王緒性，郭布民，徐延濤，袁文奎，李灣灣

1中海油田服務(wù)股份有限公司 2天津市海洋石油難動(dòng)用儲(chǔ)量開(kāi)采企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

海上油氣田中高滲儲(chǔ)層所占比例比較大[1]，大部分油田由于儲(chǔ)層疏松，采取篩管完井。隨著油田不斷開(kāi)發(fā)，由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性、儲(chǔ)層膠結(jié)強(qiáng)度弱、生產(chǎn)壓差過(guò)大造成的微粒運(yùn)移以及老化油污染等原因使得油井產(chǎn)量沒(méi)有達(dá)到配產(chǎn)需求或產(chǎn)量逐漸下降，低產(chǎn)低效井越來(lái)越多[2-5]。受限于篩管完井方式、海上油田環(huán)境和平臺(tái)空間的限制，目前增產(chǎn)解堵措施主要為化學(xué)解堵方法，如酸化、復(fù)合解堵劑等，初期有一定效果，但有效期短且多次作業(yè)后效果越來(lái)越差。目前針對(duì)海上中高滲疏松砂巖儲(chǔ)層已陸續(xù)嘗試新的壓裂工藝技術(shù)[6-8]，而過(guò)篩管壓裂工藝是針對(duì)篩管完井的目的層進(jìn)行射孔，建立壓裂支撐劑進(jìn)入地層通道，壓裂形成的人工裂縫穿透污染帶，打通油流通道，壓裂后期泵注固結(jié)支撐劑，固結(jié)支撐劑在地層溫度和壓力下固結(jié)，可封堵篩管射孔孔眼，修復(fù)原篩管，防止地層砂進(jìn)入井筒，從而達(dá)到解堵、增產(chǎn)和防砂的三重目的[9-11]，可有效解決海上篩管完井的低產(chǎn)低效難題，是未來(lái)高效開(kāi)發(fā)海上低產(chǎn)低效井的主要技術(shù)之一。

1 海上過(guò)篩管壓裂工藝

過(guò)篩管壓裂工藝是針對(duì)儲(chǔ)層采用篩管完井的一種壓裂工藝，其解堵、增產(chǎn)和防砂機(jī)理如下：首先，對(duì)篩管進(jìn)行射孔，在篩管上形成攜砂液流通通道，通過(guò)地面高壓泵注，形成人工裂縫穿透污染帶，打通油流通道，實(shí)現(xiàn)傷害層深部解堵和儲(chǔ)層改造；其次，縱向上人工裂縫穿透薄夾層，壓開(kāi)潛力層，提高縱向動(dòng)用，增加泄油半徑，有效提高單井產(chǎn)量；再次，人工裂縫降低了地層流體對(duì)地層砂沖刷和攜帶作用，降低了線性壓降，增加防砂作用半徑，實(shí)現(xiàn)了深部防砂；最后，用固結(jié)支撐劑封堵篩管射孔孔眼，修復(fù)原篩管，防止地層砂隨流體進(jìn)入井筒。

1.1 射孔方式

目前海上射孔方式分為常規(guī)油管傳輸射孔和水力噴射射孔。常規(guī)射孔工藝參數(shù)為孔徑10 mm，相位60°，孔密16孔/m。水力噴射射孔依靠泵注流體通過(guò)水力噴射工具，產(chǎn)生高速射流并攜帶磨料對(duì)套管/篩管進(jìn)行沖擊、切割，穿透套管/篩管，形成孔道。水力噴砂射孔參數(shù)：噴嘴6～8個(gè)，噴嘴直徑6.5 mm，相位90°，磨料濃度5%～7%，過(guò)噴嘴噴速220～240 m/s，噴射時(shí)間10～12 min，在篩管上可形成直徑20～30 mm的孔眼。相比油管傳輸射孔，水力噴砂射孔可實(shí)現(xiàn)射孔、壓裂一趟管柱，減小起下鉆時(shí)間，節(jié)約作業(yè)時(shí)間和成本。

1.2 壓裂工藝

1.2.1 裂縫參數(shù)優(yōu)化

以渤海油田疏松砂巖儲(chǔ)層為例，運(yùn)用ECLIPSE軟件模擬了不同支撐裂縫半長(zhǎng)、不同導(dǎo)流能力條件下的壓后日產(chǎn)油量，對(duì)比日產(chǎn)油量的變化趨勢(shì)，優(yōu)化支撐裂縫半長(zhǎng)與導(dǎo)流能力。裂縫參數(shù)主要取決于儲(chǔ)層的物性條件，針對(duì)海上疏松砂巖不同物性儲(chǔ)層參數(shù)，建立滲透率從50 mD變化到1 000 mD的機(jī)理模型，計(jì)算得到不同滲透率條件下的最優(yōu)支撐裂縫半長(zhǎng)及支撐縫導(dǎo)流能力，回歸得到支撐裂縫半長(zhǎng)、支撐縫導(dǎo)流能力的優(yōu)化圖版(圖1、圖2)，推導(dǎo)出支撐裂縫半長(zhǎng)、支撐縫導(dǎo)流能力與儲(chǔ)層滲透率的關(guān)系式。

圖1 支撐裂縫半長(zhǎng)與滲透率關(guān)系圖版

圖2 支撐縫導(dǎo)流能力與滲透率關(guān)系圖版

支撐裂縫半長(zhǎng)與儲(chǔ)層滲透率關(guān)系式：

Lf=-43.96ln(k)+173.08

50≤k<200

(1)

Lf=4×10-5k2-0.037 5k+54.59

200≤k≤1 000

(2)

式中：Lf—支撐裂縫半長(zhǎng)，m；k—儲(chǔ)層滲透率，mD。

支撐縫導(dǎo)流能力與儲(chǔ)層滲透率關(guān)系式：

kfc=151.81ln(k)-343.11(50≤k≤1 000)

(3)

式中：kfc—支撐縫導(dǎo)流能力，mD·m。

1.2.2 海水基壓裂液優(yōu)化

壓裂液的優(yōu)選需結(jié)合地層溫度、與地層液體的配伍性、產(chǎn)能影響及液體成本等因素綜合考慮，理想的壓裂液至少滿足以下條件：①穩(wěn)定的流變性；②高剪切流速下的耐剪切性能；③較好的潤(rùn)滑性；④良好的地層滲透率恢復(fù)；⑤對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害的最小化。結(jié)合海上施工淡水資源匱乏、海水取之不盡的特點(diǎn)，用海水配制壓裂液具有擴(kuò)大壓裂液規(guī)模、提高作業(yè)時(shí)效等優(yōu)點(diǎn)。用海水配制壓裂液難點(diǎn)在于高礦化度引起稠化劑溶脹困難，高鈣鎂離子在強(qiáng)堿性條件下沉淀易造成壓裂交聯(lián)性能降低、耐溫性差。通過(guò)耐溫耐剪切、破膠、殘?jiān)繙y(cè)定、巖心傷害等實(shí)驗(yàn)，研發(fā)一套可用高礦化度海水配制的壓裂液體系，該體系性能指標(biāo)均滿足行業(yè)要求，其攜砂性能見(jiàn)圖3。

圖3 海水基壓裂液攜砂性能現(xiàn)場(chǎng)效果圖

1.2.3 支撐劑粒徑優(yōu)化

支撐劑用于支撐水力壓裂所形成的人工裂縫，當(dāng)人工裂縫閉合后在儲(chǔ)層中形成具有高導(dǎo)流能力的流體流動(dòng)通道。因此，支撐劑粒徑優(yōu)選時(shí)首先要考慮支撐劑在不同閉合應(yīng)力下的導(dǎo)流能力，針對(duì)海上疏松砂巖還要考慮支撐劑在疏松砂巖中的嵌入、支撐劑對(duì)應(yīng)最大的臨界流速等情況。

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定單一粒徑在不同閉合應(yīng)力條件下支撐劑導(dǎo)流能力(見(jiàn)圖4)，從圖4中可以看出隨著地層閉合應(yīng)力增加，支撐劑導(dǎo)流能力逐漸減??；不同粒徑支撐劑在地應(yīng)力條件下，導(dǎo)流能力相差數(shù)倍，但隨著閉合應(yīng)力的增加，這種差異逐漸減小。因此，要根據(jù)地層的閉合應(yīng)力選擇滿足導(dǎo)流能力的支撐劑粒徑。

圖4 單一粒徑在不同閉合應(yīng)力下的導(dǎo)流能力

針對(duì)中高滲疏松砂巖油藏壓裂支撐劑優(yōu)選時(shí)，需要考慮支撐劑的嵌入影響，鋪砂濃度越大，嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的傷害程度越小，推薦使用的支撐劑鋪砂濃度為15 kg/m2以上。

考慮地層流體和原油由產(chǎn)層流入支撐裂縫的速度需小于支撐裂縫防砂的臨界流速，這樣地層砂不會(huì)在支撐裂縫內(nèi)發(fā)生橋堵效應(yīng)，否則地層砂會(huì)封堵支撐劑喉道，使產(chǎn)液量下降。采用蘇程[12]提出的優(yōu)化臨界流速的計(jì)算公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：vpc—支撐劑的臨界流速，m/s；ds—支撐劑平均粒徑，mm；ρ0—原油的密度，kg/m3；φs—地層砂的球度，無(wú)量綱；Φ—地層流體流動(dòng)的孔隙度，%；μo—原油黏度，Pa·s；ρs—地層砂的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

將式(5)、式(6)、式(7)代入式(4)，求得支撐劑的臨界流速vpc，再由式(8)求出油井產(chǎn)液量。

Q=345.6vpcHfLf

(8)

式中：Q—油井的產(chǎn)液量，t/d；Hf—裂縫高度，m；Lf—支撐裂縫半長(zhǎng)，m。

圖5表示支撐裂縫半長(zhǎng)50 m條件下，不同裂縫高度下的臨界產(chǎn)液量。圖6表示縫高30 m條件下，不同支撐裂縫半長(zhǎng)下的臨界產(chǎn)液量。

圖5 支撐裂縫半長(zhǎng)50 m條件下不同縫高的臨界產(chǎn)液量

圖6 縫高30 m條件下不同支撐裂縫半長(zhǎng)的臨界產(chǎn)液量

1.3 防砂工藝

壓裂后期泵注固結(jié)支撐劑，當(dāng)裂縫閉合后，在地層溫度和壓力作用下，固結(jié)支撐劑發(fā)生固化，形成具有一定強(qiáng)度且可滲濾的人工井壁，起到提高導(dǎo)流能力和防止地層砂向井筒運(yùn)移的效果。

固結(jié)支撐劑原理是采用低密高強(qiáng)型的高分子材料覆膜，在一定溫度和壓力條件下固結(jié)在一起，具有以下特點(diǎn)：①較高的強(qiáng)度，較快的固結(jié)速度。在60 ℃水浴24 h后測(cè)試抗壓強(qiáng)度≥5 MPa，不同溫度下固結(jié)后抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖7所示;②穩(wěn)定的化學(xué)性能。顆粒表面具有較強(qiáng)的化學(xué)惰性，固化后耐酸、堿、鹽等;③較廣的使用范圍。固結(jié)溫度可低至50 ℃，能滿足絕大多數(shù)油井的要求，溫度越高固結(jié)越快，即使在特別低溫環(huán)境的地層，加入特殊低溫固化劑也可以保證固結(jié)質(zhì)量;④較好的滲透性。對(duì)地層滲透率損害小，固結(jié)后形成的擋砂墻擁有較高的滲透性，水驅(qū)達(dá)到10 D以上，空氣驅(qū)達(dá)到30 D以上。同時(shí)固結(jié)防砂支撐劑由于表面的覆膜還可以降低支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響。

圖7 不同溫度下固結(jié)支撐劑固結(jié)后的抗壓強(qiáng)度

2 海上過(guò)篩管壓裂應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

2.1 海上過(guò)篩管壓裂應(yīng)用

目前渤海油田已實(shí)施的過(guò)篩管壓裂分為水力噴射壓裂工藝、常規(guī)射孔+逐層壓裂工藝及常規(guī)射孔+一趟管柱多層壓裂工藝三大類(lèi)，其每類(lèi)工藝的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 海上過(guò)篩管壓裂工藝對(duì)比

壓裂液采用海水基壓裂液體系，配方為過(guò)濾海水+稠化劑+其他添加劑。支撐劑粒徑采用20/40目低密度高強(qiáng)度支撐劑和固結(jié)支撐劑。加砂規(guī)模20～50 m3。施工載體采用壓裂船聯(lián)合平臺(tái)作業(yè)。

2.2 海上過(guò)篩管壓裂效果評(píng)價(jià)

渤海油田陸續(xù)實(shí)施過(guò)篩管壓裂施工，主要分布在遼東區(qū)塊、曹妃甸油田、渤中油田等。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 2089—2015《海上油井增產(chǎn)措施效果評(píng)價(jià)方法》，選取措施前30 d和措施后30 d正常生產(chǎn)情況下的平均日產(chǎn)油量，效果對(duì)比如表2所示。在已過(guò)篩管壓裂11口井中，有9口井增產(chǎn)、增液效果顯著，采液指數(shù)增加8倍以上，采油指數(shù)增加3倍以上。其中2口井沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，分析原因認(rèn)為5號(hào)井為水平井,在過(guò)篩管壓裂之前進(jìn)行了其他工藝，造成整個(gè)水平段儲(chǔ)層損害，而過(guò)篩管壓裂形成與井筒垂直的裂縫，無(wú)法改造裂縫位置以外的水平段；8號(hào)井出砂嚴(yán)重，通過(guò)控制生產(chǎn)壓差使產(chǎn)液量低，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，認(rèn)為過(guò)篩管壓裂是治理海上中高滲疏松砂巖儲(chǔ)層低產(chǎn)、低效井的有效措施，如何長(zhǎng)期、有效防砂是過(guò)篩管壓裂施工的關(guān)鍵。

表2 過(guò)篩管壓裂措施前后效果對(duì)比

3 結(jié)論及建議

(1)海上過(guò)篩管壓裂工藝對(duì)篩管完井儲(chǔ)層進(jìn)行射孔加砂壓裂，利用固結(jié)支撐劑進(jìn)行防砂，具有解堵、增產(chǎn)和防砂三種效果，實(shí)踐證明該工藝可有效解決海上油井低產(chǎn)、低效的難題。

(2)長(zhǎng)期有效防砂是過(guò)篩管壓裂工藝關(guān)鍵，針對(duì)過(guò)篩管壓裂后地層出砂問(wèn)題，建議如下：①通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選適宜的化學(xué)固砂劑，在壓裂前置液階段注入化學(xué)固砂劑，降低地層細(xì)粉砂產(chǎn)出及運(yùn)移；②支撐劑粒徑優(yōu)選時(shí)要考慮裂縫閉合后的導(dǎo)流能力、支撐劑嵌入和支撐劑對(duì)應(yīng)的臨界流速，在滿足上述要求的前提下采用組合粒徑。小粒徑的支撐劑處于縫端位置，起支撐微裂縫的作用，并且有防細(xì)粉砂的作用。中等和大粒徑的支撐劑建立高導(dǎo)流能力的流體流通通道；③在攜砂液階段的末期，采用降低壓裂液黏度和欠頂替工藝，以便誘導(dǎo)在近井筒地帶脫砂，充實(shí)篩管—環(huán)空和篩管射孔孔眼，并且井筒留塞，鉆塞后可有效修復(fù)篩管射孔孔眼并在裂縫縫口形成擋砂屏障，進(jìn)一步提高防砂效果，延長(zhǎng)防砂有效期。