水平井增产措施.doc

水平井增产措施从原理上讲，钻一口水平井就可以代替一口要采取增产措施的垂直井，水平井筒就相当于垂直井中的裂缝。但是，为了提高水平井的生产能力，它也常常需要采取强化措施。一、采取增产措施的必要性1、解除伤害造成水平井伤害的原因是地层长时间暴露于钻井液中，钻井液密度高，其液柱压力大于地层压力，在液柱压力的作用下，钻井液滤液将侵入地层，滤液侵入深度随钻井液密度和浸泡地层时间而变化。当侵入深度较大时，为了解除这种伤害，需要采取较大的强化措施。由于地层长时间暴露于钻井液中,而大多数水平井都希望在自然状态下生产.基于这个事实,“无伤害”泥浆体系经常在钻井中使用。这些“无伤害”泥浆体系也可能引起一起不希望出现的问题，如采用一种油基泥浆体系在含气、水敏的低渗透砂岩地层中钻井时，虽然它可以改变井筒及其附近的润湿性，变亲水为亲油，但由于砂岩的孔喉尺寸小，孔喉上的厚油腊降低了可供流体流动的横载面积，导致了非常高的表皮因子。采用水基的聚合物泥浆，用酸溶性碳酸钙作为桥堵剂。虽然聚合物泥浆和桥堵剂在降低滤失量方面发挥了很好的作用，但是生产测井发现，它们对油层也造成了严重的伤害。这是因为水基泥浆导致了井筒周围含水饱和度的变化，这种变化改变了油相在井筒周围的相对渗透率。这种伤害经过一定时间的生产后可以自行解除。还有另外两种类型的伤害也能影响油井的产能，这就是钻柱在井筒底面的碾磨产生的岩屑和泥浆固相进入地层导致的机械伤害，以及固井时的水泥或水泥滤液侵入地层导致的固井伤害。不管是何种伤害，它们对水平井的产能都有严重的影响。在各种情况下，当油气井表皮系数达到+5时，其产能几乎下降一半。根据经验，+5可能还是一个比较保守的表皮因子值。当表皮因子达到+20时，和无伤害时的油气井产能相比，其油气井产能下降了四分之三。产能的这种四倍关系，使得除渗透率最低的油气层外，其它几种油气层采取解除污染的强化措施都是一种可行的选择。2、克服气层渗透率的各向异性大多数气藏都在一定程度上存在着渗透率各向异性。在砂岩气层种，由于其中夹有页岩层是常见的，因而可能存在严重的各向异性现象。为了评价各向异性的程度，采用以下方程计算出各向异性系数：=式中： kh水平渗透率；kv垂向渗透率。大多数油气层都表现出一定程度的各向异性，其值常取为3。值为1时，表示完全各向同性，值为0.25时，表示垂向渗透率相当有利，最适合打水平井。图4-1中表示了各向异性系数分别为3、1、0.25的情况下，没有压裂垂直井的采油指数与没有压裂的水平井的采油指数比随水平段长度的变化。图中取泄油半径为745ft（229m），井径为0.326ft（0.1m）。=0.25=1=3=3=1=1=3=0.25=0.25 h=20ft h=100ft h=200ft图4-1 三种各向异性系数下的采油指数比比较：各向同性（=1），一般的各向同性（=3），垂向渗透率相当有利（=0.25）从图中可以看出：油气层各向异性系数越大，采气指数比越低，既相对于垂直井来说，没有压裂的水平井采气指数越低；气层厚度越大，水平井对渗透率各向异性越敏感。各向异性系数为0.25时，相当于天然裂缝气层，它的高采气指数比暗示了天然裂缝气层是打水平井的最佳侯选气层。较厚的常规渗透率地层中的采气指数比表明，用不进行强化处理的水平井来代替垂直井没有明显的经济价值。但是，采用水力压裂可以克服气层的各向异性。是压成一条裂缝还是压成多条裂缝，这要根据裂缝的取向来定。水力压裂将大大地改变气层渗透率的各向异性程度，在渗透率非常低的气层中，通过压裂，各向异性系数可以降低到1甚至更低。3、低渗透气层的强化处理钻于垂直井需要加强强化处理（不只是解除井筒附近的伤害）的地层中的水平井，是压裂选择的对象。一个762m长的水平段的两端各有一条横向裂缝时，非常类似于两口压裂过的垂直井，它们的泄油半径为两条横向裂缝间距离的一半。水平井的成本应该和两口垂直井的成本之和是一样的或更低些。为了使气层泄油最优化，裂缝数和间距应该根据地层渗透率和压裂处理的成本而定，这可以采用一个裂缝/气层偶合模拟器进行模拟确定。图42是北海油田一个白垩气层中一口水平井的裂缝数与产能增加幅度之间的关系曲线，横坐标代表305m水平段上存在径向达31m的横向裂缝数，纵坐标代表对应的相对产能增加幅度。从图中可以看出，每305m水平段内等距离形成五条裂缝时，可以获得4倍的增产幅度，当裂缝密度再增加时，由于裂缝间的干扰增加了，因而使产能再继续增加的幅度不断地降低。图4-2 北海油田一口水平井的裂缝数与产能增值的关系曲线二、强化措施的选择为了使一口水平井具有经济开采能力而采取的必要的强化处理措施，依赖于需要处理的强度。裂缝性高渗透气层中的井需要的处理强度肯定比低渗透油气层中的井要小。可供选择的强化措施有以下三种。1. 射孔通常情况下，射孔不认为是一种强化处理措施，但在水平井中，它却成为了一种不可忽略的强化措施。钻于高渗透地层种的井，如果可以解除由于钻井引起的伤害，井筒就有足够的裸露渗透率，使油气井具有经济生产能力。钻井和固井过程中对地层的伤害深度不足0.3m，深穿透射孔就可以成功地解除地层污染，增大井筒有效半径，形成一个负的表皮因子。即使在最坏的情况下，子弹的穿透深度没有超过地层污染厚度，这时的射孔也是采取后续强化处理措施所必需的中间步骤。当水平井要克服水锥问题时，它可以接受的强化处理也就是对井筒附近的处理，这时射孔就是理想的强化处理措施。此外，位于中高渗透地层中的水平井，钻井伤害可能降低产能，受此影响，使得成功的生产井变得不经济时，射孔也是解决问题的一种强化措施。2. 基岩酸化基岩酸化的对象是渗透率大于1mD、渗透率各向异性程度较轻且油气层厚度有限的水平井，实验表明，水平段为305m的水平井，当表皮因子由+10降为+5时，油气井产能将增加50%。对钻于碳酸岩地层中的水平井，采用基岩酸化完全消除表皮因子或产生一个负的表皮因子都是可能的，但是，为了进行基岩酸化，井筒必须下衬管或套管。砂岩进行酸化或酸压处理的主要优点是成本低，可以控制处理深度。当一口井要克服水锥问题时，基岩酸化是一个吸引人的选择。3. 压裂垂向渗透率低甚至没有垂向渗透率的地层中的水平井，可能必须进行压裂才有经济生产能力。水平渗透率低或存在严重地层伤害的中高渗透率地层中的水平井也是压裂的选择对象。水平井中的裂缝有两种起裂模式：纵向起裂和横向起裂。纵向起裂是沿着井筒延伸的，并且，井筒延伸方向应该是垂直于最小主应力方向的，与垂直井中的情况完全一样，裂缝把所有射孔炮眼都联系起来。纵向裂缝将有效地对井筒附近地层进行强化，并且，它主要用来把井筒泄油半径扩展到油气层的上下边界。纵向裂缝的主要用途是解除深度井筒伤害，改变油气层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。横向起裂即垂直于井筒方向起裂。这种裂缝发生在井筒方向平行于最小主应力方向的井中。井筒中射孔炮眼成组分布，每条裂缝从一组孔眼起裂，并从井筒径向延伸开去，沿井筒可以同时或相继形成多条裂缝。横向裂缝主要用来强化处理低渗透油气层，设计裂缝数要或多或少地方便于油气层泄油情况的优化。不论是设计纵向裂缝还是横向裂缝，在进行压裂设计之前，都必须了解与两种裂缝类型有关的两个中心问题，即井筒走向和井筒在油气层中垂向上的位置。1）井筒取向。裂缝与井筒之间的交会角依赖于井筒与最小主应力的方向。一旦决定了要对水平井进行压裂，而且决定了要压出纵向裂缝还是横向裂缝，这时就需要测定油气层中主应力的方向了。用来测定主应力大小和方向的方法有两种，即微型压裂法和应变松弛法。裸眼井微型压裂技术是一种直接测定地应力大小和方向的方法，在一个新开发的油气藏中，特别推荐使用这种方法。应变松弛法只能用来估计应力的大小和方向。另外，在某些情况细下，利用井径测井可以确定应力方向。为了进行微型压裂，首先要在目的地层中钻一个垂直的导向孔；然后下人一个地层测试封隔器进行层位隔离，通过钻杆加压使地层产生一条微裂缝；最后进行定向取心，记录下形成裂缝的方向。在取出岩芯，对裸眼进行评价之后，将导向孔回填，重新从根据微型压裂测定结果确定的设计方向开始钻进。这种方法可以在实际目的层中测定最小主应力的大小和方向，最小主应力的测定地点应尽可能接近进行水力压裂的地段。2）水平井在油气层垂向上的位置。井筒在垂向上的位置的选择将优化穿过油气层垂向剖面的裂缝高度，这跟油气层的应力剖面、油气层厚度和计划的施工规模有关。如果 水平井只准备进行一个小规模的强化处理，其水平井筒应定位于油气层的高应力区，这样才有可能保证裂缝穿透整个油气层厚度；对于一口将进行大规模处理的水平井，其井筒定位于油气层的低应力区是合理的，这时，它可以减少裂缝穿透阻挡层的可能。当两个水平应力几乎相等时，裂缝的方向是不能预测的，井筒延伸的方向就值得讨论了。如果两个水平应力之间有差异，这时，井筒的方向将确定裂缝与井筒的交会角。在许多情况下，水平井都会切割自然裂缝或克服油气层的非均质性。只有当钻完井之后，所预测的油气层性质没有遇钻时，才决定进行强化处理。三、压裂设计水平井是否要进行压裂以及应该采用何种类型的裂缝设计，要根据每种裂缝对油气层的强化程度。反过来，这种强化程度又与油气层的渗透率和可获得的裂缝导流能力有关。具有纵向裂缝的水平井采油指数与压裂的垂直井的采油指数比和裂缝无因次导流能力（FCD）间的关系见图43。FCD值参照压裂的垂直井。由图可知，纵向裂缝长度与水平段长度相等的水平井和裂缝长度等于水平井水平段一半的压裂垂直井相比，在低FCD值和高L/h值时，具有纵向裂缝的水平井比压裂过的垂直井产能高得多。低FCD值意味着地层渗透率高，高的L/h值意味着油气层薄，根据目前的钻井水平，钻成762m的水平段是不成问题的，用此长度作L值，薄油气层的含义就具体化为一个厚度小于23m的油气层了。油气层越薄，渗透率越高，水平井压开纵向裂缝就越有吸引力。图4-3 垂直井、垂直裂缝井与水平井、纵向裂缝的采油指数比在低L/h范围内和高的FCD值下，应优先考虑采用横向裂缝的方法设计水平井压裂。由图43可知，在这种条件下，纵向裂缝水平井的采油指数比压裂垂直井的采油指数高不了多少。然而，在横向裂缝的水平井中，每一条横向裂缝都相当于一口压裂的垂直井，但这些垂直井受以下几个方面的限制：首先是横向裂缝的泄油半径相互干扰，裂缝间距的安排应使早期的压力干扰最小；其次是横向裂缝处理地层时，强化程度的限制。在一口垂直井压裂后，裂缝与井筒间的接触范围是整个射孔段的长度，它通常是地层中的纯油气层厚度，这导致了生产过程中双线性流出现，即流体从地层线形流入裂缝，又从裂缝线形流入井筒。一般说来，在垂直井中裂缝无因次导流能力可达到10以上的低渗透地层中，水平井按横向设计是可行的；高渗透地层中，只能获得较低的无因次导流能力（一般认为FCD2），这时水平井应按纵向裂缝设计；对于无因次裂缝导流能力在210的地层来说，裂缝类型的选择需要根据具体井的情况来确定。1、横向压裂当决定采用横向压裂时，首先应根据净现值采用迭代法确定裂缝的条数和裂缝间距离，然后再确定具体的施工方案。在制定施工方案时，应注意以下几点：1）压裂方法的选用。要产生多条裂缝，可供采用的方法有限流法压裂、分段压裂法、或两者结合的方法。限流法压裂技术在水平井中应用时，由于会出现难以克服的问题，从而使得该技术几乎难以在水平井上应用。限流法压裂的主要问题，一是排量要足够的大，以满足多裂缝压裂和携砂的要求；二是在压裂液沿管线向水平段远处流动的过程中，其流速将逐渐降低，砂子的携带可能会出现问题，严重时会在管子底面出现砂丘；三是要求处理压力高。分段压裂法实施上难度相对要小，但成本昂贵。目前，水平井压裂还是趋向于选择限流法压裂技术。2）射孔。孔眼分布不仅对孔眼摩阻有较大的影响，而且对起裂的模式也有较大的影响。实验室模拟结果表明，当射孔长度超过4倍井筒直径时，可以产生多条裂缝。在较短的射孔段内产生了多条裂缝时，最后占主导地位的裂缝只有一条。同样的研究还表明，初始裂缝使一个井筒半径范围内的射孔炮眼相互连通，在射孔段长度小于4倍井筒直径时，只可能产生一条裂缝。从易于起裂考虑，每条裂缝的射孔段应尽可能的短，一定要小于4倍井筒直径，同时，射孔段应尽可能高的密度进行射孔。从孔眼的有效性考虑，在不牺牲穿透深度的情况下，孔眼直径应尽可能的大，并选用尽可能大的射孔枪以不小于90的射孔相位射孔，以减少偏心的影响。3）压裂液的选用。在水平井中，常选用高价活性金属络合的冻胶压裂液，这种压裂液具有较高的交链密度和短期内高粘度，可使砂子在井筒和裂缝入口处的压降减至最小。如果不使用这种压裂液，则通过加大施工排量，以提高压裂液的携砂性能。4）支撑剂选择。开始加砂时，支撑剂直径应尽可能地小，以便让支撑剂顺利通过近井地带。为了提高井筒附近裂缝的导流能力，可以尾追大直径的支撑剂。为尽可能地减少压裂砂在各时期内的反吐，尽量避免砂子进入井筒而引起麻烦，可加入能固化的树脂预包砂做尾追支撑剂，以增加井筒附近裂缝的导流能力和支撑剂的强度。2、纵向裂缝在裸眼完成的井中，不论井筒方向如何，都存在一个总的趋势，即裂缝沿井筒起裂，一旦脱离井筒影响后，裂缝就会取向于一个更有利于裂缝延伸的方向。当井筒下了套管射孔完成时，裂