伊拉克S油田碳酸鹽巖油藏裂縫封堵

崔 波，馮浦涌，榮新明，姚二冬，周福建

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249)

伊拉克S油田主力開發(fā)層系為中高孔中低滲的孔隙-裂縫型碳酸鹽巖油藏，主要開采第三系A(chǔ)油藏和白堊系M油藏，儲(chǔ)層巖性以石灰?guī)r、白云巖為主[1]。儲(chǔ)層埋深2 800～4 400 m，地層壓力28～40 MPa，地層溫度90～120 ℃。滲透率1×10-3～500×10-3μm2，孔隙度10%～19%，儲(chǔ)層裂縫溶洞發(fā)育，孔隙溶洞是油氣主要的儲(chǔ)集空間，天然裂縫是油氣主要的滲流通道[1]。油井經(jīng)射孔、誘噴后都無(wú)法建產(chǎn)，須采取酸化酸壓措施進(jìn)行投產(chǎn)。由于該油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫溶洞發(fā)育，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率差異大，即使采用轉(zhuǎn)向酸酸化，酸液作用距離有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層均勻改造。

為了溝通更多的縫洞體，擴(kuò)大改造體積，需要采用暫堵轉(zhuǎn)向酸壓技術(shù)，利用暫堵材料封堵壓開的裂縫，迫使液體轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)酸液的合理布置，充分改造儲(chǔ)層[2]。根據(jù)暫堵劑的不同形態(tài)，暫堵劑可分為顆粒類暫堵劑、壓裂暫堵球、纖維類暫堵劑及凍膠類暫堵劑[3]。顆粒類暫堵劑廣泛應(yīng)用于重復(fù)壓裂中，小粒徑暫堵劑可實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，大粒徑的暫堵劑可實(shí)現(xiàn)縫間轉(zhuǎn)向[4]。壓裂暫堵球主要用于孔眼封堵，封堵機(jī)理是通過工作液將一定量的暫堵球攜帶進(jìn)入先壓裂縫的孔眼，并在孔眼處形成橋堵，迫使工作液不再進(jìn)入該裂縫，并在破裂壓力更高的孔眼處產(chǎn)生新的水力裂縫[5]。纖維類暫堵劑可降解性能優(yōu)異，對(duì)于裂縫性儲(chǔ)層更容易架橋而形成屏蔽暫堵[6]。凍膠類暫堵劑通過交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠狀物，從而達(dá)到暫堵轉(zhuǎn)向所需的強(qiáng)度。凍膠類暫堵劑耐溫抗鹽性較差，不適用于高溫高礦化度儲(chǔ)層[7]。此外，凍膠類暫堵劑采用的是內(nèi)置破膠劑，在地下的破膠時(shí)間難以控制[8]。目前，裂縫暫堵轉(zhuǎn)向酸壓技術(shù)主要是通過纖維和不同粒徑的暫堵顆粒在裂縫內(nèi)形成封堵[9-11]。現(xiàn)有研究中針對(duì)特定儲(chǔ)層的暫堵劑優(yōu)化，通常采用室內(nèi)暫堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)暫堵劑的承壓能力。其中，裂縫寬度多為2～3 mm，對(duì)于微裂縫、多層級(jí)裂縫的暫堵尚缺少研究[12-13]。現(xiàn)針對(duì)伊拉克S油田儲(chǔ)層天然裂縫溶洞發(fā)育特征，對(duì)儲(chǔ)層裂縫尺寸進(jìn)行分析，對(duì)儲(chǔ)層裂縫等級(jí)進(jìn)行劃分，通過模擬粗糙裂縫的縫內(nèi)暫堵實(shí)驗(yàn)，探索縫內(nèi)封堵規(guī)律，優(yōu)選適合該油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同裂縫等級(jí)的暫堵劑配方，形成相應(yīng)施工工藝，為現(xiàn)場(chǎng)裂縫封堵施工提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

暫堵劑(粉末、纖維、顆粒)：工業(yè)品，中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院。胍膠：工業(yè)品，中海油田服務(wù)股份有限公司。巖心：伊拉克S油田標(biāo)準(zhǔn)巖心。模擬裂縫暫堵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：江蘇拓創(chuàng)科研儀器有限公司，型號(hào)為SH-6型。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)設(shè)計(jì)模擬裂縫暫堵實(shí)驗(yàn)裝置。模擬裂縫暫堵實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由注液泵、導(dǎo)流室、中間容器、控制閥、壓機(jī)、量筒組成。實(shí)驗(yàn)用液放于中間容器中，中間容器一端與注液泵連接，另一端連接導(dǎo)流室，導(dǎo)流室位于壓機(jī)上，出口端連接廢液缸，壓機(jī)連接另一注液泵。導(dǎo)流室由導(dǎo)流室腔體、上活塞、下活塞、出入口接口、特制金屬巖板構(gòu)成。該設(shè)備可模擬高強(qiáng)度纖維暫堵劑材料對(duì)不同縫寬裂縫的封堵情況，評(píng)價(jià)封堵效果。

1為注液泵；2為圍壓泵；3為導(dǎo)流室；4、5為中間容器；6～10為控制閥；11為壓機(jī)；12為量筒圖1 模擬裂縫暫堵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for simulating fracture temporary plugging

(2)巴西劈裂。通過巴西劈裂，對(duì)儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)巖心進(jìn)行劈裂造縫，模擬真實(shí)粗糙微縫。將標(biāo)準(zhǔn)巖心放入巖柱裂縫劈槽(圖2)，用70 MPa的壓機(jī)加壓，即可得到正中劈裂的小巖柱。通過在劈裂的巖柱兩側(cè)加入不同厚度的銅箔，即可得到不同裂縫尺寸的真實(shí)粗糙微縫。

圖2 真實(shí)粗糙微縫(巖心)Fig.2 Real rough micro fracture (core)

(3)采用3D打印巖板模擬常規(guī)粗糙裂縫。通過掃描真實(shí)裂縫面，獲取裂縫面的粗糙度和迂曲度，尼龍材料3D打印巖板如圖3所示。通過3D打印的巖板，模擬裂縫形貌更接近于生產(chǎn)實(shí)際，同時(shí)具備高強(qiáng)度、耐磨性、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 3D打印巖板Fig.3 3D printed rock beam

(4)暫堵材料準(zhǔn)備。300目粉末、纖維(長(zhǎng)6 mm)、顆粒(1 mm和2 mm)，如圖4所示。

(5)實(shí)驗(yàn)步驟。

① 配制一定量暫堵劑攜帶液(胍膠)，放入中間容器中。

② 根據(jù)所需評(píng)價(jià)的裂縫寬度，調(diào)整巖心間銅箔厚度或巖板間墊片厚度，將巖心或巖板放入導(dǎo)流室腔體。

③ 將導(dǎo)流室放置在壓機(jī)上，連接管線，出液口連接量筒；用壓機(jī)對(duì)導(dǎo)流室施加一定圍壓。

④ 開啟注液泵，以一定排量注液。待泵壓達(dá)到待測(cè)值后或泵壓達(dá)到一定值突破后停泵。

⑤ 取出巖心或巖板，可進(jìn)一步分析縫內(nèi)不同尺寸復(fù)合暫堵劑的分布情況。

⑥ 在設(shè)定好縫寬后，通過比較不同暫堵劑配比下的最高承受泵壓或在相同最高泵壓下用液量的多少，優(yōu)選該縫寬條件下的暫堵劑配比。

2 結(jié)果與討論

2.1 儲(chǔ)層天然裂縫溶洞特征

第三系A(chǔ)油藏天然裂縫溶洞特征：含高角度近垂直縫、斜角度縫、低角度近水平縫，可見垂直裂縫與水平裂縫構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。裂縫受地層控制，背斜軸部大多為發(fā)育近垂直縫，翼部多為近水平縫、斜交縫。裂縫長(zhǎng)1～25 cm，寬0.02～0.08 mm，平均寬0.05 mm，屬于微縫級(jí)別。早期裂縫多被石膏充填，后期裂縫多開啟，成為溝通溶蝕孔隙的通道。巖心描述可見A層溶洞發(fā)育較差，局部見1 mm×1 mm溶洞，典型井天然裂縫發(fā)育如圖5所示。

圖5 第三系A(chǔ)油藏典型井天然裂縫特征Fig.5 Characteristics of natural fractures in typical wells of A reservoir

白堊系M油藏天然裂縫溶洞特征：小型溶洞主要為厚殼蛤格架、體腔孔洞，并疊加表生巖溶改造形成；其次為新生的小型巖溶系統(tǒng)，被溶解的碳酸鹽巖孔洞被砂屑充填。巖心描述可見M層溶洞大小2 mm×3 mm～3 mm×5 mm，典型井天然溶洞發(fā)育如圖6所示。

圖6 白堊系M油藏典型井天然溶洞特征Fig.6 Characteristics of natural karst caves in typical wells of M reservoir

根據(jù)第三系A(chǔ)油藏和白堊系M油藏天然裂縫溶洞特征，將儲(chǔ)層裂縫等級(jí)劃分為兩類，粗糙微縫(0.03、0.05、0.08 mm)和常規(guī)粗糙縫(1、2、3 mm)。通過巴西劈裂，對(duì)儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)巖心進(jìn)行劈裂造縫，模擬真實(shí)粗糙微縫(0.03、0.05、0.08 mm)；采用3D打印巖板模擬常規(guī)粗糙裂縫(1、2、3 mm)；采用粉末、纖維、顆粒作為暫堵劑對(duì)裂縫進(jìn)行封堵，測(cè)試不同暫堵劑配比下的最高承受泵壓或在相同最高泵壓下用液量，優(yōu)選該縫寬條件下的暫堵劑配比。

2.2 粗糙微縫封堵實(shí)驗(yàn)

2.2.1 0.03 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

考慮到裂縫寬度僅0.03 mm，所用暫堵劑中纖維長(zhǎng)度為6 mm，粉末粒徑為300目，相對(duì)于縫寬均較大，因此，采用較低濃度的暫堵劑進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn)。暫堵劑配方分別為：0.10%纖維、0.05%纖維+0.05%粉末、0.10%粉末，封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，纖維和300目粉末均能有效封堵0.03 mm的裂縫，封堵壓力大于30 MPa。其中，純纖維的封堵速率最快，約44 min時(shí)壓力達(dá)到30 MPa，而隨著纖維濃度的降低且粉末濃度的增大，在暫堵劑總濃度不變時(shí)，封堵速率逐漸降低。純粉末的封堵速率最慢，約97 min時(shí)封堵壓力達(dá)到30 MPa。

圖7 不同濃度暫堵劑封堵0.03 mm裂縫的壓力對(duì)比圖Fig.7 Pressure comparison for 0.03 mm crack blocked by temporary plugging agent with different concentration

2.2.2 0.05 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

參考對(duì)0.03 mm裂縫的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，封堵0.05 mm裂縫時(shí)適當(dāng)增加暫堵劑的總濃度，從0.1%提高到0.3%。暫堵劑配方分別為：0.30%纖維、0.15%纖維+0.15%粉末、0.30%粉末。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，三組實(shí)驗(yàn)的封堵壓力可以看到，對(duì)于0.05 mm裂縫，在適當(dāng)提高暫堵劑濃度時(shí)，纖維和300目粉末仍然能夠有效封堵裂縫，且封堵壓力大于30 MPa。同0.03 mm裂縫封堵規(guī)律一致，純纖維的封堵效率最快，在32 min左右壓力即達(dá)到30 MPa，而隨著暫堵劑中纖維濃度降低、粉末濃度增加，封堵效率逐漸降低。0.3%粉末需要大約64 min才能達(dá)到30 MPa的封堵壓力。

圖8 不同濃度暫堵劑封堵0.05 mm裂縫的壓力對(duì)比圖Fig.8 Pressure comparison for 0.05 mm crack blocked by temporary plugging agent with different concentration

2.2.3 0.08 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

參考對(duì)0.03 mm和0.05 mm裂縫的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，封堵0.08 mm裂縫時(shí)進(jìn)一步增加暫堵劑的總濃度，從0.1%提高到0.5%。暫堵劑配方分別為：0.50%纖維、0.30%纖維+0.20%粉末、0.50%粉末。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，三組實(shí)驗(yàn)的封堵壓力可以看出，對(duì)于0.08 mm裂縫，在適當(dāng)提高暫堵劑濃度時(shí)，纖維和300目粉末仍然能夠有效封堵裂縫，且封堵壓力大于30 MPa。同0.03 mm和0.05 mm裂縫封堵規(guī)律一致，純纖維的封堵效率最快，在37 min左右壓力即達(dá)到30 MPa，而隨著暫堵劑中纖維濃度降低、粉末濃度增加，封堵效率逐漸降低。0.50%粉末需要大約66 min才能達(dá)到30 MPa的封堵壓力。圖10展示了純粉末的封堵結(jié)果，可以看到粉末進(jìn)入裂縫入口并形成致密堆積。

圖9 不同濃度暫堵劑封堵0.08 mm裂縫的壓力對(duì)比圖Fig.9 Pressure comparison for 0.08 mm crack blocked by temporary plugging agent with different concentration

圖10 封堵前后縫口圖Fig.10 Fracture internal diagram before after sealing

2.3 常規(guī)粗糙縫封堵實(shí)驗(yàn)

2.3.1 1 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

采用粉末無(wú)法對(duì)常規(guī)裂縫進(jìn)行封堵，對(duì)于1 mm縫寬的裂縫，采用純纖維作為暫堵劑進(jìn)行暫堵實(shí)驗(yàn)。暫堵劑配方分別為：2%纖維、0.86%纖維和0.5%纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，2%濃度的纖維暫堵劑出液14 min后，注入壓力開始上升；而0.86%濃度的纖維在出液大約32 min后，注入壓力開始上升；0.5%濃度的纖維與0.86%濃度的纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，出液33 min后，注入壓力開始上升。所有濃度的纖維均在縫內(nèi)形成有效暫堵，承壓達(dá)到30 MPa，未發(fā)生突破。對(duì)比不同壓力級(jí)別下形成暫堵所耗時(shí)間，2%纖維耗時(shí)最短，推薦采用2%的纖維封堵1 mm裂縫。

圖11 不同濃度纖維暫堵實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.11 Experimental comparison of different concentrations of temporary plugging agents

2.3.2 2 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

參考對(duì)1 mm裂縫的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開展了不同配比暫堵材料對(duì)2 mm縫寬的暫堵實(shí)驗(yàn)。暫堵劑配方分別為：0.8% 1 mm顆粒+0.86%纖維、1.02% 1 mm顆粒+0.86%纖維、1.2%1 mm顆粒+0.86%纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，1.2%、1.02%與0.8% 1 mm顆粒配合0.86%纖維均能對(duì)2 mm縫寬裂縫形成有效封堵。對(duì)比不同壓力級(jí)別下形成暫堵所耗時(shí)間，1.02% 1 mm顆粒+0.86%纖維配方耗時(shí)最短，推薦采用1.02% 1 mm顆粒+0.86%纖維配方封堵1 mm裂縫。

圖12 不同濃度顆粒暫堵實(shí)驗(yàn)壓力對(duì)比圖Fig.12 Experimental comparison of different concentrations of temporary plugging agents

2.3.3 3 mm裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

參考對(duì)2 mm裂縫的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開展了不同配比暫堵材料對(duì)3 mm縫寬的暫堵實(shí)驗(yàn)。暫堵劑配方分別為：0.4% 2 mm顆粒+0.8%纖維、0.6% 2 mm顆粒+0.8%纖維、0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維、1.0% 2 mm顆粒+0.8%纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維的暫堵劑配方能最快形成封堵。在約15 min時(shí)，注入壓力開始穩(wěn)步上升；1.0% 2 mm顆粒+0.8%纖維的暫堵劑配方在約26 min時(shí)，注入壓力開始上升，在51 min和56 min時(shí)，注入壓力出現(xiàn)兩次小幅下降，最終在約65 min時(shí)，壓力達(dá)到30 MPa；0.6% 2 mm顆粒+0.8%纖維的暫堵劑配方在約33 min時(shí)，注入壓力開始上升，壓力增速較快，在約43 min時(shí)，其壓力已經(jīng)超過1.0%實(shí)驗(yàn)組的壓力；0.4% 2 mm顆粒+0.8%纖維的暫堵劑配方起壓最慢，在約48 min時(shí)，注入壓力開始上升，且壓力近似為直線上升，在約67 min時(shí)，暫堵液已經(jīng)被全部驅(qū)替，而注入壓力約為17 MPa。對(duì)比不同壓力級(jí)別下形成暫堵所耗時(shí)間，0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維配方耗時(shí)最短，推薦采用0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維配方封堵3 mm裂縫。圖14展示了顆粒和纖維組合的封堵結(jié)果，可以看到顆粒和纖維組合暫堵體系進(jìn)入裂縫后，可有效形成橋架堆積，對(duì)裂縫進(jìn)行封堵。

圖13 不同濃度暫堵劑配方實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.13 Experimental comparison of different concentrations of temporary plugging agents

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)匹配

針對(duì)縫寬較小(≤0.08 mm)的粗糙微縫，纖維和粒徑為300目的粉末均能形成有效封堵，鑒于纖維可能在更寬的裂縫處提前形成封堵，因此，推薦采用300目粉末封堵微裂縫；對(duì)于1～3 mm常規(guī)粗糙縫，推薦采用2%的纖維封堵1 mm裂縫，1.02% 1 mm顆粒+0.86%纖維配方封堵2 mm縫寬裂縫，0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維的暫堵劑配方封堵3 mm縫寬的裂縫。具體區(qū)塊封堵組合如表1所示。

表1 不同區(qū)塊推薦的封堵組合Table 1 Recommended temporary plugging agent for different reservoir

3 結(jié)論

(1)根據(jù)該油田儲(chǔ)層地質(zhì)油藏資料，將儲(chǔ)層裂縫等級(jí)劃分為微縫和常規(guī)縫。針對(duì)微縫，纖維和粉末均能有效封堵裂縫，纖維相比粉末更易封堵微縫，封堵后承壓均超過30 MPa；針對(duì)常規(guī)縫，采用纖維或纖維與顆粒組合可有效堵裂縫，封堵后承壓均超過30 MPa。

(2)第三系A(chǔ)油藏裂縫寬度在0.02～0.08 mm，平均0.05 mm，推薦采用0.3%的300目顆粒進(jìn)行有效封堵裂縫，使用清水?dāng)y帶；第三系A(chǔ)油藏局部存在1 mm×1 mm溶洞，單維度為1 mm左右，推薦采用2%的纖維進(jìn)行封堵，使用略微稠化酸液或者壓裂液攜帶。

(3)白堊系M油藏溶洞大小2 mm×3 mm～3 mm×5 mm左右，單維度最小3 mm，推薦采用3 mm縫寬優(yōu)選配方0.8% 2 mm顆粒+0.8%纖維的進(jìn)行封堵，使用略微稠化酸液或者壓裂液攜帶。

(4)針對(duì)該油田不同區(qū)塊儲(chǔ)層天然裂縫溶洞特征，通過開展縫內(nèi)暫堵實(shí)驗(yàn)，探索了碳酸鹽巖縫內(nèi)封堵規(guī)律，優(yōu)選出了最佳的暫堵轉(zhuǎn)向配方，為現(xiàn)場(chǎng)裂縫封堵施工提供了理論依據(jù)。