致密儲(chǔ)層縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝技術(shù)

許建國(guó) 劉光玉 王艷玲

中國(guó)石油吉林油田公司油氣工程研究院

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)是致密油氣藏增產(chǎn)挖潛的有效手段之一，在國(guó)內(nèi)各大油田已成功推廣應(yīng)用，在提高單井產(chǎn)量及油田采收率方面效果顯著［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工工藝［2］、封堵劑材料優(yōu)選［3］、轉(zhuǎn)向裂縫擴(kuò)展軌跡［4］、裂縫起裂機(jī)理［5］等方面做了一定研究，但縫內(nèi)暫堵劑用量方面的研究較少。暫堵劑在裂縫中的暫堵機(jī)理是個(gè)復(fù)雜的過程，以裂縫閉合為前提，起初實(shí)際應(yīng)用中暫堵劑用量通常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)而定，目前尚未有統(tǒng)一的計(jì)算方法［6］。劉全喜等［7］應(yīng)用不同射孔孔徑、穿深，乘以預(yù)封堵的炮眼數(shù)計(jì)算暫堵劑用量。魏天超等［8］提出擠注和升降排量測(cè)試方法，依據(jù)有效吸液孔數(shù)及測(cè)試壓力變化，確定施工排量下達(dá)到裂縫延伸的壓力，動(dòng)態(tài)調(diào)整暫堵轉(zhuǎn)向施工時(shí)入泵的暫堵劑量。蘇良銀等［9］根據(jù)天然微裂縫開啟條件，通過平衡暫堵兩端的壓差求取裂縫暫堵距離，進(jìn)而估算暫堵劑用量。熊穎等［10］認(rèn)為暫堵轉(zhuǎn)向劑用量與堵劑封堵層厚相關(guān)，暫堵劑類型的優(yōu)選和用量設(shè)計(jì)是決定形成復(fù)雜縫網(wǎng)的關(guān)鍵，直接影響著壓裂井的改造效果。筆者通過實(shí)驗(yàn)，建立了滿足40 MPa 壓差的承壓條件下的暫堵劑鋪置厚度與裂縫寬度的關(guān)系圖版，通過壓前成像測(cè)井、小型測(cè)試結(jié)果等多種手段結(jié)合，精確判斷裂縫開啟數(shù)量，進(jìn)而提出暫堵劑用量的計(jì)算方法，并在壓裂過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)壓力波動(dòng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到復(fù)雜縫網(wǎng)形成的目的，實(shí)現(xiàn)致密油氣藏的有效動(dòng)用。

1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向工藝原理

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向工藝是屏蔽天然裂縫、斷層、克服高應(yīng)力差，改善裂縫形態(tài)，讓裂縫更加復(fù)雜化的有效措施［11］。縫網(wǎng)壓裂的滑溜水階段，在分支縫延伸過程中，通過一次或多次向井段內(nèi)投送暫堵劑，遵循流體流向阻力最小方向流動(dòng)的原則［12］。暫堵劑進(jìn)入已壓開的分支裂縫，產(chǎn)生高強(qiáng)度的濾餅橋堵，迫使縫內(nèi)凈壓力上升，在裂縫壁面應(yīng)力薄弱處發(fā)生破裂，產(chǎn)生新的分支裂縫，使后續(xù)壓裂液不能進(jìn)入原分支裂縫，而進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)或者新裂縫層［13］。在主裂縫周圍產(chǎn)生更多的次裂縫，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，達(dá)到增大改造體積的目的，壓后暫堵劑在一定時(shí)間內(nèi)完全降解，隨返排液排出，不會(huì)造成地層污染。

2 暫堵劑用量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 暫堵劑優(yōu)選

暫堵劑的優(yōu)選條件需滿足：(1)適中的粒徑，可以隨壓裂液進(jìn)入裂縫；(2)具有一定的封堵性，即在滿足儲(chǔ)層溫度、壓力條件下形成具有一定的封堵能力的堵墻，提高裂縫縫內(nèi)凈壓力，進(jìn)而憋開新的裂縫；(3)壓后一定時(shí)間內(nèi)可以徹底降解并順利返排出井筒，避免對(duì)地層造成傷害。

暫堵劑的研究由最初的惰性有機(jī)樹脂、固體有機(jī)酸、遇酸溶脹的聚合物等暫堵劑［14］，發(fā)展到顆粒型暫堵劑［15-16］、凍膠型暫堵劑［17］、纖維型暫堵劑［18］和泡沫型暫堵劑等，后來王彥玲等［13］考慮暫堵劑解堵問題，進(jìn)行了酸溶性、水溶性和油溶性暫堵劑的研究，認(rèn)為殘?jiān)啃　⒎舛聫?qiáng)度高的水溶性暫堵劑是未來研究重點(diǎn)，其中具有自清潔性的可降解暫堵劑是最有潛力的發(fā)展方向。吉林油田致密儲(chǔ)層壓裂現(xiàn)場(chǎng)使用的暫堵劑，嚴(yán)格按照暫堵劑性能(暫堵劑的封堵性和溶解性)評(píng)價(jià)重點(diǎn)考慮［19］，優(yōu)選一種新型的清潔環(huán)保型高強(qiáng)度水溶性暫堵材料。該暫堵劑是可溶解生物聚合物，耐溫60～150 ℃，耐壓差40 MPa，溶解時(shí)間可控(2～96 h)，屬于水基溫控溶解型暫堵劑，其抗壓性能良好，溶解后水質(zhì)干凈清亮，呈弱酸性，利于致密儲(chǔ)層清潔改造。如圖1 所示，為優(yōu)選的暫堵劑在一定溫度下的承壓能力評(píng)價(jià)，紅色壓力曲線明確其承壓可達(dá)40 MPa。

圖1 暫堵劑承壓曲線Fig.1 Pressure bearing curve of temporary plugging agent

2.2 暫堵劑用量計(jì)算方法的優(yōu)化

暫堵劑用量設(shè)計(jì)合理與否，是復(fù)雜縫網(wǎng)形成的關(guān)鍵，直接影響著壓裂井的改造效果。若暫堵劑用量偏少，封堵程度不夠，使得暫堵層的滲透性和承壓能力受限，分支縫網(wǎng)形成范圍受限，達(dá)不到實(shí)現(xiàn)增大改造體積的目的；若暫堵劑用量偏多，不僅造成施工成本的浪費(fèi)，還使現(xiàn)場(chǎng)的施工難度增大和作業(yè)時(shí)間增加。起初暫堵劑加量憑主觀經(jīng)驗(yàn)確定，受區(qū)域地質(zhì)條件、儲(chǔ)層溫度、儲(chǔ)層厚度、巖石力學(xué)參數(shù)等各方面影響，并沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法?，F(xiàn)場(chǎng)暫堵劑的用量多以郭亞兵［20］提出的滿足暫堵壓實(shí)后濾餅厚度2.3 cm 以上為條件的計(jì)算公式設(shè)計(jì)。然而現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工過程中發(fā)現(xiàn)，按該方法設(shè)計(jì)的暫堵劑用量不確定性較強(qiáng)，施工過程暫堵劑加入時(shí)機(jī)、速度要求嚴(yán)格，且公式里相關(guān)參數(shù)多人為經(jīng)驗(yàn)給出，合理性需要繼續(xù)優(yōu)化。

筆者基于調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，開展了室內(nèi)暫堵劑濾餅承壓評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。如圖2 所示，承壓≥40 MPa情況下的暫堵劑鋪置厚度H與裂縫寬度W關(guān)系圖版，可以確定不同裂縫寬度，在承壓不變的情況下所需要的暫堵劑厚度，比如10 mm 裂縫寬度滿足承壓≥40 MPa 情況下的暫堵劑鋪置厚度為217 mm,再結(jié)合動(dòng)態(tài)裂縫高度、微裂縫條數(shù)，根據(jù)計(jì)算公式(1)，進(jìn)一步優(yōu)化暫堵劑用量。

圖2 裂縫寬度與暫堵劑鋪置厚度關(guān)系圖版Fig.2 Relationship chart of fracture width vs.placement thickness of temporary plugging agent

式中,G為暫堵劑質(zhì)量，kg；H為暫堵劑鋪置厚度，mm；h為動(dòng)態(tài)裂縫高度，m；W為分支縫寬度，mm；n為分支縫條數(shù)；ρ為暫堵劑視密度，取值1.7 g/cm3；K為嵌入裂縫比例，取值2%。

天然裂縫開啟數(shù)量是通過壓前結(jié)合成像測(cè)井解釋的天然裂縫數(shù)量、壓前小型測(cè)試方法G函數(shù)分析的微裂縫數(shù)量以及開縫因子共同確定的。例如，YS204-1 井成像測(cè)井(FMI)識(shí)別，3 522～3 528 m 發(fā)育天然裂縫，結(jié)合諸多學(xué)者應(yīng)用裂縫密度表征裂縫發(fā)育程度［21］，該井裂縫密度1.8 條/m，且裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角較小(20°～45°)，壓裂過程中裂縫較難開啟，需通過縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)提高縫網(wǎng)的復(fù)雜程度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以英臺(tái)氣田營(yíng)城組的YS204-1 井為例，該井壓裂井段為3 142.0～3 632.0 m，巖性以火山碎屑巖為主，平均孔隙度為7%，平均滲透率為0.05×10?3μm2，屬于低孔、低滲、小孔喉的致密儲(chǔ)層。施工設(shè)計(jì)分為4 段進(jìn)行壓裂，排量為6.0～17.0 m3/min，砂量為310 m3，暫堵劑用量2 684 kg，總液量9 151 m3，其中，基液量為3 518 m3，滑溜水液量為5 633 m3。壓裂第1 段按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)方法應(yīng)用了200 kg 暫堵劑進(jìn)行縫內(nèi)暫堵［20］。如圖3 所示為同等排量(17 m3/min)下投放暫堵劑前后壓力上漲情況，發(fā)現(xiàn)壓力不但沒有上漲反而下降了2 MPa，說明暫堵未見效。現(xiàn)場(chǎng)壓前也做了小型測(cè)試，利用FracproPT 壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行G函數(shù)分析，確定最少存在5 條裂縫，第1 段應(yīng)用200 kg 暫堵劑僅能封堵2、3 條裂縫，暫堵劑數(shù)量存在明顯不足。

圖3 YS204-1 井第1 段(116～120 號(hào)層)壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing construction curve of the first stage (layer 116～120) in Well YS204-1

根據(jù)式(1)計(jì)算得出單條裂縫每米厚度儲(chǔ)層暫堵劑用量為4.2 kg，同時(shí)綜合考慮了開啟裂縫條數(shù)，對(duì)剩余未施工的壓裂井段進(jìn)行了暫堵劑用量的重新設(shè)計(jì)，并在壓裂過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)壓力波動(dòng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整。隨后剩余的3 段壓裂，暫堵劑進(jìn)入地層后，投暫堵前后同等排量施工壓力上漲2.0～7.0 MPa，具體數(shù)據(jù)見表1。表中壓力均有上漲，說明實(shí)現(xiàn)一定范圍的縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，使得裂縫發(fā)生破裂角度增大，改造范圍增大，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

表1 YS204-1 井投放暫堵劑前后壓力上漲情況Table 1 Pressure increase after the injection of temporary plugging agent into Well YS204-1

后續(xù)應(yīng)用式(1)對(duì)10 口井共33 層進(jìn)行了縫內(nèi)暫堵劑用量的設(shè)計(jì)，其中25 層投暫堵劑前后同等排量下壓力增長(zhǎng)0.5～7.0 MPa，有效率達(dá)到75.8%。統(tǒng)計(jì)已施工井段儲(chǔ)層厚度及同等排量下壓力的上漲情況，發(fā)現(xiàn)暫堵效果明顯井基本集中在40 m 厚度以內(nèi)的致密儲(chǔ)層，為后期致密儲(chǔ)層設(shè)計(jì)縫內(nèi)暫堵劑用量提供有利的依據(jù)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)是利用暫堵劑的臨時(shí)封堵作用，提高凈壓力，促使更多新微裂縫的開啟和延伸，增加裂縫的復(fù)雜程度，增大單井改造體積。

(2)暫堵劑的優(yōu)選對(duì)于縫網(wǎng)的形成至關(guān)重要。選用的水基溫控溶解型暫堵劑，是一種清潔環(huán)保型高強(qiáng)度水溶性暫堵材料，抗壓性能好，溶解后水質(zhì)干凈清亮，呈弱酸性，利于致密儲(chǔ)層清潔改造。

(3)綜合考慮了暫堵劑封堵厚度、動(dòng)態(tài)裂縫高度、微裂縫條數(shù)及寬度等參數(shù)的暫堵劑用量設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用11 口井37 層有效率達(dá)到75.7%，暫堵轉(zhuǎn)向效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)致密儲(chǔ)層縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向造縫網(wǎng)的目的，為致密儲(chǔ)層改造提供了理論依據(jù)。