５８ ｌ Ｉ ２ 年２月
煤层气水平井分段压裂裂缝参数优化设计
任 飞’ 张遂安’ 李辛子 刘 岩’ 赵 金’ 陈 良’ １．中国石油大学气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京 １０２２４９ ２．中国石化石油勘探开发研究院，北京 １ ０００８３ 摘 要：运用水平井分段压裂开采煤层气是单井增产的最新手段之一，其中人工裂缝参数设 计是影响煤层气水平井压裂后投产效果的重要因素。通过数值模拟研究了沁水拗陷东翼中段区块 压裂后单一指标变化下不同裂缝条数、裂缝长度、裂缝间距及导流能力对煤层气水平井产能的影响， 采用正交试验法定量研究不同裂缝参数值对压裂水平井产能影响的主次顺序和显著程度，进而确 定出研究区内煤层气水平井最佳的压裂裂缝参数组合，为目前处于起步阶段的煤层气水平井压裂 优化设计提供参考。研究结果表明，煤层气水平井压裂裂缝条数保持２～３条，裂缝长度１３０～１６０ ｉｎ， 裂缝间距４００～６００Ｉｎ，导流能力１５—２５ｌｌｍ ｃｍ，压裂效果和经济效益最理想。 关键词：煤层气开发；水平井；分段压裂；正交设计；裂缝参数优化 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—５５３９．２０１４．Ｏ１．０１６
Ｏ前言 水力压裂是煤层气开采最为常用的增产技术，也是 煤层气井的主要增产措施。近些年随着水平井结合分段 压裂技术在常规低渗油气藏开发中的良好应用ｕ ，煤层 气水平井分段压裂也开始逐渐得到关注并成为煤层气井 增产的一个重要手段 。与直井相比，煤层气水平井能 很好地与煤储层连通，扩大井筒与煤储层的接触面积，增 加煤层气的渗流通道；如果在煤层气水平井的基础上再 对其进行水力压裂，则可在更大程度上改善煤层气的渗 透条件，使储层形成更完善的割理和裂隙网络系统，从而 有效扩大煤储层压降漏斗范围，提高煤层气单井产量 Ｊ。 国外较早对水平井压裂中裂缝参数及施工参数优化 进行了研究 一 ，在水平井压裂裂缝的起裂、扩展和延伸 等方面有一定见解，但对压裂水平井的产能预测和优化 研究仍有待进一步深入。而国内的水平井分段压裂研究 还处于起步阶段［８－１０］，虽然水平井分段压裂试验ｎ¨及应 用逐渐增多，但对水平井分段压裂裂缝参数和工程参数 的研究仍然比较匮乏，特别是专门针对煤层气水平井分 段压裂优化方面的研究还鲜有报道。与常规低渗油气藏 水平井开采相比，煤层气储层在开采过程中普遍具有渗 透率低、杨氏模量低、泊松比及压缩系数较高、储层压力 系数低且储层易受伤害等特点。因此，进行煤层气水平井 分段压裂裂缝设计时还需考虑煤储层与常规储层在物性 及岩石力学性质等方面的差异。针对煤层气水平井裂缝 参数优化的研究将有助于指导压裂方案设计及施工参数 优化，对增强煤层气水平井压裂效果具有重要意义。 １区域概况及模型建立 １．１区域概况 沁水拗陷东翼中段，含煤地层包括下二叠统山西 组、上石炭统太原组及中石炭统本溪组，含煤地层总 厚度１９０ ｍ。主力煤层１５＃位于石炭系太原组，测井解 释煤厚为５．６０ ＩＴＩ，属于中厚煤层。经井筒对１５＃煤层 取出煤芯测试：顶底板内摩擦角２３。一２６。，内聚力３～４ ＭＰａ，抗拉强度２．７５～３．２１ ＭＰａ，弹性模量８．７５～１１ ＭＰａ， 泊松比０．２７，取芯样品的平均吸附时间为９．７１ ｄ，空气 干燥基Ｌａｎｇｍｕｉｒ体积３２．０５～３２．７０ ｍ ／ｔ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ压力 １．８６～１．９０ ＭＰａ，临界解吸压力０．４４ ０．５３ ＭＰａ。研究区煤层埋
３７４ 断 块 油 气 田 ２０１３年５月
优选出合理的水平井分段压裂裂缝参数。
ｌ数值模拟模型
在青海油田某低渗透油藏，选取一井距为３５０ ｍ、
直井注水、水平井采油的七点井网单元，利用Ｅｃｌｉｐｓｅ
油藏数值模拟软件，采用箱型黑油模型块中心网格，建
立数值模拟模型。 油藏和流体基本参数：地层厚度为１８．８ ｍ，平均孔
隙度为１２．６％，平均渗透率为２．６￣１０ ｍ２，原始地层 压力为１７．４３０ ＭＰａ，饱和压力为１．５８２ ＭＰａ，地层原油
体积系数为１．０１８，地层水体积系数为１．０２０，地层原油 黏度为５．０００ ｍＰａ・ｓ，地层水黏度为０．７５９ ｍＰａ・ｓ，地层
原油密度为０．８３８ ２ ｌ／ｍ３，地层水密度为１．０４４ ０ ｔ／ｍ。，岩
石压缩系数为１．０６５￣１０ ＭＰａ～，地层原油压缩系数为 １２．３５０￣１０４ＭＰａ－ ．地层水压缩系数为３．７００￣１０ ＭＰａ－ ，
井筒半径为０．１４ ｍ。 整个模型的网格数为７０￣７０￣３，在 ，Ｙ方向上选
用的网格步长相等，即Ｄ￣＝Ｄｙ＝１０ ｍ， ＝６．３ ｍ。采用局
部网格加密划分油藏与裂缝系统．利用裂缝等效导流 能力法对裂缝网格进行处理，即在裂缝导流能力不变
的条件下，用狭长、高渗透率的网格模拟裂缝。采取定 井底压力方式模拟，水平井井底流压为８．１ ＭＰａ，注水
井井底流压为３３．０ ＭＰａ．注水井不压裂，水平井压裂，
水平段长度为７００ ｍ，模拟时间为１５ ａ。
２裂缝参数单因素优化
在水平井裂缝布放方式优选前，需对水平井分段 压裂裂缝参数进行单因素分析。采用以上油藏和流体
参数．通过数值模拟确定该低渗透油藏水平井合理的 裂缝参数。
２．１ 裂缝条数
设裂缝长度为２５０ ｍ，裂缝沿水平段均匀分布。裂 缝分别为ｌ～１２条时采出程度变化情况见图１。
圈１ 采出程度与裂缝条数的关系
由图１可看出，裂缝条数越多，采出程度越大，当 裂缝条数超过８条后上升趋势明显变缓。这是因为，随 着裂缝条数的增加．裂缝间距不断减小，地层压力下降
浅析水平井分段压裂工艺技术及展望
摘要：随着油田开发进入后期，产油量下降，含水量大幅上升，开采难度增大。大力开采低渗透油气藏成为增加产量的主要手段。而水平井分段压裂增产措施是开采低渗透油气藏的最佳方法。水平井分段压裂技术的应用可以大幅提高油田产量，增加经济效益，实现油气的高效低成本开发。本文介绍国内水平井分段压裂技术，并对水平井分段压裂技术进行展望。
关键词：水平井；分段压裂；工艺技术
1水平井技术优势
目前水平井已成为一种集成化定向钻井技术，在油田开发方面发挥着重要作用。通过对现有文献进行调研,发现水平井存在以下技术优势：水平井井眼穿过储层的长度长，极大地增加了井筒与储层接触面积,提高了储层采收率;仅需要少数的井不但可以实现最佳采收率，而且在节约施工场地面积的同时降低生产成本，以此提高油田开发效果；水平井压力特征与直井相比，压力降低速度慢,井底流压更高，当压差相同时，水平井的采出量是直井采出量的4~7倍;当开发边底水油气藏时，若采用直井直接进行开采虽然初期产量高但后期含水上升快，而水平井泄油面积大，加上生产压差小,能够很好的控制含水上升速度,有效抑制此类油藏发生水锥或气锥;能够使多个薄层同时进行开采,提高储层的采出程度。
2水平井压裂增产原理
水平井压裂增产的过程:利用高压泵组将高黏液体以大大超过地层吸液能力的排量由井筒泵送至储层，当达到地层的抗张强度时，地层起裂并形成裂缝,随着流体的不断注入，裂缝不断扩展并延伸,使得储层中裂隙结构处于沟通状态,从而提高储层的渗流能力，达到增产的目的。水平井压裂增产原理主要包括以下四方面:增加了井筒与储层的接触面积，提高了原油采收率;改变了井底附近渗流模式，将压裂前的径向流改变为压裂后的双线性流，使得流体更容易流人井筒，降低了渗流阻力;沟通了储层中的人造裂缝和天然裂缝，扩大了储层供油区域，提高了储层渗流能力。降低了井底附近地层污染，提高了单井产量。
3国内水平井分段压裂技术
关于对苏里格地区气田水平井压裂技术的研究
【摘要】为了能更有效地开发苏里格地区低渗透气田，本文对苏里格地区气田水平井压裂技术进行研究。首先阐述了国内外水平井分段压裂工艺的技术现状，继而提出水平井裸眼完井分段压裂作为一项先进的压裂技术，为水平井裸眼完井分段压裂能顺利进行提供了技术保障。具有重要作用。随后就裸眼封隔器这一新型工艺进行了相关研究。进而提出了水平井压裂工艺优化方法及未来发展方向。
【关键词】水平井 裸眼封隔器 分段压裂 优势特点 工艺优化
1 水平井分段压裂工艺技术现状
为了对苏里格地区气田水平井压裂技术的研究，我们从研究和认知国内外水平井分段压裂的工艺技术方法入手，归纳起来，包括：
（1）化学隔离技术。该技术在20世纪末应用于国内外，主要用于套管井压裂。主要采用液体胶塞和填砂分隔分段压裂工艺，但由于成本高、伤害大等缺点，而未得到进一步发展和普遍应用。
（2）机械封隔分段压裂技术。该技术也适用于套管井，主要有机械桥塞和封隔器工艺。封隔器的使用可与机械桥塞相结合，也可以单独使用，类型有单卡分压双封隔器或分段压裂环空封隔器。其中环空封隔器进行分段压裂工艺的应用相对成熟，普遍应用于浅井，深井应用有待提高；而双封隔器单卡分段压裂技术的应用尚存在高危险性，有待进一步技术攻关。
（3）限流压裂技术。该技术较适用于有纵向裂缝形成的水平井。技术需要孔眼摩阻的调节作用，保证各压裂层段的破裂压力基本相等。具有分段能力差的缺点，研究需进一步加强其分段的针对性。
（4）水力喷砂压裂技术。该技术在20世纪末相对广泛应用于国内外裸眼、筛管完井的水平井中。技术采用特殊工艺，无需封隔器与桥塞等隔离工具，便可自动实现封隔。技术可进行加砂压裂，也可结合常规油管或大直径连续油管进行压裂，具有安全、快速、准确等优势，实际应用成效也较为显著。
2 裸眼封隔器的相关研究
2.1 研制与开发
针对苏里格气藏具有低压低渗透、深井温度过高、开采难度大等特点，进行水平井分段压裂时，由于井底情况复杂、地层压力过高，裸眼封隔器的工作位置往往处于水平裸眼段，在井壁摩擦及管内液柱压力的作用下，封隔器注入过程中比较容易损坏胶筒和提前坐封，同时由于裸眼段井径变化大，使用常规较短的压缩式封隔器可能会导致坐封不完全，影响后期的压裂施工。基于上述问题研究，研制开发了开启阀式扩张封隔器，该封隔器综合了开启阀与单流阀两种工艺原理，可以有针对性地对施工工艺进行调节，还可以保证排液单向流动，具有防止封隔器提前打开并坐封、防止排液回流的功能。后期胶筒充分膨胀后密封效果增强。该封隔器具有外径小、密封段长且密封完全的优点，值得推广应用。下面就裸眼封隔器进行详细介绍。
