碳酸盐岩水平井分段酸压优化设计及应用

张 波^1，2 薛承瑾¹ 周林波¹ 张烨^2，3

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油大学石油工程学院，

北京 102249；3.中国石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

摘 要 本文针对西北某油田奥陶系碳酸盐岩油藏水平井笼统酸压存在的效果差以及分段改造方式和工具选择困难等问题，开展了水平井分段酸压优化设计。根据试验井实际钻、录、测井资料及地应力分析和分段酸压级数优化结果，结合储层裂缝、溶蚀孔洞特点，优选完井工具并考虑工具对井径、井眼轨迹的要求，以有利储层段有效改造为原则，确定了分段酸压完井方案；对各段酸蚀裂缝长度、导流能力、施工规模、前置液比例和排量等参数进行了优化，优选压裂液和酸液，形成了差异化的分段酸压优化设计方案。现场施工及压后效果表明：分段酸压优化设计方法是正确的，可进一步推广应用，但投球滑套等工具质量以及完井酸压过程中的质量控制需进一步提高和完善。

关键词 碳酸盐岩油藏 水平井 分段酸压 优化设计

Multistage Acid Fracturing Optimizing Design and Application

of Carbonate Horizontal Wells

ZHANG Bo^1，2，XUE Chengjin¹，ZHOU Linbo¹，ZHANG Ye ^2，3

（1.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China；

2.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，

China；3.Engineering and Technology Research Institute，Northwest Oilfield

Company，SINOPEC，Urumqi 830011，China）

Abstract Against to the poor effect of horizontal conventional acid fracturing as well as difficulties on the selection of multi－stage stimulation methods and tools for Ordovician carbonate reservoir in one oilfield in the northwest of China，carried out the multi－stage acid fracturing design.Based on actual drilling，mud logging， logging，stress analysis and the multi－stage acid fracturing optimization results combination with the characteristics of reservoir fractures and solution caves，as well as optimization completion tools and the requirements of completion tools on borehole diameter and trajectory，it has determined the completion program of multi－stage acid fracturing.etching fracture length，conductivity，construction scale，the proportion of preflush and displacement parameters of stages are optimized，the preferred fracturing fluid and acid，and the formation of differentiated multi－stage acid fracturing design.The field test results and effects show that：the optimized multi－stage acid fracturing design is correct and it can further promote the use，but the quality of tools like ball injection sliding sleeve and the quality control in acid fracturing completion still need to be improved.

基金项目：国家重大专项 “大型油气田及煤层气开发” 项目（2011ZX05014）。

Key words carbonate reservoir；horizontal well；multistage acid fracturing；optimization design

西北某油田奥陶系碳酸盐岩油气藏是溶解气驱动和底水驱动带有凝析气顶的挥发性古岩溶缝洞型块状油气藏，埋深5400～6900m，地层压力57.0～75.9MPa，温度118.0～158.7℃。目前主要依靠直井和侧钻水平井笼统酸压投产，但水平井笼统酸压改造存在水平井段长、用酸量大、酸压效率不高的问题，对于酸压裂缝方位、延伸和在空间的展布形态难以控制，难以对存在物性差异的多个目标储集体进行有效改造，分段改造方式和工具选择困难，酸压效果差。为了提高水平井酸压改造效果，开展了分段酸压优化设计及先导试验。

1 水平井分段酸压优化设计

水平井分段酸压技术是油藏地质、钻井、测录井、完井和储层改造多学科紧密结合、协同完成的一项新技术，主要目的是单井产能最大化^［1～3］。其优化设计的流程如图1所示：首先开展目标储层的识别、现今地应力场分析、井筒成像以及其他测井资料分析和裂缝参数设计，在此基础上依次开展完井方案优化和现场实施，分段酸压施工参数优化和现场实施，配合钻完井、酸压全过程质量控制，确保水平井产能最大化。通过裂缝监测、压后评估分析裂缝形态，修正油藏模型，总结施工经验教训，完善水平井分段酸压优化设计。

图1 水平井分段酸压优化设计流程

2 试验井基本情况

该井是部署在西北某油田的一口开发井，完钻层位为奥陶系鹰山组，完钻井深为6190m（斜深）、5440.29m（垂深）。岩性为浅灰色泥晶灰岩、微晶灰岩；钻井过程中无放空漏失；录井显示气测异常为10层/38m（斜），油迹为2层/17m（斜）；测井解释Ⅱ类储层为11层/81m（斜），Ⅲ类储层为22层/270m（斜）。成像测井解释5460.00 ～6129.70m分别有5个裂缝和5个溶洞发育井段。地震反射资料表明断裂较发育，是储层发育的有利部位。最大水平主应力方向与井眼轨迹夹角为83°，酸压改造时有利于形成垂直井筒方向的横向缝。邻井除1口井自然建产以外，其余均为酸压完井，生产过程中均出现高含水。预测本井破裂压力梯度为0.018MPa/m，地层压力为57.6MPa，温度为1 18.6℃。分析认为该井具备水平井分段酸压改造的条件，但是完井过程中存在封隔器位置较难选择，施工过程中存在滑套不能打开、裂缝窜层以及压后高含水等风险。

3 分段酸压完井方案

根据实际钻、录、测井资料和分段酸压级数优化结果，结合储层裂缝、溶蚀孔洞特点，并考虑完井工具对井径、井眼轨迹的要求，以有利储层段有效改造为原则，确定分段酸压完井方案。

3.1 完井工具选择

由于碳酸盐岩储层裂缝发育，为了防止裂缝窜层，采用4－1/2″遇水膨胀封隔器＋滑套分段完井酸压工具，耐压70MPa，耐温170℃^［4～7］。关键工具包括遇水膨胀裸眼封隔器、投球滑套、压差滑套、井筒隔离阀、悬挂封隔器、回接插入密封等。设计多级封隔器对水平裸眼段进行机械封隔，根据有利起裂位置放置滑套，压裂前替清水实现封隔器稳定坐封，施工中从小到大依次投球憋压打开滑套，酸液从滑套进入地层完成酸压，酸压后合层返排。此过程具有节省完井成本、缩短酸压施工周期、灵活卡封、酸压规模大、安全性能高等优点。

3.2 分段酸压级数优化

图2 裂缝条数和累积产量关系

首先采用油藏数值模拟方法对3口邻井历史生产动态进行拟合，获得本井区地层平均有效渗透率为11.6×10^－3μm²。然后以阶段累积产量为目标函数，通过产量优化模拟对试验井进行分段酸压级数优化。图2表明，裂缝条数小于4条时，随着裂缝条数增加，累计产量呈直线上升，达到最优条数后增加幅度降低。以3年累计产量为判断准则，最优裂缝条数为5～6条。

3.3 完井方案

综合实际钻、录、测井等资料及地应力分析和分段酸压级数优化结果，本井分5段完井。封隔器座封位置选择在物性、电性较差、井径较规则的井段；滑套位置选择在裂缝发育、地应力薄弱的井段，且尽量位于层段中部，以增加均匀布酸的效果。封隔器和滑套位置，见表1。

表1 分段完井方案

(1)1in＝25.4mm。

4 分段酸压优化设计方案

根据储层特征，以酸压后产量为目标，优化各段酸蚀裂缝半长和裂缝导流能力，在此基础上确定各段施工规模；优选压裂液和酸液，根据井下管柱与井口承压要求，确定注入方式、所需设备功率与地面泵压；优化泵注参数，确定泵注程序，形成差异化的分段酸压优化设计方案。

4.1 施工工艺优化

综合改造段长度、储层发育程度、工具安全性能要求等，第1、4段采用冻胶压裂＋地面交联酸酸压施工工艺，第2、3、5段井段较长，成像测井解释结果显示发育多组天然裂缝，为了实现均匀布酸改造，采用冻胶压裂＋转向酸＋地面交联酸酸压工艺。

4.2 液体体系优化

在避免裂缝向下过度延伸沟通水层的前提下，为了提高有效酸蚀裂缝长度和裂缝导流能力，实现长裸眼段均匀布酸改造，通过实验优化了压裂液、地面交联酸和转向酸体系配方。120℃、170s^－1下剪切1h压裂液黏度控制在200mPa ·s以内，地面交联酸和转向酸黏度分别保持在50mPa·s和400mPa·s以上。

4.3 酸压长度优化

图3、图4表明，压后初期产能和阶段累积产量随着裂缝长度增加而递增，当裂缝长度达到一定值后，增加裂缝长度对平均日产量、累计产量贡献不大，因此最优酸压长度为100～120m。

图3 裂缝长度和日产量关系

图4 裂缝长度和累积产量关系

4.4 裂缝导流能力优化

图5、图6表明，压后初期产能和阶段累积产量随着导流能力增加而明显递增，最优裂缝导流能力为300×10^－3μm²·m。

4.5 施工规模和前置液比例

根据区域地质情况，结合邻井地应力及地震剖面解释结果，经计算分析认为目标层上部巴楚组下泥岩段遮挡较好，目标层下部遮挡较差。为了避免沟通水层，将酸压缝高度控制在80m左右，同时为了沟通T47界面以下水平段以上的有利储集体，缝高不宜过小。模拟结果表明，单段酸压规模应控制在总液量500m³左右。在规模均等的前提下，随着前置液比例增加，裂缝导流能力降低，为了实现裂缝导流能力达到300×10^－3μm²·m的目标，较优前置液比例范围为40％左右。各段施工规模优化结果见表2。

图5 裂缝导流能力和日产量关系

图6 裂缝导流能力和累积产量关系

表2 酸压施工参数和裂缝参数汇总

4.6 施工排量

裂缝高度和施工排量呈正相关关系，施工规模相同时，施工排量增加，裂缝高度也随之增加。由于第1段施工摩阻最大，相同排量下井口压力最高，通过计算分析压裂液施工排量小于5.0m³/min、酸液排量小于6.0m³/min时，井口压力低于90MPa，选用105MPa井口及车组可以满足施工要求。综合控缝高、井口限压要求，确定压裂液施工排量为4.0～5.0m³/min，酸液排量为5.0～6.0m³/min，现场根据压力情况可进行调整。

5 现场酸压施工

5.1 施工简况

2012年4月26日连续施工2段酸压作业，累计挤入地层总液量1208.1m³，其中滑溜水413.1m³、冻胶365m³、转向酸80m³、地面交联酸380m³，最高施工泵压66.6MPa，最高施工套压38.7MPa，最高施工排量5.0m³/min，停泵测压降，泵压由18.9 MPa下降至17.17MPa，套压由16.4MPa下降至14.0MPa。酸压的各项指标基本符合设计要求。由于开泵后显示油套压连通和第1、2级投球滑套均没有明显打开显示，现场决定停止施工，排液求产。

5.2 排液生产情况

该井于2012年4月26日用5mm油嘴控制放喷，至28日油压为19.11MPa，含油30％，产气3079m³，累计排液240.7m³。截至2012年5月12日，3mm油嘴，油压25.5MPa，套压10.7MPa，日产液33.1m³，日产气23677m³，含水7.6％，累产油888.2m³，高于周围邻井初产。压后效果与拟和分析（表3）表明分段酸压优化设计方法是正确和有效的。

表3 分段酸压施工与拟合参数

6 需要改进的问题

1）加强完井过程中质量控制。酸压开泵后显示油套压连通，分析原因：一是密封插管密封失效，回插管柱插入后，没有上提验证棘齿锚定的动作，而且打开压差滑套时打压瞬间达到41.02MPa时，在此压力下回插接头位移90.14cm，而插入密封插管的盘根长20cm，打开压差滑套的同时可能导致插入密封失效；二是悬挂封隔器及遇水膨胀封隔器未完全座封。今后要加强完井全过程的质量控制，为分段酸压成功实施提供保障。

2）滑套质量控制。第1、2级投球滑套开启不明显。第一段施工完成后，采用1.5 ～4.9m³/min排量多次打滑套，没有明显打开显示，分析认为滑套可能已打开，转入第二段施工。第二段施工完成后，采用1.5～3.0m³/min排量多次打滑套，没有明显打开显示。再次投入密度2.8g/cm³球，采用1.5～4.5m³/min排量多次打滑套，没有明显打开显示。分析原因是送球排量较高以及滑套质量存在问题。今后要在确保滑套质量的基础上，优化送球排量，确保分段酸压成功实施。

7 结论与认识

1）水平井分段酸压技术是多学科联合的技术，其关键是水平段井筒质量、遇水膨胀封隔器耐温性、有效密封性、滑套球座密封和憋压打开性能，建议进一步加强攻关试验，完善和提高工具性能，同时做好完井和酸压全过程的质量控制，为提高碳酸盐岩油气藏开发效果提供有效的技术支撑。

2）水平井分段酸压完井方案应以实现有利储层段有效改造为原则，根据实际钻、录、测井资料，在地应力分析、分段酸压级数优化基础上，结合储层缝洞发育情况及完井工具对井径、井眼轨迹的要求，确定封隔器和滑套位置。

3）对各段酸蚀裂缝长度、导流能力、施工规模、前置液比例和排量等参数进行了优化，优选压裂液和酸液，形成差异化的分段酸压优化设计方案。现场施工及压后效果表明，施工参数、控缝高措施是合理有效的，分段酸压优化设计方法是正确的，可进一步推广应用。

参考文献

［1］Economides M J，Nolte K G.油藏增产措施［M］.北京：石油工业出版社，2002：372 ～505.

［2］郑云川，陶建林，蒋玲玲，等.苏里格气田裸眼水平井分段压裂工艺技术及其应用［J］.天然气工业，2010，12（30）：44～47.

［3］Thomas Finkbeiner，Hans－Christian Freitag.Reservoir optimized fracturing—higher productivity from low－permeability reservoirs through customized multistage fracturing［C］.SPE 141371，2011.

［4］Al－Yami A S，Nasr－El－Din H A，Al－Humaidi A S，el at.Effect of HCl acid and brines on water－swelling packers［J］.SPE 114812，2008.

［5］Al－Yami A S，Nasr－El－Din H A，Al－Humaidi A S.Interactions between acids and water－swelling elastomers［C］.SPE 114810，2008.

［6］Campbell C，Brooks R T，Brooks R T.Stimulating a barefoot completion with multiple sand fracture treatments using an inflatable packer straddle system［C］.SPE 147683，2011.

［7］沈泽俊，童征，张国文，等.遇水自膨胀封隔器研制及在水平井中的应用［J］.石油矿场机械，2011，2（40）：38～41.