03-非常规油气水平井多级分段压裂完井技

非常规油气水平井多级分段压裂完井技术胜利油田分公司采油工艺研究院2012年1月胜利油田2012年开发技术座谈会发言材料内部资料注意保密非常规油气水平井多级分段压裂完井技术编写：张全胜张峰左家强李玉宝王磊吕玮张燎源张建初审：李爱山郝金克审核：张全胜胜利油田分公司采油工艺研究院2012年1月1一、国内外技术现状及油田发展形势1、国外非常规油气技术迅猛发展近年来，国外以美国页岩油气为代表的非常规油气勘探开发飞速发展，并逐步形成了非常规油气水平井勘探、钻井、完井、压裂、裂缝监测等系列配套技术，建立了较为完善的勘探开发理念。在技术不断配套完善的同时，也形成了甜点勘探、优快钻井、压裂完井一体化、体积压裂、“井工厂”管理模式等成熟的勘探开发理念。美国已钻页岩油气水平井数量达50000多口，水平井多级分段压裂完井技术已日趋成熟，2011年美国共完钻非常规油气水平井8500多口，水平井占非常规油气产量的90%以上，80%以上为“井工厂”模式。页岩气产量为1800亿立方米，占美国天然气总产量的34%。国外非常规油气水平井多级分段压裂完井技术主要形成了水平井裸眼封隔器分段压裂完井和泵送桥塞射孔分段压裂联作两大主导技术，以两大主导技术的突破为核心，配套形成了优化设计、裂缝监测、设备配套等技术系列，提供了有力支撑。创下分段最多90级，水平段段长最长4900m，单段最大加砂量450m3，单段最大液2550m3，80%以上的井为“井工厂”模式。2、国内非常规油气勘探开发迈出实质性步伐近年来，国内中石油、中石化、中海油等石油公司在非常规油气勘探开发领域都已经迈出实质性步伐，技术以引进为主，同时开展了自主研究，正迅速追赶国际先进水平。截至2011年底，中国石油共在低渗透油气藏完成水平井分段压裂1133口井4722段，相当于少打直井3000口，减少占地超万亩。当年完钻1000口水平井，500口井实现了2200段有效压裂，提高原2油产量37×104t，天然气35×108m3。按压裂后平均单井产量是直井的3.9倍计算，中国石油依靠这一技术增产原油520×104t，增产天然气145×108m3，相当于开发一个中型油气田。中国石化开始了以突破关键技术、加快产能建设为目标的非常规勘探开发会战。据不完全统计，中国石化共完成水平井分段压裂82井次，取得了初步效果。2011年，中国石化收购美国德文公司页岩油气资产。中海油通过收购国外鹰滩页岩油气项目，正式进军页岩气领域。3、胜利油田发展形势中石化确定的资源战略突出了对非常规油气资源的重视，提出采用非常规技术勘探开发非常规油气。2011年8月下发《关于加强非常规油气勘探开发的意见》，成立了由油田主要领导组成的工作领导小组。立足致密砂岩、突破页岩油气，打一场非常规油气勘探开发会战。至2011年底，致密砂岩未开发储量2.55×108t，其中落实未动用储量2.2×108t，油藏类型以滩坝砂、砂砾岩、浊积岩油藏为主，具有层多、层薄、储量丰度低。济阳坳陷320余口探井在页岩中见油气显示，其中30余口井获工业油流，展示了油气的良好勘探开发潜力。根据优质烃源岩(油页岩）发育、预测页岩油气有利勘探面积达2316km2。主要的分布在东营凹陷和沾化凹陷，胜利油田页岩储层的差异主要体现在沉积方式、流体粘度以及岩石力学强度（脆性指数）方面。页岩油具备作为战略性补充资源的巨大潜力。运用常规的直井压裂技术和低渗透砂岩的注水开发技术开发非常规油气资源存在四低特点，一是动用率低，小于0.5md的油难以动3用；二是开发效益低；三是采油速度低；四是采收率低。所以，常规技术制约着非常规油气的勘探开发。国外经验表明，长水平段钻井+多级压裂是解放非常规油气的有力武器。胜利油田水平井多级分段压裂完井技术目前整体处于试验探索阶段，尚不能满足规模化应用的需要。因此，开展配套技术研发，具有重要意义。胜利油田开展了水平井压裂优化设计、完井工艺管柱的攻关、试验，取得了阶段性成果，为“十二五”非常规油气勘探开发奠定了坚实的基础。先后研究、试验了水平井管内封隔器分段压裂、水力喷射分段压裂、连续油管喷射砂塞分段压裂、砂塞分段压裂、预制滑套分段压裂及裸眼封隔器分段压裂技术。截至2011年底，胜利油田在高89-1块、樊147块等8个区块（K=1～20)应用15口井，初期日油12t，是直井的2倍～5倍。二、胜利油田水平井多级分段压裂完井技术进展胜利油田与北美的非常规资源在沉积形式、资源类型、油层构造、油层性质等方面存在差异，决定了无法照搬国外经验和技术，采取“边引进、边学习、边研究”的思路，形成满足胜利油田勘探开发需要的水平井多级分段压裂完井技术成为必由之路。“十二五”以来，针对胜利油田致密油和页岩油的特点，开展了多项技术引进、攻关和试验，在以下四个方面取得了重要进展。（一）水平井裂缝起裂及延伸规律研究储层物性、岩石性质、地应力场、天然裂缝和施工参数等众多因素共同决定了水平井裂缝起裂和延伸，其中应力场分布及岩石力学性4质是主要影响因素，具体表现为：应力方向及天然裂缝方向决定了裂缝起裂和延伸方向；水平、纵向应力大小和砂泥岩界面性质决定了水平和纵向的裂缝形态；岩石力学性质（泊松比、杨氏模量、断裂韧性）决定了裂缝复杂度。通过大量的物模及数模实验，对水平井裂缝起裂和延伸规律的研究取得以下进展。（1）首先通过岩心定向和XMAC测井确定主应力方向，然后利用FMI测井确定天然裂缝方向，最后综合预判裂缝走向，形成了裂缝走向预判方法。（2）建立的岩石破裂-孔隙水流动耦合模型计算结果与物模实验高度吻合,形成了描述裂缝水平延伸规律的技术。（3）通过与HESS公司联合研究，修正了纵向应力剖面计算模型，提高了裂缝纵向延伸模拟的准确度。（4）借鉴国外标准，对罗69井可压性进行了评价，并根据评价结果优化了渤页平1井的施工参数及材料。（二）水平井多级分段压裂设计优化技术研究胜利非常规油气均为陆相沉积，储层水平方向联通性差，非均质性强，因此不能照搬国外的压裂设计思路，为了提高水平井产能，需要对整个水平段进行差异化设计，另外影响单井产能的因素众多，包括储层参数、裂缝参数、施工参数和井组参数，其中裂缝间距是水平井多级压裂不同于直井压裂的关键参数。对于此类非线性多元问题，其最优解的求取十分困难，需要通过设计多组实验方案进行优选。通过对两相非达西流渗流规律的研究，取得以下进展.（1）建立了考虑裂缝干扰的非达西两相渗流产量预测模型，可以进行裂缝条数、间距、缝长、裂缝对称性、不等长缝、导流能力等多个参数的分析，形成了水平井分段压裂优化设计软件，能够满足分5段压裂优化设计的需要。（2）利用水平段测井数据和裂缝监测结果，进行储层物性和可压性分析，根据分析结果选择设计思路，优化施工参数。（三）水平井多级分段压裂完井工艺管柱及配套工具研究为满足非常规油气压裂需要，借鉴国内外的先进经验，采取引进与自主研发相结合的方式，针对不同完井方式，研究、试验了水平井多级分段压裂完井管柱，取得了重要进展。1、水平井裸眼封隔器分段压裂完井技术取得重大突破水平井裸眼分段压裂完井管柱是目前国内外重点发展的非常规水平井多级分段压裂完井工艺，贝克休斯、威德福等主要石油服务公司均形成了自己品牌的裸眼分段完井工具，贝克休斯工具可以实现24级分段压裂，球座级差1/8in，而威德福的球座级差达到1/16in，可以满足非常规油气更多级数分段压裂需要。该技术采用裸眼完井，裸眼封隔器分段，投球打开滑套的方式，实现多级压裂完井一体化。具有采用尾管悬挂器+裸眼封隔器+滑套实现选择性的分段、隔离，一次坐封，分段压裂一次完成，不固井、射孔，减少作业时间等优势。工艺管柱如图1所示。图1水平井裸眼封隔器分段压裂完井管柱在引进学习国外技术的基础上，开展了自主研发，采用压裂完井6一体化理念，实现了较大规模多段压裂，可满足非常规油气多级分段压裂的需要。裸眼压裂封隔器、投球滑套及低密度球等关键工具的研发取得了重大突破，耐压与耐冲蚀性指标基本与国外先进水平相当，耐压60MPa，分段数量达12段（41/2in规格）,球座允许排量3.2～6m3/min，单级最大过砂量50m3。（1）关键工具研究进展①压裂悬挂器在成熟的常规完井悬挂器的基础上，通过强度分析和局部结构改进，完成了压裂悬挂器的试验，耐压差60MPa，悬挂力500kN。②裸眼压裂封隔器针对大规模压裂要求分段可靠性、致密砂岩井眼规则等特点，开展了双胶筒压裂封隔器的研究，耐压可达60MPa。经过20余次的试验表明，工具在159.4mm套管内耐压差60MPa，和贝克休斯封隔器在158.75mm套管内耐压差8500psi（58.5MPa）相当。表1裸眼压裂封隔器技术参数表项目参数内径（mm）100外径（mm）148密封压差（MPa）60③投球滑套球座及低密度球研制a.投球滑套球座为降低压裂砂对球座的冲蚀及后期钻铣球座的问题，开展球座材料优选及结构优化研究。材料优选：优选KCZ材料，相比合金钢冲蚀速率降低90%以上，7且材料可钻。球座结构优化：采用有限元仿真，研究了不同球座锥度的冲蚀速率，优化球座锥面角度为30°。目前19mm球座在排量达到3m3/min的条件下，球座过砂量超过70m3，完成后仍然可以承受60MPa的压力保证密封,现在可以完成采用41/2in规格分12级分段压裂的施工。通过材料优选和结构优化，球座的耐磨性可满足密封需要，且可用磨鞋磨铣。b.低密度球优选压裂球材料，研制成功两种密度等级的压裂球，密度1.56g/cm3和1.8g/cm3，低密度球与球座的配合尺寸在3mm～4mm，耐压差60MPa。（2）通过樊154-平1的技术引进学习，具备了自主实施能力樊154—平1井是胜利油田樊154区块的一口油藏评价井，控制面积0.35km2，水平井控制储量26.8×104t，平均孔隙度14.9%，平均渗透率1.1×10-3um2，地层原油粘度0.86mPa·s，油层厚度13m左右，油藏中深2680m。樊154－平1井2011年1月30日开钻，完钻井深4066m，引进国外裸眼封隔器分段压裂完井工具开展试验。樊154—平1井实施裸眼长水平井12级分段压裂，5月21日开始加砂压裂，各项参数达到设计要求，顺利完成了长井段多级分段压裂现场试验。累计加砂量243.7m3、注入液量2976.9m3，创国内水平井油井裸眼分段压裂施工井段最长，分段数最多，加砂、加液量最大等多项纪录，为今后非常规水平井裸眼分段压裂开发奠定基础。通过樊154－平1井试验，我方在技术理念与水平得到大大提升。8学习国外先进的技术理念，掌握了施工关键点控制、工艺实施流程等核心技术；应用学习曲线，制定了水平井多级分段压裂技术标准与实施规范，为下步规模化推广积累了宝贵的经验；开展了自主工艺配套，包括裂缝监测、压裂井口、投球管汇、实时配液等。（3）采用自主技术，实施樊154-平3裸眼10段压裂完井试验在樊154－平1井试验的基础上，完全依靠自主设计、自主技术实施，开展了樊154－平3井试验。2011年10月1日开钻，2012年1月13日完钻。完钻井深3828m，水平段长785.33m，裸眼封隔器分段压裂完井，分10段压裂。①滑套及封隔器卡封位置优化井径扩大率5%、连续稳定井段10m以上的高应力部位卡封裸眼封隔器。选择储层物性好（GR值低）和应力低的部位放置滑套，B端加密分段间隔，保证均匀改造。②施工参数优化结合工具性能要求和避免压开底部水层，优化樊154-平3井各段排量3.8m3/min～4.7m3/min，各段加砂规模15m3～35m3，砂比5%～45%。较樊154－平1井液量(2976.9m3)和加砂量(243.7m3)有所增加。表2樊154-平3各段压裂施工参数优化结果序号封隔器间隔，m排量，m3/min压裂液用量，m3加砂规模，m3砂比，%小型压测试3.811027-101603.8220155-302603.9285205-303604.0300257-354804.1300257-355904.2335307-406904.3335307-407904.4335307-40890