录井工程  2019 , 30 (4): 29-34 https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9803.2019.04.006

工艺技术

延安气田定向井及水平井钻井和压裂技术优化

邓长生, 张毅, 谢小飞, 宋珈萱, 米伟伟, 马强, 徐敏

陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院

中图分类号:  TE132.1

文献标识码:  A

收稿日期: 2019-10-31

网络出版日期:  2019-12-25

版权声明:  2019 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有

基金资助:  陕西省重点科技创新团队项目“延长石油集团天然气勘探开发创新团队”(编号:2015KCT-17)省部级项目“延长石油矿权区油气资源评价”(编号:2017YQZYPJ0110)延长石油集团项目“延安气田上古生界水平井钻井提速工艺技术研究及应用”(编号:ycsy2016ky-A-19)

作者简介:

作者简介:邓长生 工程师,1991年生,2014年毕业于中国地质大学(北京)资源勘查工程专业,现在陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院从事天然气勘探开发方面研究。通信地址:710065 陕西省西安市高新区唐延路61号延长石油科研中心。电话:13718753214。 E-mail :1243227328@qq.com

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摘要

为提高延安气田定向井和水平井的钻井及压裂成功率,提升天然气开采效率,进行了延安气田直井和水平井的压裂微地震监测,分析了定向井压裂的特点及裂缝延伸规律,归纳了定向井和水平井目前采用的井身结构特点,以此为基础,指出延安气田定向井及水平井在钻井和压裂方面存在的问题,并且针对每个问题给出了相应的优化方案:将定向井井身结构由三段式优化为五段式,要求在钻达延安气田主要目的层系之前就降斜成直井段;应用定方位定射角射孔技术,集中压裂液和管网压力对有效储集层进行压裂;向上调整水平井的二开结束点至斜井段的中下部位置。该方案可以有效提高延安气田天然气采收率,应用效果显著。

关键词: 延安气田 ; 定向井 ; 水平井 ; 压裂 ; 微地震监测 ; 井身结构 ; 定向射孔 ; 优化

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邓长生, 张毅, 谢小飞, 宋珈萱, 米伟伟, 马强, 徐敏. 延安气田定向井及水平井钻井和压裂技术优化[J]. 录井工程, 2019, 30(4): 29-34 https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9803.2019.04.006

0 引 言

延安气田位于陕西省延安市和榆林市境内,北部、东部与长庆油田的子洲-米脂气田毗邻,区内地表属典型的黄土塬地形,地面海拔850~1 250 m,相对高差较大。延安气田的天然气勘探开发大体可划分为三个阶段。第一阶段:2003-2006年的气田探索阶段,2003年,延长油矿管理局在探区北部完钻了第一口天然气参数井——YQ 1井,于上古生界解释气层10.6 m、含气层12.3 m,证实探区具含气性;第二阶段:2007-2010年的气田评价阶段,2010年,在延安气田YQ 2-Y 128井区上古生界基本落实天然气地质储量1 000×108 m3,发现了延安气田;第三阶段:2011年至今的增储上产阶段,延安气田的开发始于2011年,截至到2018年9月底,累计建产能37.0×108 m3

延安气田处于黄土高原腹地,沟谷纵横,山峁相间,地形复杂,地表起伏高差大,地表为第四系松散黄色黏土,总体地势偏陡,现今采用直井、丛式定向井组和水平井相结合的开发井网进行气田开发。在气层厚度较大区域主要部署定向井,在储集层物性好且河道分布较为稳定的区域部署水平井,水平井的应用进一步提高了延安气田气井单井产量。定向井和水平井的钻井成功率和压裂增产效果直接决定了延安气田天然气的开采效率。

1 压裂裂缝延伸方向的影响因素

压裂技术是提高低渗透油气藏开采和生产效果的重要技术手段,而压裂的裂缝延伸和拓展方向又直接影响支撑剂的分布和天然气运移效果,以及压裂液的流动和裂缝的导流效果,从而直接影响压裂的增产程度[1]

1.1 微地震监测

微地震监测原理:在储集层压裂改造过程中会引起地下应力场变化,导致岩石破裂,形成裂缝,而裂缝的扩展必将产生一系列向四周传播的微震波,微地震法监测裂缝就是利用检波器,将微震波机械能转换为电能,当有微震事件发生时,微震波作用于检波器,使检波器内的敏感部件动感线圈产生电信号,完成对微震波的检测[2]。微震波被布置在井周围的监测分站接收,根据各分站微震波的到来时差建立一系列方程组,求解这一系列方程组,就可确定微震震源位置,进而给出裂缝分布的方位、长度、高度 (范围) 及地应力方向等地层参数。

在延安气田选取38口直井/50层、6口水平井/6层/42级进行了微地震监测,压裂层位包括盒8段、山西组、本溪组和马家沟组等气田主力层位。根据微地震监测资料统计,直井压裂形成的裂缝方位最小值为29.6°,最大值为171.2°,平均值为63.7°,缝高平均值为11 m,裂缝产状为垂直裂缝;水平井分级压裂形成的裂缝最小值为34°,最大值为83.2°,平均值为56.5°,缝高平均值为27 m,裂缝产状为垂直裂缝。前人研究成果显示,鄂尔多斯盆地伊陕斜坡大地最大主应力方位为60°~80°,结合延安气田压裂监测结果,可以得出延安气田直井和水平井压裂形成的裂缝方位与最大主应力方位平行,裂缝延伸方位受控于最大主应力方位。

1.2 定向井压裂裂缝起裂延伸规律

国内外大量定向井压裂施工实践表明[3,4,5,6,7,8],定向井压裂和直井压裂相比,在裂缝起裂和裂缝延伸的规律上存在着一定的差异,主要是由于井斜的影响,斜井井壁周围的应力分布规律不一样,同时斜井压裂裂缝的起裂压力与起裂方位角不一样,斜井更易发生裂缝的空间转向以及形成多裂缝。斜井的近井壁效应影响了裂缝的延伸规律,同时对于压裂施工能否顺利完成以及压裂后的增产效果都具有重要的影响。与直井进行对比分析,定向井压裂施工的特点主要表现为:定向井压裂的破裂压力高、施工压力高,同时近井地带的摩阻大,裂缝特征较复杂及压后增产效果斜井比直井的差等。

基于国内外学者的多种数值解析模型、岩石物理模型室内试验,认为影响定向井压裂裂缝起裂和拓展的因素主要有三方面:定向井的井斜角、方位角以及射孔相位[9,10,11,12]。各因素的影响效果表现为:

(1)定向井水力压裂形成的裂缝为垂直裂缝,且在螺旋射孔条件下并非每个孔眼都起裂,有些射孔孔眼会成为不起裂的无效孔眼。

(2)当定向井井眼方位与最小水平主应力方向一致时,存在某一临界井斜角,当井斜角小于临界井斜角时,裂缝沿射孔穿透方向起裂,在拓展过程中发生转向和扭曲,最终裂缝方位沿最大主应力方向;当井斜角大于临界井斜角时,裂缝沿垂向起裂,拓展过程中在近井地带发生转向和扭曲,最后沿最大水平主应力方向延伸,形成多裂缝与弯曲裂缝。

(3)当定向井井眼方位为其他非平行于最小主应力方向的任意角度时,裂缝沿射孔穿透方向起裂,拓展过程中在近井地带发生转向和扭曲,最后沿最大水平主应力方向延伸,形成多裂缝和弯曲裂缝。

(4)在相同井斜角和射孔相位的条件下,随定向井井眼方位与最大水平主应力方向夹角的增大,裂缝转向和扭曲的程度也加大。

(5)在相同井眼方位和射孔相位的条件下,井斜角越大,裂缝拓展时转向和扭曲越剧烈,形成的裂缝越复杂。

(6)在相同井眼方位和井斜角的条件下,射孔相位对裂缝的影响,主要取决于起裂位置相对于最大水平主应力方向的偏离程度,即起裂方位与最大水平主应力方向夹角越大,相对裂缝的转向和扭曲越明显,当起裂方位与最大水平主应力方向夹角大于临界值时,该孔眼失效,裂缝在该孔眼处无法起裂。

2 定向井和水平井井身结构

延安气田定向井目前采用的井身结构是三段式(直-增-降,图1),根据已完钻井井斜数据统计结果,延安气田定向井在上古生界盒8段-下古生界奥陶系马家沟组井段的井斜角最小值为5.2°,最大值为26.4°,平均值为16.2°,即定向井在主要目的层段非直井段,而是有平均16.2°井斜角的斜井段。

图1   延安气田定向井井身结构

   

延安气田水平井目前采用的井身结构是五段式(直-增-稳-增-平,图2),钻井过程采用三开式,一开至直井段结束,二开至斜井段结束,三开至水平段结束,水平段井斜角根据目的层构造特征有所不同。

图2   延安气田水平井井身结构

   

3 定向井和水平井存在的问题

根据定向井和水平井的井身结构以及定向井压裂特点和裂缝起裂拓展规律,延安气田目前采用的直井、丛式定向井组和水平井相结合的开发井网,存在相应的技术问题,制约了定向井和水平井的钻井成功率和压裂增产效果,降低了天然气开采效率。

3.1 定向井存在的问题

根据前文所述,延安气田开发井网中的定向井的方位由气层展布规律以及开发井距综合确定,既可能平行于最大主应力方位,也可能平行于最小主应力方位,或是介于最大主应力和最小主应力之间的任一角度。而延安气田目前定向井在主要目的层段并非直井段,而是有一定井斜角的斜井段。

由以上分析可知,延安气田定向井存在三个问题:

(1)裂缝转向发生的弯曲裂缝会导致裂缝宽度减小(图3),压裂液流动阻力增加,在压裂过程中易产生砂堵,增加了起裂压力,故施工难度较直井大。

图3   延安气田定向井压裂裂缝平面图

   

(2)由于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的构造非常平缓,在开发井距内认为目的层是平缓的,带有一定井斜角的定向井压裂后产生的裂缝非平行于目的层界面,而是与目的层界面存在一定的夹角,故产生的裂缝不能完全在目的层深度范围内拓展延伸,会穿越到非目的层(图4),以致降低了气井压裂改造的效果。

图4   延安气田定向井压裂裂缝剖面图

   

(3)在延安气田产能建设中,发现某些定向井处在目的层砂体展布河道的边缘位置,在该井的一侧沉积微相是分流河道,另一侧沉积微相是分流间湾,而有效储集层发育在分流河道一侧。如果采用传统的射孔方案进行压裂,那么另一侧分流间湾的无效储集层也将被射孔压开,然而无效储集层的这一部分对气井的天然气采收并无贡献,却分流了压裂液和压裂管网压力,造成分流河道一侧有效储集层不能产生最佳的压裂增产效果(图3)。

3.2 水平井存在的问题

延安气田现今水平井钻井施工采用三开式,结合延安气田的水平井现场试验效果,延安气田水平井存在以下问题:

(1)鄂尔多斯盆地中生界刘家沟组、和尚沟组属易塌易漏地层,不仅在钻达时易发生坍塌漏失,而且在钻至下部上古生界、下古生界地层时,仍然会发生上部刘家沟组、和尚沟组地层坍塌漏失。

(2)上古生界二叠系山西组地层煤层大规模发育,煤层在钻井的长期循环作用下不稳定极易造成坍塌漏失。延安气田水平井二开结束点设计在斜井段结束点(A靶点),由于水平井钻进过程中,A靶点的确定需要根据钻井地质设计、现场地质导向和随钻测井综合确定,往往需要长时间的停钻循环,而上部刘家沟组、和尚沟组地层不稳定,极易坍塌漏失,容易造成井眼垮塌、钻具被埋等钻井事故(延安气田水平井实验已经有多口水平井在二开结束点发生井眼垮塌事故)。

4 定向井及水平井钻井和压裂优化

4.1 优化定向井井身结构

将定向井的三段式井身结构优化为五段式(直-增-稳-降-直,图5),在钻达延安气田主要目的层系之前就降斜成直井段。通过井身结构的优化,消除了井筒在目的层段的井斜角,将主要目的层段由斜井段变成直井段,使定向井在目的层段压裂产生的裂缝延伸规律与直井一致,消除了定向井压裂时产生的近井效应,不会产生弯曲裂缝,能够产生垂直于井筒且平行于最大主应力方位的裂缝(图6),而且所产生的裂缝能完全在目的层深度范围内拓展延伸,从而增大裂缝沟通气层作用,有效提高天然气采收率。

图5   延安气田定向井井身结构优化方案

   

图6   延安气田定向井优化后的裂缝剖面形态

   

4.2 应用定方位定射角射孔技术

定向射孔压裂技术在我国20世纪90年代开始应用,最早应用于煤矿开发,避免了水力压裂时应力集中,裂隙在煤体无序拓展,实现压裂范围内煤体整体泄压增透,此后该工艺被应用于盐类矿物开采,又被用于油气田的开发生产[13,14,15]。定方位定射角射孔,即控制射孔孔眼位置和射孔方位,引导压裂产生平行于最大主应力方位且不转向的裂缝;或者在射孔孔眼附近钻定向控制孔,射孔孔眼和定向孔眼间距不大于5 m,引导裂隙从射孔孔眼向定向孔方向产生和拓展,促进射孔孔眼和定向孔眼之间的裂隙充分发育[16,17,18,19]

在定向井进行射孔压裂作业时进行射孔优化设计,确定地层最大主应力方位,采用定方位定射角射孔技术。通常的射孔枪弹都是垂直于井筒但未必平行于最大主应力方位,而定方位定射角射孔技术可以利用调角器进行射孔孔眼方位校正,使得射孔枪弹平行于最大主应力方位。根据定向井压裂的裂缝起裂拓展规律,应用这一技术,可以让裂缝起裂就沿最大主应力方向,避免了裂缝拓展过程中转向带来的施工难度,同时可以让裂缝在目的层内充分拓展延伸增加压裂改造效果。

对于处在目的层砂体展布河道的边缘位置这一类定向井,将射孔孔眼全部布置在沉积微相为分流河道这一侧,同时考虑地层最大主应力方位(图7),增加孔密,集中压裂液和管网压力对有效储集层进行压裂,增加有效储集层压裂裂缝的长度和宽度。对无效储集层则避开不进行射孔压裂。

图7   延安气田定向井定向压裂裂缝平面图

   

4.3 调整水平井的二开结束点

将水平井现今的二开结束点由斜井段结束点(A靶点)向上调整至斜井段的中下部位置(图8),采取这样的优化方式,可以在确定A靶点所需较长时间之前就二开结束固井,将目的层段上部地层用水泥浆封住,以便消除上古生界刘家沟组和和尚沟组地层以及山西组煤层的坍塌漏失对钻遇目的层段的影响,可以有效提高水平井钻井成功率,缩短钻井周期,提高延安气田整体的天然气开采速率。

图8   延安气田水平井井身结构优化方案

   

延安气田子长东区块2019年共部署9口水平井,全部采用优化方案钻井,水平井井眼垮塌率降为零,表明此优化方案在推广应用中效果显著。

5 结束语

(1)为了有效动用已落实储量,延安气田目前采用的是直井、丛式定向井组和水平井相结合的开发井网,以直井和定向井为主,水平井为辅。

(2)延安气田定向井存在三个问题:裂缝转向发生的弯曲裂缝会导致裂缝宽度减小,增加了起裂压力,造成施工难度较直井大;压裂产生的裂缝不能完全在目的层深度范围内拓展延伸,而是会穿越到非目的层,减小了气井压裂改造效果;对于某些处在目的层砂体展布河道边缘位置的定向井,采用传统射孔方案进行压裂,造成分流河道一侧不能产生最佳的压裂增产效果。延安气田水平井存在的问题:水平井实验有多口水平井在二开结束点发生井眼垮塌事故。

(3)针对延安气田定向井和水平井存在的问题,提出了相应的优化方案:将定向井井身结构由三段式优化为五段式,要求在钻达延安气田主要目的层系之前就降斜成直井段;应用定方位定射角射孔技术,集中压裂液和管网压力对有效储集层进行压裂;向上调整水平井的二开结束点至斜井段的中下部位置。此方案在推广应用中效果显著。

(编辑 卜丽媛)


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