大牛地氣田水平井段內(nèi)多縫分段壓裂工藝研究與實踐

徐兵威

(中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地大牛地氣田為儲量豐富的典型低孔、低滲、低壓氣田，其儲層特點決定了水平井是獲得經(jīng)濟開發(fā)的必要手段［1－2］。通過前期壓裂改造先導(dǎo)試驗，大牛地氣田逐步形成了以多級管外封隔器分段壓裂工藝為主導(dǎo)的水平井分段壓裂技術(shù)，但該技術(shù)的推廣應(yīng)用面臨施工管串工具較多、節(jié)流摩阻較大、無法開啟特低滲儲層段等技術(shù)瓶頸［2－3］。為了解決此問題，將水平井段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)與裸眼封隔器完井技術(shù)有機結(jié)合，形成水平井多縫分段壓裂工藝。該技術(shù)在保證合理的單井產(chǎn)能最大化基礎(chǔ)上，擴大了泄氣面積，同時降低了施工風(fēng)險及成本投入，形成了低滲致密砂巖儲層改造工藝新技術(shù)［3－5］。

1 多縫分段壓裂技術(shù)原理

水平井多縫分段壓裂技術(shù)的原理是，在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫的條數(shù)和密度，提高單位水平井段的改造效率，從而獲得比常規(guī)水平井分段改造更大的單井有效改造體積［3－7］。

多縫分段壓裂施工過程中，一次或多次向段內(nèi)投送高強度水溶性多裂縫暫堵劑，遵循流體向阻力最小方向流動的原則，暫堵劑顆粒隨壓裂液進入已開啟裂縫或高滲透層，從而在高滲透帶形成濾餅橋堵。當(dāng)井筒壓力高于裂縫破裂壓力差值時，后續(xù)壓裂液無法進入裂縫和高滲透帶，被迫轉(zhuǎn)向高應(yīng)力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑鋪置方式發(fā)生變化，最終在水平單段內(nèi)形成多縫裂縫［6－9］。多縫分段壓裂封堵起裂過程如圖1所示。

壓裂施工結(jié)束后，產(chǎn)生橋堵的暫堵劑將溶于地層水或壓裂液，實現(xiàn)段內(nèi)先前封堵裂縫的開啟，增加水平井各段改造體積。

圖1 多縫分段壓裂封堵起裂示意圖

2 多縫分段壓裂技術(shù)特點

與常規(guī)水平井多級管外封隔器分段壓裂工藝相比較，多縫分段壓裂技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢:

(1)多縫分段壓裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單個水平段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向，利用一段工具可改造多個滲透率級別層段的目標，大幅度減少下入分段工具數(shù)量，降低施工風(fēng)險和生產(chǎn)成本。常規(guī)壓裂技術(shù)使用的工具包括滑套17個，封隔器19個;而多縫分段壓裂使用的工具包括滑套7個，封隔器9個。

(2)多縫分段壓裂技術(shù)能有效增加水平段裂縫密度，加大段內(nèi)裂縫改造規(guī)模，提高水平井一次動用儲量，增加油氣井初期產(chǎn)量，利于長期穩(wěn)產(chǎn)，實現(xiàn)區(qū)域體積改造，大幅度提高氣井產(chǎn)量［10－11］。

(3)多縫分段壓裂技術(shù)施工操作方法簡單，通過調(diào)整暫堵劑成分組成、顆粒大小、施工用量等參數(shù)，可以有效控制封堵時間和封堵壓力等參數(shù)。

3 暫堵劑性能評價

在水平井多縫分段壓裂過程中，所使用的水溶性暫堵劑起著關(guān)鍵作用，暫堵劑性能直接關(guān)系到壓裂施工的成敗和壓后效果。

水溶性多裂縫暫堵劑是在地面高溫高壓條件下通過交聯(lián)反應(yīng)以及物理法的勢能活化而得到的顆粒型堵劑，是化學(xué)反應(yīng)與物理勢能相互催化的復(fù)合體。該暫堵劑的一次交聯(lián)是在生產(chǎn)時完成物化反應(yīng)，形成顆粒。在應(yīng)用時，暫堵劑顆粒隨壓裂液進入裂縫后，在壓力差下獲得勢能后繼續(xù)反應(yīng)交聯(lián)，形成高強度的濾餅，從而具備顆粒型堵劑的高強度，又兼具了交聯(lián)型堵劑的封堵率。

3.1 成膠狀態(tài)測定

暫堵劑形成濾餅后的膠體狀態(tài)直接關(guān)系到能否有效封堵張開裂縫或天然裂縫，達到實現(xiàn)段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向的效果。因此，室內(nèi)應(yīng)用電鏡，對人造巖心封堵狀況進行觀測。

從電鏡觀測結(jié)果可明顯看出(圖2)，所有孔隙都被暫堵劑黏附、堵塞，且在放大1500倍時沒有觀察到未堵塞孔隙，表明水溶性多裂縫暫堵劑具有良好的封堵能力。

3.2 溶解性能研究

暫堵劑能否溶于混合溶液介質(zhì)以及溶脹時間能否滿足壓裂后封堵裂縫及時返排產(chǎn)氣，都對降低儲層傷害起到關(guān)鍵作用。在此通過實驗測試水溶性多裂縫暫堵劑在不同溶液介質(zhì)中的溶脹時間。

圖2 暫堵劑封堵電鏡掃描圖片

通過實驗得到80℃溫度條件下暫堵劑在不同溶液中的溶解曲線(圖3)，可以看出，暫堵劑3.5 h后完全溶于壓裂液。說明水溶性多裂縫暫堵劑在壓裂液中溶解性能較好，不會對儲層造成新的傷害;此外，由于溶解后的暫堵劑內(nèi)含F(xiàn)表面活性劑，具備助排性能，利于壓后殘液的返排。

圖3 80℃下暫堵劑在不同溶液中的溶解曲線

3.3 抗壓強度性能評價

水溶性暫堵劑膠結(jié)后形成濾餅的強度是保證有效封堵已開啟裂縫實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，從而在水平段內(nèi)形成多條裂縫的關(guān)鍵因素?？刹捎昧鲃訉嶒瀮x測定暫堵劑的突破壓力來確定暫堵劑的強度，評價抗壓強度性能。流動實驗儀測定流程如圖4所示。

圖4 流動實驗儀測定流程圖

(1)分散態(tài)突破壓力測試。用計算體積的方法，采用排開體積進行計量，在80℃溫度下將壓裂液浸泡3～5 min后開始測試。實驗樣本為1#，2#，3#，4#巖心，分別測試模擬壓實后厚度為 5.0，1.0，0.7，0.5 cm暫堵劑的突破壓力，其測試結(jié)果見表1。

表1 分散態(tài)突破壓力測試結(jié)果

從表1看出，模擬壓實后濾餅厚度1 cm以上，分散態(tài)暫堵劑可以通過二次交聯(lián)形成封堵濾餅，突破壓力達23 MPa以上。模擬壓實后濾餅厚度小于1 cm，分散態(tài)暫堵劑不能有效形成封堵濾餅，并隨著驅(qū)替不斷溶解流出。

(2)膠結(jié)態(tài)突破壓力測試。采用溶解后風(fēng)干的暫堵劑，制成厚度為0.9 cm和0.5 cm的濾餅，分別使用5#，6#巖心進行突破壓力測試，測試結(jié)果見表2。

表2 分散態(tài)突破壓力測試結(jié)果

從表2可以看出，水溶性暫堵劑一旦形成濾餅，突破壓力就很高，濾餅厚度達到或超過0.9 cm將很難突破。這表明了該水溶性暫堵劑具備用量少，承壓能力高，封堵效果好的特征。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

X井是大牛地氣田盒1氣層的一口開發(fā)水平井，垂深2551 m，水平段長1215 m，巖性主要為巖屑砂巖，物性相對較好。依據(jù)水平井多縫分段壓裂理論，設(shè)計7段17條縫壓裂施工，累計注入壓裂液5834.1 m3，加入中密度高強度陶粒665.0 m3。X井采用多縫分段壓裂技術(shù)施工后，試氣油壓9.9 MPa，無阻流量達 11.1 ×104m3d。

分析單段內(nèi)3條裂縫的施工曲線(圖5)，前置液階段裂縫延伸壓力分別上升了2.9 MPa和2.6 MPa，施工壓力有明顯的上升和裂縫轉(zhuǎn)向。擬合破裂壓力梯度分別為 0.011，0.0134，0.0164 MPam，該井施工實現(xiàn)了多縫分段壓裂技術(shù)。

圖5 X井段內(nèi)多裂縫示意圖

根據(jù)地面微地震裂縫監(jiān)測解釋結(jié)果(圖6)，在壓裂段內(nèi)投入多裂縫堵劑，臨時封堵前次裂縫迫使流體轉(zhuǎn)向來達到壓開多條新裂縫。此水平井多縫分段壓裂技術(shù)對于大牛地氣田致密砂巖儲層完全適用，且壓后增產(chǎn)效果顯著。

圖6 X井裂縫監(jiān)測解釋結(jié)果

5 結(jié)語

(1)水平井多縫分段壓裂工藝能實現(xiàn)利用一段工具改造多個滲透率層段的目標，從而充分改造整個水平井段，提高增產(chǎn)效果。

(2)多縫分段壓裂能夠大幅度減少水平井分段工具下入數(shù)量，從而降低施工風(fēng)險和節(jié)約生產(chǎn)成本。

(3)水溶性多裂縫暫堵劑可完全溶于壓裂液中，且封堵效果好，承壓能力高，實現(xiàn)水平井單段內(nèi)重新開啟新裂縫。

［1］秦玉英，楊同玉.華北分公司致密低滲油氣藏水平井分段壓裂技術(shù)進展［C］中國石化油氣開采技術(shù)論壇論文集.北京:中國石化出版社，2012.

［2］秦玉英.水平井壓裂技術(shù)在大牛地氣田的試驗應(yīng)用［C］中國石化油氣開采技術(shù)論壇論文集.北京:中國石化出版社，2009.

［3］Meyer B R，Bazan L W，Jacot R H，et al.Optimization of Multiple Transverse Hydraulic Fracturesin Horizontal Wellbores［G］.SPE131732，2010.

［4］Mousli N A，Raghavan R，Cinco-Ley H，et al.The Influence of Vertical Fractures Intercepting Active and Observation Wells on Interference Tests［J］.SPEJ，1982，22(6):933-944.

［5］Elrafie E A，Wattenbarger R A.Comprehensive Evaluation of Horizontal Wells with Transverse Hydraulic Fractures in a Layered Multi-phase Reservoir［C］.Texas:Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference，1996:27-29.

［6］?？酥Z米德斯 M J，諾爾蒂 K G.油藏增產(chǎn)措施［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1991:473-476.

［7］雷群，胥云，蔣廷學(xué)，等.用于提高低 —特低滲透油氣藏改造效果的縫網(wǎng)壓裂技術(shù)［J］.石油學(xué)報，2009，30(2):237-241.

［8］陳守雨，杜林麟，賈碧霞，等.多井同步體積壓裂技術(shù)研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33(6):59-65.

［9］劉洪，胡永全，趙金洲，等.重復(fù)壓裂氣井誘導(dǎo)應(yīng)力場模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(23):4022-4027.

［10］周代余，郭建春，趙金州，等.裸眼完井下的大位移井裂縫起裂研究［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，2002，24(6):32-35.

［11］高海紅，程林松，曲占慶.壓裂水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，21(2):29-32.