水平井完井方式与分段压裂工艺适应性研究

陈晓宇 王彦兴 李春颖 高龙 孙超

摘 要：优选水平井的完井方式，需要考虑储层类型、驱动方式、产层岩性、钻井工艺、生产控制等；如果需要进行水平井压裂作业，就不得不考虑到水平井完井方式与分段压裂工艺是否适合。论述了水平井完井方式分别与水力喷射分段压裂工艺、限流压裂工艺、机械分段压裂等工艺的适应性研究结果，可为水平井在选择完井方式及其分段压裂工艺上提供借鉴。

关 键 词：水平井；完井方式；分段压裂；适应性

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）04-0799-04

Abstract： During choosing the horizontal well completion method， we need to consider reservoir type， drive way， producing formation lithology， drilling technology， production control； if the horizontal well fracturing operation is required， it is necessary to take into account the adaptability of the horizontal well completion method and the section fracturing technology. In this paper， research results about the adaptability of horizontal well completion method with hydraulic injection section fracturing technology， limited flow fracturing process， mechanical fracturing and other technology were introduced， which could provide reference for selection of completion methods and section fracturing technologies.

Key words： Horizontal well；Well completion system；Staged fracturing；Adaptability

水平井完井技术是整个水平井技术中至关重要的组成部分，较好的完井质量不仅能保证以后各项井下作业的顺利施展，同时，对于采取特殊的钻井技术或利用完井方法最优化来实施一些特殊的完井工艺技术，比如定向射孔，选择性酸化压裂等这些情况，它甚至能避免晚期的水锥进、地层出砂；从长远眼光看，优良的完井质量能提高经济效益；而在完井工程当中，完井方法的优选以及完井工艺技术的研究显得尤为重要。

水平井完井方法的优选要充分考虑到其储层类型、驱替的方式、产层的岩石性质、相关的钻井工艺以及生产控制等等；如果需要进行水平井压裂，还不得不考虑到水平井完井方式与分段压裂工艺是否适合。

1 水平井完井方式与水力喷射分段压裂工艺的适应性研究

水平井完井方式包括套管或尾管射孔完井、裸眼完井、筛管完井、裸眼防砂完井和裸眼或套管内砾石充填完井。水平井完井方式的选择要以满足油气藏类型、安全生产、修井作业、压裂工艺等多方面的要求为前提，合理的完井方式应满足是以下要求[1，2]：

（1）最大限度得在产层和井筒间建立起最佳连通条件，使储集层收到的伤害最小；

（2）产层和井筒间具有尽可能大的渗流面积，油气入井所遇阻力最小，有助于高产量；

（3）能很好地封隔油、气、水层，以免发生气窜和水窜的现象发生，延长油气井寿命，减少修井工作量和修井费用；

（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期安全生产；

（5）有利于井下作业等。

（6）施工工艺简单，成本低。

水力喷射分段压裂工艺对完井的要求不高，只需要最大限度地保护油气藏，减少在完井过程中对油气藏的伤害。水力喷射分段压裂工艺最佳的完井条件是：一是希望喷嘴的相位角与射孔的相位角一致，并且能下到井底喷嘴位置与射孔的位置在一条线上，可以有效降低破裂压力，可以增加压裂裂缝规模；二是如果喷嘴位置与射孔的位置不在一条线上，就必须对套管强度进行校核[3]。

2 水平井完井方式与限流压裂工艺的适应性

水平井限流法压裂是利用射孔位置、孔数数目的优化以及施工参数的变化实施分段压裂。限流压裂主要针对射孔完井，对射孔的要求非常高。它所涉及的原理是在压裂期间，压裂液快速得经过射孔孔眼，进入到储层会产生孔眼摩阻，并且摩阻值会跟着泵注量的增加而上升，井底压力因而升高，当压力超过压裂层段的破裂压力的时候，将产生裂缝[4]。所以合理得确定射孔位置和孔数数目是限流法压裂设计的关键。

水平井采用限流压裂，必须要确定射孔的最佳位置。必须跟根据岩石力学和地应力数据来分析，应力高的层段孔眼多，摩阻小，而应力低的层段孔眼少，摩阻高；一般水平段的地应力相差不大，大概就是1.0～2.0 MPa。采用合理的射孔孔眼节流压差可以达到封隔层段被有效压开的目的。射孔孔眼的节流压差计算公式是：

要使孔眼压差达到1.0～2.0 MPa，如果排量为4 m3/min，孔眼直径为1 cm，压裂液流体密度为1.02 g/cm3。

由图1可知，总射孔数最大可达到20～23个，即可实现射开层段全部吸液。但是射孔位置要根据地应力的情况来决定。

3 水平井完井方式与机械分段压裂工艺的适应性

水平井机械分段压裂工艺对水平井完井的要求非常高。对于采用套管射孔方式完井的水平井，不论在射孔方位、布孔方式、射孔长度的选择还是孔密和射孔相位的确定上不仅要与油藏相适应还要与压裂相适应。水平井采用机械分段压裂工艺，其射孔参数的设计需满足3个条件：一是要使选定的射孔参数有助于裂缝的起裂，并减少砂堵的可能性；二是要满足下工具的需要；三是要求射孔参数能满足压裂携砂液具有较好的携砂能力、较小的孔眼摩阻，确保射孔孔眼与地层有最佳的连通。

3.1 射孔方位的影响

射孔方位角是指射孔轴线与最大水平地应力方向之间的夹角[5]。按照目前的施工水平，即使地应力条件非常有利，射孔孔眼方位还是不可能跟有利的起裂方位恰好重合。如果因为射孔位置不好而引发在非理想位置起裂，进而产生裂缝的情况，这就需要通过转向才能达到最终的理想位置。在这些裂缝内的流体的流动情况很糟，存在着比较大的摩阻，尤其是当加砂作业进行完以后，这会引起井底的压力增大，进而产生出更多的裂缝；还有一个重要的因素是在非理想位置起裂的裂缝，它的连接性会比较较差。裂缝能否转向可以通过裂缝起裂位置处的总转向角度大小进行判断。当微环面存在时，如果射孔孔眼恰好在最小破裂压力处，则转向角度较小；如果射孔孔眼跟最小破裂压力处存在一定角度，那么在较大压力下裂缝开始起裂，转向角度比较大，产生较高的摩擦阻力。因此，理想的裂缝起裂位置除了要考虑起裂压力的大小外还要考虑裂缝的连接容易程度与转向角度大小，只有三者都比较理想的时候，此时的位置才是真正的理想起裂位置。通常情况下，这个理想位置靠近理想平面，也就是最大主应力方向[6]。

3.2 布孔方式的影晌

布孔方式是指射孔孔眼在地下岩层中的排列组合规律。通过将线状布孔、对称布孔和交错布孔这三种布孔方式对地层破裂压力产生的影响程度对比发现：在射孔方位相同的情况下，采用交错布孔时其地层破裂压力最小，采用线状布孔其地层破裂压力最大，这是由于裂缝都是成对出现的缘故。0°相位线状布孔时，裂缝最开始是在孔眼处沿着孔眼轴线的方向起裂，同时压裂液沿井筒壁面绕到孔眼对面的位置，形成双翼裂缝。这个过程会有额外的能量损失，从而用于起裂裂缝的能量减小了；而180°相位布孔就不会出现这种情况。当射孔密度相同，180°相位对称布孔的孔眼间距是大于交错布孔的，此时对称布孔的地层破裂压力要大于交错布孔。从降低地层破裂压力这个角度上考虑，180°相位交错布孔是最好的布孔方式[7]。

3.3 射孔密度的影响

较高的射孔密度可以获得较大的产能，但射孔密度不能因此去无限制地增加孔密，因为套管强度会不能满足压裂的要求。在射孔作业施工中，存在一个最佳孔密，可以通过油气井的条件和其他射孔参数的收集，确定一个最适合该井的孔密，使之既能满足采油的需要又能满足压裂的要求。产能比随着孔密的改变而变化，但当孔密增加到一定程度时，孔密的增加就不会明显提升水平井产能了。在定向

射孔作业中，随着射孔数量增多，射孔间距会越来越小；如果是螺旋射孔，要有效减小射孔间距就必须相应提高射孔密度。但是，在不易连接的地

方提高射孔密度反而会引起裂缝条数增加。

井眼最大轴向应力决定地层破裂压力。射孔对井眼应力产生的影响可以当作是无限大体中开多孔应力集中相互影响的结果。随着射孔密度增大，孔眼间距越来越小，多孔应力集中效应产生相互干扰，导致孔眼附近的应力集中情况发生变化，最大轴向应力没有跟着射孔密度的增大而呈现出单调增大的趋势，同时，地层破裂压力表现出阶段性的变化[8]。

3.4 射孔深度的影响

随着射孔深度的增加和孔眼长度的增大，液体压力作用在孔壁上的有效面积会随之变大，而需要用于破裂地层的液体能量也要变大，这就导致孔眼的轴向应力增大，地层破裂压力变小。同时，射孔深度增加可以最大程度地降低裂缝在井眼附近发生转向的概率，从而在裂缝内的压裂液流动摩阻能够得到降低。这有利于裂缝沿着最大水平地应力的方向进行延伸。由此可见，增加射孔深度可以增大轴向应力，不仅地层破裂压力可以得到降低，同时也有利于裂缝的起裂[9]。

3.5 射孔液的影响

射孔液选择主要是从对油气层损害的程度上考虑，因为一旦污染就会影响压后的产能，并且受到污染越厉害，产能就会越低。同时要求射孔液不能与压裂液形成生化学沉淀或结垢，影响压裂后的产能。要求射孔液性能：（1）配伍性；（2）防膨性好；（3）腐蚀性小；（4）无固相；（5）低滤失。

3.6 实例分析

依据水平井裂缝起裂压力计算模型，用下表1所给的油层基础数据和岩石特性数据，采用一般地层深部都存在的三个相互垂直的主地应力系统，即上覆地应力σv、水平最大主应力σH及水平最小主应力σh（即σv>σH>σh）来分析射孔相位角、射孔方位角、射孔段长度、射孔密度和布孔方式对水平井压裂产生的影响。

（1）射孔相位角对水平井起裂压力的影响

射孔方位角为0°、井筒方位角为0°时，油田里常见射孔相位角与每个孔眼的破裂压力如表2、表3，射孔相位角60°、90°、120°、180°时，都存在着一个起裂压力最小的孔眼。

相位角60°、90°、120°，孔眼起裂压力相差8.4～11.2MPa，起裂压力高的孔眼可能不吸液。相位角为180°，每个孔眼起裂压力均为最低，有利于降低裂缝起裂压力。

射孔方位角为0°、井筒方位角为90°时，常见射孔相位角及对应孔眼的起裂压力如表4、表5，井筒方位角90°比0°时孔眼最小起裂压力低39.9-32.7=7.2（MPa）。

（2）定向射孔和非定向射孔对水平井起裂压力的影响[10]

（1）采用定向射孔：射孔方位角<15°，相位角180°定向射孔，这时的裂缝起裂压力比较小，压裂施工会比较安全。

（2）采用非定向射孔：如果相位角180°，可能导致破裂压力很高，采用相位角120°，可降低起裂压力高的风险（表6）。

（3）射孔段长度对裂缝起裂压力影响

射孔段长度对起裂压力的影响很大，射孔段长，孔眼摩阻小，破裂压力也小，导致施工压力也很小，当射孔方位角为0°，相位角为180°，只考虑了孔眼摩阻的情况下，破裂压力随射孔段长度变化关系见图2。

由图2可以看出当射孔段长度为5～6 m时，对破裂压力影响很小，就已然能满足施工要求；考虑到现场施工安全和保险起见，射孔段长度需要取10 m左右。

（4）孔密对摩阻的影响

孔眼摩阻对破裂压力和处理压力有着直接关系。如果没妥善处理，会导致射孔孔眼与裂缝主体的连通变差，这就有可能导致近井筒脱砂。因此，孔眼摩擦阻力大小在对压裂处理的实施和评价中有重要地位。假设射孔长度取1m，摩阻和孔眼间距都会随着射孔密度增加而变小，多孔应力集中效应发生相互干扰，孔眼附近的应力集中程度会因此发生改变[11]。摩阻与孔密的关系见图3。

从图上看出：考虑到套管的强度问题，水平井孔密在16～20孔/m的摩阻变化不大，优选出水平井孔密为16～20孔/m。

4 结 论

本文论述了水平井完井方式与水力喷射分段压裂工艺、限流压裂工艺、机械分段压裂工艺的适应性研究结果，并根据其压裂工艺对完井方式提出了应满足的要求。其中，水平井机械分段压裂工艺对水平井完井的要求非常高，对其各个影响因素做出了阐述。通过分析实例得出，起裂压力在很大程度上受水平井井筒方位角的影响。当方向角跟最大主应力方向相同的时候，起裂压力的值最小，这个时候易于纵裂缝的产生，导致增产效果不好。所以，当水平井进行压裂作业时，要充分考虑到其井筒方位角是否有助于裂缝起裂和能达到的压裂增产效果。

参考文献：

[1]陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M].东营：石油大学出版社，2000.

[2]张琪.采油工程原理与设计[M].东营：石油大学出版社，2003.

[3]庄伟. 水力喷砂射孔理论与实验研究[D].东营：中国石油大学，2008.

[4]姜涛，巩小雄，肖林鹏. 水平井限流压裂技术的研究与尝试[J]. 油气井测试，2009（06）：49-51+74.

[5]张广清，殷有泉，陈勉，孙华纯. 射孔对地层破裂压力的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报，2003（01）：40-44.

[6]马发明. 川西须家河深层裂缝性气藏压裂理论与应用技术研究[D].成都：西南石油大学，2009.

[7]李根生，刘丽，黄中伟，牛继磊. 水力射孔对地层破裂压力的影响研究[J]. 中国石油大学学报（自然科学版），2006（05）：42-45.

[8]王素玲，董康兴，董海洋. 低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响[J]. 石油钻采工艺，2009（03）：85-89.

[9]杜成良，姬长生，罗天雨，陈志军. 水力压裂多裂缝产生机理及影响因素[J]. 特种油气藏，2006，05：19-21+104.

[10]虞建业，沈飞，顾庆宏，任双双. 水平井射孔参数对压裂起裂压力的影响[J]. 油气地质与采收率，2011（01）：105-107+110+118.

[11]罗天雨. 水力压裂多裂缝基础理论研究[D].成都：西南石油大学，2006.