多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)探索及在河南油田的應(yīng)用

孫彬峰，劉洪濤，劉 欣，馮興武，張 坤

（中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽，473132）

壓裂技術(shù)是河南油田開發(fā)后期增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、有效開發(fā)難采儲量的重要措施。隨著生產(chǎn)時間的推進，一次壓裂裂縫陸續(xù)失效，通過試井和壓后產(chǎn)量擬合分析，壓裂兩年后人工裂縫平均導(dǎo)流能力僅為20.76×10-3μm2·cm，需要重復(fù)壓裂改善開發(fā)效果。河南油田已進入開發(fā)后期，受理論及現(xiàn)場施工工藝條件限制，以重張舊縫為原則進行重復(fù)壓裂，但重復(fù)壓裂技術(shù)只能使裂縫沿著老裂縫延伸，在老裂縫采出程度較高情況下，達不到理想的壓裂效果[1–2]。針對這種現(xiàn)狀，必須研究裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)，為提高重復(fù)壓裂效果開辟新的途徑。裂縫強制轉(zhuǎn)向工藝實施過程中，控制裂縫延伸軌跡的決定因素是哪些，河南油田當(dāng)前的地應(yīng)力條件是否滿足該工藝的應(yīng)用，工程技術(shù)因素是否可以保證裂縫強制轉(zhuǎn)向成功。本文針對這些問題通過水力壓裂室內(nèi)物理模擬實驗進行了研究。

1 壓裂井開發(fā)階段地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果

國內(nèi)外大量定性研究認為，油氣田長期生產(chǎn)過程中，受生產(chǎn)注入活動、人工裂縫等各種因素影響，地應(yīng)力場能逐漸改變，地應(yīng)力場變化是使裂縫轉(zhuǎn)向的主要原因[3–4]。本文基于儲層巖石為線彈性體作為假設(shè)條件，以河南稀油老區(qū)主要壓裂目的層為輸入?yún)?shù)，疊加水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場和孔隙壓力變化的誘導(dǎo)應(yīng)力，獲得主要壓裂目的層開發(fā)階段的應(yīng)力差值。計算結(jié)果見表 1。

表1 單井地應(yīng)力計算結(jié)果

由表1可以看出，單井壓裂后經(jīng)過長期生產(chǎn)，地應(yīng)力差值有不同程度減小，但沒有出現(xiàn)應(yīng)力反轉(zhuǎn)，河南油田重復(fù)壓裂裂縫自然轉(zhuǎn)向的可能性較小，需要研究堵老縫壓新縫工藝實現(xiàn)裂縫強制轉(zhuǎn)向。

2 裂縫暫堵轉(zhuǎn)向機理實驗研究

2.1 裂縫暫堵轉(zhuǎn)向的地應(yīng)力差界限研究

對于垂向地應(yīng)力為最大主應(yīng)力的儲層，水平最大地應(yīng)力與水平最小地應(yīng)力的差值是最重要的控制參數(shù)之一[5–6]。本文主要針對河南油田 60°方位射孔條件，通過物理模擬研究了裂縫轉(zhuǎn)向的地應(yīng)力差界限。模擬壓裂實驗系統(tǒng)由真三軸實驗架、MTS伺服增壓泵及其他輔助裝置組成，最大供液壓力可達到50 MPa。

針對60°相位角射孔完井方式，假定其中1/3射孔孔眼方位與水平最大地應(yīng)力方向平行，剩余的2/3射孔孔眼方位與水平最大地應(yīng)力方向的夾角均為60°；如果對射孔孔眼方位與水平最大地應(yīng)力方向平行的1/3射孔孔眼實現(xiàn)有效封堵，那么，剩余的2/3射孔孔眼具有相同的破裂壓力及擴展規(guī)律。因此只需要知道其中一個射孔孔眼的破裂壓力及擴展規(guī)律即可。根據(jù)以上假定，加工1個方位與水平最大地應(yīng)力方向的夾角為60°的射孔孔眼，加載水平應(yīng)力差值分別為10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa，工作液為染色煤油。

圖1給出了應(yīng)力差值分別為10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa時的裂縫形態(tài)，可以看出隨著水平地應(yīng)力差值逐漸減小，裂縫轉(zhuǎn)向角度逐漸增加。實驗表明，通過有效封堵初次壓裂人工裂縫，可以實現(xiàn)裂縫強制轉(zhuǎn)向的地應(yīng)力差界限為 8 MPa。根據(jù)當(dāng)前地應(yīng)力計算結(jié)果，雙河、安棚、趙凹油田主力壓裂層適合進行堵老縫壓新縫轉(zhuǎn)向壓裂工藝。

圖1 水平應(yīng)力差值4～10 MPa轉(zhuǎn)向裂縫延伸軌跡

2.2 縫內(nèi)裂縫暫堵轉(zhuǎn)向軌跡探討

由圖2、圖3可以看出，轉(zhuǎn)向壓裂在射孔孔眼處產(chǎn)生偏離水平最大地應(yīng)力方位的新裂縫；隨著裂縫的擴展，新裂縫在縫內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)向，最終與水平最大地應(yīng)力方位相互一致，形成明顯的曲面裂縫。

由以上物模實驗結(jié)果可知，地應(yīng)力差值仍然是控制裂縫延伸軌跡的決定因素，只有在一定的地應(yīng)力差條件下，通過轉(zhuǎn)向壓裂工藝條件的控制，如進行定方位射孔、增加壓裂液黏度、加大施工排量、加入裂縫轉(zhuǎn)向劑等增加了縫內(nèi)凈壓力，間接改變了地應(yīng)力差，從而使裂縫延伸軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成沿最小主應(yīng)力方向延伸的轉(zhuǎn)向裂縫。由于受遠場應(yīng)力狀態(tài)的制約，裂縫最終仍然轉(zhuǎn)向于最大主應(yīng)力方向[7–8]。理論上，對于河南油田地應(yīng)力差小于8 MPa的油井，通過應(yīng)用封堵劑等一系列措施，可以形成不同于原來裂縫延伸方向的轉(zhuǎn)向新裂縫，提高裂縫改造效果。

圖3 縫內(nèi)轉(zhuǎn)向曲面裂縫

3 裂縫暫堵材料優(yōu)選

根據(jù)各壓裂目的層的具體狀況及后續(xù)油藏工程的需要，暫堵材料的選擇既要考慮永久封堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝，也要考慮暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝[9]。據(jù)此，研制了適合河南油田儲層轉(zhuǎn)向壓裂要求的高強度、易溶解、低傷害裂縫轉(zhuǎn)向封堵材料。

3.1 暫堵劑溶解性能

針對目前暫堵劑對轉(zhuǎn)向壓裂的局限性及轉(zhuǎn)向壓裂對暫堵劑的要求，研究評選了二次交聯(lián)型暫堵劑。該暫堵劑在壓裂液中1.5 h的溶解率為20%，4 h可全部溶解（見圖4）。

圖4 暫堵劑溶解率實驗

3.2 暫堵劑的承壓及地層傷害性能

暫堵劑在轉(zhuǎn)向壓裂過程中起著關(guān)鍵的作用，其強度關(guān)系著轉(zhuǎn)向壓裂施工的成敗。采用流動實驗儀測定封堵率及突破壓力來確定暫堵劑的強度，優(yōu)選耐高溫、承壓力能力強的暫堵劑。評選出的暫堵劑耐溫達到130℃，在一定的用量下，耐壓可達到40 MPa以上（見表 2）。同時巖心傷害實驗結(jié)果顯示，該暫堵劑滲透率恢復(fù)率達到89.7%（見表3）。

表2 暫堵劑不同厚度封堵性能實驗

表3 巖心傷害實驗

4 多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂現(xiàn)場先導(dǎo)試驗

針對常規(guī)重復(fù)壓裂效果差的問題，為探討轉(zhuǎn)向壓裂在河南油田的適應(yīng)性，2017年在雙河油田雙H9–145井進行了多級暫堵重復(fù)壓裂先導(dǎo)試驗，取得較好增油效果。雙H9–145井是雙河油田Ⅴ油組上層系的一口采油井，射開層位Ⅴ6–7兩個小層，砂厚5.8 m，有效厚2.4 m。2011年8月進行初次壓裂， 2017年7月10日進行多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂現(xiàn)場試驗，壓力分析表明，壓裂后有新的裂縫開啟，縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂工藝取得了一定成功。以往壓裂實踐證明，河南油田雙江油區(qū)水平最大地應(yīng)力方位為北東65°。測試H9–145井裂縫方位為北東30.17°，轉(zhuǎn)向角度35°，主加砂裂縫擬合轉(zhuǎn)向距離20～25 m。與壓前比較，壓后日增油5.5 t，累計增油845 t，取得了較好壓裂效果。說明轉(zhuǎn)向壓裂工藝在河南油田具有一定適應(yīng)性。

5 結(jié)論

（1）壓裂井的地應(yīng)力變化預(yù)測分析結(jié)果表明，壓裂井地應(yīng)力差值隨開發(fā)時間有不同程度減小，但沒有出現(xiàn)應(yīng)力反轉(zhuǎn)，應(yīng)該研究堵老縫壓新縫工藝實現(xiàn)裂縫強制轉(zhuǎn)向。

（2）物模實驗表明，通過有效封堵初次壓裂人工裂縫，實現(xiàn)裂縫強制轉(zhuǎn)向的地應(yīng)力差界限為8 MPa。根據(jù)當(dāng)前地應(yīng)力計算結(jié)果，雙河、安棚、趙凹油田適合進行堵老縫壓新縫轉(zhuǎn)向壓裂工藝實驗。

（3）評選出的高強度、耐高溫、易溶解、低傷害裂縫轉(zhuǎn)向劑，能夠滿足河南油田儲層轉(zhuǎn)向壓裂的需要，且轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。