（石油与天然气工程专业论文）水平井分段压裂及控水压裂技术研究.pdf

i 一 删删 s t a g e df r a c t u r i n g o fh o r i z o n t a lw e l l st e c h n o l o g ya n d w a t e rco n t r o lf r a c t u r i n gr e s e a r c h at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l iy i n g s u p e r v i s o r ：p r o q uz h a n g 。q i n g s e n i o re n g i n e e rf a nc h o n g - h a i c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) f ， ， 叫 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：力叨7 年占月8 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：而，年多月g 日 日期：年月 日 摘要 对已动用低渗油田，采用水平井挖潜剩余油是一项有力的措施。对水平井进行压裂 尤其分段控制压裂以及控水可以更好地进行挖潜。国内已开展了水平井的压裂改造试验 研究，目前有近1 0 0 口水平井进行了压裂改造，但制约水平井分段压裂的关键技术没有 取得突破，分段压裂优化设计、分段压裂工具上不配套，制约了水平井技术在低渗透油 气藏的应用。通过低渗透油藏水平井压裂改造技术以及控水压裂技术的研究，提高低渗 透水平井分段压裂水平。 针对胜利油田低渗透油藏水平井开发技术状况，以分段压裂为目标，通过水平井分 段压裂优化配置的研究、施工工艺的选择、分段压裂分层管柱的优选及工具的研发等， 为低渗透水平井压裂提供了可靠的技术支撑。结合胜利油田低渗透的主要特点：多薄层、 非均质、油水关系复杂储层，在开发方式上采用注水保持地层能量开发。为此无论是直 井还是水平井都需要针对不同储层的渗流特征以及压裂裂缝扩展规律的特点，研究选择 油井控水压裂技术，保证压后的长期开发效果。体现出水平井在低渗透油田开发的优势， 并形成和完善低渗透水平井压裂工艺的技术系列，为低渗透油田提供应用水平井开发的 新途径，进一步推动胜利油田低渗油藏高效、持续的发展。 关键词：低渗透，水平井，分段压裂，控水压裂 s t a g e df r a c t u r i n g o fh o r i z o n t a lw e u st e c h n o l o g ya n dw a t e r co n t r o lf r a c t u r i n gr e s e a r c h l iy i n g ( p e t r o l e u ma n dn a t u r eg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q uz h a n - q i n ga n df a nc h o n g - h a i a b s t r a c t l o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l d sh a v eb e e nu s e d ，t h eu s eo fh o r i z o n t a lw e l l sr e m a i n i n go i li s a ne f f e c t i v em e a s u r e f r a c t u r i n go fh o r i z o n t a lw e l l si np a r t i c u l a r , c a nb e t t e rs e g m e n tc o n t r o l t ot a pt h ep o t e n t i a lf r a c t u r e c h i n ah a sl a u n c h e dah o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n ge x p e r i m e n t a l r e s e a r c h , t h e r ea l ea l m o s t1 0 0h o r i z o n t a lw e l l sw e r ef r a c t u r i n g ，b u tr e s t r i c t e dh o r i z o n t a lw e l l f r a c t u r i n gt e c h n o l o g y i sn o tt h ek e yt oab r e a k t h r o u g hd e s i g no fs t a g e df r a c t u r i n g o p t i m i z a t i o n , s u b - p r e s s u r ec r a c kt o o l sd on o ts u p p o r t , r e s t r i c t st h eh o r i z o n t a lw e l lt e c h n o l o g y 证t h ea p p l i c a t i o no fl o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r h o r i z o n t a lw e l lt h r o u g ht h el o wp e r m e a b i l i t y r e s e r v o i rf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h el o wl e v e lo fp e n e t r a t i o no fh o r i z o n t a lw e l l f r a c t u r i n g l o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r si ns h e n g no i lf i e l dd e v e l o p m e n ta n dt e c h n i c a lc o n d i t i o n so f h o r i z o n t a lw e l l st o 缸c t u r et h et a r g e ts e g m e n t , t h r o u g ht h eh o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n g o p t i m i z a t i o ns t u d y , t h ec h o i c eo fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , o p t i m i z a t i o no fs t a g e df r a c t u r i n g a n dl a y e r e ds t r i n gi n s t r u m e n t sr & d ，e t c ，f o rt h es h e n g l io i l f i e l di nl o wp e r m e a b i l i t y f r a c t u r e dh o r i z o n t a lw e l lp r o v i d e sar e l i a b l et e c h n i c a ls u p p o r t s h e n g l io i l f i e l dl o w p e r m e a b i l i t yw i t ht h em a i nf e a t u r e s ：m u l t i l a y e r , h e t e r o g e n e o u s ，c o m p l e x r e l a t i o n s h i p b e t w e e no i la n dw a t e rr e s e r v o i r s ，t h ew a yi nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n e r g yu s eo fw a t e r i n j e c t i o nt om a i n t a i nr e s e r v o i rd e v e l o p m e n t t ot h i se n d b o t ht h ev e r t i c a lw e l l so rh o r i z o n t a l w e l l sa r er e q u i r e df o rd i f f e r e n tf l o wc h a r a c t e r i s t i c so fr e s e r v o i ra n df r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el a we x t e n d e dt os t u d yt h ec o n t r o lo fw a t e ro i lw e l lf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yo p t i o n st oe n s b r e t h el o n g - t e r md e v e l o p m e n ta f t e rt h ee f f e c to fp r e s s u r e r e f l e c tt h el e v e lo fo i l f i e l d d e v e l o p m e n tw e l li nt h ea d v a n t a g e so fl o wp e r m e a b i l i t ya n d l o wp e r m e a b i l i t yf o r m a t i o na n d i m p r o v e t h e t e c h n o l o g y o fh o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n gt e c h n o l o g ys e r i e s ，f o r t h e l o w - p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d sd e v e l o p e db yh o r i z o n t a lw e l l st op r o v i d en e ww a y st o f u r t h e r p r o m o t et h ee f f i c i e n c y o fl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r si ns h e n g l io i l f i e l d ，c o n t i n u e d d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：l o wp e r m e a b i l i t y ，h o r i z o n t a lw e l l s ，s t a g e df r a c t u r i n g ，c o n t r o l l i n gw a t e r f r a c t u r i n g 目录 第1 章前言：1 1 1 研究的目的意义1 1 2 水平井分段压裂概述2 1 3 胜利油田水平井分段压裂的历史3 1 4 水平井压裂工艺及国内外现状4 1 4 1 国外现状4 1 4 2 国内现状4 1 4 3 水平井分段压裂工艺5 1 5 总体思路和主要研究内容8 1 5 1 总体思路8 1 5 2 主要研究内容8 第2 章水平井分段压裂技术研究9 2 1 水平井分段压裂技术9 2 2 完善水平井分段压裂优化模拟技术和系统k 9 2 2 1 压裂裂缝与井身轨迹的优化匹配9 2 2 2 水平井分段裂缝配置优化研究12 2 3 水平井分段压裂管柱及配套工具研究1 3 2 3 1 管柱组成1 4 2 3 2 施工工艺1 4 2 4 水平井低伤害压裂液体系15 2 4 1 高温h p g 水基压裂液15 2 4 2 高温v e s 压裂液：15 2 5 开展水力喷射辅助水平井分段压裂研究16 2 6 进行水平井压裂裂缝形态研究、研究完善测试解释技术1 6 2 6 1 裂缝检测技术1 6 2 6 2 微地震裂缝检测原理1 7 2 6 3 胜利油田水平井裂缝监测1 8 第3 章控水压裂技术研究2 2 3 1 控水支撑剂的性能参数评价。2 2 3 1 1 较低的密度2 2 3 1 2 较高的抗压强度2 2 3 1 3 优越的防返吐和防砂特性2 2 3 1 4 较好的控水稳油能力- 2 3 3 1 5 独特的防嵌入能力一2 3 3 1 6 较强的化学惰性。2 4 3 2 控水支撑剂导流能力优化技术研究2 4 3 2 1 裂缝导流能力2 4 3 2 2 影响人工裂缝导流能力的因素2 4 3 2 3 不同介质导流能力测试实验2 4 3 2 4 优化后的控水支撑剂破碎率及导流能力评价2 6 3 3 控水压裂设计优化技术研究一2 9 3 3 1 不同压裂裂缝参数对控水效果的影响k 2 9 3 3 2 不同铺砂浓度下控水效果分析以优化最佳的设计参数3 2 3 3 3 控水支撑剂的铺砂程序的优化3 3 3 4 控水压裂配套工艺技术研究3 4 3 4 1 压裂诊断评价技术3 4 3 4 2 缝高控制技术及筒置段塞技术的优化3 5 第4 章现场应用与效果分析3 8 4 1 水平井分段压裂。3 8 4 1 1 梁8 块概况3 8 4 1 2 技术思路及路线3 9 4 1 3 技术实施过程3 9 4 1 4 试验效果跟踪4 0 4 2 控水砂压裂4 0 4 2 1 开展控水砂实验情况4 0 4 2 2 其他油田应用情况4 1 结论z i ：； 参考文献：_ 。4 4 攻读硕士学位期间取得学术成果4 7 致谢4 8 v 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的意义 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问的有效封隔，是保证水平井改造有效性需要考虑的重要方面。 对于低渗透油藏来说，仅采用水平井井身结构开发，多数情况下仍无法得到足够高的、 有经济价值的产量，为了最大限度提高产量，对低渗透油藏水平井进行压裂就显得十分 必要。 由于完井方式的不同、弯曲段和井眼尺寸的限制，使得直井和水平井的压裂工艺管 柱有很大区别，为此我们开展了低渗透油藏水平井压裂工艺技术的研究，尤其是对水平 井分段压裂工艺技术的研究。 胜利油田水平井技术已成为油田持续有效发展的重要支撑技术之一，为油田的持续 稳定发展发挥了重要作用。到2 0 0 8 年9 月共在低渗透油藏( 小于5 0 心) 上部署水平 井2 6 口，其中有3 口压裂投产，2 3 口是自然投产的水平井。从投产数据上分析( 表1 - 1 ) ， 胜利油田低渗透水平井目前生产( 未压裂井) 状况：无产能1 31 2 i ；初产小于3 t d 的井 7 口；从产量变化规律上分析，低渗透油藏水平井产量递减快，含水上升很快。总体上 胜利油田低渗透储层上的水平井无论在初期产量( 未压裂) 还是累积产量上并没有显示 出其优越性，需要进行分段压裂改造才能发挥其水平段的优势。 目前由于分段压裂改造技术不配套，尤其在水平井分段裂缝优化配置、水平井分段 压裂优化模拟以及水平井压裂工艺配套方面，需要进一步完善才能规模化用于以上低渗 透水平井的分段压裂改造。 同时结合胜利油田低渗透的主要特点：多薄层、非均质、油水关系复杂储层，在开 发方式上采用注水保持地层能量开发。为此无论是直井还是水平井都需要针对不同储层 的渗流特征以及压裂裂缝扩展规律的特点，研究选择油井控水压裂技术，保证压后的长 期开发效果。 第一章前言 表1 - 1 胜利油田低渗透水平井产能统计表 序号井号 初产日油( t d )目前日油( t d ) 备注 l 纯7 0 平1 1 2 71 3 2c h t 8 1 平1 5 6o 3 樊1 5 平i 1 31 6 4 樊1 5 平2 1 3 23 9 5 樊8 侧平1 2 2 20 6 高8 9 平1 9 88 5 压裂投产 7 利3 7 1 平2 3o 8 利3 7 1 平3 0 0 9 义11 8 2 8 平1 3o 1 1 0义4 3 平11 8 2 0 1 l 水平1 1 0 40 1 2 水平2 0 1 1 0 9o 1 3 商7 5 平1 9 66 1 9 压裂投产 1 4 水平2 0o 1 5 水平2 多2 2 56 2 1 6水平4 4 70 1 7 埕1 1 0 平1 3 43 2 1 8水平3 4 04 7 1 9埕1 1 0 平31 01 5 2 0 水平8 1 0o 2 l 水平2 0 - 2 1 41 2 2水平5 16 91 3 2 3 水平5 0o 2 4 水平1 6 1 00 2 5 水平2 1 oo 2 6 史1 2 7 平1 1 2 12 压裂投产 根据前期对水平井分段压裂的研究工作，有必要通过水平井分段压裂技术和控水压 裂技术的研究应用，提高上述几个区块水平井压裂改造效果，体现出水平井在低渗透油 田开发的优势，并形成和完善低渗透水平井压裂工艺的技术系列，为低渗透油田提供应 用水平井开发的新途径，进一步推动胜利油田低渗油藏高效、持续的发展。 1 2 水平井分段压裂概述 分段压裂是水平井的有效关键配套技术之一，运用分段压裂，可实现在较短时间内 一次性完成对多个储层压裂，并最大限度地减少对储层的伤害，以储层的有效保护和改 造，达到多层合采提高单井产量、最大限度提高气层地质储量可动用程度的目的。 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 位置关系。由于水平井筒与最大主应力方向位置关系的不同，带来的水平井压裂裂缝形 态也不同，主要分为3 种： 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 二者平行时，此情况下水平井改造多形成纵切井筒的纵向裂缝； 二者垂直时，此情况下水平井改造多形成与井筒正交的横向裂缝； 二者有一定的夹角，此情况下水平井改造多为多形成与井筒斜交的扭曲裂缝。 水平井压裂的增产机理在于压裂彻底改变了油气在储层内的渗流模式：压裂之前， 地层的油气多以径向流方式流入井底，故在井底高度集中，造成井底部位渗流阻力大； 压裂之后，储层内的油气的多沿着平行于裂缝壁面的流线流动，其渗流阻力相对压裂之 前小很多。 对于中高渗透储层和裂缝性储层，水平井压裂的裂缝形态以尽可能形成纵向裂缝， 有利于提高压裂改造的增产效果；对于低渗透储层，水平井压裂的裂缝形态以尽可能形 成正交横向缝，对改造有利。 1 3 胜利油田水平井发展历史 胜利油田水平井的开发历程大致可分为三个阶段： 第一阶段是“八五科技攻关试验阶段。1 9 9 1 年首先在适合于打水平井并且完井要 求不高的乐安油田砂砾岩稠油油藏，开展了“水平井开采技术 攻关，自主研发并形成 了配套的水平井技术。乐安油田水平井的规模实施，标志着胜利油田水平井的发展从此 迈出了新的步伐。 水平井发展第二阶段是“九五 完善和推广应用阶段，这一期间，通过国家重点科 技攻关项目“屋脊式断块和特稠油油藏侧钻水平井钻采配套技术研究，形成了一套优 化设计水平井、侧钻水平井地质及油藏工程、油藏数值模拟研究方法，九五期间投产水 平井数达到1 3 2 口，为“八五的4 倍。 水平井发展第三阶段是“十五解放思想、转换观念、精细挖潜阶段。随着地质导 向技术的发展，水平井厚度筛选标准由6 米降到1 米左右，使得薄油层和正韵律顶部薄 层油藏的开发提高到一个新的水平，水平井油藏类型进一步拓宽。“十五”共投产水平 井3 9 2 口，为“九五 2 6 倍。 截至2 0 0 7 年4 月，在9 种油藏类型完钻水平井6 2 0 口，初期平均单井日产油2 3 4 t ， 含水4 7 ，累产油8 5 7 1 1 0 4t ，平均单井累产油1 4 x 1 0 4t 。2 0 0 6 年胜利油田油井开井 1 6 9 2 1 口，年产油量2 7 4 2 x 1 0 4t ，水平井开井数( 4 5 7 口) 占总开井数的2 7 ，年产油 量占全油田产量的4 1 2 。水平井应用取得了好的效果，水平井在油田稳产上发挥了重 要作用，水平井技术已成为胜利油区持续有效发展的重要支撑技术之一。 受水平井压裂工艺技术制约，初期低渗透油气藏上的水平井并没有在开发中发挥出 3 第一章前言 优势。随着水平井压裂改造工艺尤其分段控制压裂技术的不断进步，越来越多的新区块 和已动用的低渗油田，进行压裂改造大多取得了良好的增产效果和更好地挖潜。 针对胜利油田低渗透油藏水平井开发技术状况，以分段压裂为目标，通过水平井分 段压裂优化配置的研究、施工工艺的选择、分段压裂分层管柱的优选及工具的研发等， 为胜利油田低渗透水平井压裂提供了可靠的技术支撑。目前在胜利油区及其外部油田设 计水平井压裂81 2 ，完成水平井压裂5 口，成功率和有效率均为1 0 0 ，取得了较好的 研究和应用效果。 1 4 水平井压裂工艺及国内外现状 1 4 1 国外现状 通过大量的国内外油气田区块的开发实践调研表明：在低渗透、薄互层、稠油气藏 以及边际小断块等，开发方式选用水平井是最佳的。水平井技术最早，于上世纪2 0 年 代提出，4 0 年代处开始付诸实施，8 0 年代中后期，相继在美国、法国等国家得到产业 化应用，并由此形成研究和应用水平井开发技术的高潮。近年来，全世界的水平井钻完 井总数呈现指数形式的增长。截至目前，全世界的水平井井数累计约为5 万口左右，有 共计6 9 个国家应用了水平井开发技术，其中以美国、加拿大的水平井数最多，二者共 占全世界水平井井数的8 8 4 。 1 4 2 国内现状 国内多个油田也开展了水平井的开发技术的研究，应用的油藏主要有低渗透砂岩油 、 气藏( 含低压储层) 、稠油油气藏、不整合屋脊式砂岩油气藏以及火山岩油气藏等类型。 中国石油从2 0 0 2 年开始，加大力度发展水平井。2 0 0 6 年至2 0 0 8 年，水平井钻井数 三年内踏上了三个新的台阶。2 0 0 6 年水平井完钻5 2 21 2 ，2 0 0 7 年水平井完钻6 0 01 2 ， 2 0 0 8 年就完钻井数超过1 0 0 0 口。 中国石化从1 9 9 1 年开始才开始发展水平井发展较慢，截止到2 0 0 2 年底，十年内仅 钻水平井3 2 51 2 ；但从2 0 0 2 年以后迅速发展，至2 0 0 8 年底，中国石化新增完钻水平井 1 3 8 6 口，累计完成水平井1 7 1 1 口。 三大石油公司里，中海油水平井起步最晚，但后期发展速度较快。自2 0 0 0 年以来 每年水平井数量增长2 0 3 0 ，截止到2 0 0 8 年，共计完钻水平井1 2 6 口。其中水平井 在生产9 6 口，分支水平井在生产3 0 口，从最初2 个油田扩大至目前的1 4 个油田。 4 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 1 4 3 水平井分段压裂工艺 水平井增产机理主要是通过增加井筒与油层的接触渗流面积，降低渗流阻力，达到 提高油气产量和最终采收率的目的。但是由于低渗透油藏的渗透率较低，储层油气渗流 阻力较大，加之低渗透储层孔隙度小，孔喉连通性差，造成了水平井的单井产能有时较 低，无法满足经济开发的要求。后期需要对水平井进行储层改造，籍以改变储层的渗流 面积，达到提高水平井产能的目的。 由于水平井与常规直井井筒位置在空间的大不相同，故在压裂改造时，二者的改造 工作重点也有所不同。主要是集中于下几个方面，水平井的水力裂缝的起裂和延伸规律 的认识，水平井压后的产量预测和评估，裂缝条数和几何尺寸的优化，储层保护工作， 分段压裂施工工艺以及井下分隔工具可靠性等方面。以下是几种主要水平井压裂方式的 比较： ( 1 ) 液体胶塞、填砂隔离分段压裂技术 此项技术源于在国外，始于2 0 世纪9 0 年代初，主要用于套管完井。其基本做法是： 首先射开第l 段，利用油管压裂该层； 采用液体胶塞和砂子隔离已压裂井段； 隔离成功后，射开第2 段，利用油管压裂该段，继续利用液体胶塞和砂子隔离； 利用上述方法，可以达到依次压开所需改造的各个井段的目的。施工全部结束后， 将胶塞和砂塞冲开，采用合层排液求产。 该方案的不足是： 隔离分段时所使用的液体胶塞浓度较高，易对所隔离的层段产生大的伤害； 压后合采排液之前，势必要冲开胶塞和砂塞，在钻塞冲砂过程中对隔离的上下储层 会造成二次伤害； 施工工序比较繁琐，作业周期较长。 因此，尽管该技术早在2 0 世纪9 0 年代初就提出了但是由于上述弊端难以克服， 故发展起来后没有得到进一步的推广与应用。 ( 2 ) 可钻式机械桥塞分段压裂技术 该项技术是采取逐段射孔、桥塞封堵，逐段压裂的方式： 第一段射孔用爬行器拖动射孔枪下入，进行第一段射孔，取出射孔枪，进行第一段 压裂作业； 用电缆作业下入桥塞及射孔枪，水平段开泵泵送桥塞至预订位置； 5 - k 第一章前言 点火坐封桥塞，上提射孔枪至预设位置，射孔起出射孔枪和桥塞下入工具； 压裂作业，投球至桥塞球座，封隔已压裂层； 按层数重复上述步骤； 压裂作业后连续油管下入磨铣工具一钻掉桥塞投产。 目前据国外报道，机械桥塞承压达8 6 m p a ，耐温2 0 0 ，2 0 m i n 可以钻穿。该项压 裂技术在水平井分段压裂中优点明显。 ( 3 ) 不动管柱封隔器分段压裂技术 管柱采用封隔器、喷砂滑套、低密度球组成。按卡点排好工具位置，一次性下入井 底，利用节流压差坐封封隔器，然后利用投球逐级找开喷砂滑套的方式实现分段压裂， 可不动管住一趟管柱完成多个层段的压裂，据国外最新使用证明，一天可压1 3 层，最 大层数达3 6 级。该项压裂技术定位准确，使压裂改造具有更强的针对性，效果明显好 于常规分段，但多用于气井压后直接投产，不起管柱。 ( 4 ) 水平井双封隔器上提多段压裂技术 该技术采用双封隔器分次上提的方式，可一次性分段射开所有待压裂层段。 压裂第l 层时，利用管柱下部的导压喷砂器的节流压差，先坐封压裂最端部的一段 地层，利用跨越式的双封隔器将其与其他改造层段隔离，单独进行压裂改造； 解封，上提到改造的第2 段，重复第1 段施工工艺过程，以后依次类推。通过上述 方式，利用一趟管柱完成多段的依次压裂。 双封隔器分段压裂工艺技术的优势和劣势特点鲜明。优点是分层改造针对性强、单 层压裂可控性强、井筒隔离的效果好、压裂效果好。缺点是容易出现由于封隔器卡，造 成管柱未能解封，造成大修等井下事故。第二压裂多层时，封隔器是反复坐封，胶筒容 易磨损破裂，一旦出现胶皮磨损，需重新起下管柱，耽误施工周期。目前大庆油田应用 该工艺共实施水平井压裂改造1 4 3 口，总体上来说是一项操作性较强的工艺，可以在施 工压力较低的井推广使用。 ( 5 ) 限流分段压裂技术 限流法分段压裂常用于未射孔的新井，严格说来它是一种完井压裂技术。其基本改 造机理是指在压裂过程中，当压裂液高速通过不同射孔孔眼进入储层时会产生不同的孔 眼摩阻，通过调整射孔的眼眼数量和位置，改变不同孔眼处的摩阻。泵注入储层的排量 越大，孔眼摩阻也会增大。随着井底空隙处净压力的增加，一旦超过压裂层段的破裂压 力，层段即被打开，压力越高，打开的层位数量越多，通过减少射孔的孔眼，增加孔眼 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 摩阻，使得不同破裂压力的层位尽可能多的达到同时破裂。 这种方式由于不需要下入井下分段工具，所以施工风险较小，时间也短，成本还低， 具有一定的优势。缺点也比较明显，由于储层内各个层位的物性差异较大，加之水平井 埋藏较深，受地面设备能力限制等问题，容易导致各层位压裂裂缝启裂和延伸不均，裂 缝长度受限，甚至有的层段不能压开，这极大地影响水平井的增产效果。 ( 6 ) 水力喷射加砂分段压裂技术 水力喷射加砂分段压裂技术( h y d r a u l i cj e tf r a c t u r e ，简称h j f ) 是集射孔、压裂、 隔离一体化的新型增产措施。它主要是利用专用喷射工具产生高速流体穿透油层套管和 外部的岩石，形成楔形孔眼，随后高速流体在孔眼底部不断冲刷积聚，产生高于破裂压 力的压力，造出一条单一的主裂缝。其技术原理是根据伯努利运动方程，将水力的压力 能转换为砂子的动能，在地层中射流，形成裂缝，通过环空补充液体，使井底压力控制 在裂缝延伸压力以下，保护套管。环空补充的液体在相对真空压差作用下进入射流区， 与喷嘴喷射出的液体一起被吸入地层，驱使主裂缝向前延伸，因井底压力始终控制在储 层裂缝的延伸压力以下，起到隔离的作用，故在压裂下一层段时，无需采用封隔器或与 桥塞等隔离工具，较好的实现自动封隔。通过多次拖动管柱，可依次压开所需改造井段。 水力喷射压裂技术应用范围较广，即可在裸眼、筛管完井的水平井使用，也可以在 套管井上进行，施工的安全性较高，通过一趟管柱即可在水平井快速、准确地压开多条 裂缝。水力喷射工具配套也很方便，即可与常规油管相连接入井，也可以与非标配套， 比如大直径的连续油管( c o i l e dt u b i n g ，1 3 6 0 3m m ) 相结合，施工更为便捷。国内外应 用此技术进行过加砂压裂和酸化处理，已超过数百井次。 ( 7 ) 连续油管喷射环空加砂压裂技术 连续油管喷射环空加砂压裂技术是利用连续油管喷射射孔：然后环空压裂施工。施 工后段加入高砂段沉降井筒封堵，试挤；上提连续油管喷射射孔、环空加砂压裂，如此 反复压裂多段，施工后直接连续油管冲砂。该工艺能适应任何井筒，施工简便，安全性 高，一天可压多层，最大可达4 4 级，目前国内苏里格、胜利已成功应用。 综上所述，目前用于水平井压裂的分段压裂工艺和施工管柱组合种类较多，也都各 有千秋，有着不同的适应性和各自的优缺点。另外，由于胜利油田的水平井多集中在低 渗油气层应用，分段压裂作业周期长、压裂液返排难度大，易造成储层的二次伤害，所 以除了选择合适的分段压裂工艺，还应该考虑在压裂材料上，需要进一步提高携砂性能， 降低施工成本。对于支撑剂来说，则需要更好的导流能力和较高的稳定性。 。 7 第一章前言 1 5 总体思路和主要研究内容 1 5 1 总体思路 本着“理论研究、室内实验与现场评价相结合”的原则，开展了有效的研究工作， 总体研究思路如下： 首先根据国内外的水平井压裂现状调研，根据胜利油田的水平井开发实际情况，借 助先进的s t i m p a l n 三维压裂模拟软件，完善了水平井分段压裂的优化设计模拟技术，加 强了室内压裂液体系的优选评价，结合现场压裂压力资料的分析等工作，形成了一套适 合于水平井分段压裂改造的配套技术。 1 5 2 主要研究内容 ( 1 ) 水平井分段压裂技术研究 针对胜利油区低渗透油藏水平井开采的现状，从水平井压裂油藏工程研究入手，研 究了水平井分段裂缝参数的优化技术，利用水平井压裂油藏模拟技术，优化水平井压裂 裂缝分段数量、长度、导流能力等参数；开发了水平井分段压裂工具及检测技术，同时 根据水平井压裂要求，配套了适合水平井压裂的无伤害压裂液体系，形成了渐成系列的 水平井分段压裂配套技术。 ， ( 2 ) 控水压裂技术 通过开展控水支撑剂性能评价、支撑剂导流能力试验优选，进一步配套完善了控水 压裂加砂工艺，形成了有针对性和创新的控水压裂配套工艺技术，提高了加砂规模及效 果，有效降低了单井的含水，完成了规定的技术指标，达到研究的目的，并成功地进行 了推广应用。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章水平井分段压裂技术研究 2 1 水平井分段压裂技术 胜利油田低渗透水平井压裂经过几年的研究、攻关及现场试验，已初步形成渐成系 列的水平井压裂改造配套技术。 针对胜利油区低渗透油藏水平井开采的现状，从水平井压裂油藏工程研究入手，研 究了水平井分段裂缝参数的优化技术，利用水平井压裂油藏模拟技术，优化水平井压裂 裂缝分段数量、长度、导流能力等参数；开发了水平井分段压裂工具及检测技术，同时 根据水平井压裂要求，配套了适合水平井压裂的无伤害压裂液体系，形成了适合水平井 分段压裂改造的技术手段，目前已经初步形成了套管限流压裂、管柱分层压裂、水力喷 砂射孔技术辅助压裂工艺技术。 2 2 完善水平井分段压裂优化模拟技术和系统 利用s t i m p l a n 水平井全三维压裂设计软件，实现横向压裂水平井的数值模拟，优化 压裂工艺参数。改进后的水平井全三维压裂设计软件，实现横向压裂水平井的数值模拟， 能实现通过改变射孔方式和裂缝走向，分别描述垂直缝和平行缝同时实现不同部位射孔 数目和位置的优化。分析压裂过程中温度场变化，优化压裂工艺参数。 2 2 1 压裂裂缝与井身轨迹的优化匹配 根据水平井压裂裂缝造缝机理研究成果，水平井压裂裂缝有三种形态：横向缝、纵 向缝、斜交缝，如图2 1 、图2 - 2 、图2 3 所示。 横向缝是裂缝面与水平井井筒相垂直的裂缝。如果射孔多段，一般可以产生多条横 向缝； 纵向缝是切井筒轴向的，它主要是裂缝面沿水平井井筒方向延伸的裂缝； 斜交缝介于二者之间。 9 ， 一 “ 伽旆 图2 - 1 水平井横向裂缝形态示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i cd i a g r a m o fh o r i z o n t a lf r a c t u r em o r p h o l o g y ( 井简处) 图2 - 2 水平井斜交裂缝形态示意图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh o r i z o n t a lo b l i q u ef r a c t u r em o r p h o l o g y 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 3 水平井水平裂缝形态示惹图 r i 9 2 - 3 f r a c t u r em o r p h o l o g yd i a g r a mo fh o r i z o n t a lw e l l 。 对于一口水平井，实际压裂后将产生哪一种形态的缝，要取决于地应力和井筒井眼 轨迹的情况。水平井的裂缝的几何形状高度取决于地层应力状态。储层中的地层处于三 种相互垂直的主应力状态中：垂直压裂洲、最大水平应力a h 和最小水平应力a d l 。裂 缝总是沿垂直于最小水平应力方向的平面延伸。 胜利油区低渗透油藏水平井深度一般在3 0 0 0 m 左右，产生垂直缝。如果井筒方向与 地层的最小水平主应力方向平行，则会产生正交的横向缝；如果二者是垂直方向，则产 生纵切井筒的纵向缝。一般对于裂缝发育的储层，沿着最大水平主应力方向的裂缝最大 可能开启，这样如果沿着最小水平主应力方向钻进水平井，一方面可以最大可能与裂缝 沟通，另一方面如果进行压裂改造，也可以形成对条横向缝，很好的增加渗流面积，提 高水平井的产量。如果沿着最大水平主应力方向钻井，可以通过射孔段的优选，来控制 形成的轴向裂缝形成的位置。因此井身轨迹要取决了储层的非均质性及完并工艺的要 求，一般来讲沿着最小水平主应力方向钻进有利于提高低渗透水平井的产能和后期措施 的实施。 根据以上压裂裂缝与井身轨迹的优化匹配关系原则，在掌握各区块地应力分布的基 第二章水平井分段压裂技术研究 础上，为胜利油田优化了8 口井的井身轨迹。如在史1 2 7 1 块由于地层倾角测井资料及 其压裂地应力测试证明，史1 2 7 1 地区水平最大主应力方向为n e 9 7 5 0 。为保证压裂时 形成横向裂缝，特部署的史1 2 7 平1 井水平短的井深轨迹为近南- 北向。 2 2 2 水平井分段裂缝配置优化研究 采用低渗透油藏的数值模拟技术，已建立水平并分段裂缝配置的优化方法。研制低 渗油藏水平井分段压裂模型及分析系统，能够模拟和研究水平井压裂后在不同裂缝条 数、不同裂缝导流能力、不同裂缝几何形状和不同裂缝间距等情况下的压后多缝产能， 为裂缝参数优化，压裂施工规模和施工参数优化、压裂设备选择提供可靠资料，使水平 井压裂经济效果达到最佳。 采用实际水平井参数，利用编制的分段压裂优化设计软件，对影响水平井分段压裂 改造的主要因素进行了初步的应用分析计算，主要因素影响如下： 图2 4 所示表明了不同分段裂缝的位置，图2 5 所示从计算结果看，如果压裂一般 比不压裂相比增加2 倍以上，随着裂缝分段越多产能增加，但是产能增加较好的分段条 数在3 - 6 段左右，当裂缝条数增加超过6 条后，产能增加速度变缓，计算增加分段数目 的意义不大。 、， 畿 隧 盎 鞠 图2 - 4 分段压裂裂缝位置示意图 f i 9 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u b - f r a c t u r el o c a t i o n 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 5 0 4 s 一、4 0 日 33 5 嘲t i 攫3 0 2 s 2 0 l3s791 1 裂缝条数( 条) 图2 5 裂缝条数对压裂水平井产能的影响 f i 9 2 - 5t h en u m b e ro ff r a c t u r e sf r a c t u r i n go f h o r i z o n t a lw e l l s 6 0 5 0 d o 勺 3 3 0 蓑2 0 王0 0 王2345678 裂缝位置 图2 - 6 不同位置裂缝对产能的贡献 f i 9 2 - 6c r a c k sa td i f f e r e n tp o s i t i o n so nt h ec o n t r i b u t i o n o fp r o d u c t i v i t y 图2 - 6