致密砂岩气藏水平井多簇分段压裂工艺

李雷，徐兵威，何青，陈付虎，张永春，李国锋

（中国石化华北分公司工程技术研究院，河南 郑州 450006）

鄂尔多斯盆地大牛地气田为储量丰富的典型低孔、低渗、低压气田，储层特点决定了采用水平井是获得经济开发的必要手段［1-2］。通过前期压裂改造先导试验，大牛地气田逐步形成了以多级管外封隔器分段压裂工艺为主导的水平井分段压裂技术，但该技术存在施工管串工具较多、节流摩阻较大、无法开启特低渗储层段等技术瓶颈［2-3］。因此，将水平井段内裂缝转向技术与裸眼封隔器完井技术有机结合，形成了水平井多簇分段压裂工艺。该技术在保证合理单井产能最大化的基础上，扩大了泄气面积，同时降低了施工风险及成本投入，形成了低渗致密砂岩储层改造工艺新技术［3-5］。

1 工艺原理

水平井多簇分段压裂工艺是在有限的井段内增加水力裂缝的条数和密度，提高单位水平井段的改造效率，从而获得比常规水平井分段改造大的单井有效改造体积［3-7］。

多簇分段压裂施工过程中，一次或多次向段内投送高强度水溶性多裂缝暂堵剂，按照压裂液进入储层裂缝时沿最小阻力方向流动方式，暂堵剂颗粒进入渗透储层段时会逐步形成滤饼。一旦井筒压力突破储层段间的破裂压力差值，压裂液将转向形成新的裂缝，最终在水平单段内形成多簇裂缝，改变支撑剂铺置方式［6-9］（见图 1）。

压裂施工结束后，产生桥堵的暂堵剂将溶于地层水或压裂液，实现段内先前封堵裂缝的开启，增加水平井各段的改造体积［10-13］。

图1 多簇分段压裂封堵起裂示意

2 工艺特点

相比常规水平井多级管外封隔器分段压裂工艺，多簇分段压裂工艺主要存在以下优势：1）能在同一水平段内压出多条裂缝，利用一段工具可改造多个渗透率级别的储层段；2）能减少水平井压裂入井工具数量，减少施工风险，降低作业生产成本；3）能有效增加水平段裂缝密度，加大段内裂缝改造规模，提高水平井一次动用储量，增加油气井初期产量，利于长期稳产，实现区域体积改造，大幅度提高气井产量［14-16］；4）施工操作方法简单，通过调整暂堵剂成分组成、颗粒大小、施工用量等参数，可以有效控制封堵时间、封堵压力等参数。

3 暂堵剂性能评价

水平井多簇分段压裂过程中，使用的水溶性暂堵剂起着关键作用，暂堵剂性能直接关系到压裂施工的成败和压后效果。在高温高压条件下，将水溶性暂堵剂粉末通过交联反应及物理势能激化等方式形成颗粒型多裂缝暂堵剂。现场施工时，颗粒型多裂缝暂堵剂进入裂缝后，在地层和压裂液的高压力差下获得势能，发生交联反应，制成具备高强度性能的滤饼，同时交联后的封堵又提高了封堵效率。

3.1 成胶状态封堵性能

暂堵剂形成滤饼后的胶体状态直接关系到能否有效封堵张开裂缝或天然裂缝，达到实现段内裂缝转向的效果。电镜扫描人造岩心封堵状况见图2。

图2 暂堵剂封堵电镜扫描

从图2可明显看出，所有孔隙都被暂堵剂黏附、堵塞，且在放大1 500倍时未见有未堵塞的孔隙，表明水溶性多裂缝暂堵剂具有良好的封堵能力。

3.2 暂堵剂溶解性能

暂堵剂能否溶于混合溶液介质，能否实现压裂后封堵裂缝及时返排产气，降低储层伤害，溶胀时间起关键作用。实验测试水溶性多裂缝暂堵剂在不同溶液介质中的溶胀时间，结果见图3。

图3 80℃下暂堵剂在不同溶液中的溶解

由图3可以看出，暂堵剂3.3 h后完全溶于压裂液，说明水溶性多裂缝暂堵剂在压裂液中溶解性能较好，不会对储层造成新的伤害。此外，由于溶解后的暂堵剂内含F表面活性剂，具备助排性能，利于压后残液的返排。

3.3 抗压强度性能

水溶性暂堵剂胶结后形成滤饼的强度是保证有效封堵已开启裂缝，实现裂缝转向，从而在水平段内形成多条裂缝的关键。通过测定暂堵剂滤饼的突破压力来评价暂堵剂的抗压强度。

3.3.1 分散态滤饼突破压力

通过计算滤失液体的排开体积来计量是否产生突破，实验用A，B，C，D号岩心分别测试模拟压实后的暂堵剂突破压力（见表1），实验样品分别在80℃压裂液中浸泡3～5 min后开始测试。

表1 分散态滤饼突破压力测试结果

由表1可以看出，当滤饼压实厚度大于1.0 cm后，即使是分散状态的颗粒型暂堵剂也可以通过交联作用形成有效封堵；当滤饼压实厚度小于1.0 cm时，颗粒型暂堵剂难以形成封堵。

3.3.2 胶结态滤饼突破压力

首先将颗粒型暂堵剂溶解，而后风干制成0.9，0.5 cm厚度的滤饼，再采用E，F号岩心测试其突破压力（见表 2）。

表2 胶结态滤饼突破压力测试结果

从表2可以看出，在暂堵剂形成滤饼后突破压力快速升高，当厚度大于0.9 cm后就难以突破，表明该水溶性暂堵剂具备用量少、承压能力高、封堵效果好的特征。

4 现场应用

×井是大牛地气田盒1气层的1口开发水平井，垂深2 551 m，水平段长1 215 m，岩性主要为岩屑砂岩，物性相对较好。依据水平井多簇分段压裂理论，设计7段17条缝压裂施工，累计注入压裂液5 834.1 m3，加入中密度高强度陶粒665.0 m3。该井采用多簇分段压裂技术施工后，试气油压9.9 MPa，求产无阻流量达11.1×104m3/d。

分析单段内3条裂缝的施工曲线（见图4），前置液阶段裂缝延伸压力分别上升了2.9 MPa和2.6 MPa，施工压力有明显上升，并发生裂缝转向。拟合破裂压力梯度分别为 0.011 4，0.013 4，0.016 4 MPa/m，多簇分段压裂技术在该井施工中得到成功应用。

图4 ×井单段内施工裂缝转向示意

根据地面微地震裂缝监测结果，在压裂施工过程中投入段内多裂缝暂堵剂，通过封堵先前形成的裂缝，迫使压裂液转向实现压开多条新裂缝的目的。水平井多簇分段压裂工艺，完全适用大牛地气田致密砂岩储层，且压后增产效果显著。

5 结论

1）水平井多簇分段压裂工艺能实现利用一段工具改造多个渗透率层段的目标，从而充分改造整个水平井段，提高增产效果。

2）多簇分段压裂技术能够减少水平井压裂入井工具数量，减少施工风险，降低作业生产成本。

3）水溶性多裂缝暂堵剂可完全溶于压裂液，且封堵效果好，承压能力高，可实现水平井单段内重新开启新裂缝。

［1］陈作，何青，王宝峰，等.大牛地气田长水平段水平井分段压裂优化设计技术［J］.石油钻探技术，2013，41（6）：82-85.

［2］邢景宝.大牛地气田水平井分段压裂技术研究与应用［J］.钻采工艺，2011，34（2）：25-28.

［3］Jasti J K，Penmatcha V R，Babu D K.Use of analytical solutions to improve simulator accuracy［J］.SPE Journal，1999，4（1）：47-56.

［4］Wan J，Aziz K.Semi-analytical well model of horizontal wells with multiple hydraulic fractures［J］.SPE Journal，2002，7（4）：437-445.

［5］ElRafie E A，Wattenbarger R A.Comprehensive evaluation of horizontal wells with transverse hydraulic fractures in a layered multi-phase reservoir［R］.SPE 35211，1996.

［6］埃克诺米德斯M J，诺尔蒂K G.油藏增产措施［M］.康德泉，周春虎，译.北京：石油工业出版社，1991：473-476.

［7］雷群，胥云，蒋廷学，等.用于提高低—特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术［J］.石油学报，2009，30（2）：237-241．

［8］陈守雨，杜林麟，贾碧霞，等.多井同步体积压裂技术研究［J］.石油钻采工艺，2011，33（6）：59-65.

［9］刘洪，胡永全，赵金洲，等.重复压裂气井诱导应力场模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（23）：4022-4027.

［10］周代余，郭建春，赵金州，等.裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究［J］.西南石油学院学报，2002，24（6）：32-35.

［11］朱世琰，李海涛，阳明君，等.低渗透油藏分段压裂水平井布缝方式优化［J］.断块油气田，2013，20（3）：373-376.

［12］Sollman M Y，Hunt J L，El Rabaa A M.Fracturing aspects of horizontal wells［J］.Journal of Petroleum Technology，1990，42（8）：966-973.

［13］钟森.SF气田水平井分段压裂关键参数优化设计［J］.断块油气田，2013，20（4）：525-529，534.

［14］劳斌斌，刘月田，屈亚光，等.水力压裂影响因素的分析与优化［J］.断块油气田，2010，17（2）：225-228.

［15］高海红，程林松，曲占庆.压裂水平井裂缝参数优化研究［J］.西安石油大学学报：自然科学版，2006，21（2）：29-32.

［16］曾凡辉，郭建春，陈红军，等.X10-3水平井分段压裂优化技术研究［J］.断块油气田，2010，17（1）：116-118.