張 波1，2 薛承瑾1 周林波1 張燁2，3
（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學石油工程學院，
北京 102249；3.中國石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011）
摘 要 本文針對西北某油田奧陶系碳酸鹽巖油藏水平井籠統酸壓存在的效果差以及分段改造方式和工具選擇困難等問題，開展了水平井分段酸壓優化設計。根據試驗井實際鉆、錄、測井資料及地應力分析和分段酸壓級數優化結果，結合儲層裂縫、溶蝕孔洞特點，優選完井工具並考慮工具對井徑、井眼軌跡的要求，以有利儲層段有效改造為原則，確定了分段酸壓完井方案；對各段酸蝕裂縫長度、導流能力、施工規模、前置液比例和排量等參數進行了優化，優選壓裂液和酸液，形成了差異化的分段酸壓優化設計方案。現場施工及壓後效果表明：分段酸壓優化設計方法是正確的，可進壹步推廣應用，但投球滑套等工具質量以及完井酸壓過程中的質量控制需進壹步提高和完善。
關鍵詞 碳酸鹽巖油藏 水平井 分段酸壓 優化設計
Multistage Acid Fracturing Optimizing Design and Application
of Carbonate Horizontal Wells
ZHANG Bo1，2，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.
基金項目：國家重大專項 “大型油氣田及煤層氣開發” 項目（2011ZX05014）。
Key words carbonate reservoir；horizontal well；multistage acid fracturing；optimization design
西北某油田奧陶系碳酸鹽巖油氣藏是溶解氣驅動和底水驅動帶有凝析氣頂的揮發性古巖溶縫洞型塊狀油氣藏，埋深5400～6900m，地層壓力57.0～75.9MPa，溫度118.0～158.7℃。目前主要依靠直井和側鉆水平井籠統酸壓投產，但水平井籠統酸壓改造存在水平井段長、用酸量大、酸壓效率不高的問題，對於酸壓裂縫方位、延伸和在空間的展布形態難以控制，難以對存在物性差異的多個目標儲集體進行有效改造，分段改造方式和工具選擇困難，酸壓效果差。為了提高水平井酸壓改造效果，開展了分段酸壓優化設計及先導試驗。
1 水平井分段酸壓優化設計
水平井分段酸壓技術是油藏地質、鉆井、測錄井、完井和儲層改造多學科緊密結合、協同完成的壹項新技術，主要目的是單井產能最大化［1～3］。其優化設計的流程如圖1所示：首先開展目標儲層的識別、現今地應力場分析、井筒成像以及其他測井資料分析和裂縫參數設計，在此基礎上依次開展完井方案優化和現場實施，分段酸壓施工參數優化和現場實施，配合鉆完井、酸壓全過程質量控制，確保水平井產能最大化。通過裂縫監測、壓後評估分析裂縫形態，修正油藏模型，總結施工經驗教訓，完善水平井分段酸壓優化設計。
圖1 水平井分段酸壓優化設計流程
2 試驗井基本情況
該井是部署在西北某油田的壹口開發井，完鉆層位為奧陶系鷹山組，完鉆井深為6190m（斜深）、5440.29m（垂深）。巖性為淺灰色泥晶灰巖、微晶灰巖；鉆井過程中無放空漏失；錄井顯示氣測異常為10層/38m（斜），油跡為2層/17m（斜）；測井解釋Ⅱ類儲層為11層/81m（斜），Ⅲ類儲層為22層/270m（斜）。成像測井解釋5460.00 ～6129.70m分別有5個裂縫和5個溶洞發育井段。地震反射資料表明斷裂較發育，是儲層發育的有利部位。最大水平主應力方向與井眼軌跡夾角為83°，酸壓改造時有利於形成垂直井筒方向的橫向縫。鄰井除1口井自然建產以外，其余均為酸壓完井，生產過程中均出現高含水。預測本井破裂壓力梯度為0.018MPa/m，地層壓力為57.6MPa，溫度為1 18.6℃。分析認為該井具備水平井分段酸壓改造的條件，但是完井過程中存在封隔器位置較難選擇，施工過程中存在滑套不能打開、裂縫竄層以及壓後高含水等風險。
3 分段酸壓完井方案
根據實際鉆、錄、測井資料和分段酸壓級數優化結果，結合儲層裂縫、溶蝕孔洞特點，並考慮完井工具對井徑、井眼軌跡的要求，以有利儲層段有效改造為原則，確定分段酸壓完井方案。
3.1 完井工具選擇
由於碳酸鹽巖儲層裂縫發育，為了防止裂縫竄層，采用4－1/2″遇水膨脹封隔器＋滑套分段完井酸壓工具，耐壓70MPa，耐溫170℃［4～7］。關鍵工具包括遇水膨脹裸眼封隔器、投球滑套、壓差滑套、井筒隔離閥、懸掛封隔器、回接插入密封等。設計多級封隔器對水平裸眼段進行機械封隔，根據有利起裂位置放置滑套，壓裂前替清水實現封隔器穩定坐封，施工中從小到大依次投球憋壓打開滑套，酸液從滑套進入地層完成酸壓，酸壓後合層返排。此過程具有節省完井成本、縮短酸壓施工周期、靈活卡封、酸壓規模大、安全性能高等優點。
3.2 分段酸壓級數優化
圖2 裂縫條數和累積產量關系
首先采用油藏數值模擬方法對3口鄰井歷史生產動態進行擬合，獲得本井區地層平均有效滲透率為11.6×10－3μm2。然後以階段累積產量為目標函數，通過產量優化模擬對試驗井進行分段酸壓級數優化。圖2表明，裂縫條數小於4條時，隨著裂縫條數增加，累計產量呈直線上升，達到最優條數後增加幅度降低。以3年累計產量為判斷準則，最優裂縫條數為5～6條。
3.3 完井方案
綜合實際鉆、錄、測井等資料及地應力分析和分段酸壓級數優化結果，本井分5段完井。封隔器座封位置選擇在物性、電性較差、井徑較規則的井段；滑套位置選擇在裂縫發育、地應力薄弱的井段，且盡量位於層段中部，以增加均勻布酸的效果。封隔器和滑套位置，見表1。
表1 分段完井方案
(1)1in＝25.4mm。
4 分段酸壓優化設計方案
根據儲層特征，以酸壓後產量為目標，優化各段酸蝕裂縫半長和裂縫導流能力，在此基礎上確定各段施工規模；優選壓裂液和酸液，根據井下管柱與井口承壓要求，確定註入方式、所需設備功率與地面泵壓；優化泵註參數，確定泵註程序，形成差異化的分段酸壓優化設計方案。
4.1 施工工藝優化
綜合改造段長度、儲層發育程度、工具安全性能要求等，第1、4段采用凍膠壓裂＋地面交聯酸酸壓施工工藝，第2、3、5段井段較長，成像測井解釋結果顯示發育多組天然裂縫，為了實現均勻布酸改造，采用凍膠壓裂＋轉向酸＋地面交聯酸酸壓工藝。
4.2 液體體系優化
在避免裂縫向下過度延伸溝通水層的前提下，為了提高有效酸蝕裂縫長度和裂縫導流能力，實現長裸眼段均勻布酸改造，通過實驗優化了壓裂液、地面交聯酸和轉向酸體系配方。120℃、170s－1下剪切1h壓裂液黏度控制在200mPa ·s以內，地面交聯酸和轉向酸黏度分別保持在50mPa·s和400mPa·s以上。
4.3 酸壓長度優化
圖3、圖4表明，壓後初期產能和階段累積產量隨著裂縫長度增加而遞增，當裂縫長度達到壹定值後，增加裂縫長度對平均日產量、累計產量貢獻不大，因此最優酸壓長度為100～120m。
圖3 裂縫長度和日產量關系
圖4 裂縫長度和累積產量關系
4.4 裂縫導流能力優化
圖5、圖6表明，壓後初期產能和階段累積產量隨著導流能力增加而明顯遞增，最優裂縫導流能力為300×10－3μm2·m。
4.5 施工規模和前置液比例
根據區域地質情況，結合鄰井地應力及地震剖面解釋結果，經計算分析認為目標層上部巴楚組下泥巖段遮擋較好，目標層下部遮擋較差。為了避免溝通水層，將酸壓縫高度控制在80m左右，同時為了溝通T47界面以下水平段以上的有利儲集體，縫高不宜過小。模擬結果表明，單段酸壓規模應控制在總液量500m3左右。在規模均等的前提下，隨著前置液比例增加，裂縫導流能力降低，為了實現裂縫導流能力達到300×10－3μm2·m的目標，較優前置液比例範圍為40％左右。各段施工規模優化結果見表2。
圖5 裂縫導流能力和日產量關系
圖6 裂縫導流能力和累積產量關系
表2 酸壓施工參數和裂縫參數匯總
4.6 施工排量
裂縫高度和施工排量呈正相關關系，施工規模相同時，施工排量增加，裂縫高度也隨之增加。由於第1段施工摩阻最大，相同排量下井口壓力最高，通過計算分析壓裂液施工排量小於5.0m3/min、酸液排量小於6.0m3/min時，井口壓力低於90MPa，選用105MPa井口及車組可以滿足施工要求。綜合控縫高、井口限壓要求，確定壓裂液施工排量為4.0～5.0m3/min，酸液排量為5.0～6.0m3/min，現場根據壓力情況可進行調整。
5 現場酸壓施工
5.1 施工簡況
2012年4月26日連續施工2段酸壓作業，累計擠入地層總液量1208.1m3，其中滑溜水413.1m3、凍膠365m3、轉向酸80m3、地面交聯酸380m3，最高施工泵壓66.6MPa，最高施工套壓38.7MPa，最高施工排量5.0m3/min，停泵測壓降，泵壓由18.9 MPa下降至17.17MPa，套壓由16.4MPa下降至14.0MPa。酸壓的各項指標基本符合設計要求。由於開泵後顯示油套壓連通和第1、2級投球滑套均沒有明顯打開顯示，現場決定停止施工，排液求產。
5.2 排液生產情況
該井於2012年4月26日用5mm油嘴控制放噴，至28日油壓為19.11MPa，含油30％，產氣3079m3，累計排液240.7m3。截至2012年5月12日，3mm油嘴，油壓25.5MPa，套壓10.7MPa，日產液33.1m3，日產氣23677m3，含水7.6％，累產油888.2m3，高於周圍鄰井初產。壓後效果與擬和分析（表3）表明分段酸壓優化設計方法是正確和有效的。
表3 分段酸壓施工與擬合參數
6 需要改進的問題
1）加強完井過程中質量控制。酸壓開泵後顯示油套壓連通，分析原因：壹是密封插管密封失效，回插管柱插入後，沒有上提驗證棘齒錨定的動作，而且打開壓差滑套時打壓瞬間達到41.02MPa時，在此壓力下回插接頭位移90.14cm，而插入密封插管的盤根長20cm，打開壓差滑套的同時可能導致插入密封失效；二是懸掛封隔器及遇水膨脹封隔器未完全座封。今後要加強完井全過程的質量控制，為分段酸壓成功實施提供保障。
2）滑套質量控制。第1、2級投球滑套開啟不明顯。第壹段施工完成後，采用1.5 ～4.9m3/min排量多次打滑套，沒有明顯打開顯示，分析認為滑套可能已打開，轉入第二段施工。第二段施工完成後，采用1.5～3.0m3/min排量多次打滑套，沒有明顯打開顯示。再次投入密度2.8g/cm3球，采用1.5～4.5m3/min排量多次打滑套，沒有明顯打開顯示。分析原因是送球排量較高以及滑套質量存在問題。今後要在確保滑套質量的基礎上，優化送球排量，確保分段酸壓成功實施。
7 結論與認識
1）水平井分段酸壓技術是多學科聯合的技術，其關鍵是水平段井筒質量、遇水膨脹封隔器耐溫性、有效密封性、滑套球座密封和憋壓打開性能，建議進壹步加強攻關試驗，完善和提高工具性能，同時做好完井和酸壓全過程的質量控制，為提高碳酸鹽巖油氣藏開發效果提供有效的技術支撐。
2）水平井分段酸壓完井方案應以實現有利儲層段有效改造為原則，根據實際鉆、錄、測井資料，在地應力分析、分段酸壓級數優化基礎上，結合儲層縫洞發育情況及完井工具對井徑、井眼軌跡的要求，確定封隔器和滑套位置。
3）對各段酸蝕裂縫長度、導流能力、施工規模、前置液比例和排量等參數進行了優化，優選壓裂液和酸液，形成差異化的分段酸壓優化設計方案。現場施工及壓後效果表明，施工參數、控縫高措施是合理有效的，分段酸壓優化設計方法是正確的，可進壹步推廣應用。
參考文獻
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