新疆油田九區(qū)石炭系油藏水平井分段壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

王曉惠， 張 濤， 劉 煒， 羅 垚， 王海峰， 劉學(xué)偉

(1新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2蘭德偉業(yè)科技集團(tuán)有限公司 3新疆克拉瑪依紅都有限責(zé)任公司 4中國石油大港油田公司石油工程研究院)

一、壓裂改造難點(diǎn)

新疆油田九區(qū)石炭系儲層屬于典型的孔隙～裂縫型雙重介質(zhì)儲層，存在以下改造難點(diǎn)：①天然裂縫發(fā)育，基質(zhì)溶孔發(fā)育，壓裂過程中固有的天然裂縫和在外力作用下可張開的潛在裂縫使得壓裂過程中濾失量增大，容易發(fā)生砂堵；②巖石楊氏模量20 000～52 000 MPa，是普通砂巖的2～3倍，地層堅(jiān)硬，形成的人工裂縫寬度狹窄，容易造成砂堵；③縱向上隔層不發(fā)育，垂向應(yīng)力差小，人工裂縫縱向延伸無遮擋，縫高控制難度大，再加上高角度裂縫發(fā)育，增加縫高控制難度；④工區(qū)內(nèi)天然裂縫走向復(fù)雜，人工裂縫的起裂和擴(kuò)展復(fù)雜，表現(xiàn)為施工過程中凈壓力較高，裂縫延伸困難，且G函數(shù)曲線具有明顯的多裂縫特征，說明壓裂過程中產(chǎn)生了復(fù)雜裂縫。

二、水平井壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究

九區(qū)石炭系儲層天然裂縫發(fā)育，水平兩向應(yīng)力差小(2～3 MPa)，巖石屬于中等脆性(脆性指數(shù)42%～57%)，適合采用體積壓裂的方式進(jìn)行儲層改造[1]，通過對水平井體積壓裂技術(shù)的研究，形成了以分段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、組合壓裂液體系、支撐劑粒徑優(yōu)選以及組合控縫高為主的水平井壓裂關(guān)鍵技術(shù)，提高了施工成功率和壓裂改造效果。

1.水平井分段優(yōu)化

九區(qū)石炭系水平井采用裸眼封隔器多級分段壓裂工藝，通過數(shù)值模擬軟件模擬不同段間距對累計(jì)產(chǎn)油的影響得到，隨段間距的減小，累計(jì)產(chǎn)油量增加，當(dāng)段間距小于70 m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)油量增加趨勢變緩(圖1)，且應(yīng)力干擾增加(圖2)，因此優(yōu)選該區(qū)塊合理的段間距為70 m；然后根據(jù)水平段井軌跡在油層中的分布情況進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，通過結(jié)合以儲層巖性、物性、含油飽和度、氣測解釋及天然裂縫發(fā)育情況為主的多項(xiàng)地質(zhì)甜點(diǎn)因素和以楊氏模量、泊松比、巖石脆性、地應(yīng)力及井眼尺寸為主的多項(xiàng)工程甜點(diǎn)因素進(jìn)行精細(xì)化分段設(shè)計(jì)，提高了壓裂改造的針對性。

圖1 Eclipse分段壓裂間距數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 應(yīng)力干擾分析(凈壓力8 MPa)

2. 壓裂液體系優(yōu)選

九區(qū)石炭系儲層滲透率低，巖石具有一定的脆性，有形成復(fù)雜縫網(wǎng)的潛力，根據(jù)壓裂液特性，低黏壓裂液有利于形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫，因此選擇“線性膠(低黏液體先造縫)+滑溜水(激活天然裂縫形成復(fù)雜縫網(wǎng))+凍膠(支撐主裂縫)”組合壓裂液體系[2]，前置液線性膠和滑溜水?dāng)y帶低濃度小粒徑支撐劑充填支撐天然分支裂縫，凍膠形成一條或多條主裂縫，增大縫寬，有助于壓裂支撐劑的充填，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)石炭系油藏體積改造，提高壓裂改造效果。

3. 支撐劑粒徑優(yōu)選

本區(qū)裂縫發(fā)育且水平兩向應(yīng)力差小，壓裂過程中天然裂縫易開啟[3]，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向延伸段，支撐劑會在主裂縫和分支裂縫內(nèi)同時(shí)發(fā)生運(yùn)移，由于作用在分支裂縫面的正應(yīng)力σn相對主裂縫受到的正應(yīng)力σmin要大(圖3)，導(dǎo)致分支裂縫段的縫寬將發(fā)生突變減小[4]，支撐劑在該段運(yùn)移與主裂縫內(nèi)將存在顯著差異，同時(shí)支撐劑運(yùn)移還會受到分支裂縫轉(zhuǎn)角效應(yīng)，分支裂縫分流效應(yīng)等多重因素的影響，導(dǎo)致壓裂時(shí)支撐劑運(yùn)移復(fù)雜。

圖3 水力裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展的裂縫形態(tài)

根據(jù)轉(zhuǎn)向延伸裂縫寬度方程[5]， 在裂縫延伸方向上任何位置處裂縫剖面中心寬度為：

(1)

式中：W(x)—裂縫延伸路徑上位置x處的最大縫寬，m；E—巖石彈性模量，MPa；h(x)—裂縫延伸路徑上位置x處的裂縫縫高，m；ν—巖石泊松比，無因次；σn(x)—裂縫延伸路徑上位置x處水力裂縫面受到的正應(yīng)力，MPa。

從式(1)可見，壓裂施工時(shí)縫內(nèi)凈壓力越高，分支縫縫寬越大，則越有利于支撐劑通過；施工凈壓力越小，分支縫寬越小，則支撐劑通過越困難。通過計(jì)算不同凈壓力下的主、分支裂縫寬度，結(jié)合支撐劑橋架準(zhǔn)則對適合九區(qū)石炭系儲層的支撐劑粒徑進(jìn)行優(yōu)選，得到當(dāng)凈壓力為5 MPa時(shí)，可以選擇主裂縫20～40目，分支裂縫70～140目的支撐劑通過；當(dāng)凈壓力為6 MPa時(shí)，可以選擇主裂縫20～40目，分支裂縫40～70目的支撐劑通過。

4.前置液段塞技術(shù)

九區(qū)石炭系天然裂縫發(fā)育，壓裂液濾失大，可通過前置液段塞工藝控制壓裂液濾失，在前置液階段分多次注入少量的低濃度支撐劑，降低近井地帶彎曲裂縫壁面摩阻的同時(shí)堵塞和支撐微細(xì)裂縫，減少壓裂液的濾失[6]，從而提高壓裂液效率和施工成功率。

根據(jù)測試壓裂解釋濾失系數(shù)與當(dāng)量裂縫數(shù)目定量段塞加量，根據(jù)現(xiàn)場壓裂施工特征統(tǒng)計(jì)分析表明，正常濾失系數(shù)為5.0×10-4m/min0.5，超過此值就需要考慮采取針對性措施，以下判斷與處理措施可以得到較好的效果，見表1。

表1 石炭系多裂縫診斷與相應(yīng)措施表

九區(qū)石炭系濾失系數(shù)為8.0×10-4m/min0.5，裂縫較發(fā)育，且產(chǎn)生分支裂縫寬度在0.717～1.236 mm之間，根據(jù)支撐劑橋架準(zhǔn)則，選擇2～3段40～70目或70～140目段塞粒徑打磨近井筒裂縫壁面，并充填天然裂縫和分支裂縫，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，施工壓力平穩(wěn)，無砂堵現(xiàn)象發(fā)生。

5. 控縫高技術(shù)

人工裂縫高度與目的層上下儲層的應(yīng)力差、楊氏彈性模量、巖石的斷裂韌性、施工排量、施工規(guī)模、濾失系數(shù)、壓裂液黏度等因素有關(guān)，通過對人工裂縫在縱向擴(kuò)展的影響研究，得到九區(qū)石炭系儲層人工裂縫高度的主控因素為施工排量，并對其進(jìn)行模擬優(yōu)化，得到當(dāng)施工排量大于6 m3/min時(shí)，縫內(nèi)凈壓力增加趨勢變緩(圖4)，裂縫高度失控(圖5)。

圖4 施工排量與縫內(nèi)凈壓力關(guān)系

圖5 施工排量與裂縫高度關(guān)系

壓后微地震監(jiān)測結(jié)果表明，人工裂縫高度有效控制在了35.1～56.9 m之間(表2)，與設(shè)計(jì)符合率較高。

表2 九區(qū)石炭系油藏水平井壓裂施工規(guī)模與裂縫形態(tài)的關(guān)系

三、應(yīng)用情況

九區(qū)石炭系水平井壓裂改造6井次(42級)，壓后初期產(chǎn)油量7.9～25.4 t/d，平均產(chǎn)油16.7 t/d，是周圍直井的4～5倍，截止2016年12月累計(jì)產(chǎn)油量為20 519.3 t，壓裂改造效果明顯(表3)。

表3 九區(qū)石炭系儲層裸眼水平井分段壓裂工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

四、結(jié)論

(1)九區(qū)石炭系儲層天然裂縫發(fā)育，水平兩向應(yīng)力差僅為2～3 MPa，巖石屬于中等脆性，壓裂過程中易形成分支裂縫及多裂縫，適合采用體積壓裂的方式進(jìn)行儲層改造。

(2)通過對九區(qū)石炭系油藏水平井體積壓裂技術(shù)的研究，形成了以分段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、壓裂液體系、支撐劑粒徑優(yōu)選以及組合控縫高為主的壓裂關(guān)鍵技術(shù)，提高了施工成功率和壓裂改造效果。