許超蘭 譚 鵬

中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249

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尕斯油田薄互層控縫高壓裂技術(shù)研究

許超蘭 譚 鵬

中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249

薄互層油藏具有儲(chǔ)層物性差、有效厚度薄、天然裂縫發(fā)育、儲(chǔ)隔層應(yīng)力差小等特點(diǎn)，壓裂改造是這類儲(chǔ)層投產(chǎn)或增產(chǎn)的重要手段。壓裂改造的技術(shù)難點(diǎn)在于壓裂目的層薄，隔層遮擋能力差，壓裂施工容易壓竄，縫高難以控制，加劇層間矛盾。以青海尕斯油田為例，通過對人工裂縫高的影響因素進(jìn)行研究，對各種控縫高技術(shù)適應(yīng)性進(jìn)行分析，選出合適的控縫高技術(shù)。對尕斯油田的X井進(jìn)行人工隔層技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，模擬結(jié)果表明，縫高得到有效控制，由常規(guī)壓裂的18.0m變?yōu)?2.9m，其上下隔層都不會(huì)被壓竄，保證了壓裂施工的成功，同時(shí)縫長得到增加。該方法可應(yīng)用于現(xiàn)場控縫高壓裂設(shè)計(jì)。

薄互層；壓裂；裂縫高度；人工隔層；控縫高壓裂

0 前言

薄互層油藏具有油層夾層相互交錯(cuò)且都相對較薄的特點(diǎn)，油層物性差，開采難度較大[1-3]。尕斯油田為深層油藏，其壓裂選井、選層及各小層間隔層統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，尕斯油田擬壓裂儲(chǔ)層平均單層有效厚度僅3.6m，隔層平均厚度僅5.6m，且隔層遮擋能力差，壓裂改造效果差，主要由于油層隔層薄，設(shè)計(jì)液量小，同時(shí)要求適當(dāng)提高砂比，與現(xiàn)有壓裂工藝不適應(yīng)，不能滿足油藏對裂縫長度及導(dǎo)流能力的要求；控制裂縫縱向延伸難度大，壓開后油層內(nèi)裂縫的有效支撐差，設(shè)計(jì)與施工難度大；近井筒裂縫扭曲，裂縫寬度小，縫中摩阻大，施工壓力高，極易造成砂堵；由于隔層薄，壓裂井與水淹層相距較近，對遮擋作用估計(jì)過高，使裂縫垂向延伸至高含水層，造成目的層水淹，加劇層間矛盾，乃至因?yàn)V失增加造成壓裂施工失敗。

1 影響縫高延伸的因素

影響水力壓裂人工裂縫高度(以下簡稱“縫高”)的因素較復(fù)雜，可歸納為三類[4-5]：一是巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)對每個(gè)區(qū)塊而言是不可改變的；二是壓裂液的性能，如壓裂液的黏度、濾失系數(shù)等；三是施工參數(shù)如施工排量、施工規(guī)模等。尕斯油田儲(chǔ)層平均單層有效厚度為3.6m、隔層平均厚度為5.6m，施工排量為3.5m3/m，針對該地區(qū)薄互層壓裂的特點(diǎn)，模擬研究不同地應(yīng)力差、不同施工排量、不同壓裂液黏度及不同隔層厚度下縫高的變化情況。

1.1 地應(yīng)力差對縫高延伸的影響

根據(jù)尕斯油田深層儲(chǔ)層實(shí)際情況，利用三維壓裂軟件對不同儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力差下縫高進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖1。

圖1 地應(yīng)力差與縫高延伸的關(guān)系

從地應(yīng)力差與縫高的關(guān)系可以看出，隨地應(yīng)力差的減小，縫高和支撐縫高快速增加，當(dāng)?shù)貞?yīng)力差小于 8MPa時(shí)，縫高延伸嚴(yán)重，裂縫容易失控。尕斯油田儲(chǔ)、隔層應(yīng)力差僅6MPa左右，對縫高延伸的控制能力差。

1.2 施工排量對縫高延伸的影響

根據(jù)尕斯油田深層儲(chǔ)層條件，對不同施工排量下縫高進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖2。

圖2 施工排量與縫高延伸的關(guān)系

從圖2可知，施工排量對縫高有一定影響，但對支撐縫高影響不大，排量每增加1m3/min，縫高增加1～2m，說明縫高延伸對排量的變化不太敏感。尕斯油田深層儲(chǔ)層最佳施工排量約為3.5m3/min。

1.3 壓裂液黏度對縫高延伸的影響

根據(jù)尕斯油田深層儲(chǔ)層條件，對不同壓裂液黏度下縫高的模擬，結(jié)果見圖3。

圖3 壓裂液黏度與縫高延伸的關(guān)系

模擬計(jì)算結(jié)果表明，壓裂液黏度越大，壓裂液造縫能力越強(qiáng)，且濾失相對較小，使得裂縫的高度高且寬度大，但壓裂液黏度對裂縫尺寸的影響是有限的。因此，在保證壓裂液正常攜砂的前提下，盡可能降低胍膠用量和壓裂液黏度，對裂縫的縱向延伸起一定的控制作用。

1.4 隔層厚度對縫高延伸的影響

根據(jù)尕斯油田深層儲(chǔ)層條件，對不同隔層厚度下縫高進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖4。

從隔層厚度對縫高的影響分析可以看出，目前在尕斯油田深層儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力差的條件下，只有當(dāng)隔層厚度大于9.0m時(shí)才能有效遮擋裂縫的縱向延伸，但由于實(shí)際隔層厚度平均僅5.6m，因此無法有效阻止裂縫在縱向上的延伸。

圖4 隔層厚度與縫高延伸的關(guān)系

從儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力差、施工排量、壓裂液黏度及隔層厚度對裂縫縱向延伸敏感性分析可以看出，儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力差和隔層厚度對縫高延伸影響占主導(dǎo)，壓裂施工排量和壓裂液黏度對其的影響較弱。目前在尕斯油田深層儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力條件下薄隔層厚度難以對壓裂縫高進(jìn)行有效控制，有必要對此進(jìn)行深入研究。

2 控縫高技術(shù)

常用的壓裂縫控縫高技術(shù)有人工隔層技術(shù)[6-8]、變排量技術(shù)[9]、調(diào)整壓裂液密度技術(shù)及冷卻地層技術(shù)[10]等。

2.1 人工隔層技術(shù)

2.1.1 人工隔層技術(shù)原理及步驟

人工隔層技術(shù)是國內(nèi)常用的控縫高技術(shù)。該技術(shù)是在壓裂施工的前置液中加入暫堵劑，阻止需進(jìn)行高度控制方向壓裂液的流動(dòng)，其原理見圖5。使用密度比壓裂液小的暫堵劑控制裂縫向上延伸，阻止壓裂液和支撐劑向上流動(dòng)；加入密度比壓裂液大的暫堵劑控制壓裂向下延伸，暫堵劑的沉降使壓裂液和支撐劑無法向下流動(dòng)，從而阻止裂縫向下延伸。根據(jù)國內(nèi)勝利、吐哈、中原等油田的應(yīng)用情況，人工隔層能將儲(chǔ)、隔層間應(yīng)力差增加3～5MPa。

圖5 人工隔層技術(shù)原理與凈應(yīng)力分布圖

其主要步驟如下：

1)分析原始儲(chǔ)、隔層條件下裂縫縱向延伸，確定裂縫縱向延伸需控制的方向，如上、下或同時(shí)控制。

2)使用預(yù)前置液造縫，使地層破裂，并使裂縫延伸達(dá)到一定規(guī)模。

3)使用黏度較低的液體，低排量泵入控制劑，并將其全部頂替進(jìn)地層。

4)關(guān)井10～20min，使轉(zhuǎn)向劑上浮和下沉，形成滲透性較差的人工隔層。

5)最后按常規(guī)壓裂施工進(jìn)行施工，完成壓裂施工作業(yè)。

2.1.2 尕斯油田人工隔層技術(shù)適應(yīng)性

根據(jù)尕斯油田深層儲(chǔ)層條件對不同隔層厚度對縫高的影響進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖6。

圖6 人工隔層適應(yīng)性分析結(jié)果

從人工隔層對縫高的影響分析可以看出，在實(shí)施人工隔層控縫高技術(shù)后，隔層對裂縫在縱向上的延伸起到了較好的遮擋作用，當(dāng)隔層厚度大于4.6m時(shí)能有效遮擋裂縫的縱向延伸，而尕斯油田深層實(shí)際隔層平均厚度為5.6m，故人工隔層控縫高技術(shù)能有效防止該油藏人工裂縫在縱向上的過度延伸。

2.2 變排量技術(shù)

壓裂上下隔層地應(yīng)力差值小的薄層時(shí)，裂縫容易使上下層溝通，為限制縫高過度延伸，通過排量的瞬間躍變，可在控制裂縫縫口高度向下延伸的同時(shí)將支撐劑輸送至裂縫更深處，增大支撐縫長，增加裂縫內(nèi)支撐劑鋪置濃度，提高裂縫的導(dǎo)流能力，改善增產(chǎn)效果。但對于薄互層儲(chǔ)層來說，縫高在上下隔層都有延伸，變排量壓裂技術(shù)主要適用于具有一定厚度的底水油藏，防止底水上竄。

2.3 調(diào)整壓裂液密度技術(shù)

利用壓裂液密度控制裂縫高度，是通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實(shí)現(xiàn)的。若要控制裂縫向上延伸，應(yīng)采用密度較高的壓裂液；若要控制裂縫向下延伸，則應(yīng)采用密度較低的壓裂液。因此，通過調(diào)整壓裂液密度來控縫高是一種單向方式，只能控制裂縫在一個(gè)方向的延伸，并不適用于控制薄互層儲(chǔ)層壓裂裂縫高度。

2.4 冷卻地層技術(shù)

采用控制排量和壓力的方法，先以低排量注入低溫液體冷卻地層，降低地層應(yīng)力，當(dāng)冷卻地層的范圍和應(yīng)力

條件達(dá)到一定要求時(shí)，再以高排量注入高濃度降濾劑的低溫前置液壓開裂縫，冷卻一定時(shí)間后再將注液壓力提高到地層破裂壓力進(jìn)行造縫。這種方法主要用于膠結(jié)性較差的地層和不存在清水傷害問題的油氣層。

3 實(shí)例應(yīng)用

X井是尕斯油田深層的一口油井，根據(jù)壓裂選井、選層結(jié)果可對Ⅲ-7小層進(jìn)行壓裂改造，達(dá)到提高單井產(chǎn)量的目的。故以該井為例進(jìn)行人工隔層技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 儲(chǔ)層基本參數(shù)

X井?dāng)M壓裂井段儲(chǔ)層基本參數(shù)見表1。

表1 X井?dāng)M壓裂井段儲(chǔ)層基本參數(shù)

3.2 縫高延伸分析

從表2可見Ⅲ-7小層上隔層厚度8.0m，下隔層厚度6.0m，均無法達(dá)到正常阻擋裂縫延伸的厚度，如不采取措施可能壓竄Ⅲ-5小層和Ⅳ-1小層，可能造成壓裂后油井水淹，且有早期砂堵的風(fēng)險(xiǎn)，為此采用人工隔層技術(shù)進(jìn)行壓裂。

3.2.1 壓裂施工泵注程序優(yōu)化結(jié)果

X井壓裂施工泵注程序優(yōu)化結(jié)果見表2。

3.2.2 控縫高結(jié)果分析

在相同壓裂施工參數(shù)和施工規(guī)模下，采用常規(guī)壓裂和人工隔層壓裂的裂縫形態(tài)模擬計(jì)算，結(jié)果見圖7～8。

圖7 X井常規(guī)壓裂裂縫形態(tài)示意圖

圖8 X井人工隔層壓裂裂縫形態(tài)示意圖

表2 X井壓裂施工泵注程序優(yōu)化結(jié)果

對比圖7、8結(jié)果可見，常規(guī)壓裂總裂縫高度為 18.0m，既壓開了Ⅲ-7號層以上的Ⅲ-5層，也壓開了Ⅲ-7號層以下的Ⅳ-1號層，而采用人工隔層壓裂后總裂縫高度為12.9m，縫高得到有效控制，上下隔層都不會(huì)被壓竄，保證了壓裂施工的成功，同時(shí)也增加了裂縫長度。

4 結(jié)論

1)裂縫縱向延伸敏感性分析表明，尕斯油田深層儲(chǔ)、隔層地應(yīng)力差和隔層厚度對裂縫高度的影響占主導(dǎo)，施工排量和壓裂液黏度對其的影響較弱。

2)控縫高壓裂技術(shù)主要是通過人工隔層技術(shù)、變排量技術(shù)、調(diào)整壓裂液密度及冷卻地層技術(shù)等使地層的物質(zhì)特性、應(yīng)力差及裂縫韌度在縱向裂縫方向上不同程度地受到遏制，可有效阻礙裂縫在縱向上的延伸。

3)人工隔層技術(shù)能夠很好地控制縫高的延伸，同時(shí)增加裂縫的長度。

[1] 尹 建，郭建春，曾凡輝.低滲透薄互層壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用[J].天然氣與石油，2012，30(6):52-54.YinJian,GuoJianchun,ZengFanhui.ResearchandApplicationofLowPermeabilityandThinInterbedFracturingTechnology[J].NaturalGasandOil, 2012, 30 (6): 52-54.

[2] 李道軒.薄互層低滲透油藏開發(fā)技術(shù)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2007.LiDaoxuan.DevelopmentTechnologyofThinInterbeddedLowPermeabilityReservoir[M].Dongying:ChinaPetroleumofUniversityPress, 2007.

[3] 王宗六，孟祥和，杜寶壇，等.低滲多層薄油層壓裂技術(shù)[J].油氣采收率技術(shù)，1999,6(2):61-66.WangZongliu,MengXianghe,DuBaotan,etal.FracturingTechniquesforThinandLowPermeabilityMultiple-layerReservoir[J].Oil&GasRecoveryTechnology, 1999, 6 (2): 61-66.

[4] 米卡爾·J·?？酥Z米德斯.油藏增產(chǎn)措施[M].3版.張保平，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2002：145-147,372-399.MichaelJEconomides.ReservoirStimulation[M]. 3rded.ZhangBaoping,Trans.Beijing:PetroleumIndustryPress,2002: 145-147, 372-399.

[5] 胡陽明，胡永全，趙金洲，等.裂縫高度影響因素分析及控[5] 縫高對策技術(shù)研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,11(1):28-31. Hu Yangming, Hu Yongquan, Zhao Jinzhou, et al. Analysis of Fracture Height Influence Factors and Study of Height Control Gaming Techniques[J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2009, 11 (1): 28-31.

[6] 胡永全，謝朝陽，趙金洲，等.海拉爾盆地人工隔層控縫高壓裂技術(shù)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,31(1):70-72. Hu Yongquan, Xie Chaoyang, Zhao Jinzhou, et al. Fracturing Height Control by Artificial Barrier in Hailaer Basin[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2009, 31 (1): 70-72.

[7] 周文高，胡永全，趙金洲，等.人工控制壓裂縫高技術(shù)現(xiàn)狀與研究要點(diǎn)[J].天然氣勘探與開發(fā)，2006,29(1):68-73. Zhou Wengao, Hu Yongquan, Zhao Jinzhou, et al. Current Status and Researching Points of Technology of Artificially Controlling Fracture Height[J]. Natural Gas Exploration & Development, 2006, 29 (1): 68-73.

[8] 陳 銳.控縫高水力壓裂人工隔層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2006. Chen Rui. Optimization Design of the Artificial Barrier’s Thickness in Controlling Fracture Height[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2006.

[9] 魏 斌，陳 平，張 冕，等.變排量壓裂技術(shù)及其現(xiàn)場應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2000,22(6):70-71. Wei Bin, Chen Ping, Zhang Mian, et al. Fracturing Technology with Alteration Discharge Capacity and Its Field Application[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2000, 22 (6): 70-71.

[10] 閆海建，楊永釗，賀向軍，等.控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田的應(yīng)用研究[J].中國科技信息，2012,5(8):41-42. Yan Haijian, Yang Yongzhao, He Xiangjun, et al. Study on the Technology of Control Slot Height Fracturing Applied in Wayaobao Oilfield[J]. China Science and Technology Information, 2012, 5 (8): 41-42.

2015-06-30

中國石油大學(xué)(北京)科研項(xiàng)目“砂煤互夾層水力裂縫造縫機(jī)制研究”(2462015YQ0203)

許超蘭(1992-)，女，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.012