水平井分段压裂技术在低渗致密储层中的应用

水平井分段压裂技术在低渗致密储层中的应用

在世界进入艰难移动储量开发的时代背景下，国内外油气都面临着低渗透、低渗透和存储层开发的问题，自然生产能力低，直接水井开发建设率低。压裂重建技术是解决致密低渗油气开采的关键技术，尤其是水平井段压裂重建中难以用户数量开发的有效手段。水平井具有泄油、气面积大、单井产量高、储量动用程度高、避开障碍物和环境恶劣地带等优点,在石油工业的科研和实践中成了人们关注的焦点。对于低渗透油气藏的水平井,由于地层渗透率低、孔隙连通性差、油气的渗流阻力大,产量达不到经济开发要求,必然要面临增产改造的问题。水平井分段压裂可以追溯到20世纪90年代,最先采用的水平井分段压裂工艺是采用液体胶塞隔离进行分段压裂改造,但是由于胶塞质量以及对地层的伤害性限制了该工艺的推广应用。随着国内外致密低渗油、气藏的不断开发,水平井分段压裂工艺等均得到了迅速的发展。1水平井压裂现状目前,针对不同的完井方式,分段压裂改造可以分为以下几种主导工艺:1.1裸眼井分段压裂工艺针对地层岩性致密,水平井水平段井壁稳定,裸眼完井可以增大油气泄流面积,水动力学完善。目前,裸眼完井分段压裂国内外主导工艺是管外封隔器分段压裂,该工艺管柱一次性下入,通过投球进行分段压裂改造,施工效率极高。目前,国内裸眼井以该种工艺为主导。国外裸眼管外封隔器分段压裂以PackersPlus、Baker&Hughes、Halliburton以及Weatherford等一些公司为代表,工艺不断完善,工具性能也不断提高。压裂用高强度低密度投球极差达到1/40.64cm,封隔器耐压差达70MPa,工艺对地层的适应性不断提高。而国内裸眼管外封隔器分段压裂起步比国外稍晚。目前,安东石油、渤海钻探、中石化石油工程技术研究院以及阜新驰宇等单位均自主研发成功,并在现场得到广泛的应用,但工具稳定性等方面有待继续提高。但是如前文所述,这种工艺存在自身局限性,需不断的完善以满足后续工艺需求。另外,水力喷射在裸眼完井中也得到应用,主要分为拖动管柱水力喷射分段压裂和滑套式水力喷射分段压裂两种工艺。1.2连续油管分段压裂施工技术对于水平井以筛管、尾管和套管不固井等方式的完井,通常采用的分段压裂方式是(连续)油管拖动水力喷射分段压裂,通过油管喷砂射孔,环空加砂压裂,并利用高速流体在喷嘴出口处形成负压进行有效封隔。该工艺技术的最大优点在于集射孔、压裂和隔离一体化,而且一趟管柱可以水平井段中快速、准确的进行多段压裂,且裂缝起裂位置确定,施工安全性较高,是一种非常有效的改造措施。自从1998年Surjaatmadjadia提出了水力喷射以来,该工艺技术得到了快速的发展。目前,美国Halliburton公司的CobraMaxH连续油管分段压裂施工最多单井分段已达到44段。但是该工艺施工排量受限(油管内径较小)、施工规模较小,改造体积有限,不能进行大规模的改造,另外,喷嘴的耐磨性以及有效性等均是制约水力喷射分段压裂的瓶颈。1.3机械封堵分段压裂工艺水平井套管固井完井分段压裂工艺主要以机械封堵分段压裂为主,包括桥塞机械封隔分段压裂、连续油管带底封分段压裂以及泵送桥塞射孔联作分段压裂等工艺。1.3.1桥塞压裂施工该工艺施工相对简单,但工序繁多:通洗井-下桥塞至预定位置坐封-释放桥塞-井筒试压-射孔-压裂-试气求产-打捞桥塞,多段压裂充分以上步骤,施工逐段进行。目前,该工艺技术在油气井中应用相对较少。1.3.2单井分裂压裂试验该工艺技术通过连续油管与配套工具在井下的精确定位、连续拖动、喷砂射孔、逐级压裂最终实现一趟管柱完成多级压裂,可以大大缩短作业周期。目前,由于该工艺技术的优点,以Halliburton、Baker&Hughes等为代表的国外油服公司已经将该工艺技术应用于水平井分段压裂,并在国内部分油气田开始现场试验评价。调研该工艺在国内应用情况,该工艺现场应用效果较好,推广前景广阔,但目前限制该工艺技术的瓶颈是封隔器重复坐封的有效性。1.3.3压裂桥塞的压裂工艺泵送桥塞射孔联作分段压裂工艺技术属于机械封堵分层压裂技术,适用于套管井,由于其具有分层压裂段数不受限制、压裂层位定位精确、封隔可靠性高等优点,受到各作业公司的欢迎。目前,该工艺技术以美国Baker&Hughes的QUIKDrill可钻式复合材料桥塞、Halliburton的FasDrill系列快钻压裂桥塞以及Schlumberger的Diamondback复合压裂桥塞分段压裂为代表。为了适应越来越苛刻的地层条件,目前该工艺技术桥塞耐压差已达103.4MPa,耐温232°C。1.3.4压裂施工段压裂施工国内外在20世纪90年代初采用该技术,主要用于套管井。其基本作业原理流程是:利用液体胶塞和砂子隔离已压裂井段,然后进行后续段的压裂,逐层进行压裂施工。施工结束后冲砂冲胶塞合层排液求产。液体胶塞和填砂分隔分段压裂方法施工安全性高,但所使用的液体胶塞浓度高,对所隔离的层段伤害大,同时压后排液之前要冲开胶塞和砂子,冲砂过程中对上下储层均会造成伤害,特别是致密低渗油气层,而且施工工序繁琐,作业周期长,使得综合成本升高。2水平井压裂技术的主要问题水平井在致密油气田中的规模化应用,推动了分段压裂工艺技术的快速发展和进步,但是与此同时,仍存在一些问题,急需完善与提高。2.1裂缝几何形态复杂，难以控制水平井段小由于直井和水平井井筒的轨迹和方位等不同,水平井井筒的地应力分布更加复杂,加上人工裂缝间的互相干扰,水平井段中形成的裂缝几何形态更加复杂和难以控制。因此,对于水平井压裂裂缝起裂和裂缝延伸规律以及形态等的研究还不够,设计参数与实际有所差距,从而无法合理地控制水平井压裂施工参数。2.2井筒周边应力分布优化目前,直井地层的应力剖面研究已经非常成熟,并形成各种推广应用的软件(如GMI等)。而水平井应力剖面和水平井井筒附近应力分布规律目前研究的比较少,尤其是水平井油气层纵向应力剖面。井筒在垂向上位置的选择将优化穿过油气层垂向剖面的裂缝高度,与油气层的应力剖面、油气层厚度和计划的施工规模有关。优化水平井压裂裂缝高度是水平井压裂的一个主要问题。水平井井筒横向应力剖面反映在低渗油气层非均质性比较强,选择水平井压裂层段和采取哪种隔离技术进行分压也是面临的问题。2.3地层和压裂水平井井筒目前,压裂设计优化主要是考虑压裂参数带来的经济效果不同,而没有对整个系统来优化。对整个系统存在一个最优的裂缝条数、裂缝导流能力、裂缝长度、裂缝位置、裂缝间距和裂缝布局的组合,必须把地层和压裂水平井井筒作为一个整体系统来考虑。目前,国内外在直井的单裂缝延伸模型的研究基础上,形成了众多的压裂设计软件,并没有全面考虑井筒弯曲、复杂的压裂工具与管柱、多裂缝温度场、复杂的地应力场等因素对压裂设计的影响。3水平井压裂技术的发展趋势3.1多种完井方式针对不同的完井方式,例如裸眼完井、套管完井、筛管完井、管外封隔等多种完井方式,不断优化和完善工艺技术和工具性能,例如水力喷射喷嘴质量的提高,液体胶塞低伤害的研究。提高各种工艺及工具对不同地层条件的适应性,并且应用于多分支井、鱼骨井等复杂结构井的压裂施工。3.2水平井产能预测的研究水平井压裂基础理论问题已引起世界学术界的广泛关注,形成并应用物理模拟和数值模拟的方法在进行不断的研究。水平井产能预测与评价、压裂多段多裂缝起裂的物理模拟实验以及裂缝起裂和裂缝延伸的规律、油气层纵向地应力剖面和横向地应力剖面的分布、多裂缝的裂缝几何尺寸和裂缝导流能力、数学模型的建立等。这些理论的深化研究将不断深化水平井压裂的认识。3.3提质提效技术由于水平井压裂施工周期较长,要求压裂液低伤害或无伤害。当前清洁压裂液虽然低伤害,但价格较高。为适应长期关井降低伤害的要求,水平井压裂液应加强超低表界面张力技术、无滤饼或滤饼可降解滤饼技术、超稳定长效破胶剂技术,智能层内增能助排技术,低成本清洁压裂液、无固相压裂液等研究。近年来,国外支撑剂回流控制技术不断完善,包胶支撑剂的适应能力、应用范围和性能指标也在不断提高。正在开展低密度支撑剂、纤维与热塑膜覆膜等技术研究