定向井压裂技术发展现状分析

定向井压裂技术发展现状分析

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贾长贵1,2

(1.中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站,北京　100083;2.中国石化石油工程技术研究院,北京　100101)

摘　要:定向井压裂技术是石油开发过程中的重要技术,本文对这一技术的现状进行了分析。关键词:定向井;压裂技术;分析

中图分类号:TE357.1+3-1 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2010)20—0092—02 我国东部低渗透、断块油气田,地层情况复杂,在开发的中、后期,为了改善油田的开发效果,大斜度定向井的数量逐年增多,并且多数需要进行压裂改造。定向井在不利的方位下易产生多裂缝,受多裂缝的影响,裂缝宽度降低,致使支撑剂过早地发生桥塞,易于产生砂堵,致使达不到理想的压裂增产效果。

1　防止定向井水力压裂早期脱砂技术

国外对定向井压裂的研究工作进行的较早。Kup arul R iver 油藏探边井、定向井较多,属于低渗油层,90年代初为真正提高生产能力进行了大型重复压裂作业,尽管压裂取得成功,但某些区块的井压裂后没有效果。原因是用常规的压裂工艺导致过早的近井眼脱砂,支撑剂充填效率低,井的生产能力也随之降低,而这些井大都是扩边井、井斜最大或井眼与最佳裂缝面方向不利因素的井。近期压裂研究结果表明,在上述问题井中的近井区较高的摩阻压力损失表明在近井区域存在严重的裂缝宽度节流现象,由于大斜度井在相对于最佳裂缝面不利的方向倾斜,因而自炮眼产生的启动裂缝可能不会连成沿井眼的一条单一裂缝面,结果多是多重雁行式裂缝会同时自井眼延伸。因此,受次要裂缝的分流、滤失等因素的影响,易造成砂堵。

通过对多裂缝的分析,为了降低早期脱砂的危险,国内外的主要做法是增加压裂液的粘度、降低施工排量以及射孔层段的高度,采用支撑剂段塞技术、变排量施工技术,确保施工成功。

2　定向井射孔压裂

射孔对水力压裂的影响研究始于七十年代,研究的范围只针对直井的情况,研究方法只限于模拟试验进行定性分析。

1973年,A bbas A li D aneshy [1]首先对射孔孔眼的压裂进行了模拟试验研究,认为水力裂缝的起裂压力,起裂位置、延伸与井筒附近的应力分布有密切关系。目前地应力方向的测量技术已成熟,包括水力压裂法、壁崩落方向法、塞尔效应法、差应变法。在压裂之前可以确定地应力的方向,这为待压裂井定向射孔技术的发展奠定了基础。

四川石油管理局[2]结合四川盆地油气储集层的特征,采用模拟试验的方法研究了射孔方案对破裂压力和造缝形态的影响。认为射孔作为液流通道,在压裂时具有重要作用,如调节破裂压力的大小、控制裂缝的初始方位、调整层间进入液量等,射孔方案是主动改变压裂施工工艺的有效手段之一。破裂压力随射孔深度、孔密的增加有所降低,线状排列较螺旋排列要低。最小主应力与射孔两个因素都能控制裂缝的断裂方位,当射孔方向正交最小主应力时,裂缝方向稳定,破裂压力值最低,否则断裂方位会变化,破裂压力值会提高。裂缝方位开始受射孔方位控制,延伸过程其方位逐渐转到与最小主应力正交。

1997年,L yle V L ehm an [3]分析了多条裂缝产生的原因。认为多条裂缝是导致水力压裂成功率较低的主要因素。分别对直井、定向井和水平井进行了研究。直井易产生对称的扇形裂缝。对于水平井,裂缝在每一个炮孔起裂,延伸过程中相邻裂缝交叉,最后形成一条垂直于最小应力方向的主裂缝。斜井易产生多条裂缝,原因是复杂的地层条件和地应力条件,射孔的间距过大,定向井的倾斜角过大等。

1999年,M oha m ed Sol i m an [4]在高渗、弱固结地层压裂施工时进行定向射孔的研究和应用。螺旋射孔是由于油从地层流向井底,而对于压裂后的油井,油大部分从裂缝经过孔眼流进井眼,从而提出定

29内蒙古石油化工 2010年第20期　

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收稿日期6作者简介贾长贵(3),男,河南安阳人5年毕业于石油大学(北京)石油工程专业,年获中国石油大学(北

京)油气田开发专业博士学位,在站博士后,高级工程师,主要从事储层改造技术研究与应用工作。

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向射孔。研制出新型定向射孔系统,应用于油田获得成功。

3　裂缝起裂研究

对于定向井的裂缝起裂分析,C.H.Ye w[5]等应用三维弹性理论推导了一套计算定向井压裂井筒周围应力分量公式,并详细提出了斜井水力压裂设计的技术概念和方法,分析了裸眼井复合裂缝相互连接所要求的孔眼间距以及套管井中套管对孔位和孔密的影响,建立了裂缝相互连接的判据。

李海涛[6]等通过射孔参数对垂直井压裂施工压力的影响分析和射孔参数影响初始裂缝产生的机理分析,提出了待压裂施工井的射孔优化设计方法;张士诚教授[7]建立了限流法压裂施工过程中各层流量随时间、地层物性和射孔数变化的数学模型,与裂缝几何参数模型联立优化设计射孔方案。

4　裂缝条数优化研究

为了使压裂后的大斜度井生产达到最优,使其开采经济效果更好,需要优化大斜度井的裂缝条数。Ka rcher[8]等人曾对水平井压裂设计中的裂缝条数优化进行了广泛而深入的研究,其基本思路都是围绕建立水平井压裂后多裂缝(或多条天然裂缝)生产产能的解析模型或数值模型,结合压裂经济评价模型,确定水平井压裂的最优生产裂缝条数,所建立的模型有解析模型,也有数值模型,但是模型考虑因素都比较简单。实际上,对于大斜度井的压裂裂缝条数优选模型,迄今为止没有明确的报道。由于大斜度井井身位移长,能穿越多个性质有所差异的油藏层位,而水平井仅仅可以看作是大斜度井的一个特例,尽管如此,如果能够考虑到更多更全面的因素,对于大斜度井的压裂裂缝条数优选问题还是可以借鉴水平井的技术方法。鉴于大斜度井的特殊性,必须建立裂缝-油藏三维油水两相渗流方程及其渗流差分方程,同时需要考虑到生产过程中裂缝缝间干扰因素,对大斜度井压裂后的不同裂缝条数、不同几何形状和不同间距的压后多缝产能进行数值模拟,结合压裂经济评价模型,建立大斜度井压裂的最优裂缝条数优化数值模拟模型,为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,使油井压裂效果经济性最佳。

5　定向井压裂技术应用现状

针对定向井压裂问题,由于中原油田在现场中遇到的问题较多,在现场操作方面应用较早。现场实施中通过确定压裂层的孔眼数量及射孔段间距,对马6、新卫5井实施限流压裂,对文3井实施变密度射孔,在马26-4、文13-428井前置液中加入粒径0.225-0.45m m的支撑剂段塞,新卫250井前置液低砂比加入等粒径陶粒,有效地封堵了微裂缝,降低了近井弯曲摩阻[72,73]。中原油田李明志、李凤霞[73]等人开展了斜井压裂工艺研究,分析了定向井压裂的破裂机理及起裂角,并对多裂缝的产生,弯曲摩阻问题进行了研究,初步形成了斜井压裂的配套技术,现场应用12井次,取得较好的效果。

6　认识

由于定向井,尤其是大斜度井井身轨迹、井斜方位远比垂直井复杂,定向井的压裂与垂直井的压裂无论在理论方面还是在工艺实施方面都存在一些区别。在射孔优化、裂缝起裂、压裂裂缝条数优化、间距优化等一些方面的问题是垂直井压裂中所不具备的,也是低渗透油气藏定向井水力压裂过程中必须克服的技术关键和难点。

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　2010年第20期 贾长贵　定向井压裂技术发展现状分析

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