控缝高压裂技术在瓦窑堡油田的应用研究

闫海建 杨永钊 贺向军 吕金平 马志峰

延长油田股份有限公司瓦窑堡采油厂开发科，陕西子长 717300

控缝高压裂技术在瓦窑堡油田的应用研究

闫海建 杨永钊 贺向军 吕金平 马志峰

延长油田股份有限公司瓦窑堡采油厂开发科，陕西子长 717300

总结了国内外控缝高压裂技术的控缝机理、技术分类及应用现状，分析了瓦窑堡油田的地质背景，油层特点。针对瓦窑堡油田部分油藏存在底水活跃、油层段与底水相连且中间无明显隔层的地层特点，进行了控缝高压裂技术的工艺设计与施工方案的制订，并对其施工效果进行了评价。结果表明：2009年全年应用控缝高压裂技术施工23井次，有效期内平均单井净增油146.04吨，远高于全年挖潜旧井的平均单井净增油值51.07吨，同时也明显高于其他旧井挖潜措施井的净增油值，创造了非常好的经济效益。因此，控缝高压裂技术在瓦窑堡油田有进一步推广的价值。

瓦窑堡油田；压裂；控缝高压裂；应用研究

Wayaobao Oilfield；Fracturing；Control Slot Height Fracturing；Applied Research

前言

压裂是油气井增产、注水井增注的重要技术措施。在水力压裂过程中，当油气层很薄或产层与上下隔层之间最小水平主应力差较小时，裂缝往往在缝高方向上突破隔层延伸。裂缝高度无论是向上还是向下过度延伸，都会造成裂缝高度过大而长度过小，进而影响裂缝的导流能力和压裂效果，使压裂难以达到设计要求。而且如果裂缝窜入临近的气、水层，不但不能起到增产作用，反而会引起油井含水量暴增或者“引气入井”。因此，控制裂缝高度延伸是水力压裂成功与否的关键因素之一。

长期以来，国内外许多专家学者对控缝高压裂技术开展了大量的理论研究与现场实践工作，取得了大量的研究成果，这些成果极大地推动了控缝高压裂技术的发展。

1 控缝高压裂技术

1.1 压裂裂缝高度人工控制机理

垂直裂缝的垂向增幅是受上下隔层与油层应力差及上下隔层的物质特性，施工参数（如排量、压裂液黏度、加砂浓度）等因素制约的。当裂缝向上或向下延伸，压力超过隔层与油层应力差及冲破盖层所能承受的限度时，裂缝就有可能窜入非目的层引起不良效果。

由于地下物质特性、地层应力差及裂缝韧度的不同垂直裂缝高度不同程度地受到遏制。限制裂缝垂向增长的实质性机理是流体进入狭窄的上下裂缝末梢时受到的阻抗。

垂直高度遏制机理的三要素：地层应力差、岩石物质特性和裂缝上下末梢阻抗值。

在造开一定的缝后，填充上浮剂或下沉剂，只要这些转向剂能集中到裂缝上下狭窄的末梢处，就能生成一定的阻抗值。这是人工控制裂缝垂向增长的基本原理。

1.2 控缝高压裂技术的分类

目前，国内外发展了几项控制裂缝高度技术，如人工隔层技术、变排量压裂技术、注入非支撑剂塞控制缝高，调整压裂液密度控缝高技术、冷却地层控缝高技术和低黏度等。

1.2.1 人工隔层技术

人工应力遮挡控缝高技术的基本原理如下：

首先，裂缝的延伸主要在应力薄弱的方向上，当压裂液在裂缝中流动时，在裂缝端部发生滤失，造成局部压力增加，逐渐超过地层中该点的破裂压力极限而产生裂缝，并沿该方向向前延伸。这时加入隔离剂，使其上浮到裂缝的上部或沉积在裂缝下部端点，会阻止一部分压裂液的滤失，形成阻抗值，即人为增大了隔挡层的压力值。形成的阻抗值达到一定程度时，就能阻止裂缝在该方向上的延伸。

其次，在裂缝的近井地带上下端部填充小粒径隔离剂，减小了末梢处的流速对垂向扩展压力产生的阻抗，但在水平方向上，则相对地增加了产层之间滑动的可能性。隔离剂限制了压裂液沿纵向的流速，在注入排量不变的情况下，相应地增加了裂缝在宽度和长度方向上的扩展能力，裂缝在宽度方向上的扩展能力即转化为增加层间滑动的能力。

Nguyen等人1983年首次提出利用“人工隔层”控制裂缝高度压裂技术，他们利用一种“下沉式隔离剂”使其沉积在裂缝下部端点以阻止一部分压裂液的滤失，形成阻抗值，即人为增大了隔挡层的压力值，从而实现人工隔层控制裂缝高度增长。此外，他们还使用一种“上浮支撑剂”在裂缝的顶部形成桥塞来控制裂缝向上延伸，结果显示此方法有效地控制了裂缝高度的延伸。国内外对此都进行了大量的卓有成效的研究，目前已经发展成为控制裂缝高度延伸的主力技术，并取得了成功的应用。

1.2.2 变排量压裂技术

与上下隔层地应力差值小的薄油层的压裂改造，为限制裂缝高度过度延伸，采用变排量压裂技术，在控制裂缝向下延伸的同时，可增长支撑缝长，增加裂缝内支撑剂铺置浓度，从而可有效地提高增产效果。

上世纪80年代初，美国的石油工程师通过大量研究棉花谷地区压裂裂缝的分布特点，找出了裂缝高度与泵注排量的统计关系，并花费了许多精力研究水力裂缝高度的影响因素。

Mack等人从压裂施工的工艺角度探讨了美国Virginia州中西部Mississippian地区砂岩地层裂缝高度的延伸特点，得到了压裂裂缝的高度与泵注程序之间的最优化关系。

1.2.3 注入非支撑剂塞控制缝高

这种方法是在前置液和携砂液中间注入非支撑剂的液体段塞，这种液体段塞由载液和封堵颗粒组成，大颗粒形成桥堵，小颗粒填充大颗粒间的缝隙，形成非渗透性阻隔段，以达到控制缝高的目的。

Palmer等人研究煤层水力压裂发现, 40/70目支撑剂可堵塞较小的流通通道,将压裂液导入变宽了的其他通道,从而方便较大颗粒支撑剂的输送。

Arp等人研究了使用低密度支撑剂来控制裂缝的增长;使用硅粉、70/140目砂、20/40目砂及10/20目砂的混合物来控制裂缝下端的增长，并批评了使用低排量、低浓度压裂的做法。

1.2.4 调整压裂液的密度控制缝高

根据压裂梯度来计算压裂液的密度，如果要控制裂缝向上延伸，采用密度较大的压裂液，使其在重力作用下尽可能向下压开裂缝，反之，如果要控制裂缝向下延伸，使用密度较小的压裂液。

1.2.5 冷却地层控制缝高

先低排量注入低温液体冷却地层，降低地层应力，这时的注入压力必须小于地层的破裂压力，当冷却地层的范围和应力条件达到一定要求时，再提高排量，注入高浓度降滤剂的低温前置液，压开裂缝，在注入低温液体冷却地层期间的某一时刻，将注液压力提高到造缝压力，进而采用控制排量和压力的方法控制缝高的延伸，这种方法主要用于胶结性较差的地层和用常规水力压裂难以控制裂缝延伸的油气层。

大数据中心数据库至下而上进行划分为物理层、逻辑层以及逻辑字库层。逻辑字库包含了基础类、参考系、专业类以及管理类等数据；逻辑层主要用来描述国土资源数据的专题图件，细分包括防灾管理数据、地政管理数据以及矿政管理数据；物理层主要用来描述另外两层的关键要素，数据逻辑设计如图3所示：

2 瓦窑堡油田地质背景

瓦窑堡油田地处鄂尔多斯盆地一级构造单元陕北斜坡中东部，区域构造背景为一平缓的西倾单斜，倾角半度左右，每公里坡降8～10m。在西倾单斜背景上发育三个近东西走向的主要鼻状隆起带。

油田钻遇地层从上到下依次为第四系黄土层、侏罗系中下统延安组、富县组以及三叠系上统延长组，主要油层为三叠系上统延长组长2、长4+5和长6油层组。

2.1 长2 油藏特点

长2油层组为构造—岩性油藏，原始油层压力低，以底、边水水驱为主，溶解气驱为辅，油水分异性差。埋深188～990m，岩性比较单一，主要为灰白—灰绿色细砂岩夹黑色、灰色粉砂质泥岩，砂岩呈巨厚状，具水平层理，泥质、灰质胶结。孔隙度17.50%，孔喉类型为小孔隙、小孔喉类型，渗透率14.80×10-3μm2。地层温度27.30～45℃、地层压力4.35MPa，饱和压力与原始地层压力比值为0.24，即饱和压力不足原始地层压力的1/4，气油比仅为11m3/t。20℃原油密度0.83g/cm3，属弱酸性的CaCl2水型。

2.2 长4 +5 和长6油藏特点

长4+5、长6油层组为岩性圈闭油藏，岩性为一套灰白色砂岩、灰黑色泥岩、碳质泥岩与灰色粉细砂岩互层。长4+5油藏埋深510～1220m，长6油藏埋深570～1280m。平均孔隙度10.90%，平均渗透率1.18×10-3μm2；孔喉类型为小孔隙、细微喉道、微裂缝类型。原始油层压力低、油水分异性差。驱动类型为弹性—溶解气驱，地层温度28～51.1℃、地层压力6.20～10.18MPa、20℃原油密度0.85～0.86g/cm3，属弱酸性的CaCl2水型。

3 控缝高压裂技术在瓦窑堡油田的应用情况

3.1 控缝高压裂技术施工总体方案

3.1.1 射孔段的选择尽量靠近油层上部；

3.1.3 低伤害压裂液具有破胶彻底，防止黏土膨胀，减少压裂液对油层的伤害，提高压裂效果的作用；

3.1.4 施工排量要满足压裂施工要求；

3.1.5 控制剂以下沉剂为主，控制裂缝下向增长；

3.1.6 下沉剂用量在500～2000kg之间；

3.1.7 压后要控制抽排速度。

3.2 控缝高压裂技术的施工工艺

在压裂施工过程中选用密度为0.36g/ cm3上浮剂，添加浓度为3～5%；选用密度为2.48g/cm3下沉剂，添加浓度为3～5%。施工过程中采用浓度0.3%的胍胶水溶液作为控缝剂载液。

在主压裂施工前加入控缝剂作为一个预处理措施，施工工序相当于一次小规模压裂，先注入一定浓度的前置液，然后加入低浓度的上浮或下沉控缝剂，并使其上浮到裂缝顶部或沉降到裂缝底部后，再进行正常压裂施工，由此裂缝垂向延伸得到控制，井压增加，防止裂缝向上、下扩展，从而达到控制缝高的目的。

现场施工主要以小排量、小砂量和低砂比为主。砂量大小以穿透油层近井污染带为依据，在油层厚度大时适当加大砂量。下沉剂加入量以声波时差、遮挡层好坏和油水层之间的距离大小来确定。同时下沉剂加入量以不沟通水层为主要依据。主要适用于底水活跃、油层段与底水相连且中间无明显隔层的油层和油水同层。

3.3 控缝高压裂技术实际应用情况

瓦窑堡油田中山川区油区2189-3、 2189-5井系停躺井，通过资料分析，对比研究，认为该井具有一定挖潜价值。

根据岩性、物性、电性及含油性关系，对2189-3井制定如下方案：射孔4m，加砂20m3，施工排量1.6～1.8 m3/min；对2189～5井制定如下方案：射孔5m，加砂24m3，排量1.8～2.0 m3/min。这两口井控缝高压裂改造后，效果良好，在此成功的经验基础上，又对更多油井实施了控缝高压裂改造，均达到了预期效果。

截止到2009年底，瓦窑堡油田应用控缝高压裂技术对23口油井进行了改造，油井的详细信息见表1。

由表1可见，应用控缝高压裂技术施工后，除少数油井（2367-2井，3020-3井）增油效果不明显以外，其余21口油井的产油量均有显著提高，23口井累计增油3358.93T，日增净油≥2.0T井3口，占改造井总数的13.0%；日增净油≥1.0＜2.0T井6口，占改造井总数的26.1%；日增净油≥0.5＜1.0T井12口，占改造井总数的52.2%；日增净油＜0.5T井2口，占改造井总数的8.6%，总体上取得了较好的增产效果。

3.4 瓦窑堡油田控缝高压裂技术经济效益评价

瓦窑堡油田2009年全年完成旧井挖潜177口，采取的施工工艺、施工井数及增产效果如表2所示。

由表2可知，在瓦窑堡油田2009年全年完成的挖潜措施井中，控缝高压裂井的增油效果最为明显，有效期内平均单井净增油146.04吨，远高于全年挖潜旧井的平均单井净增油值51.07吨，同时也高于常规二次压裂、转向压裂、HRS复合解堵等其他旧井挖潜措施井的净增油值。

如果按每口控缝高压裂井施工费用9.2万元，每吨原油价格2057元（油田公司收购价格）计算，那么2009年全年23口控缝高压裂井投入费用211.6万元，创造的产值为690.93万元，投入产出比为1：3.27，创造了较好的经济效益。

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4 结论

4.1 控缝高压裂技术主要是通过人工隔层技术、变排量技术以及调整压裂液密度等方法使地层的物质特性、应力差及裂缝韧度在垂直裂缝方向上不同程度地受到遏制，从而达到限制裂缝垂向增长，形成水平裂缝的目的；

4.2 瓦窑堡油田属于低渗、特低渗透油藏，部分油藏存在底水活跃、油层段与底水相连且中间无明显隔层的情况，属于控缝高压裂技术的使用范围。瓦窑堡油田2009年全年应用控缝高压裂技术施工23井次，有效期内平均单井净增油146.04吨，远高于全年挖潜旧井的平均单井净增油值51.07吨，同时也明显高于常规二次压裂、转向压裂、HRS复合解堵等其他旧井挖潜措施井的净增油值，创造了非常好的经济效益。因此，控缝高压裂技术在瓦窑堡油田有进一步推广的价值。

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Study on The Technology of Control Slot Height Fracturing Applied in Wayaobao Oilfield

Yan Haijian Yang Yongzhao Lv Jinping He Xiangjun Ma Zhifeng
Wayaobao Oil Production Plant of Yanchang Oil Field Co., Ltd., Zichang 717300 China

Summarying up the high seam domestic and foreigncontrolled joint control mechanism of fracturing technology. Analysising of the Wayaobao field location and reservoir characteristics. There is some active bottom water in Wayaobao oil reservoir. The reservoir section is connected with the bottom water compartment and the middle strata has no obvious characteristics. For that, the control slot height fracturing process has designed and construction of program has developed, what’s more, its construction effects has evaluated. The results showed that: In the year 2009, there are 23 wells applicated of construction control slot height fracturing technology. The life of the average net increased 146.04 tons of singlewell oil, well above the annual tapping potential of old oil wells, whose average value was 51.07 tons per single well, even also significantly higher than other potential measures in the old wells. It created a very good value for money. Therefore, the control slot height fracturing technology has a further promoting value in Wayaobao Oilfield.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.008

闫海建(1974-)，男，陕西省子长县人，瓦窑堡采油厂钻井工程师，主要从事油气田开发方面的研究。