摘要：水平井分段改造是扭转低渗透油气田多井低产、转变发展方式、实现少井高产的重要手段，2010年苏里格气田开始实施大规模的水平井开发，制订了100口水平井的开发部署。但是，裸眼水平井压裂裂缝起裂和延伸的复杂性，以及裂缝条数的不确定性给裸眼水平井的有效压裂带来了巨大挑战。在介绍分段压裂工具及工序的基础上，重点研究裸眼水平井压裂裂缝的起裂机理，对比直井地层破裂和裂缝延伸的特点，分析了裸眼水平井压裂裂缝的延伸特征，结合实例水平井分段压裂得到裸眼水平井压裂会产生次生裂缝的结论，以增加主裂缝缝长和控制次生裂缝数量为目标，通过净压力拟合和预测的方法建立了裸眼水平井分段压裂参数的力学设计方法。该结论和方法在苏里格气田苏5、桃7区块水平井的分段压裂中取得了成功，压后效果证明了其结论的正确性和方法的有效性。
关键词：苏里格气田；水平井；裸眼完井；分段压裂；起裂模型；裂缝(岩石)；参数；有效性
1 裸眼水平井分段压裂工具及工序
1.1 分段压裂工具
裸眼水平井分段压裂需要的主要工具类型和参数见表1。按国际标准，投球滑套内通径采用6.3mm梯度，分段级数小于等于6级，采用3.175mm梯度，分段级数可达到10级[1]。
1.2 分段压裂工序
分段压裂工序具体流程如图1所示。
为了让裂缝在压裂段能集中起裂，苏里格气田多数以双封隔器进行单段压裂，例如分5段使用8个裸眼封隔器，其压裂施工管柱结构如图2所示，反打开滑套可在压裂施工前打开，施工时以便监测井底压力。
2 裸眼水平井压裂裂缝起裂机理
2.1 裸眼水平井压裂裂缝起裂模型
无限大地层水平钻进后在井壁周围会产生应力集中[2～3]，其物理模型如图3所示，并假设井筒方向与水平最小主应力方向平行。
井壁圆周应力分布如图4所示，其中径向应力和切向应力由式(1)、(2)和式(3)计算，垂向应力由(4)式计算。
式中σr为径向应力，MPa；σy、σx分别为水平最大主应力和最小主应力，MPa；r为径向距离，m；rw为井眼半径，m；θ为井眼圆周上一点与水平面的夹角，(°)；τyz为垂直于井筒yz平面的剪应力，MPa；pw为井眼内压力，MPa；po为孔隙压力，MPa；α为泊松比；γ为平均容重，kN/m3；H为地层深度，m；λ为井筒与垂直方向的夹角，(°)；β为井筒与水平最大主应力的夹角，(°)。
2.2 裸眼水平并裂缝起裂位置和起裂压力计算
线弹性岩石断裂符合张性破坏准则，要使裸眼水平井井壁岩石破裂，需要克服圆周切向应力(σθ)和岩石抗张强度(T)，即破裂压力(pb)等于σθ与T之和，岩石抗张强度为定值，因此，研究裸眼水平井井壁的起裂位置和起裂压力实质成为计算井壁圆周上的切向应力。
以苏里格气田区域地应力值带入起裂模型进行计算，σy取44.0MPa，σx取40.2MPa，以取89.1MPa，rw=0.152m，λ=90°，β=90°，α=0.24，pw=po=30MPa，r=rw处井壁圆周不同θ位置的切向应力计算结果如图5所示。
通常认为，井筒方向若平行与最小主应力，压裂时则产生垂直井筒的横向裂缝，而计算结果表明，在水平井井筒的顶部和底部圆周切向应力最小，为36.6MPa，比最小主应力40.2还小。因此，即使井筒方向平行于最小主应力方向，初始裂缝也不是横向的，而是平行于井筒的纵向裂缝，那么，这种由于应力集中产生的纵向裂缝能延伸多远，下面就计算不同r处井筒顶部和底部的圆周切向应力，其计算结果如图6所示。计算结果表明：应力集中在4倍井筒距离及0.61m后基本消失，在超出应力集中带后，重新产生垂直于最小主应力的横向主裂缝(图7)。
3 裸眼水平井分段压裂力学设计
3.1 区域地应力与次生裂缝
在待压裂水平井压裂参数设计前，先采用 FracproPT10.7软件对邻井已施工的同层位井压裂曲线进行精确净压力拟合，以桃7-X1井压裂施工曲线拟合为例，拟合结果如图8所示，获取区域地应力参数和岩石力学参数：泊松比为0.22，弹性模量为1.2×104MPa，产层闭合压力梯度为0.0126MPa/m，产层闭合压力为41.4MPa，泥岩闭合压力为46.92MPa，产、隔层应力差为5.5MPa，区域破裂压力梯度为0.018MPa/m，区域地层破裂压力为59.0MPa。
从净压力拟合结果和区域地应力参数得到一重要结论：地层破裂压力减去产层闭合压力既是达到地层破裂压力时缝内净压力，计算得出的该值为17.6MPa，而图8显示裂缝延伸时的缝内净压力可涨至25MPa，此时的井底压力已达到66.4MPa，已经超过地层的破裂压力，对于射孔完井的直井压裂，井底压力可以超过地层破裂使裂缝继续向前延伸，而对于裸眼完井的水平井压裂，井底压力达到地层破裂压力时必将在裸露段的其他应力薄弱处产生新的次生裂缝；一旦形成新的次生裂缝，主裂缝的缝长不再增加，由于次生裂缝没有前置液造缝，井底压力将迅速上涨，砂堵即将产生，裸眼水平井次生裂缝产生的压力响应如图9所示。
3.2 压裂参数力学设计
以两种储层垂直厚度14m和25m、两种砂量25m3和45m3，输入表2中的区域地应力参数，采用 FracproPT10.7软件进行预测，以控制净压力低于地层破裂时的净压力为原则进行压裂参数的力学设计，其计算结果见图10。
从图10可以得出排量和平均砂浓度没有前置液比例对缝内净压力上涨的控制力度大，且25m垂直厚度的厚储层净压力涨幅远低于14m的薄储层净压力的涨幅。按照净压力预测结果，以增加主裂缝缝长和控制次生裂缝产生为出发点，苏5、桃7区块水平井分段压裂参数优化范围如下：排量3.5～4.0m3/min、薄砂体前置液比例45%～50%，厚砂体前置液比例43%～45%，平均砂浓度360～400kg/m3。
4 现场应用
目前，苏里格气田苏5、桃7区水平井分段压裂共施工7口井，施工成功率100%，获得平均测试产量14.8×104m3/d，平均无阻流量75.6×104m3/d，最高测试产量27.8×104m3/d，最高无阻力量160.2×104m3/d，具体设计及施工参数和压后产量如表2所示。压后效果证明笔者所建立的方法有效，结论正确，应用效果良好。
5 结论
1) 裸眼水平井分段压裂工具入井的井筒准备和压裂施工是两个关键环节，施工前打开反打开滑套可以实时监测井底压力。
2) 裸眼水平井由于应力集中使得纵向裂缝的破裂压力比横向裂缝的破裂压力低，压裂首先形成纵向微裂缝，在穿过应力集中带之后形成横向主裂缝。
3) 裸眼水平井压裂在施工后期容易形成次生裂缝，次生裂缝产生一方面影响主裂缝的长度，一方面增加了砂堵的风险。
4) 精确净压力拟合可获得区域地应力参数，通过控制净压力涨幅的力学设计方法可以优化压裂设计参数，施工成功率和压后效果证明该方法正确有效。
参考文献
[1] 陈作，王振铎，曾华国.水平井分段压裂工艺技术现状及展望[J].天然气工业，2007，27(9)：78-80.
[2] 彼得森R E.应力集中系数[M].北京：中国工业出版社，1965.
[3] 李闽，肖文联，赵春兰，等.不能用净应力评价低渗砂岩岩石应力敏感性[J].西南石油大学学报：自然科学版，2009，31(5)：183-186.
(本文作者：郑云川1 陶建林2 蒋玲玲1 杨南鹏2 沈建国1 1.川庆钻探工程有限公司井下作业公司；2.川庆钻探工程有限公司苏里格项目经理部)
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