李松 張華禮 王萌 張曦 周長林 胡秋筠

1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中國石油勘探開發(fā)研究院

四川盆地茅口組氣藏具有較大的勘探開發(fā)潛力[1-4]，但不同區(qū)域儲(chǔ)層埋藏深度、溫度、壓力、孔滲及天然裂縫發(fā)育程度等地質(zhì)特征差異大，針對(duì)性改造工藝匹配難度大。天然裂縫發(fā)育的裂縫型儲(chǔ)層表現(xiàn)為儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，常規(guī)酸化工藝難以使得改造層段均勻布酸，不能得到充分改造。非機(jī)械方式暫堵轉(zhuǎn)向酸化工藝一定程度上可實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)儲(chǔ)層均勻布酸，國內(nèi)主要采用可降解材料作為暫堵轉(zhuǎn)向劑，依靠酸液攜帶進(jìn)入滲透性較好及流動(dòng)系數(shù)大的層段，堆積實(shí)現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到了強(qiáng)非均質(zhì)儲(chǔ)層的酸液合理置放的目的[5-9]。

以川西茅口組為例，其平均深度6 700 m、平均溫度150 ℃、平均地層壓力125 MPa、平均孔隙度2.6%～4.2%、平均滲透率(0.18～3.00)×10-3μm2。鑒于井下巖心數(shù)量的限制，基于3D打印裂縫巖板模擬技術(shù)，模擬研究了不同完井方式下非機(jī)械方式暫堵轉(zhuǎn)向工藝，優(yōu)選了耐溫、承壓能力強(qiáng)的暫堵轉(zhuǎn)向材料，評(píng)價(jià)了不同裂縫下暫堵轉(zhuǎn)向材料含量、粒徑組合等設(shè)計(jì)參數(shù)及其封堵能力，為暫堵轉(zhuǎn)向酸化工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 暫堵轉(zhuǎn)向材料優(yōu)選

1.1 茅口組儲(chǔ)層特征及實(shí)驗(yàn)條件

從儲(chǔ)層巖心及微觀薄片(見圖1)可知，茅口組儲(chǔ)集空間多為裂縫及與裂縫伴生的溶蝕孔洞。對(duì)露頭、巖心、薄片及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等靜、動(dòng)態(tài)資料綜合分析認(rèn)為，雙魚石區(qū)塊茅口組儲(chǔ)層的儲(chǔ)集類型為裂縫型。

1.2 不同完井方式下暫堵材料選擇

采用與射孔孔眼直徑相匹配的球形暫堵材料，在套管壁上的孔眼入口處進(jìn)行暫堵。對(duì)于裸眼完成井，可采用小粒徑球形暫堵材料深入到人工酸蝕裂縫內(nèi)，實(shí)現(xiàn)堆積暫堵(見圖3)。堆積暫堵時(shí)需使用多級(jí)配的暫堵劑和纖維，暫堵顆粒架橋，纖維封堵充填顆粒間孔隙，以便充分充填裂縫口和/或裂縫內(nèi)的空間，實(shí)現(xiàn)有效封堵[10-12]。

2 暫堵材料性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1 降解及承壓封堵能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了暫堵顆粒和暫堵球在儲(chǔ)層溫度條件下的降解能力。選取6 mm暫堵球進(jìn)行炮眼暫堵能力測(cè)試。將暫堵球放置在巖心夾持器一端封堵，放入巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行注入、暫堵測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)表明：在150 ℃時(shí)，暫堵球和暫堵顆粒A的12 h降解率可達(dá)98%以上(見圖4)；封堵球封堵承壓>15 MPa，能形成有效封堵，封堵245 min后完全降解(見圖5)，可滿足暫堵需求。

2.2 射孔完井暫堵球用量實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

以往的投球封堵實(shí)驗(yàn)，大多無法觀察到封堵球的運(yùn)移情況[13-14]。本研究采用可視化管柱，可有效地觀察封堵球運(yùn)移情況。采用清水作為攜帶液來評(píng)價(jià)不同排量對(duì)不同個(gè)數(shù)的暫堵球封堵效率的影響，從而優(yōu)化暫堵球用量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1)表明，排量越大，封堵幾率越大，暫堵球在清水中封堵效率為47%～100%，與投球數(shù)量和排量正相關(guān)。若要實(shí)現(xiàn)完全暫堵炮眼，投球數(shù)需為炮眼數(shù)的1.27倍以上。

表1 不同排量下清水為攜帶液+6 mm封堵球暫堵結(jié)果

2.3 裸眼完井暫堵顆粒實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.3.1實(shí)驗(yàn)裝置

暫堵評(píng)價(jià)流動(dòng)裝置可模擬高強(qiáng)度纖維暫堵劑材料對(duì)不同縫寬裂縫的封堵情況，評(píng)價(jià)封堵效果。通過泵注含暫堵劑的攜帶液進(jìn)入模擬裂縫裝置內(nèi)，記錄注入端的壓力變化，同時(shí)對(duì)比裂縫出口端的液量變化情況，以判斷暫堵劑在裂縫內(nèi)部的封堵情況。根據(jù)以上兩個(gè)參數(shù)形成一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)價(jià)不同含量及配比條件下的封堵效果。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)用模擬裂縫巖板為3D打印的模擬真實(shí)裂縫的巖板(見圖7)。兩塊巖板中部均刻蝕相同尺寸的凹槽，上下閉合形成一平行裂縫，凹槽表面進(jìn)行磨砂處理，凹槽兩外側(cè)棱對(duì)稱鉆墊片固定槽，通過不同厚度的墊片改變裂縫寬度。實(shí)驗(yàn)使用的3D巖板基質(zhì)孔隙度為1.0%，滲透率為0.20×10-3μm2。

2.3.2暫堵材料組合與封堵能力評(píng)價(jià)

回首我們走訪過的企業(yè)，每個(gè)都有獨(dú)特的一面，成功是重要的。企業(yè)家前輩們的談吐、風(fēng)采、包容、品格吸引我們，鞭策我們。細(xì)品下來，這應(yīng)該是一種“使命感”“責(zé)任感”，一種忍辱負(fù)重，一種格局與大氣，這也許就是成熟的魅力，生命的張力。

選取5套暫堵顆粒對(duì)3 mm縫寬進(jìn)行粒徑組合評(píng)價(jià)，暫堵顆粒粒徑分別為0.2～0.4 mm、0.4～0.6 mm、0.6～1.0 mm、2.0 mm和2.0 mm暫堵顆粒+暫堵纖維(見圖8)在同樣實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)比。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖9)可以看出，僅依靠粒徑較為集中的暫堵顆粒對(duì)3 mm縫寬的有效封堵壓力≤7 MPa，而顆粒與纖維組合可有效封堵，封堵壓力≥15 MPa。分析認(rèn)為，暫堵顆粒架橋，纖維封堵顆粒間孔隙，快速形成有效封堵。

2.3.3暫堵材料配比優(yōu)化評(píng)價(jià)

對(duì)于3 mm的裂縫寬度，優(yōu)選暫堵材料組合為纖維和2.0 mm顆粒，改變二者的含量，以確定最優(yōu)組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖10)表明，采用2.0 mm顆粒和纖維組合封堵時(shí)，都能夠有效封堵3 mm裂縫，只是形成有效封堵的時(shí)間存在差異。暫堵材料總用量越多，起壓速度越快，封堵所用時(shí)間就越少。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到組合暫堵材料的配方為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)：0.8%暫堵纖維+0.8%的2.0 mm暫堵顆粒。

除暫堵材料含量外，施工排量也是影響暫堵效果的關(guān)鍵因素。從理論上說，增大排量加大了暫堵材料在縫內(nèi)的運(yùn)移速率，使材料能夠快速在縫內(nèi)形成堆積封堵。但在實(shí)際作業(yè)過程中，增大排量卻會(huì)造成動(dòng)態(tài)縫寬變大，使得當(dāng)前所用的暫堵材料組合不再適用，增大了縫內(nèi)暫堵的不確定性。

采取固定縫寬方式，不考慮動(dòng)態(tài)縫寬影響，對(duì)比了40 mL/min、50 mL/min和60 mL/min3種排量下針對(duì)3 mm縫寬優(yōu)選的暫堵材料組合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，研究排量對(duì)暫堵效果的影響。在固定縫寬條件下，排量越高，暫堵材料在縫內(nèi)的架橋堆積速率越快，暫堵用液量和材料用量均越低(見圖11)。因此，推薦采用相對(duì)較大的排量進(jìn)行暫堵作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)暫堵材料在縫口的快速堆積和封堵。

3 暫堵轉(zhuǎn)向酸壓工藝

3.1 暫堵轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)方法

針對(duì)儲(chǔ)層力學(xué)特征、裂縫發(fā)育程度，結(jié)合酸壓模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)暫堵縫網(wǎng)酸壓：①通過測(cè)井解釋和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定σH、σh、St等儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)；②通過成像測(cè)井刻畫天然裂縫位置、產(chǎn)狀、密度；③計(jì)算天然裂縫開啟或巖體形成新縫所需Pnet；④根據(jù)暫堵承壓能力，確定天然裂縫開啟條數(shù)i；⑤酸壓模擬確定酸壓規(guī)模和主裂縫和/或所有天然裂縫的尺寸；⑥計(jì)算暫堵酸蝕裂縫所需材料用量Md0和Mdi;⑦根據(jù)推薦配方確定每種暫堵材料用量M。不同裂縫發(fā)育程度儲(chǔ)層暫堵酸壓優(yōu)化流程見圖12。

3.2 暫堵轉(zhuǎn)向材料用量計(jì)算方法

采用暫堵層滲透率模型計(jì)算暫堵材料用量，即：填充量增大→暫堵層孔隙度、滲透率、流入裂縫流體量減小，井筒液體壓縮而產(chǎn)生憋壓ΔP，ΔP≥Pnet時(shí)溝通天然裂縫或產(chǎn)生新縫。因此，通過達(dá)西公式計(jì)算單縫暫堵材料用量，進(jìn)而計(jì)算暫堵主縫和開啟的天然裂縫的材料用量。

達(dá)西公式為：

(1)

單縫暫堵材料用量計(jì)算公式為：

Md=ρdVd=ρdAfLd=ρdHfWfLd

(2)

將式(1)代入式(2)得單縫暫堵材料用量：

(3)

因此，暫堵材料的總用量計(jì)算公式為：

M=2Md0+Md1+Md2+…Mdi

(4)

式中：ρd為暫堵材料密度，1 200 kg/m3；Ld為裂縫暫堵段長度，m(實(shí)驗(yàn)平均值為0.064 m)；Vd為裂縫暫堵段體積，m3；Hf為裂縫高度，由酸壓模擬求得，m；Wf為裂縫寬度，由酸化模擬求得，m；Kd為暫堵層滲透率(實(shí)驗(yàn)平均值為0.837×10-3μm2)；μ為攜帶液黏度，mPa·s；Q為排量，m3/h；ΔP=Pnet，由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出,MPa；Md0為主裂縫用量，kg;Mdi為第i條開啟的天然裂縫用量,kg。

3.3 實(shí)例計(jì)算

以雙探X井為例，茅口組測(cè)井解釋有3段為含氣層。該井茅口組地層應(yīng)力狀態(tài)為σH>σv>σh，σH、σh分別為2.3 MPa/100 m、1.98 MPa/100 m，儲(chǔ)層段平均σH-h為22.3 MPa。

參考該區(qū)塊茅口組巖石力學(xué)試驗(yàn)，內(nèi)聚力為24.1～92.4 MPa，平均值69.3 MPa。在現(xiàn)有封堵能力(15 MPa)下，逼近角≤60°～80°的天然裂縫以張性破裂為主(見圖13)。

該井第1段厚度為33 m，天然裂縫發(fā)育，鉆至此段時(shí)鉆井液密度1.94～2.01 g/cm3，漏失鉆井液達(dá)71.0 m3，點(diǎn)火火焰高0.5～3.0 m，經(jīng)成像測(cè)井解釋該段天然裂縫密度0.52 條/m，平均高度3 m，寬度3 mm。經(jīng)計(jì)算，天然裂縫開啟壓力Pnet為4.9～12.7 MPa，可知在暫堵能力為15 MPa的情況下，17條裂縫可全部開啟。暫堵時(shí)建議排量降至2 m3/min左右，此時(shí)主縫動(dòng)態(tài)縫寬為3 mm。推薦使用2.0 mm暫堵顆粒和6.0 mm暫堵纖維進(jìn)行暫堵，體積比為1∶1。由式(4)可計(jì)算得出暫堵材料總用量為250 kg，其中暫堵天然裂縫和主裂縫分別需16 kg和234 kg暫堵材料。

4 結(jié)論與建議

(1)優(yōu)選的暫堵材料承壓達(dá)15 MPa，150 ℃下降解率>98%，適于裂縫型儲(chǔ)層暫堵轉(zhuǎn)向條件。

(2)射孔完井暫堵的炮眼封堵效率與排量正相關(guān)；暫堵球投球總數(shù)為炮眼數(shù)的1.27倍時(shí)，可達(dá)到完全封堵。裸眼完成井暫堵酸蝕裂縫，暫堵纖維和2.0 mm顆粒組合可有效封堵3 mm縫口，配方為0.8%暫堵纖維+0.8%的2.0 mm顆粒時(shí)封堵效果最佳。

(3)增大排量可提高(固定縫寬)縫口封堵速度，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要結(jié)合模擬計(jì)算確定最佳排量。

(4)建立了不同裂縫發(fā)育程度儲(chǔ)層的暫堵轉(zhuǎn)向優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與流程，通過建立的暫堵層滲透率模型可計(jì)算獲得暫堵轉(zhuǎn)向材料加量，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。