深井转向压裂暂堵剂研究及应用

2022-03-10陈明鑫刘会锋范文同黄龙藏曹科学

特种油气藏 2022年1期

李伟，肖阳，陈明鑫，刘会锋，范文同，黄龙藏，彭芬，曹科学

(1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.成都理工大学，四川成都 610059；3.能新科(西安)油气技术有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

2009年以来，得益于水力压裂技术的突破性进展，特别是转向压裂技术的广泛应用，非常规储层得到大规模开发。1994年，Wright等[1-6]的研究显示，邻井裂缝和初次裂缝能够对原应力场产生一定影响，这一发现开启对了转向压裂技术的研究。后续研究[7-11]表明：若原水平地应力差较大，转向效果会显著减弱，甚至转向失败；对深部储层而言，水平应力及应力差较大，要实现较好的转向压裂效果，必须提高暂堵剂对射孔孔眼的封堵能力。然而目前学者对裂缝封堵的研究表明，实际封堵压力并不高(普遍低于5 MPa)[12-17]，且对射孔孔眼的封堵研究较少，适用于深井转向压裂的暂堵剂有待优化。该研究通过实验优选了适用于深井转向压裂的暂堵剂及其配方，采用数值模拟方法预测转向压裂裂缝延伸轨迹，计算转向压裂裂缝波及范围，并将计算结果与现场微地震监测数据进行对比，以验证技术可行性。研究成果对提高深井转向压裂效果具有一定的指导意义。

1 转向剂优选思路

暂堵剂封堵性能是影响转向压裂效果的关键因素之一，其直接决定了封堵的有效性以及封堵后暂堵剂滤饼的承压能力。承压能力越大，新裂缝越易形成。常用的射孔孔眼暂堵剂有尼龙球、可降解复合颗粒以及可降解纤维，这3种暂堵材料各有优缺点。尼龙球体积较大，依靠其弹性封堵射孔孔眼，但若射孔孔眼形状极度不规则或出现裂缝，尼龙球易失效；可降解复合颗粒粒径较小，可随压裂液进入孔眼中，形成充填式封堵；纤维则依靠在孔眼或过渡区的悬挂、缠绕作用形成团块来实现封堵[18-20]。相关研究表明，单一纤维对裂缝的封堵能力较低[21]，而对于近井地带射孔孔眼和初次裂缝的封堵鲜有研究。对处于高应力状态下的深井储层而言，为成功实现转向压裂，应尽可能提高封堵压力。因此，提出了以一定比例混合暂堵颗粒和纤维，制备复合型暂堵剂的思路。基于纤维的辅助架桥原理，将颗粒作为骨架，可为纤维的缠绕和架桥提供基础，在通过孔道和裂缝时，纤维包绕的颗粒则能够填充颗粒骨架间隙，堵塞孔道与裂缝，泵注过程中骨架受力挤压纤维团块，在压实作用下将形成更致密的纤维滤饼，从而形成具有一定封堵压力的阻挡层。

2 实验材料

2.1 实验岩板

为真实模拟储层环境，采用克深地区阿什基奇克组施工段(埋深约为6 560 m)的岩心制作岩板，模拟射孔孔眼和初次压裂形成的水力裂缝。2块岩板由全直径岩心经巴西劈裂法制得，相对传统切割法而言，前者形成的上下2块岩板面粗糙不平，能更真实地反映裂缝面对暂堵颗粒及纤维的支撑及悬挂。在岩板一端中心位置上钻直径为1 cm、深度为5 cm的圆柱形小孔，模拟射孔孔眼；缝面间的边缘部位充填厚度为2 mm的垫片，模拟初次裂缝的开度(图1)。

图1 实验岩板照片

2.2 暂堵纤维

纤维的性能直接决定暂堵工艺的成败，因此，对纤维的相关性能提出了一定的要求。通过前期筛选，优选的纤维长度为5～6 mm，在清水和压裂液中具有良好的分散性能，纤维的质量分数不大于1%时，均未出现抱团现象。在清水和质量分数为15%的HCL中的降解评价实验表明(表1，实验温度为95 ℃)，该纤维在清水中几乎不降解，而在酸液中2h后降解率为100%。因此，在施工中可加入一定质量分数的酸液以降解纤维。

表1 纤维降解性能评价结果

3 转向剂暂堵性能实验研究

3.1 实验思路及流程

实验模拟了转向压裂液流经射孔孔眼以及近井裂缝面的过程。在此过程中，纤维、暂堵颗粒在孔眼处以及缝内不断悬挂、滤失、沉降并压实，形成具有一定厚度、能够承受一定压差的暂堵剂滤饼，随后再通过泵入液体对滤饼的承压能力进行测定，以确定暂堵剂的封堵效果，实验流程如图2所示。

图2 实验流程

实验时，将导流室尾部出液管线引至称量容器，加温导流室和储液罐至地层温度，打开压力机模拟闭合压力，将携带暂堵球的压裂液泵入导流室中；再泵入含有纤维的压裂液，最后泵入纯压裂液测得其平稳注入压力。实验中温度允许波动范围为±5 ℃，测得注入压力的变化，并记录出口的液体质量。

3.2 实验结果及分析

实验采用粒径为0.5～1.0 mm的小粒径暂堵颗粒。在对比实验中，仅用压裂液携带暂堵颗粒进入导流室，观察暂堵颗粒自身的封堵能力。泵送完暂堵颗粒后，打开平流泵测试其封堵能力，发现压力表无读数，承压能力为0。拆洗导流室，岩板进口端孔眼内积聚了大量暂堵颗粒(图3)，说明单纯仅靠暂堵颗粒无法实现有效封堵。因此，加入不同浓度的纤维与暂堵颗粒进行封堵实验，测试其封堵效果。

图3 暂堵颗粒测试实验结果

3.2.1 纤维用量优化

实验中暂堵颗粒质量分数为0.5%，泵注流量为10 mL/min，测试纤维质量分数为0.0、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时复合暂堵剂的封堵效果(表2、图4)。由表2可知：当纤维质量分数小于0.8%时，随着纤维质量分数的增大，复合暂堵剂的封堵压力随之增大。说明纤维质量分数对封堵压力有正相关影响，提高纤维质量分数，可以增加封堵压力。当纤维质量分数为1.0%时，封堵压力明显减小。其原因是纤维质量分数过大，可能对实验管线造成堵塞，导致封堵效果变差。实验结束后拆洗导流室，可观察到1.0%纤维+0.5%暂堵颗粒的复合暂堵剂在管线出口处形成了滤饼(图4)，证明了上述的原因分析。综上所述，认为复合暂堵剂中纤维质量分数为0.8%时，暂堵效果最佳。

表2 纤维用量优化实验数据

3.2.2 暂堵颗粒用量优化

实验中纤维质量分数为0.8%，泵注流量为10 mL/min，测试暂堵颗粒质量分数为0.3%、0.7%、1.0%、1.5%时复合暂堵剂的封堵效果(表3)。

表3 暂堵颗粒用量优化实验数据

由表3可知：暂堵颗粒质量分数从0.3%增至1.5%，复合暂堵剂的封堵压力先增大后降低。当暂堵颗粒质量分数小于0.5%时，随着其质量分数的增大，封堵压力增大。当暂堵颗粒质量分数大于0.5%时，过高的质量分数会造成暂堵颗粒在进口端孔眼处堆积，无法大量进入孔道和裂缝内部与纤维形成包绕状的封堵带，封堵效果变差。因此，认为复合暂堵剂中暂堵颗粒分数为0.5%时，暂堵效果最佳。最终确定，复合暂堵剂的优化配方为0.8%纤维+0.5%暂堵颗粒。

4 转向压裂应用实例

4.1 转向压裂裂缝扩展区域模拟

直井A井位于塔里木盆地库车坳陷迪北X号构造依奇克里克逆冲断裂控制的大型断鼻构造内，该断鼻向南倾伏，走向近东西向。东西长约为32 km，南北宽约为5 km，断鼻内部发育次级断裂。侏罗系阿合组断鼻构造总面积为84.2 km2，闭合幅度为1 700.00 m，高点海拔为-1 300.00 m。目的储层为侏罗系阿合组—阳霞组，该储层物性变化较大，非均质性强，总体为低孔低渗、特低孔低渗储层，局部发育中孔中渗储层。储层发育裂缝以高角度斜交构造缝为主。A井储层深度为6 602.00～6 697.25 m，目的层平均孔隙度为5.2%，平均渗透率为1.42 mD，属于低孔低渗深井。

该井于2019年6月进行大规模压裂施工。前置液排量为7.0 m3/min，液量为528 m3；携砂液类型为冻胶，黏度为126 mPa·s，排量为7.0 m3/min，液量为500 m3，压裂砂质量浓度为160～180 kg/m3；顶替液用量为54 m3；转向液用量为52 m3；暂堵剂为暂堵颗粒加纤维，颗粒质量浓度为2.40 kg/m3，纤维质量浓度为3.84 kg/m3。

压裂液配方：5.40 kg/m3胍胶+0.06 kg/m3抑菌剂+2.40 kg/m3高温稳定剂+0.48 kg/m3高温破胶剂+0.24 kg/m3胶囊破胶剂+0.72 kg/m3交联剂+3.00 kg/m3延迟剂。

将上述封堵压力、压裂排量(7.0 m3/min)、压裂液量(1 134 m3)、压裂时间(162 min)、压裂液黏度(126 mPa·s)输入数值模拟软件。该软件是自主研发的裂缝转向数值模拟软件，其模拟原理为：结合井周地应力分布模型，包括注入流体诱导井周地应力分布模型、温度变化诱导井周地应力分布模型和人工裂缝诱导井周地应力分布模型等，根据叠加后井周地应力分布曲线，形成附加压降计算模型，对裂缝转向情况进行评价和研究。模拟计算得到初次压裂裂缝及应力场分布(图5)和转向压裂裂缝及应力场分布(图6)。

图5 初次压裂裂缝及应力场分布

图6 转向压裂裂缝及应力场分布

对比图5和图6可知：和首次压裂相比，转向压裂裂缝的起裂位置出现了较大偏移(图6中的红色线条)，但由于水平应力差过大(24.0 MPa)，最终裂缝延伸轨迹会在距离井眼约30 m处回到最大水平主应力方向，整个裂缝体系的横向波及宽度约为60.0 m。

4.2 微地震监测数据验证

为研究压裂后A井裂缝系统的形态和展布，选择A井以西927 m处的另一口井B井作为监测井，进行微地震数据监测。微地震事件检测结果显示，事件位置基本成南北向分布，这个趋势方向与该井FMI、声波资料和地质力学结果基本吻合。经过统计，根据测算出的微地震事件空间展布，得到了压裂改造形成的裂缝体系的几何参数(表4)，SRV体积共计91.53×104m3。其中，监测显示微地震事件宽度为61.5 m，与计算结果的60.0 m十分接近。