低滲透水平井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

王 維，王賢君，唐鵬飛，張 浩，顧明勇，張洪濤

（中國石油大慶油田分公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

大慶油田外圍葡萄花儲層具有豐度低、低孔低滲、薄互發(fā)育等特點，常規(guī)射孔完井難以實現(xiàn)有效動用。前期采用水平井分段壓裂投產(chǎn)取得了較好的效果，但隨著生產(chǎn)時間的延長，受儲層物性、初次改造不充分及注采關(guān)系難以建立等影響，產(chǎn)量逐漸降低，目前低產(chǎn)井比例較高，急需通過重復(fù)壓裂來提高單井產(chǎn)量[1–3]。

綜合考慮水平井儲層物性、初次壓裂施工參數(shù)、固井質(zhì)量等因素，以分析其低產(chǎn)失效原因，確定了兩類水平井需要通過暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工來提高單井產(chǎn)量。第一類水平井的水平段井筒方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，人工裂縫與井筒方向夾角較小，往往不超過30°，從而導(dǎo)致裂縫所能控制的泄油面積較小。該類井如采取單一的加大規(guī)模重壓老縫，老縫能延伸但其控制面積相對較小，而采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，在裂縫遠端泵入暫堵劑，促使裂縫轉(zhuǎn)向產(chǎn)生新縫[3–5]，可溝通新的未被動用泄油區(qū)[6]，提高其泄油面積。第二類水平井因固井質(zhì)量或其他原因，無法下入井下工具進行機械封隔，只能進行籠統(tǒng)改造，存在部分層段未被充分改造，影響水平井產(chǎn)能。針對該類井，可采用全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，通過泵入不同粒徑組合的暫堵劑（其中，大粒徑負責(zé)架橋，小粒徑負責(zé)充填），在裂縫近端和炮眼處形成橋堵。橋堵形成后，井筒內(nèi)凈壓力提高，促使段內(nèi)其余裂縫起裂，從而實現(xiàn)分段改造。

1 暫堵劑優(yōu)選及暫堵轉(zhuǎn)向施工參數(shù)優(yōu)化

針對不同暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝技術(shù)，開展了封堵強度和返排能力評價實驗，結(jié)合暫堵劑性能參數(shù)和大慶油田低滲透水平井初次壓裂施工參數(shù)，形成暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。

1.1 暫堵劑優(yōu)選

優(yōu)選暫堵劑時主要考慮暫堵劑兩方面的性能，一是暫堵劑是否堵得住，即評價暫堵劑的封堵強度；二是暫堵劑能否解得開，即評價暫堵劑在排出時其解堵能力。

封堵強度主要通過測試暫堵劑在裂縫中與支撐劑混合后其承壓能力來進行評價。采用導(dǎo)流能力測試裝置，首先測試模擬地層條件下石英砂鋪置原始滲透率，然后將暫堵劑和石英砂混合填入導(dǎo)流室內(nèi)，采用逐級加壓的方式進行驅(qū)替，測試其能承受的最大壓力。解堵能力是在封堵強度實驗的基礎(chǔ)上進行反向驅(qū)替，測試驅(qū)替后滲透率值，并計算其與原始滲透率比值得到解堵率，以此來評價其滲透率恢復(fù)情況。

共對10 種單一粒徑水溶型暫堵劑進行了實驗評價，測定其最大承受壓力和解堵率（圖1）。從圖1 可以看出，1.0 mm 單一粒徑條件下，DCF–1 顆粒型暫堵劑具有良好的封堵性能與解堵性能，可降解纖維的封堵能力較低，但具有最優(yōu)的解堵性能。共對7 種混合粒徑（3.0 mm 與0.5 mm 混合）水溶型暫堵劑進行了實驗評價，測定了其最大承受壓力和解堵率（圖2）。從圖2 可以看出，混合粒徑條件下DCF–1 顆粒型暫堵劑具有良好的封堵性能與解堵性能。

圖1 單一粒徑暫堵劑性能實驗評價

根據(jù)實驗結(jié)果，確定了不同暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)的暫堵劑使用原則：①水平井縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂優(yōu)先選擇1.0 mm 單一粒徑的DCF–1 型暫堵劑，當(dāng)兩向應(yīng)力差較小時（小于6 MPa），可優(yōu)先選擇纖維暫堵劑；②水平井全井多級暫堵轉(zhuǎn)向優(yōu)先選擇3.0 mm與0.5 mm 不同粒徑組合的DCF–1 型暫堵劑。

1.2 暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

1.2.1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂

圖2 混合粒徑暫堵劑性能實驗評價

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂主要優(yōu)化暫堵劑用量和暫堵轉(zhuǎn)向起裂位置，結(jié)合縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂原理，建立了縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂物理模型（圖3）。根據(jù)裂縫尖端效應(yīng)，預(yù)計裂縫壁面將產(chǎn)生兩個薄弱點O1和O2，分析裂縫壁面受力情況及其起裂點位置。裂縫壁面的受力為初次壓裂人工裂縫延伸產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力、初次壓裂投產(chǎn)后地層孔隙壓力變化產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力和原地應(yīng)力三者的疊加[7–14]。

裂縫壁面任意一點的應(yīng)力分布：

圖3 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂物理模型

式中：xσ 、yσ 、xyσ 為x 和y 坐標(biāo)下正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量，MPa；Hσ 、hσ 分別為水平方向上最大地應(yīng)力和最小地應(yīng)力，MPa；I1,K O 、I2,K O 分別為1O和2O 端巖石的應(yīng)力強度因子，無量綱；1Oθ 、2Oθ 為裂縫面上的點分別到水力裂縫尖端1O 與 2O 的連線與最大水平主應(yīng)力方向的夾角，rad；1Or 、2Or 為裂縫面上的點分別到水力裂縫尖端1O 與2O 的距離，m；v 為儲層巖石泊松比，無因次；α 為Biot 多孔彈性系數(shù)，無因次；pp 為當(dāng)前地層壓力，MPa；ep 為原始地層壓力，MPa。

水力裂縫壁面任意一點處的最大主應(yīng)力為（拉為正，壓為負）：

式中：1σ 為水力裂縫壁面任意一點處的最大主應(yīng)力，MPa。

縫內(nèi)新縫起裂準(zhǔn)則應(yīng)用最大張應(yīng)力準(zhǔn)則，為最大主應(yīng)力不小于巖石的抗張強度（T0），10Tσ≥ 。將大慶油田外圍低滲透水平井典型參數(shù)代入上述公式，計算結(jié)果表明，裂縫壁面的最大主應(yīng)力僅在暫堵位置O1處大于巖石抗張強度，即僅在O1處暫堵起裂形成新縫。

考慮到暫堵劑進入裂縫后不會完全充填縫高，在進行實驗和真實施工轉(zhuǎn)換中用參考系數(shù)k 來表征暫堵劑充填不完全的情況[15]。根據(jù)幾何相似原理，利用室內(nèi)實驗測得的暫堵劑性能參數(shù)，計算目的層段的裂縫所需的封堵段長度。計算公式如下：

綜合考慮地層壓力對原地應(yīng)力場的改變，其中轉(zhuǎn)向壓力為：

式中：netp 為裂縫內(nèi)凈壓力，MPa。

單縫內(nèi)暫堵劑用量體積為：

式中：Vzdj為暫堵劑的用量，m3。

1.2.2 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂優(yōu)化設(shè)計的核心是單段暫堵劑用量的優(yōu)化。根據(jù)大慶油田外圍低滲透水平井初次壓裂施工曲線，得到水平井開孔率一般為40%～50%，再根據(jù)全井已射孔數(shù)計算總的開孔數(shù)。根據(jù)限流壓裂經(jīng)驗，壓裂維持每個射孔炮眼開啟需0.3～0.4 m3/min，結(jié)合工藝管柱和液體沿程摩阻，確定主壓裂施工排量，并由此確定每段主壓裂施工開啟炮眼數(shù)。其中單孔暫堵劑用量設(shè)計為4～7 kg，可確定每段暫堵劑的最終用量。

2 水平井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)配套

2.1 暫堵劑擠注測試

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向施工前，以低排量1～2 m3/min 泵入少量暫堵劑，觀察暫堵劑到達裂縫位置后壓力的變化，根據(jù)壓力變化情況，調(diào)整暫堵劑用量。當(dāng)暫堵劑到達后無明顯轉(zhuǎn)向壓力顯示時，適當(dāng)提高泵注排量，確認是否有裂縫張開；如果仍無法確認轉(zhuǎn)向響應(yīng)，可重新泵注暫堵劑，若仍無壓力顯示，可增加泵入暫堵劑測試用量。當(dāng)壓力反應(yīng)強烈時，頂替暫堵劑，根據(jù)現(xiàn)場情況降低設(shè)計暫堵劑用量。擠注測試時應(yīng)采用少量多次的方式加入，依此判斷地層對暫堵劑的敏感程度。

2.2 升降排量測試

針對全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂，主壓裂施工前開展升降排量測試，根據(jù)施工壓力變化及沿程摩阻，計算不同施工排量條件下有效吸液孔數(shù)[16]，根據(jù)有效吸液孔數(shù)及時調(diào)整暫堵劑用量。

孔縫摩阻計算公式為：

式中：式中：pPΔ 為射孔炮眼摩阻，MPa；cP 為不同排量條件下的測試泵壓，MPa；tP 為停泵壓力，MPa；lP 為沿程摩阻，MPa。

有效吸液孔數(shù)計算公式為：

式中：q 為施工排量，m3/min；ρ 為壓裂液密度，kg/m3；n 為有效吸液孔數(shù)；D 為射孔炮眼直徑，mm；a 為孔眼流量系數(shù)，取值0.56～0.89。

2.3 配套管柱

針對縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向和全井多級暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，分別配套了雙封單卡壓裂工藝管柱和大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。其中縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂主要配套雙封單卡壓裂工藝管柱，該工藝管柱要求水平井段固井質(zhì)量良好，防止竄槽。雙封單卡壓裂工藝管柱主要由兩個擴張式封隔器、水力錨、導(dǎo)壓噴砂器等組成（圖4）。在壓裂施工時，兩個封隔器對目標(biāo)段進行封隔，利用導(dǎo)壓噴砂器產(chǎn)生的節(jié)流壓差使封隔器坐封，對目標(biāo)層段進行壓裂，縫內(nèi)暫堵劑通過油管進入主縫內(nèi)，每段壓裂施工完成后先進行返洗，防止井筒內(nèi)沉砂，然后上提并對下一段進行封隔。

圖4 雙封單卡壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)

全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂主要配套大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。水平井全井固井質(zhì)量好，且井身結(jié)構(gòu)完整，可以采用套管壓裂進行全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂；水平井井筒固井質(zhì)量差或者存在漏點等原因?qū)е戮斫Y(jié)構(gòu)不完整，從而無法采用套管壓裂時，可采用大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。該工藝管柱由壓縮式封隔器、噴嘴、水力錨等組成（圖5）。在直井段下入封隔器進行坐封，壓裂液從直井段油管和水平段套管進入目標(biāo)位置，遵循自然選擇原則進入低應(yīng)力位置裂縫，完成加砂和替擠后再投入暫堵劑，在炮眼處形成橋堵，然后再開始下一段的壓裂施工，依次完成全井各段施工。

圖5 大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗

以A 井為例，初次壓裂采用雙封單卡工藝管柱分段壓裂后投產(chǎn)，根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合井筒方位角判斷井筒方向與人工裂縫夾角為10°左右，裂縫控制面積小，為典型的縱向縫水平井。該井初次壓裂共完成6 段壓裂施工，壓后初期產(chǎn)油5.0 t。重復(fù)壓裂采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向與老縫加大規(guī)模間隔交互的方式，老縫加大規(guī)模壓裂3 段，老縫縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂3 段，在防止縫間溝通的情況下盡可能增大裂縫泄油面積。該井目前最小水平主應(yīng)力為25 MPa，優(yōu)選纖維暫堵劑，根據(jù)式（5）和式（6），計算加入量為150 kg，在高砂比階段加入。A 井全井固井質(zhì)量優(yōu)良，因此配套管柱優(yōu)選雙封單卡壓裂工藝管柱。現(xiàn)場完成設(shè)計6 段的壓裂施工，每段壓裂施工纖維加入量為150～180 kg。纖維暫堵劑進入裂縫后，地面施工壓力上升了3～6 MPa，封堵效果明顯。重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油由壓前的1.6 t 提高至6.6 t。

在研究區(qū)共開展縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗7 口井，地面施工壓力平均上升3.3 MPa，重復(fù)壓裂前平均單井日產(chǎn)油1.2 t，暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂后，初期平均單井日產(chǎn)油4.9 t。

3.2 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗

以B 井為例，初次壓裂時由于固井質(zhì)量差發(fā)生套竄，先后采用雙封單卡及水力噴射工藝均未能成功分段壓裂，后采用籠統(tǒng)限流壓裂對全井段進行改造。根據(jù)區(qū)塊鄰井及本井初次壓裂開孔率，預(yù)計本井重復(fù)壓裂改造孔數(shù)為140 孔。重復(fù)壓裂時采用全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝，直井段為J55 鋼級套管，采用大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱，優(yōu)化施工排量為6.0～8.0 m3/min，可維持25 孔開啟，優(yōu)化重復(fù)壓裂6段，進行5 級轉(zhuǎn)向。現(xiàn)場完成設(shè)計6 段施工后，轉(zhuǎn)向5 級，在1.5 m3/min 排量條件下，暫堵劑到達炮眼時壓力上升1.3～16.5 MPa，且各段主壓裂的壓力特征和壓后停泵壓力均不一致，這表明通過暫堵轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)了分段改造。

在研究區(qū)共開展全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗2 口井，重復(fù)壓裂前平均單井日產(chǎn)油1.5 t，重復(fù)壓裂后，初期平均單井日產(chǎn)油4.5 t。全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂工藝實現(xiàn)了該類井的分段改造，有效提高了單井產(chǎn)量。

4 結(jié)論

（1）人工裂縫與井筒夾角較小和固井質(zhì)量差，無法分段壓裂兩種類型水平井，確定了縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向及全井多級暫堵轉(zhuǎn)向兩種重復(fù)壓裂措施，優(yōu)選了兩種措施用暫堵劑，優(yōu)化了重復(fù)壓裂施工參數(shù)，形成了相應(yīng)的壓裂前暫堵劑擠注測試和升降排量測試兩種暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場施工控制方法。

（2）研制了雙封單卡分段壓裂工藝和大規(guī)模單卡壓裂工藝兩種重復(fù)壓裂配套工藝管柱，能滿足水平井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工需求。