分段压裂、水力喷射分段压裂和不动管柱滑套式水力喷射分段压裂。
2 2 1 段塞分段压裂基本原理是在前一段施工快结束的时候,使用高粘度的物理、化学物质在顶替完成后在井筒中故意形成堵塞,使后续液体和支撑剂进入新裂缝。
堵塞材料主要有高浓度支撑剂、超粘完井液、填砂液体胶塞3种。
该工艺优点是无需下入专门工具,就可以确保按照预计的多裂缝压裂进行施工。
缺点是作业周期长、冲胶塞施工时易造成伤害;胶塞强度有限,在深井中不能实现有效的封隔,目前已经较少应用。
长庆油田自1993年在塞平1井成功实施段塞分段压裂以来,已利用该项技术改造了7口井17层段。
其中塞平1井增油量最大,该井一、二段分别日产油49 1t 和52 2t,三、四两段合计日产油64 4t 。
2 2 2 封隔器分段压裂图2 单封隔器+桥塞分段压裂示意图为了解决段塞分段压裂工艺可靠性的问题,研究形成了封隔器分段压裂工艺。
主要有单封隔器+桥塞分段、环空封隔器分段2种。
1)单封隔器+桥塞分段 其基本步骤是先射开第1段,通过油管进行压裂;射开第2段,上提桥塞封堵已压开井段、通过油管压裂,根据需要重复该步骤(见图2)。
优点是工具简单,具备双封分压的能力;对水平井筒的封隔有效、可靠,能够保证形成相互独立的裂缝系统;封隔工具性能良好、操作简单。
缺点是施工周期长,每次施工后需下入工具打捞桥塞;封隔器存在砂埋或砂卡的风险。
长庆油田采用K344封隔器配合可捞式桥塞对塞平5井水平段(套管完井)开展了分两段压裂:先用桥塞隔离裸眼段,对1505 0~1508 0m 进行压裂;再隔离已处理层段,压裂1442 0~1445 0m 段。
压裂裂缝监测表明形成了2条独立裂缝,证明了分段压裂工艺技术是成功的。
改造后第一段日产油6 9m 3,第二段日产油7 8m 3,是邻井产量的3倍左右[3]。
295 第32卷第6期曾凡辉等:水平井压裂工艺现状及发展趋势2)环空封隔器分段 将封隔器下到设计位置,从油管内加一定压力坐封环空压裂封隔器,从油套环空注液完成施工,解封时油管加液压剪断解封销钉;同时打开洗井通道,确保洗井正常后能起出管柱,该管柱一次只能压开一条裂缝。
大庆油田在环空封隔单压管柱的基础上,通过优化封隔器结构和性能,形成了环空单封、双压管柱,实现了从油管、油套环空一次压裂两层目的。
大庆油田采用以K344封隔器为主导工具的环空封隔器分段压裂工艺,2007年该项压裂工艺占水平井压裂总井数的75 6%,产量是邻近直井压后的4 5倍,是水平井限流压裂的1 4~2 5倍。
2 23 封隔器+滑套喷砂器水平井分段压裂图3 封隔器+喷砂滑套分段压裂管柱其基本步骤是一次射开全部待压裂井段,利用导压喷砂封隔器(Y241或Y341)的节流压差坐封封隔器。
首先通过油管直接压裂下层,滑套喷砂器处于关闭状态;下层压裂后,停泵、由井口投球,待其落到滑套喷砂器位置后,向油管加压,液压推动钢球、打开滑套喷砂器喷砂孔,进行第2段压裂;根据需要重复上述步骤(见图3)。
工艺优点是一趟管柱可完成多段的定点改造,针对性强;井下工具少,工序简单,作业效率高,工艺管柱性能可靠;可以同时满足浅、中、深水平井分段压裂的要求;工艺管柱和封隔器不受卡距的限制,可同时满足短射孔井段、长射孔井段多裂缝的改造要求。
缺点在于要求井径规则、固井质量好;封隔器易砂埋、管柱上提困难;分段数受到压裂管柱通径的影响,分段数一般小于4级。
该项工艺已在吉林油田的FP64井、FP32井两口井开展了现场应用,封隔器动作正常,工艺管柱性能稳定,取得了满意的效果[4]。
2 2 4 水力喷射分段压裂2 2 4 1 水力喷射分段压裂机理水力喷射压裂是一种集射孔、压裂、水力封隔于一体的新型增产改造技术。
它包括水力喷砂射孔和裂缝起裂、延伸两个基本过程。
1)水力喷砂射孔 环空敞开,通过油管高压注入含6%~8%石英砂(粒径0 4~0 6mm)浓度的0 2%~0 5%瓜胶基液,液体经过喷嘴后将势能转换为动能,高速射流冲击切割套管及岩石,形成具有一定直径和深度的纺锤形孔眼(图4)[5]。
孔眼尺寸与喷砂液冲量P (P = /(g Av 2), 为喷砂液比重;g 为重力加速度;A 为喷嘴截面积;v 为喷射速度)密切相关。
图4 水力喷砂射孔示意图 图5 水力喷射压裂作业机理示意图2)裂缝起裂、延伸阶段 喷砂射孔后,关闭环空,通过对环空补液加压,高速射流进入已形成的射孔孔道内产生增压作用,使孔内压力普遍高于环空压力。
射流在孔道内的增压作用源于射流动压向静压转化,其转化原理服从伯努利方程(图5): v 2/2+p v =C(C 为常数;p v 为射流增压;v 为射流速度; 为介质密度)。
水力喷射压裂时的孔内压力由井底环空压力和射流增压构成,射流增压值一般仅3~5MPa,因此孔内压力大小主要取决于井底环空压力。
随着环空加压后井底环空压力升高,孔内压力达到破裂压力后即可压开地层而起裂。
起裂后,孔内增压值有所降低,由于裂缝延伸压力低于破裂压力,在保持环空压力不变的情况下就可使裂缝不断延伸。
由油管喷嘴和环空不断注入的支撑剂和压裂液对裂缝起到支撑作用。
296 石油天然气学报(江汉石油学院学报)2010年12月水力喷射压裂过程中,每个喷嘴喷出的流体都是一个单独的淹没非自由射流,由于液体的粘滞性作用,在射流和环空静止液体的交界面上产生漩涡,环空中的液体不断卷入射流中,产生抽吸作用,由此在环空内部产生局部负压,低于环空内相邻位置的液体压力,通过控制环空压力低于地层破裂压力,不需封隔器就可实现有效封隔,完成分段压裂[6]。
当压开一条裂缝后,通过拖动管柱,将喷嘴放到下一个需要改造的层段,可依次压开需改造井段。
工艺优点在于适合固井完井和裸眼水平井的改造;无需下入封隔工具,避免了井下复杂事故和工况的发生;缺点是一次只压开一段,多次压裂时需要上提管柱;水力喷射射开储层能力受到围压(埋藏深度)的影响:当围压从8 5MPa (垂深约850m)增加到20M Pa (垂深约2000m )后,射孔深度从9cm 减少到5 5cm,射开地层的能力大大削弱,严重制约了该项工艺在深井中的应用[7]。