以油藏三維地質建模為指導，優化水平井方案設計，配套研究了適合特低滲透油藏特點的水平井軌道設計及控制技術、完井方式優選、提高固井質量和壓裂配套等技術。
1.三維地質建模
三維地質建模是地震、測井、地質等多方面信息的綜合反映，它主要是應用地質統計學、層序地層學、現代沈積學、隨機理論及計算機可視化技術對油藏地質進行綜合研究，並建立能夠反映地下儲層結構及物性參數非均質性的三維定量地質模型。建立州201區塊地質模型的目的，壹是建立三維可視化和數字化模型，為數值模擬提供前期的數據準備;二是為水平井鉆井提供地質導向模型;三是通過儲層預測模型，為開發井鉆井調整提供參考。
(1)建模軟件優選
通過對目前流行的商業建模軟件RMS、GoCad和Petrel進行分析比較，認為Petrel軟件是壹套比較好的油藏精細描述和建模工具。它涵蓋從地震解釋、儲層建模到油藏模擬的所有領域，使得地質家、地球物理師及油藏工程師在同壹平臺上，以有效的方式合作。Petrel建立的油藏地質模型較好地考慮了地質模型如何更好地為油藏數值模擬服務。在建立油藏地質模型過程中，Petrel充分考慮了網格的空間形態及網格結構特征對數值模擬計算速度的影響。Petrel建立的地質模型在數模中具有較好的計算性能，它嚴格遵循等時建模+成因控制儲層相建模+確定性建模約束隨機性建模(相控儲層建模)等壹系列地質建模原則，確保了儲層三維定量模型的準確性。因此，儲層建模采用了Petrel軟件。
(2)建模技術應用
三維地質建模的壹體化工作是在建立模型數據結構庫的基礎上(包括地震數據、儲層反演數據、鉆井數據、地層數據、斷層數據及地質趨勢和沈積信息)，建立構造模型、儲層砂體模型及儲層屬性模型，進而建立儲層參數模型。通過網格粗化和生產動態分析與調整，最後進行數值模擬網格設計地質模型粗化與輸出。
應用Petrel建模軟件，結合地震資料及完鉆井資料，建立了州201區塊47.3km2的地質模型。根據本區實際情況，確定了技術路線:以地震解釋的層位、斷層結果為基礎，建立儲層構造模型;在地震儲層預測成果的約束下，采用序貫指示模擬法獲得多個砂體骨架模型，進行優勢相計算，確定最終砂體骨架模型;在砂體骨架模型內，采用序貫指示模擬法，對有效砂體進行模擬建模，在多個有效砂體骨架模型實現的基礎上，進行優勢相計算，確定最終有效砂體骨架模型;以有效砂體骨架模型為約束，采用序貫高斯模擬法，建立多個儲層物性參數模型，並進行平均計算，建立最終的儲層物性參數模型。為確保地質模型精度，采取了以下技術措施:
壹是利用Petrel軟件中的三維可視化技術對斷層解釋結果進行觀察，對地震斷層解釋數據進行大量的整理和修改，消除了壹些突然變化的與客觀地質不符的畸變現象。二是在斷面處理過程中加入了地震資料剖面質量控制，使得斷層線盡可能與剖面斷層特征吻合。通過精細的斷層線處理，使斷層線傾角相互間具有繼承性，斷面又相對光滑，保證斷層之間正確的切割關系，使斷層的分布及相互之間的關系與扶楊油層構造圖具有基本相同的特征。三是通過斷層的修正與Pillar gridding的反復多次工作，消除由斷層質量問題給網格帶來的尖峰現象，很好地控制了Pillar網格化質量。四是采用空變成圖技術，保證了深度域構造圖具有較高精度。在建模中采用深度域構造圖與對應的t0相除，求得各層位的速度場。在Petrel中以小層頂面數據為約束，建立了三維速度模型。采用所建速度模型對構造模型進行了時深轉換，保證時深轉換精度。五是將井點鉆遇砂體情況作為壹種屬性，利用地震資料進行約束，建立了區塊砂體屬性模型。
(3)三維構造模型建立
構造模型由斷層和層面模型組成。斷層模型是根據地震解釋和井資料校正的斷層文件，建立斷層在三維空間的分布;層面模型反映的是地層界面的三維分布。將地震解釋的地層層面數據和測井分層數據相結合，建立FⅠ—FⅢ***17個小層的三維層面構造模型，用斷層面切割地層層面，疊合後即為三維構造模型(圖6-11)。
根據州201區塊扶楊油層地質模型，對FⅠ5、FⅠ7兩個主力層砂體建立了預測模型。從預測模型結果看，與儲層沈積特征分析結果相吻合，FⅠ7顯示較大規模河流沈積特征，其他非主力層多為窄河道砂體。
2.水平井優化設計方法
應用概念模型模擬了扶楊油層河道砂儲層水平井-直井不同組合井網方式、不同長度與初期產量、不同方位水平井的開發效果，分析如下:
比較水平井與直井不同組合布井方式的開發效果，水平井註水—水平井采油開發效果最好，直井註水—水平井采油次之。考慮水平井鉆井前需壹定量的直井導向井，選用水平井—直井聯合開發布井方式。
比較水平段長度與初期產量關系，結果表明:當水平段長度大於800m後產量增加幅度明顯減小。在單層有效厚5.0m、空氣滲透率小於1.5×10-3μm2、流度小於0.35×10-3μm2/mPa·s時，要達到經濟極限產量，水平段長度大於575m;若空氣滲透率大於1.5×10-3μm2、流度大於0.35×10-3μm2/mPa·s時，水平段長度大於500m。
長垣東部地應力為近東西向，油層改造後主裂縫也是東西向，扶楊油層註水後就存在方向性見水問題。比較不同方位水平井開發效果，結果表明，當裂縫不發育時，垂直方向累計產量高，開發效果最好;當裂縫發育或壓裂導致註采井沿主裂縫方位溝通時，水平方向開發效果最好。因此，設計水平段方位與裂縫發育方向壹致。
根據建模結果，以模擬的砂體分布為依據，在水平井設計過程中，將大規模連片分布的河道砂體作為鉆遇目的層;同時考慮各砂體之間的跨度和水平井順利施工的要求，州201區塊的3口水平井采用了3種井軌方式:常規水平井、階梯水平井和分支階梯水平井。
(1)肇29-平30井
建模結果切片顯示，該井區只有FⅠ5層的砂體發育，厚度相對較大。其中僅FⅠ53單砂體分布穩定，設計該井水平井目的層為FⅠ53。對只發育壹個單砂體的井區，采用常規水平井鉆井。
根據該井設計井位的區域構造、沈積特征及地應力資料，對單砂體進行了細分對比研究，並根據砂巖發育情況設計了水平井軌跡。采用安全、易於鉆進和控制的井軌，自西向東小角度下傾鉆遇FⅠ53砂體，設計水平段長度568m。
圖6-11 州201試驗區三維構造模型
此井設計為水平井註水井，投產初期不壓裂投註，試註後根據註水狀況再確定是否壓裂。另外，考慮到水平井規模化發展的需要，為充實現有地質資料，對肇29-平30井設計鉆井取心20m。
該井於2006年6月17日開鉆，鉆井過程中發現設計目的層(FⅠ53)在靠近肇29-31井方向砂體發育變差，於2006年7月9日提前完鉆。該井實際鉆遇水平段長度445m，鉆遇含油砂巖長度245m，含油砂巖鉆遇率55.1%。***取心2筒，心長11m。
(2)肇33-平28井
建模結果顯示，只有FⅠ7層砂體發育，該層發育FⅠ72、FⅠ73兩個小層，為兩期河道疊加而成，因此，設計該井水平井的目的層為FⅠ72、FⅠ73。對發育多個跨度較小的單砂體，采用階梯式水平井鉆井。
該井區FⅠ7層主要發育FⅠ72和FⅠ73兩個小層，設計先鉆進FⅠ72層，垂深1732m，在該層中水平鉆進210m後鉆FⅠ73層，再水平鉆進210m後完鉆，整個水平段長度為500m。另外，設計取心20m。
該井於2006年6月12日開鉆，7月15日完鉆。在FⅠ72層實際完鉆水平段長度249m，與方案設計結果基本相符。後期向下鉆FⅠ73層，完鉆水平段長度232m。全井實際完鉆水平段長度549m，鉆遇含油砂巖長度481m，含油砂巖鉆遇率100%。在FⅠ73層取心2筒，心長11m。
(3)肇分31-平28井
建模結果顯示，在水平井設計井軌橫向切片上FⅠ7、FⅡ5兩個層砂體發育，但兩個層之間的跨度大，根據周圍直井統計，平均跨度58m，為保證儲量的有效動用，該井設計上分支以FⅠ72、FⅠ73為目的層，下分支以FⅡ51、FⅡ52為目標層。對發育兩個以上跨度較大、層內發育多個單砂體的井區，采用同向分支階梯式水平井鉆井。
FⅠ7層主要發育3組單砂體，其中FⅠ72和FⅠ73厚度較大;FⅡ5主要發育兩組單砂體(FⅡ51和FⅡ52)。根據單砂體發育情況，設計第壹分支先鉆進FⅡ51，入靶點A垂深1794.5m，水平鉆進150m後，再中靶FⅡ52，水平鉆井299m完鉆。第二分支入靶點在FⅠ72，入靶點砂巖厚度約4.0m，有效厚度2.2m，水平鉆進137m後，再中靶FⅠ73，水平鉆進287m完鉆。上下分支水平段長度均為504m。該井為水平井采油井，考慮到扶楊油層自然產能低，為了提高產能，對該井壓裂投產。
該井下分支於2006年4月18日開鉆，鉆井過程中發現FⅡ51層厚度發育較大，為確保鉆遇率，在FⅡ51層實際完鉆水平段長度296m，比方案設計水平段長度(150m)增加了146m。後期向下鉆FⅡ52層時，隨鉆測井顯示含油砂巖厚度僅0.8m，鉆穿該層後完鉆。該分支實際完鉆水平段長度481m，鉆遇含油砂巖長度308m，含油砂巖鉆遇率100%。
上分支於2006年5月11日開鉆，在FⅠ72層實際完鉆水平段長度238m，比方案設計水平段長度(136m)增加了102m。後期向下鉆FⅠ73層，水平段長度76m。該分支實際完鉆水平段長度458m，鉆遇含油砂巖長度314m，含油砂巖鉆遇率100%。
試驗區完鉆3口水平井結果顯示，砂體預測模型比較可靠。其中肇分31-平28、肇33-平28井鉆遇砂巖基本與建模預測結果壹致，都鉆遇兩期河道，含油砂巖鉆遇率達到100%。肇29-平30井在FⅠ53鉆遇含油砂巖水平段長度245m後，巖性發生變化，由含油粉砂巖變為泥質粉砂巖，最後變為泥巖，表明FⅠ53小層的河道寬度在250m左右，與預測有壹定差距。在鉆遇245m含油砂巖後，由於沒有追蹤到其他河道，導致含油砂巖鉆遇率較低。
3.特低滲透儲層水平井限流法壹次壓裂多層工藝
針對州201試驗區儲層物性差、自然產能低，必須壓裂投產的實際，開展了水平井限流法壹次壓裂多層技術攻關。
(1)水平井限流法壓裂射孔完井優化
射孔孔數優化:州201試驗區水平井均設計在壹個小層或小層組內，但根據該區塊直井統計，同層間不同井的破裂壓力差別最大為3.9MPa。因此，為保證同井筒內各射孔壓裂段均能壓開，射孔孔眼摩阻必須大於4MPa。根據大慶所有射孔槍彈的射孔穿透能力及水泥靶實際射孔孔眼邊緣均勻情況的調查統計，其中孔徑為8.8mm的8.8DP36RDX-1型射孔槍、彈組合最適合水平井限流法壓裂施工。因此，確定水平井限流法壓裂的單孔最低排量為0.3m3/min。
油田現有的壓裂車組及采用的井口和地面管匯壓力指標為70MPa，施工排量最高可達到7.6m3/min，因此，對應的最大理論孔數為7.6～0.3m3/min(孔≈25孔)。
實施限流法壓裂時，在直井段下入壓力計，進行射孔有效孔數反演計算，射孔孔眼有效率平均為70.6%。考慮到現場實際排量受壓裂泵車影響較大，為保證每個射孔孔眼單孔排量達到0.3m3/min以上，初步設計單孔限流排量為0.35～0.4m3/min，即限流法保守射孔孔眼數為:19～22孔。
射孔方位優化:扶楊油層水平井多為薄互層中的物性相對較好的儲層，裂縫的上下延伸方向主要受物性控制。針對這壹情況，摸索了3種射孔方位:從最初的1/3圓周射孔、1/2圓周射孔發展到3/4圓周射孔。從壓裂工藝發展過程分析，射孔方位對射孔孔眼數較少的限流法影響不大，3/4圓周射孔的方式更有利於降低近井復雜性和阻力產生的概率。因此，3/4圓周射孔的方式成為主要射孔方式之壹。
(2)水平井限流壓裂優化設計方法
壹是形成了合理分段布縫的方法。首先，根據裂縫和砂體在實鉆軌跡上的投影位置與周圍註水井的關系，對橫向裂縫，避開對應水井，均勻布縫，避免裂縫間幹擾;對縱向裂縫，避免重疊。其次優選的壓裂段位於含油砂巖內，電性顯示明顯，含油飽滿、總烴含量高。另外，人工裂縫盡量溝通鄰近的油層，實現壹縫穿多層，保證增產效果。二是針對不同裂縫與水平井段夾角關系，形成了利用橫向裂縫(應用FracPT)、縱向裂縫(應用Go-hFer2005)壓裂軟件進行施工規模、施工參數優化及產能預測技術。
(3)水平井限流壓裂裂縫診斷和測試技術
限流法壓裂的關鍵是必須保證各裂縫都有足夠的射孔孔眼吸液，使地層破裂並延伸。它的準確診斷是限流法壓裂的關鍵所在。為此，近幾年通過大量測取各種管徑、排量組合的摩阻及大小噴嘴的摩阻，使孔縫摩阻計算更準確，從而解決了限流法有效孔數準確判斷難的問題。同時，研究成功通過小型測試壓裂、應用G函數直接判斷裂縫壓開數的測試與解釋技術，使水平井限流壓裂各縫壓開率大幅度提高。通過壓裂後密閉測井溫證實，水平井限流法各縫壓開率達到了100%。
(4)限流法壓裂保持井底壓力的施工控制方法
研究形成了始終保持井底壓力的施工控制方法。射孔孔眼變大後，通過提高單孔排量，保持同樣的孔眼摩阻，即當孔眼由8.8mm增加到9.94mm時，只要單孔排量提高到0.4m3/min，摩阻為5.4MPa，仍然能夠超過4.2MPa限流壓裂的界限，保證各裂縫均能順利延伸並被支撐劑良好填充。
(5)適應大排量、高砂比的耐磨壓裂管柱
通過中心管優選耐磨材質，改進工具連接部位的結構，采用橡膠墊充填間隙，研制了Y344-115封隔器，提高壓裂管柱的耐磨性。管柱結構由安全接頭、防磨接頭、水力錨、兩級Y344-115封隔器、噴嘴組成。采用兩級Y344-115封隔器，在提高管柱的承壓性能的同時，還可滿足耐溫90℃、耐壓70MPa的要求。在水力錨設計有12個錨爪，提高其錨定性能，可滿足124mm套管耐壓70MPa的要求。