谷文彬 裴玉彬 趙安軍 王濤 蔡軍 吳凱凱

1. 中國石油華北油田公司勘探事業(yè)部；2. 山東科瑞石油工程技術研究院

人工隔層技術在控縫高壓裂井中的應用

谷文彬1裴玉彬2趙安軍1王濤2蔡軍1吳凱凱2

1. 中國石油華北油田公司勘探事業(yè)部；2. 山東科瑞石油工程技術研究院

壓裂施工中，如果隔層的遮擋能力較差，裂縫就會穿過隔層，含水層離產層較近的情況下還會引起含水急劇上升，影響壓裂效果，甚至造成壓裂失敗。為了提高壓裂作業(yè)的成功率，對縫高控制技術進行深入研究，實驗分析了人工隔層上轉向劑和下轉向劑的上率浮、沉降率、上浮相對速率、沉降相對速率及隔層應力提高率，優(yōu)選出了上轉向劑KR2（上浮率為97%，上浮相對速率1.78，突破壓力提高7.23 MPa）和下轉向劑KR4（沉降率為98%，沉降相對速率1.83，突破壓力提高6.29 MPa）?，F(xiàn)場試驗中，上轉向劑的加入很好控制了裂縫在高度上的延伸，控縫高效果顯著，人工裂縫高度降低2.7 m且未壓穿水層，為以后控縫高壓裂井的施工提供了很好的參考。

水力壓裂；人工隔層；上轉向劑；突破壓力；控縫高

水力壓裂是油氣井增產改造的重要技術措施，廣泛應用于低滲透、特低滲透油氣藏的開發(fā)［1-2］。水力壓裂施工中，如何有效地控制裂縫在高度方向上的增長是較為重要的，當壓裂目的層比較薄，遮擋層的遮擋能力較差時，壓裂裂縫可能會穿透隔層［3］。如果含水層離產層較近，還會引起含水的急劇上升，影響壓裂施工的效果，嚴重時可能導致壓裂失?。?］。為了保證壓裂措施的成功，必須有效控制壓裂裂縫高度，將縫高控制在壓裂目的層附近［5］。1983年，Nguye等提出在氣水隔層壓裂時，為了防止壓穿上下隔層造成縫高方向的失控，首次提出利用人工隔層來控制裂縫在高度方向的增長［6］；Mukherjee等研究了人工隔層放置技術［7］。國內壓裂控縫高技術的理論研究還較少，主要是在國外研究的基礎上做了一些分析探討。周文高等對4個影響裂縫高度的因素進行了研究，在分析控縫高原理的基礎上，對轉向劑的性能提出了要求［8］；西南石油大學胡永全等對上轉向劑控制裂縫高度的延伸進行了實驗研究，上轉向劑形成的人工隔層有一定阻擋作用，實驗中的阻抗值為5.32～13.39 MPa/m［9］。筆者對人工隔層用上轉向劑和下轉向劑的上浮率、沉降率、上浮相對速率、沉降相對速率及隔層應力提高率進行了實驗研究，優(yōu)選出了符合現(xiàn)場應用的上轉向劑和下轉向劑，并進行了現(xiàn)場試驗。

1 實驗部分

Experiment

1.1 實驗儀器及試劑

Experimental apparatus and reagent

實驗儀器：巖心破裂壓力實驗儀（自制），HJ-6多頭磁力加熱攪拌器（常州國華電器有限公司），電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9030A（上海精密實驗設備有限公司），BSA423S電子天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司），玻璃皿，干燥器等。

材料與試劑：上轉向劑KR1、KR2（實驗室自制），下轉向劑 KR3、KR4、KR5、KR6，氯化鉀（分析純）等（見表 1）。

表1 不同轉向劑材料編號Table 1 Material No. of different diversion agents

1.2 實驗方法及步驟

Experimental method and procedure

1.2.1 上轉向劑上浮實驗 轉向劑在裂縫中的上浮速率是上轉向劑的重要參數(shù)之一。施工過程中，如果上轉向劑以過快速度上升，較難在預定位置完全形成人工隔層；如果以過慢速度上升，到達目的地時上轉向劑仍留在攜帶液中保持分散狀態(tài)，這樣上轉向劑就失去了阻擋作用［9］。實驗中測定了待選上轉向劑的上浮相對速率和上浮率。

實驗方法：將上轉向劑KR1和KR2分別加入到攜帶液中，攪拌均勻后稱取一定量的上述液體倒入量筒中，用電子秒表記錄上浮時間（直至無固體顆粒上浮為止），分離過濾，將上轉向劑KR1和KR2倒入玻璃皿中均勻鋪開，將玻璃皿放入電熱恒溫干燥箱中，在100 ℃下烘3 h，取出玻璃皿，放置于干燥器中，冷卻至室溫（不得少于30 min）后稱量。

上轉向劑的上浮相對速率由上浮時間和上浮率求出，上浮率的計算公式為

式中，L為上浮率；W為上轉向劑固相顆粒的質量分數(shù)，%；m1為上轉向劑的質量，g；m2為上浮的上轉向劑固相顆粒的質量，g。

1.2.2 下轉向劑沉降實驗 下轉向劑本身性質是工藝成敗的重要因素，適宜的沉降速度是下轉向劑重要的性能參數(shù)［10］。施工過程中，如果下轉向劑以較快速度沉降，則易大量沉積，阻塞管道和砂堵；如果下降速度過慢，下轉向劑到達目的地時依舊在攜帶液中保持懸浮狀態(tài)，失去了遮擋作用。實驗中測定了待選下轉向劑的沉降相對速率和下沉率。

實驗方法：將1.2.1中的上轉向劑改為下轉向劑 KR3、KR4、KR5、KR6，用電子秒表記錄沉降時間（直至無固體顆粒沉降為止），其他實驗步驟同1.2.1。計算公式中，將上轉向劑改為下轉向劑，下轉向劑的下沉相對速率由下沉時間和下沉率求出。

1.2.3 突破壓力實驗 上、下轉向劑是人工隔層控縫高的重要材料，控縫高劑本身的性質對人工隔層阻擋能力有較大的影響，人工隔層阻擋能力直接影響壓裂過程中縫高的增長，因此有必要優(yōu)選合適的控縫高劑［11-15］。為了優(yōu)選合適的控縫高劑，開展了控縫高實驗研究。實驗中對2種上轉向劑和4種下轉向劑進行了控縫高流動實驗，測定了不同控縫高劑對隔層應力的影響。實驗方法如下。

（1）將加控縫高劑的活性水以及活性水分別注入人造巖心裂縫，對加控縫高劑和不加控縫高劑的巖心進行阻擋能力測定，對比其突破壓力提高值。

閱人無數(shù)的秦鐵崖，一句話就讓喬十二郎心神安穩(wěn)下來。喬十二郎默想：江云飛？表姐心中、口中念念不忘的那位大英雄？雖說從未謀面，卻是景仰已久。表姐羅香無數(shù)次說起，江云飛是何等神勇，何等瀟灑，一柄長劍能完美演繹“巫山十二劍”，看遍江湖，唯其一人。

（2）將需要測試的不同種類控縫高劑和活性水注入預制裂縫的人造巖心，控縫高劑在巖心裂縫中形成阻擋層，對處理好的巖心進行阻擋能力測定，對比不同控縫高劑的突破壓力提高值。

實驗條件：水力壓裂的三向圍壓為5 MPa，在排量為2 mL/min條件下維持5 min，然后增大排量為6 mL/min，測定轉向劑的突破壓力。實驗用巖心為不同比例的水泥、砂子制作的預置裂縫人造巖心。

2 實驗結果及分析

Experimental result and its analysis

2.1 上浮沉降實驗結果

Results of floatation and settlement experiments

實驗結果見表1，可以看出，不同的轉向材料有不同的上浮、沉降相對速率和上浮率、沉降率，上轉向劑KR2比KR1有更好的上浮率、上浮相對速率，KR2的上浮率為97%，上浮相對速率1.78，上浮相對速率提高了78%；在測定的4種下轉向劑中，下轉向劑KR4有最好的沉降率、沉降相對速率，KR4的沉降率為98%，沉降相對速率1.83。通過以上實驗優(yōu)選出了壓裂控縫高用的控縫高劑上轉向劑KR2和下轉向劑KR4。

表2 上浮沉降實驗結果Table 2 Results of floatation and settlement experiments

2.2 突破壓力實驗結果

Results of breakthrough pressure experiment

上轉向劑KR1、KR2壓裂曲線如圖1所示，可以看出，KR2有較好的阻擋作用，突破壓力為12.65 MPa，提高了7.23 MPa；KR1阻擋能力相對較差，突破壓力為9.01 MPa，提高3.59 MPa。

下轉向劑KR3、KR4壓裂曲線如圖2所示，可以看出，KR4有較好的阻擋作用，突破壓力為11.71 MPa，提高了6.29 MPa；KR3阻擋能力略差于下轉向劑KR4，突破壓力為11.2 MPa，提高了5.68 MPa。

突破壓力實驗結果見表3，優(yōu)選出最優(yōu)的上轉向劑KR2和下轉向劑KR4，上轉向劑KR2突破壓力提高了7.23 MPa，下轉向劑KR4突破壓力提高6.29 MPa。

表3 突破壓力實驗結果表Table 3 Results of breakthrough pressure experiment

3 現(xiàn)場應用實例

Field application case

實驗選出的轉向劑，已在華北油田冀中和二連2個探區(qū)5口井中得到成功運用，其中包括4口井控上縫高，1口井控下縫高，表明該技術在類似需要控縫高儲層改造的油氣井中，具有推廣應用價值。在饒陽凹陷肅寧油田A井區(qū)M井進行了現(xiàn)場試驗，上轉向劑KR2在控縫高方面取得了良好的效果?，F(xiàn)對M井的現(xiàn)場施工進行介紹及分析。

圖1 上轉向劑KR1、KR2壓裂曲線Fig. 1 Fracturing curve of floating diversion agents KR1 and KR2

圖2 下轉向劑KR3、KR4壓裂曲線Fig. 2 Fracturing curve of settling diversion agents KR3 and KR4

3.1 M井基本情況及分析

Basic situation of Well M and its analysis

M井是冀中坳陷饒陽凹陷肅寧構造帶的一口評價井，目的層49號小層（3 206.2～3 208.4 m），有效厚度為2.2 m，有效孔隙度為19.4%，滲透率為39.4 mD，含油飽和度為53%，表現(xiàn)出中孔低滲特征。從表4可以看出，壓裂目的層49號小層層薄、下隔層遮擋好，但是目的層以上10.0 m處為水層，且目的層與上隔層的地應力差最小僅為1.8 MPa，縫高難以控制，因此有必要使用上轉向劑進行壓裂縫高控制。

表4 M井綜合測井解釋Table 4 Comprehensive logging interpretation of Well M

3.2 壓前裂縫高度評價

Evaluation on pre-fracturing fracture height

M井儲層與上隔層地應力差小，且隔層附近有水層，需要對縫高進行控制［13］。根據(jù)壓裂施工要求，調整相關參數(shù)進行優(yōu)化模擬，結果發(fā)現(xiàn)，只靠調整參數(shù)不能完成縫高的有效控制。實驗測定的上轉向劑KR2能較好地提高隔層的隔層應力，因此選用上轉向劑進行了縫高控制。壓前利用壓裂軟件FracProPT對加入上轉向劑后和未加上轉向劑的壓裂施工參數(shù)進行了模擬（加入上轉向劑后比未加上轉向劑前，增加4 MPa的隔層應力）。模擬中選取優(yōu)化的排量、加砂量等參數(shù)，模擬結果如圖3、圖4所示。

目的層井段3 206.2～3 208.4 m，離上部水層僅為10.0 m。壓裂軟件FracProPT模擬結果表明，若不加上轉向劑，人工裂縫長度為67.9 m，裂縫高度為16.7 m，裂縫頂部深度3 194.7 m（水層底界3 196.2 m）已壓穿水層。然而，加入上轉向劑后，人工裂縫長度為76.4 m，裂縫高度為14 m，裂縫頂部深度3 197.4 m（水層底界3 196.2 m）未壓穿水層，有效控制了壓裂裂縫的縫高。

3.3 效果分析

Effect analysis

（1）壓裂施工中，正擠前置液35 m（3其中2 m3上轉向劑），正擠攜砂液 46.83 m3，陶粒 8.85 m3，砂比21.04%，泵注頂替液14.90 m3。總砂量為8.85 m3，總液量為110.5 m3，破裂壓力為63.4 MPa，停泵油壓23.47 MPa。施工曲線如圖5所示。

圖3 未加上轉向劑的FracProPT模擬Fig. 3 FracProPT simulation without floating diversion agent

圖4 加上轉向劑的FracProPT模擬Fig. 4 FracProPT simulation with floating diversion agent

圖5 M井壓裂施工曲線Fig. 5 Fracturing curve of Well M

（2）根據(jù)微地震監(jiān)測得出，M井目的層段改造體積約為13×103m3，表面積為40×103m2；壓裂監(jiān)測結果見表5［16-18］。壓前壓后井溫測井曲線如圖6所示，縫高范圍為3 202～3 212 m，裂縫上縫高為3 202 m，軟件模擬的縫高范圍為3 197.4～3 211.4 m，上縫高為3 197.4 m。軟件模擬的下縫高與井溫測井曲線實測的下縫高基本相似，上縫高有一定偏差。根據(jù)以上結果可知，上轉向劑對縫高有較好的控制，實際施工的效果好于軟件預測的結果。47號水層深度為3 192.0～3 196.2 m，實測上縫高為3 202 m，距離水層底界5.8 m，上轉向劑的加入很好地控制了裂縫在高度上的延伸，取得了良好的控縫高效果［19-20］。M井壓裂前日產原油2.6 m3/d，壓后產油未見明水，僅含微量乳化水，抽汲定產日產原油6.12 m3/d，日增油3.52 m3，增產效果明顯。

表5 49號小層微地震裂縫監(jiān)測結果Table 5 Micro seismic fracture monitoring result of 49#

圖6 壓前壓后井溫測井曲線Fig. 6 Temperature log before and after the fracturing

4 結論

Conclusions

（1）通過上轉向劑上浮實驗和下轉向劑沉降實驗，測定了上轉向劑的上浮相對速率、上浮率和下轉向劑的下沉相對速率、下沉率。實驗結果表明，上轉向劑KR2有較好的上浮率，上浮率為97%，上浮相對速率1.78；下轉向劑KR4有較好的沉降率，沉降率為98%，沉降相對速率1.83。

（2）通過控縫高流動實驗測定了轉向劑的突破壓力，實驗結果可以看出，上轉向劑KR2有較好的阻擋作用，突破壓力12.65 MPa，提高7.23 MPa，下轉向劑KR4也有較好的阻擋作用，突破壓力11.71 MPa，提高6.29 MPa。

（3）優(yōu)選的上轉向劑KR2在M井進行了現(xiàn)場試驗，壓后分析得出，壓裂裂縫縫高10 m，上縫高距離水層底界5.8 m，上轉向劑的加入取得了良好的控縫高效果。

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（修改稿收到日期 2017- 08-26）

〔編輯 李春燕〕

Application of artificial barrier technology to fracture height control in fracturing wells

GU Wenbin1, PEI Yubin2, ZHAO Anjun1, WANG Tao2, CAI Jun1, WU Kaikai2

1. Exploration Department,CNPC Huabei Oil field Company,Renqiu062550,Hebei,China;
2. Shandong Kerui Petroleum Engineering and Technology Research Institute,Dongying257029,Shandong,China

In the process of fracturing, fractures can run through barriers whose their barrier capacity is poorer. And if the aquifer is closer to the producing zone, water cut will rise sharply and fracturing effect will be impacted and even fail. To increase the success ratio of fracturing operation, the fracture height control technology was studied deeply in this paper. The floating diversion agent and settling diversion agent of artificial barrier were experimentally analyzed in terms of floating rate, settling rate, relative floating speed, relative settling speed and barrier stress improvement rate. And accordingly, floating diversion agent KR2 (floating rate 97%, relative floating speed 1.78 and breakthrough pressure increase 7.23 MPa) and settling diversion agent KR4 (settling rate 98%, relative settling speed 1.83 and breakthrough pressure increase 6.29 MPa) were adopted. In the field test, the adding of floating diversion agent implements the best control on fracture height extension, presenting remarkable fracture height control effect. It can be used as the reference for the construction of fracturing wells with fracture height control.

hydraulic fracturing; artificial barrier; floating diversion agent; breakthrough pressure; fracture height control

∶

谷文彬，裴玉彬，趙安軍，王濤，蔡軍，吳凱凱.人工隔層技術在控縫高壓裂井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：646-651.

TE357.1

A

1000 – 7393（ 2017 ） 05 – 0646 – 06 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.020

谷文彬（1983-），1987年畢業(yè)于武漢地質學院石油地質專業(yè)，獲工學學士學位，現(xiàn)從事石油天然氣地質研究，高級工程師。通訊地址：（062552）河北省任丘市華北油田勘探部。E-mail：ktb_gwb@petrochina.com.cn

: GU Wenbin, PEI Yubin, ZHAO Anjun, WANG Tao, CAI Jun, WU Kaikai. Application of artificial barrier technology to fracture height control in fracturing wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 646-651.