王 坤， 葛騰澤， 曾雯婷

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018； 3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

低產(chǎn)油氣井壓裂改造開(kāi)采一段時(shí)間后，壓裂裂縫逐漸失效，導(dǎo)致油氣井產(chǎn)量降低，為了提高單井產(chǎn)量，需要采用重復(fù)壓裂技術(shù)再次進(jìn)行儲(chǔ)層改造[1-7]。國(guó)內(nèi)外重復(fù)壓裂的方式主要有2種：重新張開(kāi)原裂縫和裂縫轉(zhuǎn)向壓裂。其中，裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)能夠有效增大泄流面積，增產(chǎn)效果顯著，在老油田剩余油動(dòng)用、低產(chǎn)井增產(chǎn)方面應(yīng)用較廣。Dowell公司的模擬試驗(yàn)研究表明，初次壓裂裂縫(簡(jiǎn)稱初次裂縫)改變了井眼附近的應(yīng)力場(chǎng)，新裂縫將在垂直于初次裂縫的方位起裂，延伸一定距離發(fā)生轉(zhuǎn)向，與初次裂縫平行延伸；Chevron公司重復(fù)壓裂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，新裂縫方位在初次裂縫方位上偏離30°[8]；國(guó)內(nèi)的大慶、勝利、長(zhǎng)慶等油田廣泛開(kāi)展了老油井裂縫轉(zhuǎn)向壓裂施工作業(yè)，從裂縫監(jiān)測(cè)和改造效果方面證實(shí)了裂縫轉(zhuǎn)向壓裂的可行性[3-4]。但隨著裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工存在轉(zhuǎn)向劑加入后裂縫轉(zhuǎn)向跡象不明顯、轉(zhuǎn)向成功率低和施工工藝不完善等問(wèn)題[9-12]。為此，筆者進(jìn)行了低產(chǎn)油氣井裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)研究，提出了強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向工藝新思路，自主研發(fā)了水溶性轉(zhuǎn)向劑，優(yōu)化了強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工工藝，提高了裂縫轉(zhuǎn)向壓裂的成功率和有效率，并在3口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的增產(chǎn)效果。

1 重復(fù)壓裂技術(shù)原理及存在問(wèn)題

低產(chǎn)油氣井初次壓裂后，地應(yīng)力狀態(tài)受原地應(yīng)力、人工裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)及地層壓力誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)等因素影響[13-16]。重復(fù)壓裂過(guò)程中，壓開(kāi)的初次裂縫周圍會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)，其與原地應(yīng)力場(chǎng)共同作用，在局部形成協(xié)同應(yīng)力場(chǎng)。在這個(gè)協(xié)同應(yīng)力場(chǎng)中，應(yīng)力會(huì)在井筒和初次裂縫周圍的橢圓形區(qū)域內(nèi)二次定向[17-18]，水平方向應(yīng)力隨地層壓力下降而降低，且最大水平主應(yīng)力下降幅度比最小水平主應(yīng)力大。因此，地應(yīng)力發(fā)生變化后，當(dāng)原始最小水平主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力時(shí)，重復(fù)壓裂裂縫就可能發(fā)生轉(zhuǎn)向。

強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)是在重復(fù)壓裂時(shí)應(yīng)用化學(xué)轉(zhuǎn)向劑對(duì)初次裂縫進(jìn)行暫堵，當(dāng)縫內(nèi)凈壓力超過(guò)水平方向應(yīng)力差時(shí)，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成新的裂縫，在油氣層中形成新的油氣流通道;對(duì)新縫進(jìn)行改造，可以溝通、動(dòng)用剩余油氣富集區(qū)和動(dòng)用程度低甚至未動(dòng)用的儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)油氣井增產(chǎn)的目的(見(jiàn)圖1)。

圖1 裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂裂縫轉(zhuǎn)向示意Fig.1 Diagram of fracture re-orientation

隨著裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，形成了多縫轉(zhuǎn)向壓裂、暫堵體積壓裂和暫堵酸壓等重復(fù)壓裂技術(shù)，并取得了顯著的增產(chǎn)效果。但是轉(zhuǎn)向劑采用傳統(tǒng)的人工加入方式，加入速度依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)控制。若轉(zhuǎn)向劑加入速度過(guò)慢，未在原裂縫內(nèi)形成橋堵，井口壓力無(wú)升高跡象；若轉(zhuǎn)向劑加入速度過(guò)快，會(huì)造成砂堵，導(dǎo)致施工不連續(xù)。

2 強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)

在分析常規(guī)轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，以提高裂縫轉(zhuǎn)向成功率為目標(biāo)，優(yōu)化了裂縫轉(zhuǎn)向壓裂施工工藝，研制了水溶性轉(zhuǎn)向劑，形成了強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)。

2.1 工藝原理

強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂首先通過(guò)計(jì)算重復(fù)壓裂目的層最大和最小水平主應(yīng)力差，確定能夠滿足裂縫轉(zhuǎn)向所需的最高限定壓力。壓裂過(guò)程中在前置液階段開(kāi)啟初次裂縫后加入水溶性轉(zhuǎn)向劑，轉(zhuǎn)向劑在裂縫或近井地帶堆積橋堵產(chǎn)生升壓效應(yīng)[19-22]，直至井口壓力達(dá)到限定最高壓力后停泵，隨后通過(guò)多次啟泵，瞬間提高縫內(nèi)壓力達(dá)到新裂縫開(kāi)啟所需的壓力，強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向，從而形成新的油氣流通道。

2.2 水溶性轉(zhuǎn)向劑

常規(guī)油井用轉(zhuǎn)向劑是以石蠟、松香為骨架形成的顆粒材料，遇油后溶解，能夠滿足常規(guī)油井轉(zhuǎn)向壓裂要求，但不適用于氣井。結(jié)合強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂工藝特點(diǎn)，以水溶性樹(shù)脂和天然植物膠等為原料，研制了一種適用于氣井低溫條件(地層溫度小于70 ℃)的組合粒徑顆粒水溶性轉(zhuǎn)向劑ZJ-1。ZJ-1的體積密度0.90～1.00 g/cm3，視密度1.05～1.15 g/cm3，軟化溫度50 ℃，65 ℃下溶解時(shí)間為183 min，水不溶物0.15%，突破壓力可達(dá)13.8 MPa，較常規(guī)油氣層水平方向應(yīng)力差高，能夠滿足裂縫轉(zhuǎn)向的承壓要求。

轉(zhuǎn)向劑ZJ-1具有以下特點(diǎn)：1)常溫條件下具有一定強(qiáng)度，不粘泵、易于泵送；2)地層溫度下可產(chǎn)生變形，且變形后有一定承壓強(qiáng)度，具有塑性特征；3)可在壓裂液或破膠液中溶解，排液過(guò)程中轉(zhuǎn)向劑易解除。

2.3 壓裂液優(yōu)選

室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明，水溶性轉(zhuǎn)向劑ZJ-1與瓜膠壓裂液、聚合物壓裂液及清潔壓裂液等常用壓裂液的配伍性好，水不溶物含量低，對(duì)儲(chǔ)層傷害小。因此，主要考慮施工區(qū)塊的儲(chǔ)層地質(zhì)特征來(lái)優(yōu)選壓裂液。

2.4 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)適用性強(qiáng)，能夠適用于低產(chǎn)油氣井重復(fù)壓裂的各種工藝。單井壓裂施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層物性條件和人工裂縫最佳長(zhǎng)度所需的施工規(guī)模、排量等確定。裂縫轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵是確定滿足裂縫轉(zhuǎn)向所需的限定最高壓力，其可以根據(jù)目的層最大和最小水平主應(yīng)力差、設(shè)計(jì)施工排量下裂縫延伸壓力和附加安全壓力求取，計(jì)算公式為：

pl=pe+|σx-σy|+pb

(1)

式中：pl為裂縫轉(zhuǎn)向所需的施工限定最高壓力，MPa；pe為裂縫延伸壓力，MPa；σx和σy分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；pb為附加安全壓力，MPa。

2.5 施工流程

強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂的施工流程為：

1) 根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算目的層的最大和最小水平主應(yīng)力差，結(jié)合初次裂縫延伸壓力，確定滿足裂縫轉(zhuǎn)向所需的限定最高壓力；

2) 前置液階段注入壓裂液開(kāi)啟初次裂縫；

3) 降低壓裂液注入排量，加入水溶性轉(zhuǎn)向劑ZJ-1，轉(zhuǎn)向劑產(chǎn)生橋堵作用在老縫內(nèi)形成憋壓，直至井口施工壓力達(dá)到裂縫轉(zhuǎn)向所需的施工限定最高壓力，壓裂機(jī)組停泵；

4) 反復(fù)啟停泵，脈沖式泵入壓裂液，在裂縫內(nèi)反復(fù)憋壓，裂縫內(nèi)凈壓力大于最大和最小水平主應(yīng)力差時(shí)即滿足新縫開(kāi)啟條件，裂縫轉(zhuǎn)向產(chǎn)生新裂縫。

2.6 技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)相比，強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1) 轉(zhuǎn)向成功率高。施工壓力達(dá)到壓裂前計(jì)算的限定最高壓力后，反復(fù)啟停泵進(jìn)行脈沖式憋壓，從而實(shí)現(xiàn)裂縫的強(qiáng)制轉(zhuǎn)向，大幅提高了裂縫轉(zhuǎn)向的成功率。

2) 轉(zhuǎn)向劑用量少。不需要控制轉(zhuǎn)向劑加入速度，加入少量的高濃度轉(zhuǎn)向劑即可實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)憋壓，轉(zhuǎn)向劑用量較傳統(tǒng)方式大幅降低。

3) 適用性強(qiáng)。低產(chǎn)油氣井高水平應(yīng)力差儲(chǔ)層均適用該技術(shù)；可利用混砂車絞籠系統(tǒng)代替人工加入轉(zhuǎn)向劑，這樣可利用絞籠轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)向劑加入速度，消除了人工加入速度的不穩(wěn)定性；施工限定最高壓力低于壓裂車組、壓裂井口及地面管匯的耐壓等級(jí)，對(duì)設(shè)備、井口、管線無(wú)損害，適用性強(qiáng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 總體試驗(yàn)情況

DJ氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，主要采用直井開(kāi)發(fā)，主力氣層為山西組山23段，氣藏埋深2 000.00～2 500.00 m，中部深度約為2 250.00 m，孔隙度1.8%～8.9%，平均為5.6%；滲透率0.05～0.70 mD，平均為0.20 mD，地層壓力系數(shù)0.78～0.89，地層溫度60～70 ℃，是典型的低壓、低孔、低滲透儲(chǔ)層。儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，部分位于構(gòu)造高點(diǎn)或“甜點(diǎn)區(qū)”的氣井壓裂后產(chǎn)量高，平均單井產(chǎn)氣量大于2×104m3/d，而儲(chǔ)層物性差、氣層有效厚度小的氣井壓裂后產(chǎn)量遞減快，生產(chǎn)1～3月后產(chǎn)氣量即低于工業(yè)氣流。

DJ氣田3口井應(yīng)用了強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)，平均單井轉(zhuǎn)向劑用量340 kg，加入轉(zhuǎn)向劑后井口油壓平均上升幅度達(dá)到12.8 MPa，壓裂后平均單井日增產(chǎn)氣量3 000 m3，取得了顯著的增產(chǎn)效果(見(jiàn)表1)。下面以DJ3-2井為例對(duì)該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

表1 強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

3.2 DJ3-2井實(shí)例分析

DJ3-2井是DJ氣田的一口開(kāi)發(fā)井，目的層為山西組山23段，氣藏埋深2 223.00～2 226.50 m，氣層有效厚度3.50 m，孔隙度6.5%，滲透率0.30 mD，測(cè)井解釋為差氣層。該井初次壓裂改造時(shí)，采用了瓜膠壓裂液，施工排量3.8 m3/min，加砂量23.7 m3，入地液量313.5 m3，平均砂比17.8%，初次壓裂施工曲線如圖2所示。

圖2 DJ3-2井初次壓裂施工曲線Fig.2 Initial fracturing curve of Well DJ3-2

DJ3-2井位于河道邊緣，目的層最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W向，與河道走向一致，裂縫僅能沿砂體邊緣延伸，初次壓裂改造后無(wú)阻流量為0.86×104m3/d，轉(zhuǎn)向壓裂前產(chǎn)氣量已低于3 000 m3/d。為溝通河道中部厚砂體，提高該井產(chǎn)能，擬對(duì)該井實(shí)強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)。

3.2.1 可行性分析

重復(fù)壓裂可行性主要考慮以下2方面：

1) 重復(fù)壓裂后增產(chǎn)的可行性。首先分析鄰井的生產(chǎn)情況，DJ3-2井所在井組共有3口開(kāi)發(fā)井，位于河道中部的同層位2口鄰井初次壓裂后無(wú)阻流量為1.2×104和1.5×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量分別達(dá)到32×104和54×104m3。DJ3-2井初次壓裂后無(wú)阻流量?jī)H為0.86×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量7×104m3。因此，可通過(guò)轉(zhuǎn)向壓裂溝通河道中部有利砂體，從而提高單井產(chǎn)氣量。

2) 轉(zhuǎn)向壓裂工藝實(shí)施的可行性。最大和最小水平主應(yīng)力隨氣井生產(chǎn)和地層壓力下降而降低，最大水平主應(yīng)力的降低幅度往往比最小水平主應(yīng)力大?？紤]到極端狀況，以新井初期的最大和最小水平主應(yīng)力差為臨界點(diǎn)，當(dāng)縫內(nèi)凈壓力超過(guò)新井初期的最大和最小水平主應(yīng)力差時(shí)，人工裂縫可以轉(zhuǎn)向。DJ3-2井巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，目的層最小水平主應(yīng)力為44.8 MPa，最大水平主應(yīng)力為53.6 MPa，最大和最小水平主應(yīng)力差為8.8 MPa。因此通過(guò)人工干預(yù)的方式，加入轉(zhuǎn)向劑將縫內(nèi)凈壓力提高8.8 MPa以上即滿足裂縫轉(zhuǎn)向的要求。因此，實(shí)施轉(zhuǎn)向壓裂具有可行性。

3.2.2 配套壓裂液

壓裂液選用有機(jī)硼交聯(lián)劑羥丙基瓜膠壓裂液，破膠劑為過(guò)硫酸銨，加量為0.3%～0.5%。壓裂液在地層溫度65 ℃下，以170 s-1剪切速率剪切120 min后的黏度為120 mPa·s，壓裂液破膠液的表面張力為27.6 mN/m，破膠液殘?jiān)?16 mg/L，破膠液黏度3.4 mPa·s，破膠液對(duì)巖心的傷害率21.6%，表明壓裂液具有較好的攜砂、抗剪切和破膠性能。

3.2.3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

DJ3-2井重復(fù)壓裂以開(kāi)啟老縫后造新縫為主，設(shè)計(jì)施工排量2.5～3.0 m3/min，加砂量4.5 m3/m，平均砂比15%。為保證裂縫轉(zhuǎn)向效果，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向劑在前置液階段分2級(jí)加入，第1級(jí)加入200 kg，第2級(jí)加入250 kg，轉(zhuǎn)向劑攜帶液70 m3。

初次壓裂施工排量3.8 m3/min下裂縫延伸壓力在60.0 MPa左右，計(jì)算設(shè)計(jì)排量3.0 m3/min下裂縫延伸壓力約為53.0 MPa，通過(guò)測(cè)井曲線計(jì)算的最大和最小水平主應(yīng)力差為8.8 MPa。因此，滿足裂縫轉(zhuǎn)向所需的限定最高壓力為61.8 MPa，附加1.2 MPa安全壓力，確定施工限定最高壓力為63.0 MPa。

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工

DJ3-2井施工過(guò)程按照設(shè)計(jì)在前置液階段泵注30 m3瓜膠壓裂液開(kāi)啟初次裂縫后，將施工排量降至2.0 m3/min(A點(diǎn))。緩慢加入轉(zhuǎn)向劑，第1級(jí)轉(zhuǎn)向劑加入200 kg，加入速度30 kg/min，其進(jìn)入地層后井口未見(jiàn)明顯升壓跡象；第2級(jí)轉(zhuǎn)向劑加入速度提高至105 kg/min，轉(zhuǎn)向劑進(jìn)入地層后井口施工壓力快速上升，壓力升至63.0 MPa后超壓停泵(B點(diǎn))。隨后反復(fù)啟停泵，脈沖式注入壓裂液，采用間歇式啟泵超壓，瞬間提高縫內(nèi)壓力達(dá)到裂縫轉(zhuǎn)向所需凈壓力后強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向，憋壓3次后井口油壓顯示有新縫開(kāi)啟的特征(C點(diǎn))。

加入轉(zhuǎn)向劑后地面施工壓力升幅超過(guò)15.0 MPa，遠(yuǎn)高于裂縫轉(zhuǎn)向所需的最大和最小水平主應(yīng)力差8.8 MPa，滿足初次壓裂裂縫轉(zhuǎn)向開(kāi)啟新裂縫的條件。

對(duì)比轉(zhuǎn)向劑加入前后壓力的變化情況，轉(zhuǎn)向劑加入前，施工排量為3.0 m3/min時(shí)裂縫延伸壓力49.0 MPa(A點(diǎn))，加入轉(zhuǎn)向劑后，施工排量為2.7 m3/min時(shí)裂縫延伸壓力達(dá)到60.0 MPa(C點(diǎn)),初步判斷加入轉(zhuǎn)向劑后有新縫開(kāi)啟(見(jiàn)圖3)。

圖3 強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing curve by the re-fracturing techniqueusing forced fracture re-orientation

為進(jìn)一步判斷新縫是否開(kāi)啟，對(duì)加入轉(zhuǎn)向劑后井口施工壓力達(dá)到限定最高壓力后的壓降曲線進(jìn)行分析。通過(guò)壓降曲線G函數(shù)分析，對(duì)地面壓力疊加導(dǎo)數(shù)作切線，與正常濾失數(shù)據(jù)部分重合后，發(fā)現(xiàn)壓力疊加導(dǎo)數(shù)特性曲線有非常明顯的“隆起”，表明重復(fù)壓裂時(shí)在原有裂縫的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的裂縫(見(jiàn)圖4)。

圖4 壓降曲線G函數(shù)分析Fig.4 Analysis of G function pressuredecline curve

DJ3-2井重復(fù)壓裂改造共加砂24.0 m3，壓裂前產(chǎn)氣量為1 200 m3/d，井口油壓0.8 MPa，間歇式開(kāi)井。重復(fù)壓裂后井口油壓3.5 MPa，產(chǎn)氣量保持在6 000 m3/d，日產(chǎn)氣量增加4 800 m3，重復(fù)壓裂取得了顯著效果。測(cè)井曲線表明，目的層上下并無(wú)其他氣層，增產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于轉(zhuǎn)向所形成的新裂縫，表明強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了裂縫轉(zhuǎn)向、開(kāi)啟新縫、提高單井產(chǎn)量的目的。

4 結(jié) 論

1) 現(xiàn)場(chǎng)施工表明，強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)作為重復(fù)壓裂增產(chǎn)的一項(xiàng)技術(shù)手段，能夠提高低產(chǎn)油氣井單井產(chǎn)量。

2) 強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)具有轉(zhuǎn)向成功率高、轉(zhuǎn)向劑用量少和適用性強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)，提高了裂縫轉(zhuǎn)向壓裂的成功率和有效率，增產(chǎn)效果顯著。

3) 轉(zhuǎn)向劑的加入速度是保證裂縫轉(zhuǎn)向成功的重要參數(shù)，需進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)向劑加入速度與裂縫轉(zhuǎn)向成功率的相關(guān)性，以提高裂縫轉(zhuǎn)向壓裂的改造效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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