曹忠林

（中國石油長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010）

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，區(qū)域勘探面積4.0×104km2。蘇里格氣田呈南北向延伸，屬于低壓、低滲透、低豐度的巖性氣藏，透鏡體砂巖發(fā)育。目的層為下二疊統(tǒng)山西組山1段和中二疊統(tǒng)下石盒子組盒8段。儲集空間以原生粒間孔、殘余粒間孔和溶蝕粒間孔為主，孔隙度為5%～10%，滲透率大多在0.1×10－3μm2以下，儲層物性極差，巖性致密。儲層厚度小，有效砂體展布，一般單井氣層厚度不足1 000 m。在低孔隙度、低－特低滲透、低壓等特定儲層條件下，由于儲層基質(zhì)向裂縫供油氣能力太差，僅靠單一增加水平段長度而增加壓裂主縫數(shù)量，已經(jīng)很難取得預期的增產(chǎn)效果［1－2］，因此，為增加壓裂裂縫波及體積，進一步提高單井產(chǎn)量和儲量動用程度，運用地應力軟件進行評估優(yōu)化，開展了水平井段內(nèi)多縫壓裂技術及現(xiàn)場試驗工作。

1 水平段巖石力學參數(shù)研究

巖石的脆性特征及地應力參數(shù)與儲層巖石的破壞和薄弱面的開啟有著密切的關系，決定著巖石的破裂或開啟形式。根據(jù)Rick Rickman提出脆性特征參數(shù)的概念，認為巖石脆性特征參數(shù)越大，巖石的脆性越高，巖石越容易發(fā)生斷裂，而巖石的脆性特征參數(shù)與巖石的彈性模量和泊松比有關。圖1給出了巖石彈性模量和泊松比與巖石脆性特征參數(shù)之間的相關關系，巖石的彈性模量越大，巖石的脆性越高，泊松比越小，巖石的脆性越高。當巖石的脆性特征參數(shù)低于50時，水力裂縫的起裂與擴展以張性破壞為主，水力壓裂更趨向于形成單一裂縫。

通過巖石力學參數(shù)模擬計算得出，蘇53－78－27H井水平段巖石平均楊氏模量為31 922 MPa，平均泊松比為0.171，平均破裂梯度為0.021 MPa／m。計算結果表明，該儲層壓裂改造容易形成裂縫。

圖1 巖石力學參數(shù)與巖石脆性的相關性

2 縫間干擾分析

水平井穿越儲層的距離長，為提高采收率往往需要沿水平段壓開多條裂縫，如果縫間距太小，不但不能增產(chǎn)，還會導致壓裂施工失敗。根據(jù)局部效應原理，作用在物體上的一組自相平衡的外力只在該力系作用區(qū)域產(chǎn)生顯著的應力、應變和位移；而在遠離該自相平衡力作用區(qū)域的地方，可以略去其效應。利用ABAQUS大型有限元分析軟件，來模擬分析多條橫向裂縫間距對裂縫形態(tài)和壓后生產(chǎn)動態(tài)的影響，從而確定合理的裂縫間距，以發(fā)揮水平井的最大產(chǎn)能［3－4］。

數(shù)值模擬表明：對多條橫向縫，當縫間距大于2倍縫高時，流動阻力影響最?。划斂p間距大于1.5倍縫高時，對縫寬影響最小，如圖2所示。根據(jù)有限元數(shù)值模擬結果，蘇53區(qū)塊水平井橫向裂縫間極限間距為10 m，因此，只有大于此值，才能有效消除縫間干擾和發(fā)揮水平井最大產(chǎn)能，如圖3所示。

圖2 多裂縫間相互作用數(shù)值模擬結果

圖3 裂縫間距與產(chǎn)氣量關系對比

根據(jù)斷裂力學理論，水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低、閉合應力低、破裂壓力低、抗張強度低的層段優(yōu)先起裂，綜合水平段測井解釋曲線、巖石力學參數(shù)解釋成果、破裂壓力剖面分析，蘇53－78－27H井的裂縫起裂點如表1所示。

表1 水平段裂縫起裂位置

3 段內(nèi)多縫的實現(xiàn)途徑

3.1 技術原理［5－9］

裸眼水平井段內(nèi)多裂縫壓裂是在有限的井段內(nèi)，通過一次或多次向段內(nèi)投送高強度水溶性多裂縫暫堵劑，形成濾餅臨時封堵前次裂縫，迫使段內(nèi)開啟一條或多條新的裂縫，從而增加水力裂縫條數(shù)和密度，獲得比常規(guī)壓裂更大的單井改造控制區(qū)域。實施方法是在施工過程中，實時地向地層中加入水溶性暫堵劑，該劑為粘彈性的固體小顆粒，遵循流體向阻力最小方向流動的原則，暫堵劑顆粒進入地層中的裂縫或高滲透層，在高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，使后續(xù)工作液不能向裂縫和高滲透帶進入，從而壓裂液進入高應力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化。產(chǎn)生橋堵的水溶性暫堵劑在施工完成后溶于地層水或壓裂液，不對地層產(chǎn)生污染，不影響后期壓裂返排和生產(chǎn)采氣。

3.2 暫堵劑主要性能

該暫堵劑是在地面高溫高壓下，通過交聯(lián)反應以及物理的勢能活化得到，它是化學反應與物理勢能相互催化的復合體，承受壓差大于80 MPa，在壓裂液中100℃時，0.5小時微溶，2.5小時全溶，如圖4所示。該顆粒隨液體進入炮眼和裂縫后，在壓力差下，獲得勢能后繼續(xù)反應交聯(lián)，形成高強度的濾餅，封堵率高，封堵效果好，且內(nèi)含F(xiàn)表面活性劑，有利于助排。

4 現(xiàn)場試驗情況

蘇53區(qū)塊蘇53－78－27H井是一口開發(fā)水平井，垂深3 398 m，水平段長1 000 m，地層溫度120℃，地層壓力系數(shù)0.824，壓裂形成橫向縫。

圖4 暫堵劑100℃溶解曲線

4.1 規(guī)模、排量優(yōu)化

根據(jù)本區(qū)以往壓裂井模擬優(yōu)化結果和裂縫監(jiān)測解釋成果，確定該井單次平均加砂規(guī)模為40 m3，施工排量為3.5～4.0m3／min，攜砂液平均砂比為20%～22%，前置液比例為40%～45%。

4.2 液氮優(yōu)化

液氮伴注是蘇里格氣田廣泛應用的增能返排措施，常規(guī)直井采用全程伴氮工藝。為保證施工安全，液氮設計在前兩條裂縫壓裂施工中采用全程伴氮泵注，后面十三條裂縫只在前置液中使用，以實現(xiàn)水平井增能返排帶動水平段整體返排。

4.3 壓裂施工參數(shù)及壓裂施工情況

該井依據(jù)段內(nèi)多裂縫壓裂理論，設計6段15條縫，3 1／2″油管注入，共使用壓裂液5 833 m3，液氮伴注量193 m3，加砂660 m3，平均砂比23.5%，最高砂比33.4%，施工排量3.8 m3／min，地面施工壓力66 MPa。

4.4 裂縫監(jiān)測結果

段內(nèi)多縫壓裂微地震裂縫監(jiān)測表明，本區(qū)地應力方向為西北－東南向或近東西向，裂縫展布方向基本上符合水平段軌跡呈正交形式，說明目前設計的水平段方位采用南北向適合下步壓裂改造工藝，同時，監(jiān)測的裂縫條數(shù)基本與施工設計相符合。從裂縫監(jiān)測結果看，段內(nèi)注入暫堵劑后，老裂縫被有效封堵并在新的位置形成了新的人工裂縫。該井設計分5段15條裂縫，而實際地面微地震裂縫監(jiān)測結果顯示產(chǎn)生了16條裂縫，其中有1條為天然裂縫［7］，其結果見表2所示。

表2 蘇53－78－27H水平井裂縫監(jiān)測三維形態(tài)參數(shù)

4.5 配產(chǎn)及生產(chǎn)情況

蘇53－78－27H井2012年5月28日投產(chǎn)，開井油壓21.11 MPa，套壓22.6 MPa。截止2013年8月31日，油壓3.39 MPa，套壓12.7 MPa，日產(chǎn)氣14.2×104m3，累產(chǎn)天然氣7 186.6×104m3，平均日產(chǎn)氣量達16.8×104m3。

5 結論

（1）段內(nèi)多裂縫壓裂技術增加了段內(nèi)裂縫條數(shù)，適度提高了單條裂縫的加砂規(guī)模，達到了氣藏縱橫向全面改造，有效地降低了完井作業(yè)風險和投入成本，從而實現(xiàn)了水平井儲量的有效動用。

（2）采用FracPT2011壓裂軟件對壓裂規(guī)模進行了優(yōu)化模擬，確定了最優(yōu)施工規(guī)模、壓裂施工參數(shù)和泵注程序，實現(xiàn)了對儲層的有效改造。

（3）該技術驗證了地應力軟件分析在蘇53區(qū)塊水平井壓裂工藝設計中的實用性。

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