武月榮，高 崗，谷向東

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠(chǎng)

0 引言

經(jīng)過(guò)了近30年的發(fā)展，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)已成為油田增產(chǎn)措施的一項(xiàng)重要手段，結(jié)合儲(chǔ)層特點(diǎn)及改造需求形成了縫口轉(zhuǎn)向、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向、層間轉(zhuǎn)向、多縫壓裂、復(fù)合縫網(wǎng)壓裂等系列技術(shù)[1-4]，取得了較好的改造效果。但作為一項(xiàng)動(dòng)用側(cè)向剩余油區(qū)的“短、平、快”的技術(shù)手段，目前大范圍應(yīng)用在油田老井，普遍壓后增產(chǎn)能夠達(dá)到0.8～1.2 t/d，是老油田穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂在油田的成功應(yīng)用也進(jìn)一步帶動(dòng)了技術(shù)的升級(jí)，目前在國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣、水平井老井重復(fù)壓裂的應(yīng)用也較為普遍，能夠有效解決例如頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平段套管變形導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行機(jī)械方式分段壓裂以及水平井老井井下無(wú)工具分段壓裂等問(wèn)題[5-7]，也取得了較為顯著的效果。但由于氣井的儲(chǔ)層條件限制，該技術(shù)目前在氣井直井、定向井及水平井上應(yīng)用較少，如何將該技術(shù)與目前氣井增產(chǎn)措施手段有機(jī)結(jié)合，利用該技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)提高單井產(chǎn)量目標(biāo)是目前亟需解決的問(wèn)題。

1 地質(zhì)特征

1.1 長(zhǎng)慶蘇里格氣田儲(chǔ)層物性特征

對(duì)蘇里格氣田盒8和山1兩個(gè)主力層位的764塊巖心樣品分析得出：盒8砂巖孔隙度主要分布于5%～12%之間，平均8.95%；滲透率主要分布在0.06～2.00 mD之間，平均0.73 mD。山1砂巖孔隙度一般在5%～11%之間，平均8.5%；滲透率一般在0.06～1.0 mD之間，平均0.59 mD，均為低孔低滲儲(chǔ)層。

1.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征

蘇里格氣田儲(chǔ)層楊氏模量為(1.84～3.42)×104，泊松比為0.20～0.35，井間參數(shù)數(shù)值變化大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。通過(guò)古地磁、差應(yīng)變分析等方法研究表明，蘇里格地區(qū)壓裂裂縫延伸方位為NE72.5°～81.3°，與砂體走向近似垂直(見(jiàn)表1)。

表1 室內(nèi)巖心地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表

2 存在的問(wèn)題

水平井固井完井橋塞分段壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)段間的有效分隔，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)大排量施工的技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)已在長(zhǎng)慶氣田大面積推廣。目前，水平井固井完井橋塞分段壓裂技術(shù)在蘇里格氣田水平井分段壓裂中普遍在10段以?xún)?nèi)，每段分為2～3簇，每段籠統(tǒng)泵注。但由于儲(chǔ)層條件的差異(巖心、物性)、應(yīng)力陰影及射孔孔眼的分布等影響，往往造成部分射孔簇改造程度低或未得到改造，單段改造未實(shí)現(xiàn)多縫的目的，壓后改造效果難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 水平井轉(zhuǎn)向壓裂可行性分析

3.1 縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的可行性條件

3.1.1 巖石力學(xué)的可行性分析

要實(shí)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生分支縫需具備裂縫延伸凈壓力大于兩個(gè)水平主應(yīng)力的差值與巖石的抗張強(qiáng)度之和[8-10]。針對(duì)形成網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)所需的凈壓力要求，利用壓裂模擬軟件模擬計(jì)算了井深3 200 m不同排量、不同壓裂液類(lèi)型下的縫內(nèi)凈壓力數(shù)值。

結(jié)果表明：隨著注入排量、液體黏度的增加，裂縫內(nèi)凈壓力逐漸增加，當(dāng)滑溜水在注入排量大于14 m3/min時(shí)，才可保證縫內(nèi)凈壓力達(dá)到12 MPa以上,見(jiàn)表2。

表2 不同注入排量下縫內(nèi)凈壓力模擬計(jì)算結(jié)果

蘇里格氣田目的層砂泥巖層間應(yīng)力差普遍在8～10 MPa，過(guò)高的縫內(nèi)凈壓力很可能首先突破的是隔層而非形成新的裂縫。因此，從儲(chǔ)層應(yīng)力條件來(lái)看，通過(guò)轉(zhuǎn)向壓裂的方式形成新裂縫、擴(kuò)大氣流體積是難以實(shí)現(xiàn)的。

3.1.2 工藝配套的可行性分析

暫堵壓裂過(guò)程中通常采用的施工方式是低排量加入暫堵劑，使得暫堵劑在人工裂縫中更容易遇阻而形成堵塞帶，而目前水平井水力泵送橋塞分段壓裂較大的施工排量難以滿(mǎn)足暫堵劑在人工裂縫中形成屏障帶的目的；而較低的施工排量又難以實(shí)現(xiàn)10～12 MPa以上裂縫轉(zhuǎn)向所需的凈壓力，因此，從工藝的配套性來(lái)考慮，縫內(nèi)轉(zhuǎn)向難以實(shí)現(xiàn)。

3.2 簇間轉(zhuǎn)向的可行性條件

3.2.1 實(shí)現(xiàn)簇間暫堵的力學(xué)條件

實(shí)現(xiàn)簇間暫堵的條件是通過(guò)暫堵劑的加入，對(duì)已壓裂簇射孔孔眼及近井地帶進(jìn)行暫時(shí)性封堵，能夠使井筒實(shí)現(xiàn)暫時(shí)的完整，當(dāng)井筒內(nèi)壓力超過(guò)未開(kāi)啟簇的破裂壓力時(shí)，則可改變液體的流通通道，新縫開(kāi)啟，見(jiàn)圖1。

圖1 水平井段內(nèi)簇間暫堵壓裂技術(shù)示意圖

3.2.2 巖石力學(xué)的可行性分析

以蘇里格氣田某直井為例，通過(guò)其測(cè)井參數(shù)計(jì)算儲(chǔ)層某一段地應(yīng)力及破裂壓力，簇間最小主應(yīng)力極差1.07 MP，普遍在1～2 MPa左右(見(jiàn)表3)，且考慮蘇里格氣田儲(chǔ)層微裂縫不發(fā)育，儲(chǔ)層抗張強(qiáng)度4～6 MPa。

表3 蘇里格氣田某井應(yīng)力剖面計(jì)算結(jié)果

若改造初始階段僅開(kāi)啟一簇裂縫，則通過(guò)暫堵轉(zhuǎn)向開(kāi)啟新簇所需的壓力升幅為5～8 MPa左右，遠(yuǎn)小于縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓裂所需的10～12 MPa壓力升幅。若改造初期階段多簇起裂，則改變液流方向至改造程度較低的簇僅需1～2 MPa。因此，無(wú)論從哪種方式的新縫開(kāi)啟難以程度來(lái)看，簇間暫堵的可行性遠(yuǎn)大于縫內(nèi)暫堵。

3.2.3 工藝配套的可行性分析

配合水力泵送橋塞分段壓裂工藝，假設(shè)每段內(nèi)為2簇，第一級(jí)壓裂液會(huì)進(jìn)入更容易破裂的某簇，待已壓開(kāi)簇完成加砂壓裂施工后，等待裂縫閉合,裂縫閉合后小排量注入暫堵劑。當(dāng)暫堵劑在已壓開(kāi)簇近井地帶及射孔孔眼處逐漸堆積形成橋堵后壓力升高，待壓力升高達(dá)到未改造簇的破裂壓力后，則新縫開(kāi)啟。從工藝配套方面來(lái)看，簇間暫堵泵送暫堵劑無(wú)需采用大排量施工，具有較好的施工可行性。

3.2.4 增產(chǎn)的可行性分析

水平井簇間暫堵可實(shí)現(xiàn)段內(nèi)無(wú)工具對(duì)各簇的精細(xì)改造，較單純的橋塞分段壓裂減少了分段工具的入井?dāng)?shù)量，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本投入，且工藝實(shí)現(xiàn)的難易程度遠(yuǎn)小于縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓裂。段內(nèi)各簇的精細(xì)改造可有效增加水平段裂縫條數(shù)，加大段內(nèi)裂縫的改造規(guī)模和動(dòng)用程度，進(jìn)一步提高水平井一次動(dòng)用，增加油氣井初期產(chǎn)量，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域體積改造，大幅度提高氣井產(chǎn)量。

4 水平井段內(nèi)無(wú)工具精細(xì)分簇壓裂技術(shù)研究

4.1 暫堵劑的性能指標(biāo)

針對(duì)水平井段內(nèi)精細(xì)分簇壓裂工藝技術(shù)需求，結(jié)合研究區(qū)儲(chǔ)層的巖石物理特征及現(xiàn)場(chǎng)壓裂技術(shù)條件，室內(nèi)研發(fā)了在壓裂施工過(guò)程中持續(xù)封堵，壓后快速降解的暫堵轉(zhuǎn)向產(chǎn)品。

暫堵劑顆粒接近透明狀白色，顆粒的硬度較高，在95 ℃之下時(shí)不軟化，顆粒形狀和大小可控。根據(jù)工藝要求生產(chǎn)了0.8 mm以下、0.8～1.5 mm、1.5～2.0 mm及2.0～3.0 mm等4種不同粒徑的暫堵劑。

4.1.1 暫堵劑降解性測(cè)試

對(duì)暫堵材料在不同溫度下的降解性進(jìn)行了測(cè)試,見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示暫堵劑在胍膠基液和纖維攜帶下幾乎可以完全降解，暫堵劑初期降解率低，10 h內(nèi)降解率<10%，一定時(shí)間后完全溶解(96 h后降解率>99%),滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的技術(shù)需求。

圖2 混合樣+纖維在不同溫度下的降解率

4.1.2 巖心傷害性能測(cè)試

室內(nèi)將5%暫堵劑在100 ℃下完全溶解于水，待冷卻后，配制壓裂液，破膠后，取其濾液進(jìn)行壓裂傷害測(cè)試。

從表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入可降解暫堵劑溶解后的壓裂液對(duì)巖心傷害率為23.01%，與常規(guī)壓裂傷害率24.42%相當(dāng)，沒(méi)有額外增加壓裂液對(duì)巖心傷害。

表4 暫堵劑溶解后對(duì)巖心傷害測(cè)試結(jié)果

4.2 暫堵劑加入方式優(yōu)選

考慮到目前暫堵劑加入方式存在的問(wèn)題，為提高暫堵施工過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化程度，提升改造效果，結(jié)合國(guó)外公司現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，采用專(zhuān)用批混設(shè)備及泵車(chē)進(jìn)行暫堵劑的加入，該裝置共有2個(gè)4.5 m3容積的攪拌罐，可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型暫堵劑的單獨(dú)加入，最大排出排量為3.0 m3/min?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)暫堵劑按照壓裂工程設(shè)計(jì)在攪拌罐中提前預(yù)置，通過(guò)批混設(shè)備直接排出至混砂車(chē)，為防止暫堵劑顆粒對(duì)混砂車(chē)吸入泵段的上液效率影響，批混設(shè)備的排出管線(xiàn)直接放置在混砂車(chē)攪拌罐處,再經(jīng)混砂車(chē)排出至?xí)憾聞?zhuān)用泵車(chē)進(jìn)入高壓管線(xiàn)(圖3)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工流程示意圖

4.3 暫堵劑加入施工參數(shù)

4.3.1 暫堵劑泵注排量

參考國(guó)外水平井暫堵技術(shù)施工參數(shù)，結(jié)合長(zhǎng)慶氣田儲(chǔ)層實(shí)際情況，考慮到研究區(qū)目的層儲(chǔ)層滲透率低、非均質(zhì)性較強(qiáng)、微裂縫不發(fā)育、多簇改造過(guò)程中簇開(kāi)啟程度低、壓裂液濾失相對(duì)較小、裂縫寬度較大，提出第一級(jí)施工結(jié)束后停泵15 min，待裂縫閉合或裂縫寬度較窄時(shí)開(kāi)始泵注暫堵劑，泵注排量控制在1.5～1.2 m3/min，待暫堵劑到達(dá)水平段后降低頂替排量至1.2 m3/min，觀察壓力變化，當(dāng)壓力升幅達(dá)到簇間應(yīng)力差值2.0 MPa左右時(shí)，增大施工排量，提高暫堵劑在孔眼及縫口處的壓實(shí)，并開(kāi)始正常施工第二級(jí)。

4.3.2 暫堵劑加入量及加入濃度

國(guó)外在水平井段內(nèi)暫堵壓裂施工過(guò)程中，根據(jù)井況、射孔數(shù)量以及工藝目標(biāo)的差異，暫堵劑用量多在100～200 kg/次，暫堵劑加入濃度約為60～120 kg/m3左右。此次改造旨在對(duì)改造程度較大的射孔簇其孔眼及近井地帶進(jìn)行臨時(shí)性封堵，且封堵過(guò)程泵注排量較小，因此裂縫寬度較窄，封堵的有效性與裂縫寬度和孔眼數(shù)關(guān)系較大。由于暫堵劑泵注前采用停泵降低裂縫寬度的處理方式提高封堵有效性，那么孔眼數(shù)量是另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。參考長(zhǎng)慶油田致密油水平井暫堵壓裂，單段平均射開(kāi)6簇，每簇長(zhǎng)0.4～0.6 m，孔密16孔/m，總孔數(shù)38～58孔，暫堵劑用量20～25 kg即可。對(duì)比長(zhǎng)慶氣田普遍單段為3簇，每簇2 m，孔密16孔/m，總孔數(shù)96孔?？紤]到極限情況，致密油水平井段內(nèi)改造第一階段施工僅僅只開(kāi)啟1簇裂縫，需要封堵的射孔孔眼數(shù)量6～10個(gè)，對(duì)比氣井1簇裂縫需要封堵32孔，對(duì)應(yīng)的暫堵劑用量為50～133 kg。因此，此次設(shè)計(jì)氣井單段暫堵劑用量100～140 kg，具體各段用量的差異化取決于簇間最大與最小應(yīng)力差值。

暫堵劑加入濃度通常在60～120 kg/m3，本方案確定暫堵劑加入濃度取較高值，在100～140 kg/m3之間，與加入量相同，濃度的大小考慮各簇之間應(yīng)力差，應(yīng)力差越大用量越大，加入濃度越大。

4.3.3 保持井筒暫堵劑有效濃度的技術(shù)手段

為提高暫堵劑在井筒中的濃度保持程度，提出纖維復(fù)制暫堵顆粒進(jìn)行近井地帶及孔眼處的封堵。通過(guò)加入可降解顆粒，克服了暫堵劑在泵注過(guò)程中的沉降，減少暫堵顆粒在攜帶液中的分散，能夠保持暫堵顆粒的高濃度。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

水平井段內(nèi)無(wú)工具精細(xì)分簇壓裂技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口水平井，分別獲得無(wú)阻流量150.0×104m3/d、162.0×104m3/d高產(chǎn)工業(yè)氣流，是直井、定向井的9倍以上，是水平井平均無(wú)阻流量的2倍以上，增產(chǎn)效果顯著。

試驗(yàn)的2口水平井在暫堵劑加入后到達(dá)預(yù)定位置，地面施工壓力有明顯上升，平均壓力升幅分別為4.4 MPa和2.2 MPa。以JXH2井第2段為例，第一級(jí)施工后期與第二級(jí)加入暫堵劑后的前期施工壓力差11.1 MPa，停泵壓力差6.5 MPa,見(jiàn)圖4，轉(zhuǎn)向特征明顯，效果顯著。試驗(yàn)井統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖4 JXH2井第2段段內(nèi)無(wú)工具精細(xì)分簇壓裂

表5 JXH2井暫堵劑加入后地面壓力升幅統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

(1)結(jié)合蘇里格氣田儲(chǔ)層特點(diǎn)、地應(yīng)力特征，分析得出簇間暫堵技術(shù)在工藝實(shí)現(xiàn)和增產(chǎn)方面可行性較高。

(2)基于蘇里格氣田儲(chǔ)層條件的差異(巖心、物性)以及應(yīng)力陰影的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單段有效改造，需要增加段內(nèi)簇?cái)?shù)，逐簇改造，以確保儲(chǔ)層段的有效動(dòng)用。

(3)水平井簇間暫堵段內(nèi)無(wú)工具精細(xì)改造，結(jié)合橋塞分段壓裂可減少分段工具的入井?dāng)?shù)量，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本投入。

(4)形成了水平井段內(nèi)無(wú)工具精細(xì)分簇壓裂技術(shù)，確定了施工參數(shù)及施工模式，實(shí)現(xiàn)了段內(nèi)儲(chǔ)層段的有效改造，效果明顯。

(5)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井，轉(zhuǎn)向特征明顯，平均無(wú)阻流量156×104m3/d ，是該區(qū)域直井、定向井的9倍以上，增產(chǎn)效果顯著。