渭北油田淺層致密砂巖儲層多縫驅油壓裂技術應用

馮興武

（中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南 南陽 473132）

渭北油田位于鄂爾多斯盆地南部的旬邑-宜君油氣勘查區塊南部，構造位置橫跨伊陜斜坡及渭北隆起兩個構造單元。主力油層長3儲層埋藏淺，物性差，低溫低壓，孔喉細小（表1）。巖心滲透率小于0.300×10-3μm2的樣品數占總樣品數的68.1%，屬淺層低壓特低滲致密油藏。含油層段多，縱向上分7個單砂層（長、長、長、長、長、長、長），平均厚度7～14 m。巖心觀察結果表明，儲層具有水平層理縫，尤其是泥質含量高和存在炭屑紋層處的水平層理縫發育，壓裂時需要規避。地應力測試結果表明，垂向應力為7.20～17.60 MPa，水平最小主應力為9.02～16.70 MPa，水平最大主應力為10.26～19.51 MPa；垂向應力最小，壓裂易形成水平縫。地應力剖面表明，最小主應力隨埋深的增加由垂向應力逐漸過渡為水平最小主應力，垂向應力與水平最小主應力的差值較小，最大與最小主應力差值為2.00～3.00 MPa。在此種地應力組合下，壓裂形成的人工裂縫比較復雜［1-4］。人工裂縫形態停泵壓力測試結果［4］表明，渭北油田當儲層埋深小于470 m時，形成水平縫；埋深大于600 m時，形成垂直縫；在470～600 m時，形成復雜縫。當壓裂形成以水平縫為主導的裂縫時，改造體積及導流能力遠遠不及深層或超深層油藏，壓后產量也難以達到工業開采價值。

注：渭北油田6口井455塊巖心樣品測試分析數據

渭北油田開發初期，長3儲層直井和定向井采用多層同時射孔，投產壓裂采用籠統壓裂或機械分層（受隔層厚度限制，分層數有限），油層縱向改造程度低。據140口直井和定向井統計，壓后初期平均日產油1.3 t，3個月后日產油量遞減到0.9 t以下，開發效果差。受低油價影響，2016年8月區塊整體關停。2017年11月開始復產，為提高產量，研究應用了淺層特低滲致密儲層多縫驅油壓裂技術。針對以往多層合壓無法保證各層均起裂的問題，采用水力噴射定點分層壓裂、投球分層壓裂工藝，一次壓裂施工，形成多條裂縫，提高儲層縱向改造程度；針對常規壓裂形成單一裂縫，改造體積有限的問題，采用體積壓裂形成復雜縫網，擴大泄油面積；針對地層壓力低，孔喉細小，以往壓裂見油時間長（平均26.6 d），見油返排率低（平均47.9%）的問題，采用低傷害驅油壓裂液，通過關井悶井，滲吸置換基質中的剩余油［5］，提高油井產量。

1 清潔聚合物驅油壓裂液

清潔聚合物壓裂液是目前國內外壓裂液研究領域的熱點之一。杜濤等［6-8］以SRFP型疏水締合水溶性聚合物為增稠劑，陰離子表面活性劑為交聯劑，分子之間通過靜電、氫鍵或范德華力結合形成三維網狀結構，使壓裂液黏度大幅度增加，具有較好的耐溫耐剪切性能，以過硫酸胺為破膠劑，適應于60.0℃以上油藏。何坤憶等［9］以HAPAM-18疏水締合水溶性聚合物為增稠劑，SDBS表面活性劑為交聯劑，以過硫酸胺為破膠劑，耐溫性能達到101.0℃。以上體系適應溫度均在60.0℃以上，但不具備驅油功能，不能滿足渭北油田長3儲層壓裂需要。針對渭北油田低溫低壓超低滲油藏特點，選擇SRFP-1增稠劑，優化了氧化還原低溫破膠體系和滲吸驅油劑，形成低溫快速破膠、低傷害、能驅油的多功能清潔聚合物低溫壓裂液體系。

采用德國HAAKE RS6000流變儀（相對誤差±5%）在30.0℃、170 s-1下實驗考察不同質量濃度SRFP-1疏水締合水溶性聚合物壓裂液的黏度變化規律（圖1）和不同質量濃度SRFC-1交聯劑的壓裂液黏度變化規律（圖2）。

由圖1可以看出，隨著SRFP-1質量濃度的升高其黏度也升高，這是由于SRFP-1聚合物溶液分子增多，自身結構黏度和交聯形成的網狀大分子結構增大；SRFP-1質量濃度大于0.20%，恒溫剪切60 min黏度保持在50 mPa·s以上。由圖2可以看出，隨著交聯劑SRFC-1質量濃度的升高，其黏度先升后降，這是由于交聯過度造成交聯形成的網狀大分子卷曲收縮造成的，最佳質量濃度為0.15% ～0.20%，恒溫剪切60 min黏度保持在80 mPa·s以上，可以滿足攜砂需要。為此，優選適合渭北油田的壓裂液體系典型配方為：0.20%SRFP-1增稠劑+1.00%KCL防膨劑+0.16%SRFC-1交聯劑+0.20%DL助排劑+0.50%FN滲吸驅油劑+0.20%DJ低溫激活劑+0.06%APS破膠劑。

圖1 不同質量濃度SRFP-1壓裂液黏度變化曲線

圖2 不同質量濃度SRFC-1壓裂液黏度變化曲線

室內性能評價實驗結果（表2）表明，該壓裂液具有良好的攜砂性能、對儲層傷害小、滲吸驅油率高。30.0℃下4 h破膠，黏度小于5 mPa·s，殘渣含量46 mg／L，巖心傷害率僅14.6%；30.0℃、30 d靜態實驗滲吸驅油率比地層水提高14.3%，實驗結果如圖3所示。

圖3 不同質量濃度FN靜態滲吸驅油實驗結果對比

表2 巖心傷害室內實驗數據

2 水平縫多縫壓裂工藝

針對渭北油田長3儲層特點，采用水平縫多縫壓裂工藝技術，提高多層油藏縱向和平面改造程度。一是在縱向上分層壓裂形成多條人工裂縫，提高儲層縱向動用程度；二是在形成水平縫的基礎上，力爭形成垂直縫或T型復雜縫，增加整體裂縫的復雜程度，提高儲層平面動用程度，從而提高單井產量。為此，配套了水平縫水力噴射定點壓裂、水平縫投球分層壓裂和水平縫體積壓裂等三種工藝。

2.1 水平縫水力噴射定點分層壓裂工藝

針對厚層儲層層內存在水平層理縫的地質特點，壓裂時需要避開層理縫，精準定位壓開含油富集段。同時，水平縫縫高小，可以在縱向上設計多條壓裂裂縫，提高縱向上改造程度。為此，配套了水力噴射定點分層壓裂工藝。該工藝比較成熟［10］，包括水力噴砂射孔和水力噴射壓裂兩個過程。水力噴砂射孔是將混砂壓裂液通過噴射工具，將高壓能量轉換成動能，產生高速射流切割套管和巖石形成一定直徑和深度的射孔孔眼。水力噴砂射孔完成后，頂替出環空砂子，關閉環空放噴閘門并增壓，在井底壓力低于破裂壓力的情況下使孔內壓力高于地層破裂壓力，從而沿孔道壓開地層。同時，由于井底壓力低于裂縫延伸壓力，需要從另外一個環空閘門補液，補液壓力應低于上部已射孔層段的破裂壓力，保證上部層段不被壓開。

采用多級滑套式噴射管柱，通過磁定位校深，實現對多個潛力層段定點分層壓裂。主要作業步驟如下：①下入噴射壓裂管柱，用基液替滿井筒；投球封堵底部，對第1層段噴砂射孔和壓裂；②投球，球到位后油管加壓推動第2層段噴槍的滑套芯下移，露出噴嘴，同時封堵下部油管，對第2層段噴砂射孔和壓裂；③重復上一步驟，直至壓裂完所有層段；④所有層段壓裂完成后開井一起排液，排液時可以將壓裂球帶出井筒，自噴井可以直接用壓裂管柱進行后期生產。水力噴射定點分層壓裂不受卡封層段、裂縫形態的限制，靈活性較高，一次施工可以壓開多條裂縫。結合渭北油田長3儲層條件，優選噴嘴參數為：噴嘴個數6個，噴嘴孔徑6 mm，施工排量2.5～3.0 m3／min，節流壓差20.0 MPa，環空補液排量0.8 m3／min。

2.2 水平縫投球分層壓裂工藝

針對縱向上油層多，存在一定的非均質性，隔層較薄，多個射孔層段合壓無法保證全部壓開的問題，配套了水平縫投球（炮眼球）分層壓裂工藝，盡量多造縫，提高縱向動用程度。該工藝原理是利用層間非均質性差異，滲透率高的層段優先被壓開，加砂完成后，從井口投一定數量的炮眼球暫時封堵該層射孔孔眼，憋起高壓，迫使壓裂液進入相對低滲透層段，從而使破裂壓力更高的目的層被壓開。如此反復進行，直到設計的目的層段都被壓開，達到一次施工壓開多個產層的目的［11-12］。選用炮眼球直徑一般比射孔孔眼直徑至少大4～6 mm，設計炮眼球數量為射孔孔眼數的1.1～1.2倍。

2.3 水平縫體積壓裂工藝

針對儲層物性差、應力差小、水平縫改造程度低的問題，借鑒體積壓裂模式，采用變黏度壓裂液、變排量、縫內暫堵等措施［13-14］，首先利用低黏度前置液造長縫，在水平縫充分延伸的基礎上通過提高壓裂液黏度、排量、縫內暫堵，提高縫內凈壓力，當凈壓力超過最大與最小應力差（2.00～3.00 MPa）時，強制開啟分支縫，促使裂縫轉向，形成復雜縫網。通過變黏度壓裂液、變粒徑支撐劑及加入模式，中低黏度壓裂液攜帶中小粒徑石英砂充填微縫和小縫，高黏度壓裂液攜帶大粒徑石英砂充填主縫，使不同尺度的裂縫得到飽和填砂，提高整體縫網的有效支撐，達到高效連通，從而提高有效改造體積。

該工藝采用前置原膠液（低黏度）造縫，交聯壓裂液（高黏度）擴縫及攜砂；1～2個70-140目小粒徑石英砂段塞打磨降濾，2～3個40-70目中粒徑石英砂+水溶性暫堵劑段塞縫端封堵，原膠液中頂充分開啟分支縫，2～3個以1∶1混合的70-140目與40-70目粒徑石英砂階梯遞增加砂段塞充填分支縫，3～5個20-40目石英砂階梯遞增加砂段塞充填主縫。通過壓裂軟件優化，壓裂設計參數如表3所示。

表3 水平縫壓裂參數優化結果

3 現場應用

在渭北油田現場應用13井次，針對不同的儲層特點，分別采用了水力噴射定點壓裂、投球分層壓裂及縫內暫堵轉向體積壓裂等工藝和清潔聚合物驅油壓裂液，成功率達100%。壓后平均單井日增油2.3 t，是常規壓裂效果的1.8倍，截至2021年3月31日，累計增油4 642.2 t。

圖4 WB2-43-3井測井解釋成果圖（斜深）

圖5 WB2-43-3井壓裂施工曲線

4 結論與認識

（1）多縫驅油壓裂技術可實現一層多縫，增能驅油，在渭北油田淺層低壓致密油藏壓裂改造中發揮了積極的作用，現場應用13井次，取得了較好的增產效果。

（2）清潔聚合物驅油壓裂液具有增能驅油、低溫破膠徹底、傷害小、攜砂能力強等多種功能，適應低溫低壓特低滲致密儲層驅油壓裂改造。

（3）投球及水力噴射分層壓裂工藝可實現水平縫“一層多縫”，有效提高淺層特低滲致密油藏水平縫儲層縱向改造程度，從而提高油井產量。

（4）采用體積壓裂工藝可產生分支裂縫，有效提高平面改造程度，提高油井產量。

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