转向压裂用可降解纤维优选及现场应用

2019-01-11马海洋罗明良温庆志薄江伟

特种油气藏 2018年6期

马海洋，罗明良，温庆志，杨柳，薄江伟*

(1.中国石油大学(华东)，山东青岛 266580；2.北京大学，北京 100871；3.北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心，北京 100871)

0 引言

常规水力压裂易形成对称的单一裂缝，已经无法满足开发中后期储层和非常规储层的增产需求[1-2]。纤维暂堵转向压裂作为一种新型储层改造措施[3-7]，原理是用可降解纤维作为暂堵剂暂时封堵原裂缝或高渗层，在封堵处产生附加压差，改变最大和最小水平主应力方向，迫使裂缝转向，增大改造体积。施工后，可降解纤维随地层温度升高逐渐降解返排，不会污染储层和地下流体，适用于非常规低渗透储层的改造和老井的重复压裂[8-13]。与其他类型暂堵剂不同，可降解纤维可作为一种多功能添加剂，除了发挥封堵性能外，将纤维加到压裂液中，可提高压裂液携砂能力[14-18]，纤维网状结构还可防止支撑剂回流[19-21]。可降解纤维的性能直接影响该技术实施的效果，对纤维进行优选是至关重要的环节。目前，针对转向压裂中可降解纤维性能综合评价与优选的研究较少。基于此，通过室内模拟实验研究可降解纤维的分散悬浮性、降解性、悬砂性和封堵性等性能，对纤维进行综合评价及优选，并通过矿场先导试验进行效果评价，为纤维暂堵转向压裂技术的应用与优化提供参考。

1 实验材料及装置

实验材料包括：3种可降解纤维，基本参数见表1；CJ2-6羟丙基瓜胶；陶粒，视密度为3.23 g/cm3，体密度为1.67 g/cm3，粒径为40～70目；20%HCl溶液、交联剂等。

表1 可降解纤维基本参数

实验装置及辅助器材包括：自主设计的暂堵剂封堵性能评价实验装置、搅拌器、恒温水浴锅、恒温干燥箱、电子天平、烧杯、量筒、过滤筛、秒表等。

2 可降解纤维评价实验

2.1 分散悬浮性

纤维需要有良好的分散性，以防止施工时造成不必要的堵塞。采用清水和压裂液基液为分散介质，加入不同质量分数(0.2%、0.4%、0.6%)的纤维，搅拌10 min后静置2 h，观察纤维的分散悬浮情况。结果表明：3种纤维在2种分散介质中分散悬浮情况类似，以清水(图1)为例，当质量分数为0.2%时，J-1和J-3纤维分散均匀，J-2纤维有少许抱团；静置2 h后，纤维均略有沉降，随着质量分数增至0.4%和0.6%，纤维间抱团越明显，但沉降幅度减小，说明质量分数越高，纤维分散性越差，悬浮性越好。现场施工时，需同时考虑分散性和悬浮性，选择适当的质量分数，保证纤维压裂液有良好的流动性和携带性。

2.2 携砂性能

20 ℃下，量取定量压裂液基液，加入一定质量分数(0.0、0.2%、0.4%、0.6%)的纤维，搅拌使其均匀分散，然后加入交联剂和支撑剂并搅拌，使体系产生交联。为了便于观察，预先将部分支撑剂进行染色处理，记录染色支撑剂在一段时间内的沉降距离并计算沉降速度。

2.2.1 纤维种类对压裂液携砂性能的影响

将质量分数为0.2%的纤维携砂液与无纤维携砂液中支撑剂的沉降情况进行对比。结果表明：2 h后，纤维携砂液中支撑剂的沉降速度明显减小，3种纤维分别将携砂能力提高了51.85%、80.25%、81.48%。由于纤维在携砂液中均匀分散，形成了纵横交错的网状结构，对支撑剂的运动起到了阻碍作用，增大了支撑剂的沉降阻力，因此，均匀分散的纤维可提高携砂能力。

2.2.2 纤维质量分数对压裂液携砂性能的影响

沉降速度与纤维质量分数的关系见图2。由图2可知：当纤维质量分数从0.0提高至0.2%时，携砂液中支撑剂沉降速度降幅较大，支撑剂沉降速度从0.81 mm/min分别降至0.39、0.16、0.15 mm/min，但随着质量分数的进一步提高，沉降速度降幅变小。考虑到纤维的分散性和纤维携砂液的易泵注性，实际配制携砂液时纤维质量分数为0.2%左右即可。

图1 质量分数为0.2%时纤维在清水中的分散悬浮情况

图2 支撑剂沉降速度与纤维质量分数的关系

2.3 降解性

可降解纤维必须保证有合适的降解性，以满足施工的需求。利用恒温水浴锅控制实验温度，评价纤维在70 ℃的清水、0.4%瓜胶压裂液和20.0%HCl溶液中的降解性，同时评价纤维在清水中不同温度(20、70、90 ℃)下的降解性。

2.3.1 液体种类对纤维降解性的影响

实验结果(表2)表明：70 ℃下，J-1纤维在清水和压裂液中几乎不降解，而在20.0%HCl溶液中，1 h后降解率可达到99.0%；J-2纤维在清水和压裂液中降解速度较慢，但在20.0%HCl溶液中，1 h后即完全降解；J-3纤维在清水中，2 h后降解率为26.0%，在压裂液中降解率高达87.0%，在20.0%HCl溶液中，1 h后即完全降解。说明J-1纤维为酸溶性，适用于转向酸压裂施工，J-2和J-3纤维适于各类转向压裂施工，需根据具体储层特征及施工时间进行选择。

表2 70℃下纤维在不同液体中的降解率

2.3.2 温度对纤维降解性的影响

实验结果(表3)表明：在20 ℃清水中，纤维均不发生降解；70 ℃时，仅J-2和J-3纤维发生缓慢降解；90 ℃时，J-1纤维仍不降解，相比70 ℃，J-2纤维2 h后降解率提高约5倍，而J-3纤维1 h后已完全降解；纤维的降解速度随着温度的升高而变快。施工时由于压裂液的降温作用，储层温度会大幅下降，温度较低时需保证纤维不降解，能够发挥封堵或携砂作用；施工结束关井后，储层温度缓慢上升，纤维应在高温环境下彻底降解，恢复封堵裂缝的导流能力。根据实验结果，J-2和J-3纤维降解性符合上述需求。

表3 不同温度下纤维在清水中的降解率

2.4 封堵性能

封堵效果和承压能力是暂堵剂能否起到暂堵转向效果的关键因素。以0.4%胍胶压裂液+1.0%纤维+支撑剂配制暂堵液。根据现场资料确定模拟缝宽为1 mm，驱替压力为0.8 MPa，测试纤维暂堵液对模拟裂缝的封堵效果；封堵完成后，逐级加压，测试纤维暂堵层的承压能力。

2.4.1 纤维封堵实验

纤维暂堵液在驱替压力为0.8 MPa下各时段漏失量见图3。由图3可知：J-1纤维暂堵液漏失速度快，漏失量大，60 min后漏失量为116.0 mL，难以实现有效封堵；J-2和J-3纤维暂堵液在20 min后漏失量增加缓慢，压力一直维持在0.8 MPa，表明此时形成了有效的暂堵层；60 min后漏失量分别为74.5、59.0 mL，表明J-2纤维和J-3纤维具有良好的封堵性能。