气田裸眼水平井分段压裂工艺技术及其应用探讨

姚彬

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下作业分公司，河北 任丘 062552）

0 引言

我国从上世纪80年代起就开始重视水平井分段压裂技术，该技术帮助我国油气行业快速发展起来，最终在国际上占有一席之地。本文主要针对裸眼水平井分段压裂技术的要点进行了一些探讨，希望能够对气田开发工作有所帮助。

1 裸眼水平井分段压裂工艺技术的现状

水平井分段压裂工艺技术在中国的油田及天然气田作业中被广泛应用，根据其分隔方式的不同主要分为化学隔离技术、限流压裂技术、机械封隔分段压裂技术以及水力喷射压裂技术四种。裸眼水平井分段压裂技术是采用裸眼封隔器进行分段压裂的一项技术，也是机械封隔技术的一种，相对于其他技术来说它操作简单，能够有效提高油气田的开发效益，因此也是当前油田和天然气田实现增产的主要手段。

2 气田裸眼水平井分段压裂工艺技术

2.1 裸眼水平井分段压裂结构及原理

裸眼水平井分段技术是能够提高低渗透、低孔以及低压油气藏产能的工艺技术，该项技术的施工流程较为简单，工作效率较高，因此在气田作业中也经常被使用。其具体的结构和原理为，在封隔器加滑套进行分段压裂的过程中，管柱采用两种滑套配合使用，即采用投球式的喷砂滑套和压差式的开启滑套，将两种滑套与封隔器、球座、密度较低的小球、水力锚以及筛管等结构结合运用。在现场进行施工过程中将水平井分段压裂的管柱与压裂管柱衔接起来，然后将整体结构下放在井下的指定位置，将密度较低的小球投入到井内，然后利用泵车向井内加压，将球座通道封闭，让封隔器提高，当滑套内的销钉在压力作用下被剪断时，利用压力将内滑套下行推动到指定位置，然后进行锁紧，利用外部喷砂孔开展压裂，在压裂施工的过程中逐次将密度较低的小球投入进去，将所有裂缝压开。在施工结束后，利用补球器将投入的小球进行回收，避免影响后续的作业[1]。

2.2 裸眼水平井分段压裂的工序及工具

在气田作业时，通常要保证裂缝可以在分段压裂过程中集中起裂，因此要使用两种封隔器进行配合，然后开始进行单段式压裂，例如，可以将整个水平井分为5段，采用8个裸眼式封隔器来分段操作，其具体的工序流程为图1所示。其中，可以在分段压裂施工开始之前选用反打开滑套，这样就能够保证在压裂施工时监测到井内压力[2]。裸眼水平井分段压裂工艺所使用的工具较多，其中包括用作打捞的通井规、铣柱、反打开滑套、压差式开启滑套、投球式喷砂滑套、密度较低的小球、裸眼式封隔器、悬挂式封隔器以及浮鞋等。其中通井规的规格参数为外径150毫米，长度为0.8米；铣柱的规格参数为外径150毫米，内通径为55毫米，长度为1.31米；反打开滑套的规格参数为外径127毫米，内通径为62毫米，长度为0.54米，启动压强为28兆帕；压差式开启滑套的规格参数为外径142.8毫米，内通径为98.4毫米，长度为0.82米，启动压强为25.6兆帕；投球式喷砂滑套的规格参数为外径142.8毫米，内通径为6.35毫米梯度，其分级段数小于6级，外径为142.8毫米，长度为1.24米，启动压强为13.8兆帕；密度较低的小球外径为31.8-57.2毫米；浮鞋的规格参数为外径127毫米，长度为0.46米。

图1 裸眼水平井分段压裂工序过程

2.3 裸眼水平井分段压裂裂缝起裂工艺机理

气田井内壁会因为无限大地层水平钻进入到井内而产生应力集中现象，该过程的应力模型如图2所示。假设在水平位置上，最小的应力方向与井筒方向互相平行，则其径向应力和垂向应力都可以通过计算得出，其具体的计算过程还要通过测量井内的最小主应力、最大主应力、径向距离、井口的半径、井口与水平面的夹角、井内与孔隙压强、平均溶度以及地层的深度等参数信息，然后利用公式进行计算。

图2 应力作用下水平井的物理模型

2.4 计算裸眼水平井裂缝的起裂压力及起裂位置

水平井岩石断裂应当符合张性破坏原理，因此，为了使裸眼水平井内的岩石出现起裂现象，就要破坏井壁岩石的抗张力强度以及圆周切向应力的规律，要确保起裂压力等于井壁岩石抗张力强度和圆周切向应力的相加作用，由于井壁的岩石抗张力强度通常是固定不变的，因而在计算裸眼水平井裂缝的起裂压力及起裂位置时，计算其圆周切向应力较为重要。以某气田为例，将该地的地应力值带入到应力模型结构中进行计算，先测量该地的最大应力值、最小应力值以及径向应力值等相关参数，然后计算井壁内圆周角度不同时的切向应力[3]。

在通常情况下可认为井内的最小主应力方向与井筒方向相互平行，因此，在进行压裂施工的过程中，产生的裂缝应当是垂直于井筒方向的横向裂缝。但通过切向应力的计算分析可知，一般情况下水平井井筒内底部和顶部的切向应力较小，很多甚至比井内的最小主应力还要小，这就导致即使是在最小主应力方向与井筒方向垂直的情况下，压裂施工所产生的裂缝也不会是垂直于井筒方向，而是会出现平行于井筒方向的纵向裂缝，这种纵向裂缝也是由于应力集中作用而产生的，因此还要计算裂缝的延伸大小。通过计算不同径向距离井筒底部和顶部的圆周切向应力可以得知，一般径向距离在井筒的4倍左右时，其应力集中作用才会大体消失，当应力集中作用消失以后再进行压裂，就会产生垂直于井筒方向的横向裂缝，因而可以根据这个规律来计算纵向裂缝的延伸大小。

2.5 裸眼水平井分段压裂工艺的力学设计

2.5.1 次生裂缝与区域地应力

在进行裸眼水平井分段压裂力学设计之前，可以对已经进行压裂施工的同层位水平井开展净压力拟合工作，一般采用精确度较高的软件来进行。在净压力拟合结束后可以获得井内岩石的力学参数以及区域地应力参数，同时还能够测得泊松比、闭合压力梯度、产层和泥岩的闭合压力、区域破裂压力以及弹性模量等参数。

通过对得到的区域地应力参数及上述拟合结果进行分析可知，在地层破裂时，其裂缝内净压力可以由地层的破裂压力与产层闭合压力相减得出。当裂缝进行延伸时，其内部的净压力不断上升，井底内的压强也会不断上升，并逐渐超过地层的破裂压力，使得压裂产生的裂缝不断延伸。在裸眼水平井分段压裂过程中，当井内的压力达到地层破裂压力时，会使得井内裸露段应力较为薄弱的部分产生次生裂缝，压力转移到次生裂缝以后，主裂缝也将不会再扩张延伸。由于次生裂缝没有可造缝的前置液，因此会导致井内的压强不断攀升[4]。

2.5.2 井内压裂参数的力学设计

将两种不同的垂直厚度和两种不同的砂量数据输入到区域地应力参数当中，然后利用软件进行预测，确定井内压裂参数的力学设计原则为保证净压力参数低于地层破裂时的净压力，具体设计由图3所示。通过分析可知，前置液占比对净压力的影响较大，相对来说排量及砂浓度对于净压力的影响较小，且垂直厚度越高，其净压力的涨幅就越小。

图3 净压力值受到不同因素的影响

3 气田裸眼水平井分段压裂工艺现场应用

对某气田运用裸眼水平井分段压裂工艺，通过在多口水平井进行应用，测得水平井的压裂参数及压后效果，获得无阻流量、测试产量、压裂段数、水平段长度、总液量以及总砂量等参数，最后求出平均无阻流量、平均测试产量、最高无阻流量以及最高测试产量四项参数，其效果良好，结论准确，体现出该方法设计的正确性。

根据应用效果可以得出有关技术的四个关键点，一是在使用裸眼水平井分段压裂工艺技术时，工具在进入井筒前的准备工作十分重要，在压裂施工之前打开反打开滑套可以对井内压强进行实时监测。二是在压裂施工过程中由于应力集中，一开始不会产生预期的横向裂缝，会先由应力集中作用产生纵向裂缝，在应力达到一定标准时再产生横向裂缝。三是有关于次生裂缝的产生不仅导致主裂缝的延伸停止，也可能导致出现砂堵现象，给作业带来一定风险。四是在净压力的拟合过程中，通过对参数进行设计可以优化压裂工艺，最终使得施工的效果和成功率都能够达到预期效果。

4 影响气田裸眼水平井分段压裂工艺效果的因素

4.1 分段压裂施工技术人员的水平

裸眼水平井分段压裂工艺近些年得到广泛使用，不仅在气田中，在很多油田水平井中也大范围应用。影响水平井分段压裂效果主要因素就是人员的技术水准，由于该项技术还处在不断优化的阶段，在新材料及新技术的应用过程中，若技术人员的水平较低、经验不足，就会对施工效果造成很大影响。很多技术人员的责任意识不佳，在操作的过程中产生不规范操作，不仅影响作业质量，造成损失，还会给分段压裂的设备带来不良影响，严重时也可能造成风险。气田作业存在着很多危险，生产工艺的不规范是极其严重的错误，但很多企业没有认识到这一点，对于裸眼水平井分段压裂工艺技术的使用没有专业化培训，仅从利益方面来考虑工艺的发展，使得该项工艺的使用效果不佳。因此，企业应当不断提高分段压裂施工人员的技术水平和责任意识，进一步将该项工艺落实到实际生产，提高企业的整体经济效益。

4.2 在施工监管方面力度不强

很多企业在采用裸眼水平井分段压裂工艺时，没有重视施工的监管工作。监管部门作用丧失、监管制度不完善都给水平井分段压裂的质量带来了影响，很多水平井在长期使用的过程中，可能会出现路基坍塌问题，也给施工带来一定的危险性。因此，企业应当完善水平井分段压裂过程的监管机制，明确该项工艺开展过程中的责任划分，根据实际情况制定完整的监管制度，对施工结束后的质量检查加大力度，促进裸眼水平井分段压裂施工能够有序推进。

5 结语

综上所述，气田裸眼水平井分段压裂工艺是提高气田开发产量的主要技术，它能够提高作业效率，因而应当不断推进该项工艺的有效落实。由本文分析可知，气田裸眼水平井分段压裂工艺技术要点包括：分段压裂结构及原理、分段压裂的工序及工具、分段压裂裂缝起裂工艺机理、计算起裂压力及起裂位置、分段压裂工艺的力学设计。