李川 張翔 杜現(xiàn)飛 唐梅榮 王廣濤 李昌恒

中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

鄂爾多斯盆地致密油資源豐富，總資源量達(dá)20億t。近年來，通過借鑒以北美Bakken高壓致密油藏為代表的非常規(guī)油氣藏開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗［1-4］，開展工廠化作業(yè)、叢式井鉆完井、大排量體積壓裂等新工藝試驗［5］，盆地Ⅰ類致密油儲層實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，效益顯著。但盆地長7致密油Ⅱ類儲層脆性指數(shù)偏低（40.3%）、水平兩向應(yīng)力差較大（7.6 MPa），不利于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫［6］。前期采用常規(guī)混合水壓裂改造35口井，平均試油日產(chǎn)油5.1 t，投產(chǎn)后日產(chǎn)油不足1 t，效果不理想，亟需探索新型壓裂技術(shù)。受到室內(nèi)循環(huán)應(yīng)力加載物模實驗的啟發(fā)，開展了循環(huán)應(yīng)力壓裂新工藝技術(shù)試驗，初步實現(xiàn)了致密油Ⅱ類儲層的有效改造，開辟了提高致密油單井產(chǎn)量的新途徑。

1 室內(nèi)物模實驗

前人采用物理模擬試驗，驗證了提高縫內(nèi)凈壓力可以使砂巖形成復(fù)雜裂縫［7］。本次實驗分別采用單軸循環(huán)應(yīng)力加載和循環(huán)泵注物模實驗，驗證循環(huán)應(yīng)力加載對儲層的影響。

1.1 巖心循環(huán)應(yīng)力實驗

實驗采用的試件為直徑25 mm，長度50 mm的小圓柱體。對2塊取自同一井深以及同一塊取心試件上的巖樣（HS油田L(fēng)37井1 792 m，巖心孔隙度6.1%、滲透率0.05 mD，密度2.57 g/cm3，彈性模量26118 MPa、泊松比 0.21），分別做直線應(yīng)力加載（A#）和循環(huán)應(yīng)力加載（B#）實驗。

A#實驗采用單軸加載，圍壓為0 MPa，軸向應(yīng)力加載速率74 N/s，采用線性增加的方式，當(dāng)壓力到達(dá)79 MPa時，巖心發(fā)生破壞（圖1a）。

B#實驗循環(huán)應(yīng)力加載，圍壓為0 MPa，采用負(fù)荷控制，加載速率74 N/s，初始的峰值應(yīng)力為48 MPa，此后循環(huán)的峰值載荷逐次增加2 MPa，加載頻率為6次/h，當(dāng)循環(huán)到第16次時試件發(fā)生破壞（圖1b）。

物模實驗表明：循環(huán)應(yīng)力加載下的破壞是一個損傷累積的過程，在循環(huán)應(yīng)力作用下，微裂紋形成并不斷增加，試件破而不碎，其完整部分在載荷的作用下不斷產(chǎn)生新的裂隙，當(dāng)試件的完整部分不能承受載荷時，前期形成的大量微裂縫相互連通，形成形態(tài)復(fù)雜的宏觀裂縫。

圖1 直線加載與循環(huán)加載試件的破壞形態(tài)對比Fig. 1 Failure shape comparison between the sample with linear loading and that with cyclic loading

通過對比單向加載和循環(huán)應(yīng)力加載后的實驗結(jié)果可以看出，循環(huán)應(yīng)力下巖心試件所產(chǎn)生的破碎程度遠(yuǎn)比單向應(yīng)力加載要高得多；B#巖心加載達(dá)到第16次時發(fā)生破碎，表明形成的復(fù)雜裂縫是多次累加的結(jié)果。

1.2 循環(huán)應(yīng)力泵注物模實驗

物模實驗系統(tǒng)由大尺寸巖石三軸力學(xué)性質(zhì)試驗架、雙腔恒速恒壓計量泵、氣動控制系統(tǒng)、液壓站、聲發(fā)射儀及其他輔助裝置組成，可測試最大尺寸為30 cm×30 cm×60 cm的試件。該系統(tǒng)采用真三軸加載方式，使實驗試件的受力狀況盡可能接近實際油層的受力狀況（圖2）。

選取水泥試件進(jìn)行了壓裂模擬實驗，2組實驗的三軸應(yīng)力狀態(tài)均為18、12、6 MPa，采用胍膠基液作為壓裂介質(zhì)，并分為常規(guī)注入壓裂和循環(huán)升壓式泵注2組（詳細(xì)實驗參數(shù)見表1）。該實驗的目的主要是為了對比循環(huán)泵注和直接泵注所產(chǎn)生的裂縫形態(tài)的差異。1#試件采用直線泵注方式壓裂，注入排量2.0 mL/min，壓力在6 min時突然降低，之后壓力緩慢抬升，無明顯波動；2#試件采用循環(huán)泵注的方式壓裂，注入排量0～3.0 mL/min，壓力在8 min時突然降低，但降低幅度明顯小于1#試件，之后壓力多次劇烈波動，產(chǎn)生5個明顯波峰（見圖3）。

圖2 三軸壓裂物模試驗機(jī)Fig. 2 Physical simulation testing machine of triaxial fracturing

表1 物模實驗?zāi)M參數(shù)Table 1 Simulation parameters of physical test

圖3 常規(guī)泵注與循環(huán)泵注壓力變化曲線Fig. 3 Pressure change curves of conventional pumping and cyclic pumping

泵注結(jié)束后，剖開試件進(jìn)行觀察：1#試件只產(chǎn)生了一條平直裂縫，而2#試件在經(jīng)過壓裂后主裂縫面位置處產(chǎn)生了分支縫。通過實驗后切割觀察表明，常規(guī)壓裂方法形成了符合經(jīng)典Penny模型的人工裂縫；而采用循環(huán)應(yīng)力加載方法壓裂后的試件，形成的裂縫面發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生了更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)（見圖4）。

圖4 常規(guī)泵注與循環(huán)泵注試件的破壞形態(tài)對比Fig. 4 Failure shape comparison between the sample with conventional pumping and that with cyclic pumping

2 壓裂工藝優(yōu)化

2.1 技術(shù)思路

通過物理模擬實驗，明確了循環(huán)應(yīng)力下巖心試件所產(chǎn)生的破碎程度遠(yuǎn)比單向應(yīng)力加載要高得多，循環(huán)泵注相比常規(guī)泵注更易于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。受物模實驗啟發(fā)，研發(fā)了應(yīng)力循環(huán)壓裂技術(shù)。該技術(shù)利用縫內(nèi)橋堵，結(jié)合施工參數(shù)（如排量、砂濃度）的控制，對儲層加載循環(huán)應(yīng)力，使儲層受到疲勞破壞，實現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂。

2.2 關(guān)鍵工具研發(fā)

應(yīng)力循環(huán)工具組成自上而下依次為：循環(huán)振蕩器、旋流噴砂器、多功能堵頭，如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)見表2。該工具的管柱最大外徑100 mm，承壓70 MPa，耐溫120 ℃，壓裂時油管直接與循環(huán)振蕩器連接下至井底。

圖5 應(yīng)力循環(huán)壓裂工具基本組成Fig. 5 Basic components of stress-cycle fracturing tool

表2 應(yīng)力循環(huán)壓裂工具主要技術(shù)參數(shù)表Table 2 Main Technological parameters of stress-cycle fracturing tool

2.2.1 循環(huán)振蕩器 為了提高混砂工具的可靠性和穩(wěn)定性，保證更好的混砂效果，基于Helmholtz振蕩腔的原理［8］設(shè)計了循環(huán)振蕩器。混砂液通過循環(huán)振蕩器入口后形成射流束，射流束向下游流動時形成渦量擾動，并在射向下游的過程中，在特定頻率范圍內(nèi)的擾動會得到放大。

2.2.2 旋流噴砂器 基于流體旋流混合原理，確定了通過機(jī)械端口引導(dǎo)流體旋流攪拌的思路，通過流體力學(xué)數(shù)值分析等手段，設(shè)計了旋流噴砂器。通過噴砂器出口軸線與中軸線的偏心距和角度設(shè)計，產(chǎn)生旋流效應(yīng)，在旋流噴砂器出口，混合液在旋流作用下產(chǎn)生漩渦，進(jìn)一步加速液體混合效果。

2.2.3 多功能堵頭 該套工具配備了2種堵頭，普通款長度為16 mm，內(nèi)置壓力計款長度694 mm。內(nèi)置壓力計通過傳壓孔監(jiān)測井底壓力和井底溫度數(shù)據(jù)，安裝于支撐筒體的中心孔內(nèi)，不與支撐筒體的內(nèi)壁面產(chǎn)生摩擦和碰撞，確保壓力計的安全可靠。

2.3 壓裂參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 排量優(yōu)化 鄂爾多斯盆致密油施工排量超過7 m3/min時，縫高容易失控，造成無效支撐，縫內(nèi)凈壓力不再增加。為此應(yīng)力循環(huán)壓裂總排量應(yīng)不超過7 m3/min，環(huán)空變排量優(yōu)化為0～5.0 m3/min，油管排量優(yōu)化為 1.4～2.0 m3/min。

2.3.2 油管砂濃度優(yōu)化 根據(jù)礦場統(tǒng)計，油管砂濃度與井底凈壓力具有正相關(guān)性，油管砂濃度每增加200～400 kg/m3，井底凈壓力可提高 0.5～1.5 MPa［9］。考慮到設(shè)備能力及施工安全，油管最高砂濃度優(yōu)化為 1 200 kg/m3，平均砂濃度 160～200 kg/m3。

2.3.3 脈沖間隔時間優(yōu)化 脈沖間隔時間是指一個控砂階段內(nèi)油套環(huán)空排量變化前后所間隔的時間，由于油套環(huán)空排量持續(xù)間隔變化，導(dǎo)致井口油套環(huán)空壓力變化較大。結(jié)合地面物理模擬實驗及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，確定脈沖間隔時間為2～4 min；環(huán)空排量為0時，井底砂濃度最高，最有利于支撐劑架橋的形成。

2.4 施工工序

具體工藝過程如下：采用油管泵注高濃度攜砂液、環(huán)空注入凈液體調(diào)整排量實時控制井下砂濃度，當(dāng)環(huán)空持續(xù)降排量至0時，高濃度的支撐劑泵入裂縫中，形成支撐劑架橋后，提高施工排量，裂縫內(nèi)的凈壓力大幅升高，此后通過凈液沖洗解除支撐劑架橋，重復(fù)以上過程直到完成壓裂。

該工藝可避免排量波動可能造成的脫砂現(xiàn)象，原理是：通過裂縫模擬，設(shè)置好油管停砂時間，當(dāng)出現(xiàn)脫砂而升壓時，管柱內(nèi)支撐劑濃度剛好為0，提高施工排量凈液沖洗解除砂橋；如果出現(xiàn)脫砂時油管內(nèi)仍有支撐劑的情況，通過提高環(huán)空排量，油管排量降至最?。?.1～0.2 m3/min）并停止加砂，即可在短時間內(nèi)解除脫砂，避免砂堵。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)力循環(huán)壓裂技術(shù)在鄂爾多斯盆地致密油Ⅱ類儲層試驗37口井，與應(yīng)用混合水壓裂的35口鄰井相比，平均試油產(chǎn)量由5.1 t/d提高到14.9 t/d，投產(chǎn)初期日產(chǎn)油量由不足1 t提高到2.6 t，增產(chǎn)效果顯著。

以鄂爾多斯盆地合水油田N142井為例。油管排量 1.6 m3/min，環(huán)空排量 0～4.4 m3/min，累計入地液量624.6 m3，累計加砂65.7 m3，砂比13.7%，最高砂濃度1 200 kg/m3，9個應(yīng)力循環(huán)，明顯升壓6次，最高有效升壓5.1 MPa（見圖6）。

為認(rèn)識應(yīng)力循環(huán)壓裂后的裂縫擴(kuò)展形態(tài)，開展了井下微地震裂縫監(jiān)測。試驗井與應(yīng)用混合水壓裂工藝的鄰井相比，有效信號明顯增加，裂縫帶寬增加29%，有效改造體積（ESRV）增加44.5%，實現(xiàn)了提高儲層改造體積、增加裂縫復(fù)雜程度的目的，投產(chǎn)初期日產(chǎn)油量提高1.64 t（見表3）。

應(yīng)力循環(huán)壓裂初步實現(xiàn)了致密油類Ⅱ儲層的有效改造，該工藝無需加入特殊材料和其他配套設(shè)備，現(xiàn)場操作簡單，施工規(guī)模與常規(guī)混合水壓裂相當(dāng)，平均施工排量3.8 m3/min，僅為常規(guī)混合水壓裂的一半，節(jié)省了水馬力和井場占地，平均施工成本降低14.6%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖6 N142井應(yīng)力循環(huán)壓裂施工曲線Fig. 6 Curve of stress-cycle fracturing in Well N142

表3 應(yīng)力循環(huán)壓裂與對比井井下微地震監(jiān)測結(jié)果Table 3 Downhole seismic monitoring results of stress-cycle fracturing well and its reference well

4 結(jié)論與建議

（1）物理模擬實驗表明，循環(huán)應(yīng)力下儲層受到疲勞破壞，更易于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

（2）利用支撐劑縫內(nèi)橋堵，結(jié)合施工排量的控制，多次提高縫內(nèi)凈壓力，對儲層加載循環(huán)應(yīng)力，可增加儲層改造體積，提高單井產(chǎn)量。

（3）該工藝無需加入特殊增壓材料，現(xiàn)場操作簡單，施工規(guī)模與常規(guī)混合水壓裂相當(dāng)，施工排量僅為常規(guī)混合水壓裂的一半，降低了施工成本。

（4）建議從優(yōu)化壓裂液配方入手，實現(xiàn)井底液體黏度的實時控制，進(jìn)一步提高井底凈壓力的控制水平，降低儲層傷害和施工成本。