金智榮 ，包敏新，李升芳，張華麗，杲 春

(1.中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)管理部，江蘇 揚(yáng)州 225009)

江蘇油田韋莊等區(qū)塊屬于中低滲油藏，埋深較淺，通常在1 000～1 300 m范圍，油層溫度在40～50℃?？v向上油層呈現(xiàn)油水互層、層多層薄現(xiàn)象。條件允許時(shí)，可通過機(jī)械分層壓裂采用一趟管柱實(shí)現(xiàn)對(duì)各油層逐層改造。當(dāng)井筒條件或隔層封擋能力不符合施工要求的情況下，江蘇油田嘗試通過投蠟球來封堵已壓裂層，轉(zhuǎn)而壓開破裂壓力高的層。但是蠟球封堵承壓能力弱、難溶、施工過程易從射孔炮眼脫落。近年來，在頁巖氣水平井中，利用水溶性暫堵材料實(shí)現(xiàn)多段多簇縫網(wǎng)壓裂的技術(shù)逐步成熟[1-2]，該暫堵工藝也被引用到直井多油層逐層壓裂改造作業(yè)中，但是封堵失敗的問題時(shí)有發(fā)生，為此，對(duì)暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂工藝展開進(jìn)一步研究。

1 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)原理

暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂就是對(duì)物性好的低破裂壓力油層實(shí)施加砂壓裂后，往井筒內(nèi)投入一定數(shù)量和粒徑的暫堵球，隨壓裂液攜帶至預(yù)期已壓裂層的射孔炮眼處對(duì)其封堵，繼續(xù)注液使井筒壓力上升，當(dāng)壓力達(dá)到物性差的油層破裂壓力值時(shí)，該層被壓開。反復(fù)此過程，實(shí)現(xiàn)改造多個(gè)油層的目的。

2 暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂排量選擇

暫堵球隨壓裂液被攜帶入井筒中作紊流態(tài)流動(dòng)，其受力如圖1所示。若使暫堵球運(yùn)移到射孔炮眼處，應(yīng)滿足FT大于FG。

圖1 暫堵球在井筒中運(yùn)移和暫堵射孔炮眼過程受力變化

根據(jù)文獻(xiàn)可知[3-4]：

(1)

其中：

μ1=2.12×10-2Q/dc2

(2)

(3)

(4)

式中：FT為流向射孔炮眼的壓裂液對(duì)暫堵球的拖曳力，N；FG為暫堵球受到的向下運(yùn)動(dòng)慣性力，N；ρB、ρ分別為暫堵球密度和壓裂液密度，kg/cm3；D、DP分別為暫堵球直徑和射孔炮眼直徑，m；μ1、μa分別為壓裂液在井筒中流速和暫堵球顆粒在壓裂液中沉降速度，m/s；fd為摩阻系數(shù)，無因次；Cd為阻力系數(shù)，無因次；dc為壓裂油管直徑，m；n為射孔炮眼數(shù)；Q為施工排量，m3/min。

當(dāng)暫堵球坐落于預(yù)期已壓裂油層射孔炮眼上，其受力如圖1b所示。要實(shí)現(xiàn)暫堵球?qū)ι淇着谘塾行Х舛拢┕み^程中不隨排量波動(dòng)而發(fā)生脫落，應(yīng)滿足FH大于FD。

FH為暫堵球在孔眼上所受到的附著力，N；FD為壓裂液流動(dòng)對(duì)暫堵球的推力，N。

FD=0.392 7fDρμ2D2

(5)

(6)

綜合以上分析：暫堵球能夠坐落并封堵射孔炮眼不發(fā)生脫落，需同時(shí)滿足的條件是：

(7)

將預(yù)封堵層段相應(yīng)參數(shù)代入式(7)，同時(shí)滿足要求的排量即為對(duì)應(yīng)的最低施工排量(見表1)。

表1 最小施工排量計(jì)算參數(shù)

暫堵球能夠坐落射孔炮眼的最小排量：

(8)

暫堵球能夠封堵不脫落的最小排量：

(9)

當(dāng)施工排量Q滿足公式(8)、(9)即表示暫堵球能夠有效坐落并封堵射孔炮眼。

圖2是射孔炮眼數(shù)n轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)不同壓裂油層厚度(每米油層對(duì)應(yīng)射孔炮眼數(shù)為16)對(duì)暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂所需最低施工排量影響?？梢钥闯?，暫堵球有效封堵射孔炮眼保持不脫落所需最低排量要大于暫堵球能夠坐落于射孔炮眼所需排量，因此在排量選擇時(shí)只需滿足暫堵球有效封堵不脫落最低排量即可。此外，壓裂油層厚度越大，對(duì)應(yīng)射孔炮眼數(shù)越多，則暫堵球坐落并有效封堵的所需最低排量也明顯增大，表明暫堵球有效封堵射孔炮眼難度增加。

圖2 不同壓裂油層厚度下所需施工排量

在進(jìn)行暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂施工排量選擇時(shí)，還需要綜合考慮具體壓裂油層深度、加砂規(guī)模等情況來進(jìn)行優(yōu)選。

3 暫堵材料性能優(yōu)選

為了能夠有效封堵射孔炮眼，選擇的暫堵球必須具有一定承壓能力，并且在施工結(jié)束后能夠在低溫條件下迅速降解，不影響后期壓裂液返排及井筒內(nèi)工具的起下作業(yè)。

優(yōu)選合成樹脂類Z-1型暫堵材料制成的暫堵球，該材料含有強(qiáng)親水性基團(tuán)，遇水能夠起黏，并且兼具剛性特點(diǎn)，滿足承壓、水溶要求。

3.1 承壓性能

選用18 mm粒徑Z-1型暫堵球顆粒，置于10 mm直徑的模擬射孔炮眼裝置上(見圖3)，施加30 MPa壓差，45℃條件下承壓4 h，壓力基本未下降。取出暫堵球觀察，球部分微變形未破碎，能夠滿足30 MPa壓差條件的暫堵射孔炮眼施工。

圖3 暫堵球在模擬射孔炮眼裝置承壓試驗(yàn)

3.2 溶解性能

將承壓試驗(yàn)后的Z-1型暫堵球顆粒放入清水中，45℃條件下，10 h暫堵球顆粒表面部分軟化溶解，溶液起黏，36 h全部溶解，并且溶液均勻，有黏度(見圖4)。滿足壓裂下泵投產(chǎn)前全部溶解的要求，不會(huì)對(duì)井筒內(nèi)工具和管柱造成影響。

圖4 Z-1型暫堵球溶解狀態(tài)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

W-55井壓裂10、14號(hào)層，如表2?？紤]上下鄰近射開油層情況，為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)非均質(zhì)油層充分改造，采用暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂工藝。

表2 W-55井壓裂油層物性參數(shù)

根據(jù)壓裂油層溫度，考慮耐壓和壓后可溶要求，選擇直徑18 mm、密度1.1×103kg/m3的Z-1型暫堵球。結(jié)合壓裂模擬軟件優(yōu)化確定：①壓裂10號(hào)層時(shí)排量2.0 m3/min，加砂8 m3；②投入105顆Z-1型暫堵球(暫堵球設(shè)計(jì)數(shù)量[5]=射孔炮眼數(shù)×1.1)；③暫堵球坐落并封堵10號(hào)層，轉(zhuǎn)向壓裂14號(hào)層時(shí)排量根據(jù)圖2研究結(jié)果確定為2.5 m3/min，設(shè)計(jì)加砂8 m3。

該井2018年12月壓裂施工，按設(shè)計(jì)要求完成兩個(gè)非均質(zhì)油層逐層改造。該井壓前日產(chǎn)液7.3 t，日產(chǎn)油0.9 t，壓后投產(chǎn)日產(chǎn)液14 t，日產(chǎn)油2.3 t，增油效果明顯優(yōu)于鄰井對(duì)應(yīng)單層壓裂。

5 結(jié)論及建議

(1)進(jìn)行暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工排量選擇時(shí)，要考慮暫堵球不僅能坐落射孔炮眼，還要保證暫堵球在施工過程中不脫落。

(2)壓裂油層越厚，保證暫堵球有效封堵射孔炮眼所需排量越高，有效封堵的難度也越大。

(3)優(yōu)選的Z-1型暫堵球能夠滿足低溫溶解和封堵承壓施工要求。

(4)W-55井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂施工可實(shí)現(xiàn)鄰近非均質(zhì)油層逐層壓裂改造，壓裂效果良好。

(5)暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂工藝可以作為機(jī)械分層壓裂工藝的重要補(bǔ)充，為解決縱向上多個(gè)油層的逐層充分改造提供了更多的手段。