大庆油田加密调整井压裂改造配套技术

曲兆峰 何秀清 张国良

中国石油大庆油田有限责任公司 井下作业分公司 （黑龙江 大庆 163453）

大庆油田加密调整井压裂改造配套技术

曲兆峰 何秀清 张国良

中国石油大庆油田有限责任公司 井下作业分公司 （黑龙江 大庆 163453）

主要介绍了针对大庆油田加密调整井压裂改造难点，研究裂缝参数优化、水平缝脱砂压裂、限流法优化布孔细分压裂改造、保护薄隔层压裂和适合高破裂压力储层改造的55MPa多层压裂管柱等压裂改造配套技术。现场应用证明：该配套技术为提高加密调整井薄差层的储量动用程度及改善压裂效果，提供了有力的技术支持，对大庆油田高水平、高效益开发具有十分重要的意义。

加密调整井 压裂 布孔 隔层

随着大庆油田勘探开发的不断深入，开发的主要对象已从主力油层逐步向动用难度较大的表内薄差油层及表外储层过渡。这部分储层具有油层多、厚度小、夹层薄、孔渗低、压裂施工破压高等特点，不经压裂改造难以投入正常的开发。为了提高薄差层及表外储层的储量动用程度，“九五”期间大庆油田对部分区块进行了二次和三次加密调整，加密调整后井距仅有70～120m。原有的压裂技术已不适应加密调整井油层改造挖潜的需要，为此，研究应用了加密调整井压裂改造配套技术，为提高加密调整井开采薄差层的储量动用程度，改善压裂效果，提供了有力的技术支持。

1 裂缝参数优化技术

国内外对水力裂缝参数的优化主要采用电模拟（20世纪50～60年代）和数值模拟方法，但研究的对象主要是垂直裂缝，而大庆长垣内部油田压裂后形成的裂缝为水平裂缝，因此需要进行水平缝裂缝参数优化，以确定合理的裂缝半径、导流能力和压裂规模。

水平缝裂缝参数优化的基础，是要在建立不同井网条件下，裂缝参数与油井动态关系的数学模型，通过计算不同裂缝半径、导流能力对油井产量、含水率、采油速度、采收率等指标的影响，优化合理的裂缝参数。

1.1 五点井网水平裂缝参数对油藏开采动态的影响

1.1.1 裂缝参数对油井产量的影响

在裂缝导流能力一定时，模拟不同裂缝穿透比与产油量的关系，分析可知：压后产量随着裂缝半径的增大而增加，但增加的幅度随着穿透比的增大和开采时间的延长而逐渐减小，而且也看到，裂缝越长产量下降的速度越快。这是因为在生产初期，注水井压力还没有传到生产井裂缝内，油井产量主要受裂缝半径的影响，所以裂缝越长，初期的产量越高。但是，由于地层的能量是一定的，不同穿透比下的注采井生产条件也是相同的，裂缝越长，裂缝区域内的地层压力下降也越快，因此在相同的时间内，产量下降的幅度也越大。随着注入水的推进，裂缝和油井相继见水，裂缝越长，油井见水时间越短，含水上升的速度越快，因而产量下降的时间提前幅度也越大。因而，生产一段时间后，不同裂缝穿透比的产油量差距减小。

对于不同厚度和渗透率的油层，裂缝穿透比对增产幅度的影响程度不同。就渗透率而言，地层的渗透率越低，压后产量随裂缝半径增加的幅度越大，压裂增产效果越好。

综合对比不同地层条件下，裂缝穿透比对压后增产效果的动态影响，分析可知：虽然增产效果随裂缝半径的增加而提高，但当裂缝穿透比达到20%以后，再增加穿透比产量提高的幅度已经非常小，并不是裂缝越长，效果越好，因而裂缝穿透比控制在20%左右比较合理。

裂缝穿透比一定（20%）时，模拟不同裂缝导流能力与产油量的关系，分析可知：裂缝导流能力对增产幅度的影响程度和产量动态的影响规律与穿透比相同。对含水率动态的影响规律也基本相同，说明裂缝穿透比一定时，增加裂缝导流能力也会加快含水上升速度。综合对比不同油层导流能力对增产效果的影响，裂缝导流能力控制在15～20μm2·cm的范围内比较合理。

1.1.2 裂缝参数对不同时期采出程度的影响

裂缝导流能力一定时，模拟不同厚度和渗透率油层，裂缝穿透比与采出程度的关系，分析可知：在相同的生产时间内，采出程度随裂缝穿透比的增加而增加，即增加裂缝穿透比可以提高采油速度，但增加的幅度逐渐减小。而且对于不同厚度和渗透率的油层，采出程度随裂缝穿透比增加的幅度也不同，渗透率相同时，薄层增加的幅度较大，厚度相同时，低渗层增加的幅度较大。也就是说，低渗薄层相同生产时间内的采出程度所需的生产时间缩短，即采油速度增加。在相同时间内，压裂与不压裂相比，采出程度提高的幅度很大，但当裂缝穿透比超过20%以后，采出程度随穿透比增加的幅度却越来越小。从采油速度或不同时期采出程度来看，裂缝半径也不是越长越好。综合考虑不同地层条件的对比结果，裂缝穿透比控制在20%左右比较合理。

裂缝穿透比一定（20%）时，模拟不同厚度和渗透率油层，导流能力与采出程度的关系。分析可知：导流能力对采出程度和采油速度的影响也很大，随着导流能力的增加，相同时间内的采出程度增加，但增加的幅度越来越小，导流能力对采出程度和采油速度的影响规律与穿透比基本相同。所不同的是，对于高渗层，采出程度随导流能力增加逐渐提高的幅度比较均匀，即增加的幅度逐渐减小的趋势相对较弱。但从导流能力对相同采出程度所需开采时间的影响，即对采油速度的影响程度看，合理的导流能力范围也可以定在15～20μm2·cm之间，因为导流能力达到20μm2·cm以后，再增加导流能力对提高采油速度的贡献已经非常小。

1.2 反九点井网水平裂缝参数对油藏开采动态的影响

对于反九点井网，裂缝参数对油井产量的影响与五点井网是一致的。仅以裂缝参数对采出程度和采油速度的影响，分析反九点井网裂缝参数的优化范围。

导流能力一定时，模拟不同穿透比与采出程度的关系，分析可知：当穿透比大于20%时，相同时间内的采出程度曲线几乎一致，即当穿透比大于20%，增加裂缝半径对提高采油速度或采出程度已经没有多大的实际意义，与五点井网相比较这种现象更为明显。而且，当油层渗透率较低时，裂缝穿透比过大采出程度反而会降低，这也说明，对反九点井网，对裂缝半径的要求更为严格，合理的水平裂缝半径不宜超过20%。

穿透比一定（20%）时，模拟不同厚度和渗透率油层，导流能力与采出程度的关系曲线与五点井网类似，在相同时间内，随着裂缝导流能力的增加，采出程度也随之增加，说明增加裂缝导流能力也可以提高采油速度，但提高的速度越来越小，主要是由于地层的储量是一定的，增加裂缝导流能力可以在一定程度上提高产量和采出程度，但相应的含水上升速度也加快，所以对采出程度的影响会越来越小。综合考虑各种因素，导流能力也可以定在 15～20μm2·cm之间。

对长垣内部油田密井网裂缝参数优化结果表明：合理的裂缝半径为井距的20%（即裂缝半径为20～24m），裂缝导流能力为20μm2·cm。

2 水平缝脱砂压裂工艺技术

根据密井网压裂裂缝参数优化结果，为提高采油速度和最终采收率，在一定的地层条件下有一个合理的裂缝参数。如在井距120m、油层厚度1m、渗透率100×10－3μm2条件下，最佳的裂缝半径为井距的20%（24m），导流能力为20μm2·cm，如果采用常规的压裂技术，在24m半径条件下要形成如此高的导流能力是不可能的，为此研究应用了水平缝脱砂压裂工艺技术，以满足密井网压裂井需要短而宽的裂缝改造要求。

水平裂缝端部脱砂压裂工艺原理是在压裂过程中，利用压裂液的滤失特性，当裂缝半径扩展到预定的长度时，在裂缝端部人为地造成砂堵，从而阻止裂缝的进一步径向扩展；裂缝端部形成砂堵后，以大于从裂缝向地层中滤失量的排量，继续按设计的加砂方案向裂缝中注入混砂液，随着注入时间的增加，注入压力和裂缝宽度会逐渐增加，裂缝中的支撑剂浓度也越来越高，当地面泵压达到预定的压力时停止施工，就可以获得较高的裂缝导流能力，这样既控制了裂缝半径，又满足了高导流能力的要求。研究中建立了实现预定裂缝半径的脱砂设计方法、研制了实现脱砂施工的压裂液和防止压后砂卡的可洗井高砂比压裂管柱以及用于监测井底压力的井下压力计。

统计89口脱砂压裂施工油井，其中有64口为水驱油井，压后单井平均日增油10.0t，比普通压裂井提高33.3%；聚合物驱采油井25口，压后单井平均日增油25.3t，比聚合物驱普通压裂井效果提高26.5%。计算结果表明，施工井的脱砂半径控制在19～31m之内；平均支撑缝宽可达到2.0～5.4mm。

3 限流法优化布孔及细分压裂改造技术

针对普通限流法设计存在均匀布孔，不均匀改造的问题，进行了不均匀布孔（根据各油层渗透率差异确定孔数），均匀改造（各小层改造半径接近）的限流法优化布孔细分改造技术研究。

综合考虑射孔数、油层物性和层间裂缝扩展状态对层间流量分配的影响，研究建立了限流法压裂布孔方案优化方法和裂缝参数模拟计算方法，编制了限流法压裂优化设计软件，并通过模拟分析进行了现场试验和应用。通过优化布孔方案，可以实现合理改造开采各个储层，充分发挥了各储层的潜力，从而获得更高的初期产量、更长的压裂有效期，取得更好的经济效益。

限流法压裂层段的划分要综合考虑设备能力、管柱限压和全井压裂目的层数量及分布情况。一方面要力求采用尽可能少的压裂层段完成全井压裂，另一方面要确保在设备能力和管柱限压条件下，尽可能压开层段内各目的层。应用设计程序优化布孔的具体步骤如下：

（1）分析各层段内压裂目的层最大破裂压力差异值，确定相应层段在压裂过程中需要的最小炮眼摩阻值；

（2）确定施工允许的地面泵压Psmax；

（3）计算静液柱压力；

（4）确定井底处理压力值；

（5）根据设备能力和允许的地面施工泵压设定一组施工排量，并求出相应排量下的压裂液沿程管损；

（6）计算一组相应排量下的地面施工泵压Ps；

（7）取Ps小于Psmax的相应排量作为预选施工排量；

（8）在预选排量中，确定一个适当的施工排量值，计算层段射孔炮眼总数n；

（9）如果计算得出的n值满足不了层段中油层数量的要求，即不能将每个小层都布上适当的孔数，则可在预选施工排量范围内提高施工排量，重新计算Ps和n值，如仍满足不了需要，则必须对层段进一步细分；

（10）确定每个小层的炮眼数，以给定的各小层裂缝参数为目标，通过流量分配模型和水平缝模型的反复模拟计算，最终确定各小层炮眼数。如果层间物性差异较大，无论怎样分配各小层炮眼数都无法实现裂缝参数的要求，则应重新划分层段，重新模拟计算。

在萨中三次加密井、杏北二次加密井及杏南油田加密井中，统计应用限流法优化布孔及细分压裂改造技术施工的171口井，通过微地震测试资料证明，设计结果平均误差低于20%。试验井压后初期平均单井日增油12.5t，与同区块普通限流法压裂井相比，初期平均单井日增油多2.8t，提高了22.4%，取得了较好的压裂效果。

4 保护薄隔层压裂技术

对于水平裂缝油藏，压裂过程中隔层承受的剪切力，是可能导致层间窜通的主要因素。对于加密调整井改造的表内薄、差油层及表外储层，由于大部分层间隔层厚度小于2.0m，常规压裂工艺适应性差、细分改造程度低，已不能满足此类油层压裂开发的需要，因此，研究了保护隔层压裂工艺技术。

4.1 隔层承压能力研究

理论研究表明，对于水平裂缝油藏，压裂过程中井筒附近隔层承受的压力和剪切力大，而且在目的层破裂的瞬间，第二胶结面承受的剪切力最大。对于内部水平裂缝油藏，隔层厚度小于2.0m，压裂时如果不采取保护措施，就会使第二胶结面产生剪切破坏，导致层间窜通。这种关系可以用图1表述。当隔层厚度大于2.0m以后，隔层本身的承压能力已超出压裂过程中对隔层作用的最大破坏压力；而当隔层厚度小于2.0m时，隔层本身的承压能力已低于最大破坏压力，必须提供保护压力才能进行压裂施工。而且隔层厚度越小，需要提供的保护压力越大，如隔层厚度为1.2m时，需要提供的保护压力必须大于1.0MPa；而当隔层厚度为0.4m时，要求提供的保护压力必须大于2.0MPa。

图1 隔层厚度与承压关系曲线

隔层的最小阻渗厚度分析表明，压裂液渗滤厚度很小，压裂施工过程中的隔层厚度远大于这一厚度值，因此隔层不会因岩层本身渗率而窜通。

4.2 保护薄隔层压裂工艺原理

将薄隔层上、下的压裂层和平衡层分别卡在不同的卡距段内，液体通过平衡器和喷砂器同时进入平衡层和压裂层，平衡器出液口和喷砂器出液口面积相同且在同一压力系统内，打完预前置液后投球打下平衡器滑套，使平衡器出液口出液不出砂。由于在需要保护的隔层上下建立起一定的平衡压力，在压裂层形成裂缝，加砂过程中，平衡层仍进液不进砂，从而减小了需要保护的隔层上下压差，使得在压裂过程中需要保护的隔层得到有效的保护，图2为保护隔层压裂工艺原理示意图。

按照上述研究分析，根据压力平衡的原理，研制了保护薄隔层的管柱和配套工具。管柱主要由平衡喷砂器、平衡器、过液器等组成，最高工作压力55MPa，可以根据需保护层的位置进行6种压裂管柱组合，实现坐压两层分别保护上、下及中间隔层。

图2 保护隔层压裂工艺原理示意图

统计推广应用的62口井，共保护79个压裂薄隔层，最大的隔层厚度是1.7m，最小的隔层厚度是0.4m，平均隔层厚度为1.17m。其中，保护上隔层43个，保护中间隔层9个，保护下隔层27个。有11口井分别进行压前和压后验窜，验窜结果表明隔层没有窜槽，工艺成功率达到100%。利用保护隔层压裂工艺技术，可以使长垣内部油田压裂隔层的厚度下限降低到0.4m，从而可以解放大批油层，进一步提高薄差层的储量动用程度。

5 55MPa多层压裂管柱

针对原有扩张式分层压裂管柱承压低 （承压上限40MPa）的问题，研究了长垣内部55MPa压裂管柱，有效地解决了加密调整井开采薄、差油层普通压裂过程中因破压高导致压不开的问题。

5.1 主要工具性能

见表1、表2、表3。

5.2 管柱的特点

一是管柱组成工具经合理的结构设计，具有结构简单、承压高、耐温高、工作可靠的特点；二是管柱操作方便、施工时效高；三是管柱的封隔器进液防砂性能好，能够避免胶筒内腔进砂，便于活动管柱；四是管柱的喷砂器结构完善，有利于处理压裂砂卡等施工事故。

表1 封隔器的主要技术参数表

表2 单滑套喷砂器的主要技术参数表

表3 双滑套喷砂器的主要技术参数表

55MPa多层压裂管柱可根据预压裂井的具体情况组配成不动管柱压1～3个层段的压裂管柱，若采用上提管柱还可以多压裂1～2个层段。该管柱应用于限流法压裂，能够扩大压裂施工规模，降低沿程损失，增加改造小层数，提高限流法压裂效果。经过461口井压裂试验，未出现胶筒内进砂、灌包现象，说明封隔器的进液防砂功能比较好，所有试验井未出现中途脱封、管柱压断等现象，说明管柱强度适中、工作可靠。

6 结论及认识

（1）对长垣内部油田密井网裂缝参数优化结果表明：合理的裂缝半径为井距的20%（即裂缝半径为20～24m），裂缝导流能力为20μm2·cm。

（2）水平缝端部脱砂压裂可以将裂缝半径控制在19～31m之内，裂缝支撑缝宽能够达到相同施工规模常规压裂的2倍以上，能够满足加密调整井压裂改造挖潜的需要。

（3）限流法优化布孔及细分改造技术完善了限流法施工井布孔方案设计，通过优化布孔方案，可以实现合理改造各个储层的目的。

（4）在固井质量良好的前提下，采用保护薄隔层压裂工艺技术，可以使长垣内部油田压裂隔层的厚度下限降低到0.4m，提高了薄差层的储量动用程度。

（5）55MPa压裂管柱的研究和应用，解决了薄差层压裂改造难以压开的难题，同时满足了限流法施工需要大排量的施工要求。

This paper mainly introduces the difficulties of fracturing technology for infill adjustment wells in Daqing oilfields.Then, the research focuses on the following fracturing reform technologies,including the optimization of fracture parameters,the sand fallout of horizontal fracture,the optimization of current limiting methods for the fine collocation of holes,the fracturing of protecting thin layer,and 55MPa multiple fracturing strings suitable for the reform of high cracking pressure reservoir.The field test confirms that this fracturing technology has provides the strong technological support for improving the degree of reservoir usage at the thin layer of infill adjustment wells and the fracturing effect,and thus plays an important role in the high-level and high-benefit development of Daqing oilfields.

infill adjustment well;fracturing;collocation of holes;layers

曲兆峰（1976-），男，高级工程师，主要从事石油勘探与生产工程监督管理工作。

张箫铃

2011-05-23