致密气水平井分段多簇压裂关键参数优选

吴百烈，周建良，曹砚锋，金 衍，张滨海

(1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国石油大学 (北京)，北京 102249)



致密气水平井分段多簇压裂关键参数优选

吴百烈1，周建良1，曹砚锋1，金 衍2，张滨海1

(1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国石油大学 (北京)，北京 102249)

针对致密气藏压裂效果差的问题，综合考虑排量、射孔摩阻、压裂后生产数据等参数，运用弹性力学方法，建立诱导应力计算模型。结合实际井数据，优选了簇间距、射孔数、射孔位置等参数。结果表明：簇间距的选取受施工净压力与地应力差的限制；单段总射孔数受排量、地应力差的影响，单簇射孔数与簇数需根据实际条件调节；最佳射孔位置为含气量高、天然裂缝发育、地应力差较低的区域。该文对致密气藏现场选取合理射孔参数，提高压裂效果具有重要指导作用。

致密气；分段多簇压裂；诱导应力；簇间距；射孔

0 引 言

中国致密气储层非均质性强，物性差，具有明显的低孔、低渗特征，自然状态下基本无工业产能[1]，水平井分段多簇射孔压裂[2-4]是开采致密气的主体手段之一，国内外许多学者进行了针对性的研究。Chaudhary[5]、尹洪军[6]等以致密储层为研究对象，采用数值模拟方法[7-8]研究了水平井横断裂缝间距对产量和采收率的影响，认为裂缝间距越小，产量和最终采收率越高；Mullen[9]等研究了天然裂缝和射孔对水平井产能的影响，认为在天然裂缝聚集区射孔可使累计产量提高20%以上。运用弹性力学方法，建立了水平井分段压裂诱导应力场计算模型，提出簇间距确定方法，优化射孔数及优选射孔位置方法。该研究对于提高水平井分段多簇射孔效率，合理选取压裂设计参数，提高压裂优化设计水平具有重要理论指导意义。

1 分段多簇射孔压裂机理

分段多簇射孔压裂形成多条裂缝，彼此之间受应力干扰影响，裂缝扩展延伸难度增大，裂缝延伸净压力升高[10]，使得微裂缝剪切开启，容易产生分支裂缝或次级裂缝，整体形成复杂缝网，充分改造储层。在最大、最小水平主应力方向存在诱导应力差值，当诱导应力差值大于原始最大、最小水平主应力差值时，会形成应力反转区(原来最大水平主应力方向变成最小水平主应力方向)。在应力反转区内，裂缝在延伸过程中会发生转向，促使复杂裂缝形成，具有更大的改造体积。分段多簇射孔压裂一次施工压开多条裂缝，与常规分段压裂相比，可大幅缩短作业周期，降低作业成本，提高作业时效[11]。

2 关键参数优化

分段多簇压裂效果主要受3个关键参数影响：簇间距、射孔数、射孔位置。

2.1 簇间距优化

簇间距对于能否形成高效贯通的裂缝网络具有重要影响。簇间距过大，多簇射孔应力干扰优势不明显，不能充分促进裂缝网络形成；簇间距过小，受诱导应力挤压影响，容易引起缝宽降低，破裂压力升高，造成施工困难甚至砂堵。

采用无限长平板单边受力模型模拟在缝内净压力作用下诱导应力场分布，依据弹性力学理论[12-13]，平面上某点诱导应力与缝内净压力、该点与裂缝中心点距离、水力裂缝半长等因素有关。在x、y方向产生的诱导应力及二者差值分别为：

(1)

(2)

Δσ诱导=σx诱导-σy诱导

(3)

(4)

式中：σx诱导为x方向诱导应力，MPa；σy诱导为y方向诱导应力，MPa；Δσ诱导为诱导应力差，MPa；Δp为裂缝壁面上的净压力，MPa；r1、r2、r3分别为平面任意一点到裂缝前尖端点、中心点、后尖端点的距离，m；L为裂缝半缝长，m；θ1、θ2、θ3为平面任意一点分别与裂缝前尖端点、中心点、后尖端点连线与y轴负向之间的夹角，°。

裂缝两侧具有对称性，以裂缝右侧为例，为求取区域内任意一点诱导应力值，推导并建立各角度(θ1、θ2、θ3)与各距离值(r1、r2、r3)转换关系(表1)。

表1 各角度与各距离对应关系

为方便表述，采用无量纲量表示诱导应力与簇间距关系。定义无因次诱导应力值为诱导应力值与裂缝净压力之比，无因次距离为簇间距与水力裂缝半长之比。图1给出了在不同原始地应力差下所需要的无因次距离。

当诱导应力差大于或等于原始最大、最小水平地应力差值时，利于实现水力裂缝扩展转向，形成复杂裂缝，由此可确定最优射孔簇间距[14]。由图1可知，诱导应力差曲线在前半段呈上升趋势，最优簇间距随着原始地应力差的增大而增大，但诱导应力差存在最大值。实际中，当诱导应力差不足以抵消原地应力差时，水力裂缝延伸不易发生转向，此时可通过提高排量增大裂缝内净压力，致使诱导应力差增大，以满足抵消原地应力差的要求。现场施工时，也常常在压裂液中加入暂堵剂，以提高裂缝延伸净压力，增大诱导应力差，实现裂缝转向延伸。对于图1，若原始最大、最小水平地应力差为4MPa，则最优簇间距对应的无因次距离为0.43。一般情况下，根据原始地应力条件，通过选择合理的簇间距促使裂缝转向扩展，增强各簇裂缝彼此间沟通，利于形成复杂裂缝网络，达到体积改造目的。

图1 不同原始地应力差下模拟计算结果

2.2 射孔数优化

受储层应力非均质性影响，分段多簇射孔压裂时，同一压裂段内并非所有孔眼都会吸收压裂液，为使射孔簇有效开启并延伸，需要利用射孔摩阻平衡储层应力非均质性影响。

射孔孔眼摩阻计算公式[15]为：

(5)

式中：ppf为射孔孔眼摩阻，MPa；Q为施工排量，m3/min；ρf为压裂液密度，g/cm3；Np为射孔孔眼数，个；df为射孔孔眼直径，m；Cd为流量系数。

假设压裂液密度为1.0g/cm3，射孔孔眼直径为0.01m，流量系数为0.85，作射孔摩阻与射孔数关系曲线，如图2所示。

由图2可知，随射孔数的增多，射孔摩阻逐渐减小[16-18]。实际中各射孔簇不会同时开启，最先开启的射孔簇要具有很大的孔眼摩阻，以平衡原地应力差，因此，每簇射孔数不能过多。同时也不能过少，导致射孔摩阻大幅增加，致使施工压力过高。

图2 不同施工排量下孔眼摩阻与射孔数关系曲线

对于分段多簇压裂而言，在一个压裂段内，一定排量下应保持总的射孔孔眼数一定，单簇射孔孔眼数与射孔簇数可适当调节。考虑不同射孔位置处应力差异，高应力区应保持较多射孔，低应力区较少射孔。

2.3 射孔位置优化

射孔位置的选择对产量同样重要[19]。北美致密气井压裂后生产测试数据统计表明，在储层高应力区域约有1/2的射孔簇对产量没有贡献，而在低应力区域30%的射孔簇却对产量有高达70%的贡献。

分段多簇压裂应选择“甜点区”射孔，“甜点区”特征包括：含气量高、天然裂缝相对发育、地应力水平低且水平应力差较小等[20]。现场实际中，通过在“甜点区”布簇射孔，保证压裂后最大程度地实现各簇裂缝开启及缝网改造。

3 现场应用

以大牛地气田盒1气层的1口开发水平井为例，该井压裂层位垂深为2 461m，岩性主要为岩屑砂岩，物性较好，水平段长为1 200m。设计分8级压裂，每级3簇射孔，设计施工排量为2.5～13.2m3/min，主压裂施工平均排量为12.0m3/min，设计压裂缝长为140m。根据室内岩石声发射Kaiser效应结果，测得层位最大最小水平地应力差为4MPa，施工净压力为6MPa，由图1可知，当无因次距离取0.43时，对应簇间距取值为30.1m，此时诱导应力差可抵消原地应力差，实现应力反转，利于裂缝转向。

考虑储层非均质性与沿水平井筒方向应力分布差异，设计射孔摩阻为2.0～3.0MPa，在平均设计排量12.00m3/min下，根据图2要求单段射孔数目为32～39个，考虑排量上下波动，设计单段射孔数目为36个，对应单簇射孔数目为12个，平均单孔流量为0.28m3/min，此时射孔摩阻为2.3MPa。设计平均每簇射孔长度为1m，由水平井段长、簇间距、射孔簇数确定平均段间距为81.5m。

该井压裂前用酸液处理孔眼，降低破裂压力及近井地带摩阻，前置液采用滑溜水，携砂液采用瓜胶压裂液。施工中先采用0.5～2.0m3/min排量测试压裂45min，停泵40min后重新起泵，主压裂施工排量为12.0m3/min，油压为44～50MPa，前置液阶段添加段塞，段塞砂浓度为4%～8%，携砂液阶段采用阶梯加砂方式，砂浓度为8%～25%，总施工时长为200min，总累计注入液体体积为5 741m3，总加入高强度陶粒为608m3。

压裂后，先后采用3、4、5、6、8mm油嘴控制放喷，用20mm孔板求产，油压为5.44～6.37MPa，火焰高为11m，呈橘黄色，试气平均日产气量为10.5×104m3/d，后续跟踪日产气量稳定在9×104m3/d，分段多簇压裂效果显著。

4 结论及认识

(1) 水平井分段多簇射孔压裂是开采致密气的有效手段，压裂后在储层内部形成多条主裂缝同时延伸，各主裂缝相互干扰，形成应力反转区，引起主裂缝转向延伸并沟通分支裂缝或次级裂缝，形成复杂裂缝网络，尤其在高脆性、天然微裂缝发育、水平地应力差较小的储层，这种表现更为明显。

(2) 各射孔簇有效开启是分段多簇射孔压裂追求的目标，选取合理的簇间距、射孔数与射孔位置是保证压裂效果的关键。当排量一定时，簇间距的选取受缝内净压力、原始地应力差限制，合理的簇间距利于各簇裂缝间的彼此沟通；每个压裂段需要保证一定的总射孔数，射孔簇数与每簇射孔数可根据储层条件适当调节；射孔位置应选取在高含气量、低地应力水平、天然裂缝发育、水平应力差小的“甜点区”。

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编辑 朱雅楠

20160127；改回日期：20160512

国家“973”重大专项“致密储层人工缝网形成与重复压裂改造控制机理”(2015CB250903)；中海石油(中国)有限公司科技发展项目“临兴-神府致密气压裂裂缝形态研究”(2016-KJZC-004)

吴百烈(1986-)，男，工程师，2008年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，2014年毕业于该校油气井工程专业，获博士学位，现主要从事非常规油气钻采方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.030

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