低滲透儲(chǔ)層縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂技術(shù)研究

王賢君，王 維，張玉廣，尚立濤，張明慧，張 瑞

（1．大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163000；2．南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著大慶油田開(kāi)發(fā)的深入，開(kāi)發(fā)對(duì)象逐步轉(zhuǎn)向外圍低滲透儲(chǔ)層。該類(lèi)儲(chǔ)層主要特點(diǎn)為低孔低滲透、物性差、豐度低等，常規(guī)方式無(wú)法投產(chǎn)，壓裂增產(chǎn)改造是實(shí)現(xiàn)低滲透儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)建產(chǎn)的主要手段。針對(duì)低滲透儲(chǔ)層，為提高壓裂增產(chǎn)改造效果，應(yīng)盡可能增大裂縫與油藏的接觸面積。該類(lèi)儲(chǔ)層采用常規(guī)壓裂技術(shù)難以取得明顯增產(chǎn)效果，采用大規(guī)模壓裂雖然取得了較好的效果，但是施工成本高，經(jīng)濟(jì)性較差，難以實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)采。為提高外圍低滲透儲(chǔ)層增產(chǎn)改造效果，采用纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂技術(shù)，通過(guò)可降解纖維+基液+支撐劑組合工藝在人工裂縫主縫內(nèi)產(chǎn)生橋堵，提高縫內(nèi)凈壓力，迫使裂縫轉(zhuǎn)向產(chǎn)生多分支裂縫，形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)，提高人工裂縫泄油面積[1-7]。該技術(shù)在保證改造效果的同時(shí)，有效控制了施工成本，實(shí)現(xiàn)低滲透儲(chǔ)層的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采。

1 技術(shù)原理

1.1 纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂技術(shù)原理

在注水井網(wǎng)條件下，常規(guī)壓裂單一裂縫控制的砂體體積有限，導(dǎo)致裂縫與砂體匹配度不高，單純加大壓裂規(guī)模易溝通水井導(dǎo)致水淹，儲(chǔ)層動(dòng)用程度低。通過(guò)在人工裂縫主縫內(nèi)加入可降解纖維暫堵劑產(chǎn)生橋堵，提高縫內(nèi)的凈壓力，使之大于水平主應(yīng)力差與巖石抗張強(qiáng)度之和，在主裂縫內(nèi)兩側(cè)轉(zhuǎn)向產(chǎn)生新縫，實(shí)現(xiàn)增大裂縫控制砂體范圍、提高壓裂效果的目的。

1.2 纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫形成條件

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，可以根據(jù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層水平應(yīng)力差異系數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)與應(yīng)力遮擋情況來(lái)判斷改造儲(chǔ)層能否形成多分支裂縫：當(dāng)儲(chǔ)層水平應(yīng)力差異系數(shù)小于0.2，楊氏模量大于24.5 GPa時(shí)，水力壓裂能夠形成多條分支縫；而水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.2～0.3、楊氏模量為15.0～24.5 GPa時(shí)，水力壓裂在高凈壓力時(shí)才能夠形成多分支縫。

1.3 纖維可降解性能

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工完成后，纖維在地層溫度條件下可實(shí)現(xiàn)降解，并隨返排液排出。地層溫度下纖維降解率的大小對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力有重要的影響，為此進(jìn)行了不同溫度條件下的纖維降解率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫60 ℃、96 h后，纖維最大降解率為61.86%；恒溫90 ℃、96 h后，纖維最大降解率為96.0%。由此可見(jiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)條件下纖維進(jìn)入裂縫后會(huì)發(fā)生降解，不影響裂縫的導(dǎo)流能力。

1.4 纖維壓裂液流變性能

纖維對(duì)壓裂液的流變性能有重要影響，用流變儀測(cè)試了一組不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維的羧甲基壓裂液（CMG）在90 ℃、170 s-1、60 min時(shí)的表觀(guān)黏度隨溫度的變化（表2）。

黏度–時(shí)間流變性能評(píng)價(jià)表明，壓裂液中加入0.1 %～0.3 %纖維后，壓裂液平均剪切黏度提高3～4倍，提高了壓裂液體系的攜砂性能，利于高砂比施工，能夠提高改造裂縫的有效支撐程度。

表1 不同溫度條件下纖維降解率測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 纖維壓裂液流變性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2 壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 縫內(nèi)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)與施工時(shí)間

儲(chǔ)層改造時(shí)，巖石力學(xué)性質(zhì)與地應(yīng)力的分布狀態(tài)決定了壓裂裂縫的形態(tài)，根據(jù)測(cè)錄井資料所獲得的巖性、聲波時(shí)差及密度計(jì)算地層的巖石力學(xué)參數(shù)。基于地層特性信息及連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，地震屬性數(shù)據(jù)體，建立井間巖石力學(xué)參數(shù)三維數(shù)據(jù)體，建立地層巖石力學(xué)參數(shù)連續(xù)剖面。采用全三維壓裂模擬軟件確定儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)參數(shù)的平面非均質(zhì)分布規(guī)律，解釋定義巖性并計(jì)算應(yīng)力；采用有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)方法對(duì)地層點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，允許垂直和水平兩方向上的變化，建立網(wǎng)格化非均質(zhì)地質(zhì)模型，進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)全縫長(zhǎng)人工裂縫模擬，判斷形成轉(zhuǎn)向縫時(shí)機(jī)。

應(yīng)用纖維、基液、支撐劑組合的壓裂方式對(duì)人工裂縫的主裂縫進(jìn)行暫堵，在提高縫內(nèi)凈壓力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向裂縫擴(kuò)展延伸。即壓裂完主裂縫后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2%～1.2 %的纖維基液與支撐劑進(jìn)行縫內(nèi)暫堵，提高了裂縫尖端壓力，使轉(zhuǎn)向裂縫擴(kuò)展，形成了一定長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)向裂縫。壓裂結(jié)束后，主裂縫里的纖維溶解，仍保持良好的導(dǎo)流能力。該壓裂方式確定了不同儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向裂縫擴(kuò)展所需要的纖維與支撐劑濃度及施工時(shí)間，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的纖維基液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的陶粒組合為例，確定了不同儲(chǔ)層裂縫轉(zhuǎn)向工藝的施工時(shí)間（圖1）。

圖1 不同儲(chǔ)層縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝施工時(shí)間與凈壓力關(guān)系

2.2 縫內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向條數(shù)與縫長(zhǎng)優(yōu)化

以區(qū)塊儲(chǔ)層特征與應(yīng)力場(chǎng)研究結(jié)果[8-10]為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)，采用數(shù)值模擬軟件，建立儲(chǔ)層物性、地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)的平面非均質(zhì)分布規(guī)律和網(wǎng)格化非均質(zhì)地質(zhì)模型，進(jìn)行人工裂縫模擬，分析轉(zhuǎn)向裂縫條數(shù)與長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)產(chǎn)量關(guān)系，確定單井改造形成轉(zhuǎn)向縫條數(shù)與長(zhǎng)度。以B1井為例，分別模擬了 1條、2條、多條轉(zhuǎn)向裂縫，通過(guò)優(yōu)化裂縫長(zhǎng)度、施工規(guī)模和施工工藝方法，得到的轉(zhuǎn)向縫長(zhǎng)度為45～55 m（圖2），確定轉(zhuǎn)向縫條數(shù)為3條。施工工藝優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 不同應(yīng)力差下儲(chǔ)層施工凈壓力與轉(zhuǎn)向縫長(zhǎng)度關(guān)系

3 現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)

采用纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂工藝在海拉爾油田低滲透儲(chǔ)層、長(zhǎng)垣外圍低滲透儲(chǔ)層及低滲致密氣層開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的效果。

3.1 低滲透直井纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫重復(fù)壓裂

在海拉爾油田開(kāi)展直井纖維暫堵多分支縫重復(fù)壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)15口井，初次壓裂后平均單井日產(chǎn)油3.8 t，重復(fù)壓裂前平均單井日產(chǎn)油0.4 t，重復(fù)壓裂后初期平均單井日產(chǎn)油 4.2 t，為初次壓裂后產(chǎn)量的110%。與同區(qū)塊低滲透儲(chǔ)層采用常規(guī)重復(fù)壓裂的14口井相比，相同改造規(guī)模下多分支縫重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油效果提高了40%。

表3 B1井縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓裂優(yōu)化結(jié)果

3.2 纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫重復(fù)壓裂

在長(zhǎng)垣外圍水平井N255-P338開(kāi)展纖維縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，全井施工6段，縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向施工3段。以全井第4段施工為例，20%砂比時(shí)加入纖維，地面施工壓力由45 MPa上升至51 MPa，上升了6 MPa，從施工壓力變化情況判斷暫堵轉(zhuǎn)向成功，形成了分支裂縫。N255-P338井初次壓裂投產(chǎn)日產(chǎn)油5 t，重復(fù)壓裂前日產(chǎn)油1.1 t，纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油6.6 t，是初次壓裂后的132%。

3.3 直井纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂

在低滲致密氣儲(chǔ)層直井開(kāi)展纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井，其中SS8井初次施工為常規(guī)壓裂投產(chǎn)，重復(fù)壓裂時(shí)，采用纖維縫內(nèi)暫堵多分支縫壓裂工藝，地面施工壓力上升了6.5 MPa，產(chǎn)量獲得突破，壓后試氣產(chǎn)量達(dá)7.3×104m3/d，與初次壓裂相比，在同等加砂規(guī)模條件下，重復(fù)壓裂后試氣產(chǎn)量是初次壓裂后的5.2倍。在WS1-3井開(kāi)展了縫內(nèi)暫堵壓裂試驗(yàn)，纖維加入后施工壓力上升6.9 MPa，壓后試氣產(chǎn)量1.65×104m3/d，在同等施工規(guī)模條件下，壓后產(chǎn)量超過(guò)同區(qū)塊內(nèi)所有鄰井。

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在高應(yīng)力差系數(shù)條件下，水力壓裂需要通過(guò)高凈壓力才能形成暫堵多分支縫。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了纖維的降解性能及纖維壓裂液的流變性能，纖維壓后可降解，不會(huì)影響壓后返排，纖維壓裂液體系攜砂性能好，有利于高砂比施工。

（3）建立了網(wǎng)格化非均質(zhì)地質(zhì)模型，進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)全縫長(zhǎng)人工裂縫模擬，確定了形成轉(zhuǎn)向縫時(shí)機(jī)及暫堵施工時(shí)間，優(yōu)化的纖維添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.2%，通過(guò)分析轉(zhuǎn)向裂縫條數(shù)與縫長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量關(guān)系，確定了單井改造形成轉(zhuǎn)向縫條數(shù)與長(zhǎng)度。

（4）纖維縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向多分支縫壓裂工藝能夠擴(kuò)大低滲透儲(chǔ)層人工裂縫與油藏的接觸面積，有效提高單井產(chǎn)量，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用取得了較好效果。

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