水平井多段分簇射孔优化设计

李海涛，卢 宇，谢 斌，黄 宇，聂尊浩

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610051)



水平井多段分簇射孔优化设计

李海涛1，卢 宇1，谢 斌2，黄 宇3，聂尊浩3

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610051)

水平井多段分簇射孔技术是“体积改造”的关键技术之一。目前大多数分簇射孔是基于常规射孔经验设计，未做深入具体的定量研究。用布孔数取代孔密的概念，分析沿水平井筒破裂压力差异，设计各簇的布孔数目，调节簇内孔眼节流摩阻大小，发挥射孔孔眼分簇限流的作用，从而实现压裂过程中各射孔簇同时起裂和均匀进液。同时，基于裂缝起裂扩展过程中应力干扰作用，建立二维分析模型，确定裂缝发生转向时的临界缝间距，并以此作为射孔簇间距设计的依据，给出了分簇射孔关键参数(相位、孔深、簇长度、簇数)的设计原则，形成了一套分簇射孔优化设计方法。利用该方法对一口实例井进行了分簇射孔设计，微地震监测表明，分簇射孔后压裂形成复杂缝网，较邻井效果要好。该方法对现场分簇射孔设计具有指导意义。

分簇射孔；复杂缝网；分簇限流；应力干扰；射孔摩阻；水平井

0 引 言

目前国内非常规油气藏分簇射孔的设计大多数参照国外固定模式，各段、各族射孔数大多采取相同孔密设计，设计时没有充分考虑应力干扰影响，忽略了分段压裂井“体积改造”需同时起裂，形成复杂缝网的要求[1-8]。为此，引入分簇限流原理，用布孔数取代孔密概念，利用应力干扰原理，优化簇间距和射孔位置，同时确立分簇射孔关键参数的设计原则，形成了整套分簇射孔参数优化设计方法。

1 分簇射孔参数优化设计

1.1 分簇射孔孔深与孔径

在分簇射孔压裂井中，裂缝一般都是在接近孔眼的部分起裂并逐步向阻力最小的优势裂缝平面扩展，且射孔弹的穿透性能与套管孔眼直径的大小相互制约。研究发现，射孔深度为1.0～1.5倍井筒直径的射孔弹可降低破裂压力，井筒破坏深度接近1.0倍的井筒直径。在射孔孔径过大时很难建立起足够大的回压来实现分簇限流，若孔眼太小，则存在支撑剂铺置问题。为防止支撑剂在井筒附近桥接，孔眼直径应大于支撑剂直径的8～10倍[7]。

1.2 分簇射孔布孔数

用射孔孔眼数目(布孔数)取代孔密的概念。射孔后压裂一般尽可能采取大排量施工，根据储层、井筒条件确定压裂液在各条裂缝内的分配，利用射孔孔眼摩阻提高井底压力，依次压开破裂压力相近的地层，实现多裂缝同时起裂和均匀进液，使裂缝不断延伸、扩展[9-10]。在分簇射孔后的压裂过程中，由井口注入的压裂液通过井筒进入地层，整个水平井筒和裂缝为一个压力平衡体系，多裂缝同时起裂遵循压力平衡原则与体积守恒原则。

体积守恒原则：

(1)

以水平段含3个射孔簇为例，假设压裂过程中每个射孔簇产生一条裂缝，多簇裂缝同时起裂，射孔后多裂缝间的压力平衡关系见式(2)～(4)。首先根据水平段内各簇之间的地应力、沿程摩阻、破裂压力计算出各射孔簇内所需达到的孔眼摩阻，再根据压裂施工排量在裂缝间的流量分配[9]与孔眼直径确定各簇的布孔数目。

p1+pf1=p2+pf2+p12

(2)

p2+pf2=p3+pf3+p23

(3)

(4)

式中：Qt为施工排量，m3/min；Qi为裂缝缝内流量，m3/min；m为裂缝数，条；p1、p2为破裂压力，MPa；pf1、pf2、pf3、pfi为射孔孔眼摩阻，MPa；p12、p23为沿程摩阻，MPa；ρf为携砂液密度，g/cm3；Np为孔眼个数；df为孔眼直径，cm；Cd为流量系数。

1.3 分簇射孔相位

射孔方向与最大主应力方向一致是压裂井最理想的射孔方式，因为此时沿着射孔孔眼起裂的裂缝，将会沿最小阻力的优势裂缝平面进行扩展。目前最普遍的射孔相位为60 °，该相位下可增加朝着最大主应力方向射孔的概率，且施工过程中较少出现问题。

1.4 分簇射孔簇间距优化

为充分发挥应力干扰作用，使分簇射孔压裂形成更为复杂的裂缝网络体系，提高油气井产量，采用Sneddon诱导应力场模型[10]，以水平最大、最小主应力方向发生转向作为裂缝转向判断依据，即裂缝原始最大、最小水平主应力之差小于该条裂缝受到的最小水平主应力方向的诱导应力与最大水平主应力方向的诱导应力之差，以裂缝转向时诱导应力差对应的临界缝间距作为分簇射孔合理的簇间距：

(5)

1.5 分簇射孔簇长度和射孔簇位置

为防止压裂过程中压力过高，同时利于多裂缝起裂。推荐分簇射孔簇长度小于4倍井筒直径[9]。通过优化射孔簇位置，可以增加有效裂缝沿井筒的分布，提高油气产量。射孔位置应布置在岩石力学性质较好且具有产生裂缝和扩展裂缝能力的位置，以及储层物性较好且具有一定产油气能力的位置，并需要考虑井筒固井质量等，需避开套管接箍等因素影响，同时结合分簇射孔优化的合理间距，最终决定射孔位置。

2 实例分析

某致密油油藏某井水平段长度为1 304 m，储层岩石密度为2.17～2.69 g/cm3，储层平均温度为86.6 ℃，孔隙度平均为10.6%，渗透率平均为0.258×10-3μm2，原油密度平均为0.888 g/cm3。目标层段为泥质粉砂岩储层，杨氏模量为20 000～40 000 MPa，泊松比平均值为0.21，水平最小主应力为53～70 MPa，脆性指数为38%～75%，部分层段可见到裂缝发育，满足体积压裂改造的储层特征。结合该井压裂裂缝参数优化设计要求，对目标井诱导应力场进行分析，计算不同净压力时水平诱导应力差的变化(图1)。

图1 诱导应力计算结果

由图1可知，在该井开启压力为15.18 MPa时，当诱导应力之差大于该井原始最大与最小主应力之差(9 MPa)时裂缝发生转向，则该水平诱导应力差对应的裂缝间距33.8 m为应力干扰优化的分簇射孔的合理簇间距。再结合目标井固井质量、油藏质量、天然裂缝发育的位置等来优化分簇射孔簇位置(图2)。

由图2可知，该井水平段破裂压力剖面上破裂压力有一定差异，分簇射孔时可以采取分簇限流射孔方式实现分簇限流。按照上述分簇限流设计方法计算，在该井分簇射孔位置内，采取不同的布孔数设计，优化设计后的最大布孔数达14个/簇，最小布孔数为8个/簇。全井采用38CCleanPACK射孔弹分16段分簇射孔，共射孔46簇。第1段用连续油管传输射孔方式，射孔长度为3.0 m。第2～16段用多簇射孔与电缆泵送桥塞联作工艺，逐级打开压裂通道，每段射孔3簇，每簇射孔长度为0.5 m。各簇内采取分簇限流进行布孔数优化设计(表1)，射孔相位为60 °。现场分簇射孔施工作业顺利。压裂施工过程中水力裂缝延伸微地震监测结果显示，在各段射孔孔眼处均产生了一定复杂程度的裂缝网络，共发生微地震事件14 360个，较邻井微地震数(11 483个)有较大提升。该井压裂投产后平均日产油为22.8 m3/d，较邻井提高21%，说明该井分簇射孔设计方法效果明显。

图2 水平段破裂压力剖面

表1 分簇射孔布孔数优化结果

3 结 论

(1) 用布孔数取代孔密的概念，结合分簇限流原理建立了分簇射孔布孔数设计方法，确定了射孔关键参数的设计原则：孔径应大于支撑剂直径的8～10倍，射孔深度为1.0～1.5倍的井筒直径，射孔簇长度小于4倍井筒直径，相位为60 °。

(2) 基于裂缝间应力干扰原则，确定裂缝临界转向距离为分簇射孔优化簇间距，并结合井筒固井质量和储层质量共同确定射孔簇位置。

(3) 现场微地震监测结果表明，分簇射孔后压裂能形成复杂缝网，投产后较邻井日产油量有较大提升。

[1] 王欢，等.非常规油气藏储层体积改造模拟技术研究进展[J].特种油气藏，2014，21(2)：8-16.

[2] 李龙龙，吴明录，姚军，等.射孔水平井产能预测方法[J].油气地质与采收率，2014，21(2)：45-50.

[3] 方思冬，战剑飞，黄世军，等.致密油藏多角度裂缝压裂水平井产能计算方法[J].油气地质与采收率，2015，22(3)：84-89.

[4] 王欢，廖新维，赵晓亮，等.超低渗透油藏分段多簇压裂水平井产能影响因素与渗流规律——以鄂尔多斯盆地长8超低渗透油藏为例[J].油气地质与采收率，2014，21(6)：107-110.

[5] 孙致学，等. 分段射孔水平井产能计算新方法[J]. 大庆石油地质与开发，2014，33 (6)：75-82.

[6] GRUESBECK C，COLLINS R E.Particle transport through perforations[C].SPE7006，1982：857-865.

[7] JEFFREY R G，BUNGER A，ZHANG X.Constraints on simultaneous growth of hydraulic fractures from multiple perforation clusters in horizontal wells[C].SPE163860，2013：1-17.

[8] WUTHERICH K，WALKER K J.Designing completions in horizontal shale gas wells： perforation strategies.society of petroleum engineers[C].SPE155485，2012：1-10.

[9] LECAMPION B，DESROCHES J.Simultaneous initiation of multiple transverse hydraulic fractures from a horizontal well[C].ARMA14-7110，2014：1-20.

[10] WARPINSKI N R，BRANAGAN P T.Altered-stress fracturing[C].SPE17533，1989：990-997.

编辑 孟凡勤

20151111；改回日期：20160316

国家重大科技专项“非常规油气资源井压后返排优化与携液理论研究”(2016ZX05-037-005-001)和“深层碳酸盐岩气藏气井完井关键技术研究与应用”(2016XZ05-010-010-003)

李海涛(1965-)，男，教授，1990年毕业于西南石油学院油气田开发专业，2006年毕业于西南石油大学油气田开发专业，获博士学位，现从事完井工程、注水理论与技术方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.032

TE355.6

A

1006-6535(2016)03-0133-03