尕斯油田薄互層控縫高壓裂技術研究

許超蘭 譚 鵬

中國石油大學(北京)石油工程學院， 北京 102249

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尕斯油田薄互層控縫高壓裂技術研究

許超蘭 譚 鵬

中國石油大學(北京)石油工程學院， 北京 102249

薄互層油藏具有儲層物性差、有效厚度薄、天然裂縫發育、儲隔層應力差小等特點，壓裂改造是這類儲層投產或增產的重要手段。壓裂改造的技術難點在于壓裂目的層薄，隔層遮擋能力差，壓裂施工容易壓竄，縫高難以控制，加劇層間矛盾。以青海尕斯油田為例，通過對人工裂縫高的影響因素進行研究，對各種控縫高技術適應性進行分析，選出合適的控縫高技術。對尕斯油田的X井進行人工隔層技術優化設計試驗，模擬結果表明，縫高得到有效控制，由常規壓裂的18.0m變為12.9m，其上下隔層都不會被壓竄，保證了壓裂施工的成功，同時縫長得到增加。該方法可應用于現場控縫高壓裂設計。

薄互層；壓裂；裂縫高度；人工隔層；控縫高壓裂

0 前言

薄互層油藏具有油層夾層相互交錯且都相對較薄的特點，油層物性差，開采難度較大[1-3]。尕斯油田為深層油藏，其壓裂選井、選層及各小層間隔層統計結果表明，尕斯油田擬壓裂儲層平均單層有效厚度僅3.6m，隔層平均厚度僅5.6m，且隔層遮擋能力差，壓裂改造效果差，主要由于油層隔層薄，設計液量小，同時要求適當提高砂比，與現有壓裂工藝不適應，不能滿足油藏對裂縫長度及導流能力的要求；控制裂縫縱向延伸難度大，壓開后油層內裂縫的有效支撐差，設計與施工難度大；近井筒裂縫扭曲，裂縫寬度小，縫中摩阻大，施工壓力高，極易造成砂堵；由于隔層薄，壓裂井與水淹層相距較近，對遮擋作用估計過高，使裂縫垂向延伸至高含水層，造成目的層水淹，加劇層間矛盾，乃至因濾失增加造成壓裂施工失敗。

1 影響縫高延伸的因素

影響水力壓裂人工裂縫高度(以下簡稱“縫高”)的因素較復雜，可歸納為三類[4-5]：一是巖石力學及地應力參數對每個區塊而言是不可改變的；二是壓裂液的性能，如壓裂液的黏度、濾失系數等；三是施工參數如施工排量、施工規模等。尕斯油田儲層平均單層有效厚度為3.6m、隔層平均厚度為5.6m，施工排量為3.5m3/m，針對該地區薄互層壓裂的特點，模擬研究不同地應力差、不同施工排量、不同壓裂液黏度及不同隔層厚度下縫高的變化情況。

1.1 地應力差對縫高延伸的影響

根據尕斯油田深層儲層實際情況，利用三維壓裂軟件對不同儲、隔層地應力差下縫高進行模擬，結果見圖1。

圖1 地應力差與縫高延伸的關系

從地應力差與縫高的關系可以看出，隨地應力差的減小，縫高和支撐縫高快速增加，當地應力差小于 8MPa時，縫高延伸嚴重，裂縫容易失控。尕斯油田儲、隔層應力差僅6MPa左右，對縫高延伸的控制能力差。

1.2 施工排量對縫高延伸的影響

根據尕斯油田深層儲層條件，對不同施工排量下縫高進行模擬，結果見圖2。

圖2 施工排量與縫高延伸的關系

從圖2可知，施工排量對縫高有一定影響，但對支撐縫高影響不大，排量每增加1m3/min，縫高增加1～2m，說明縫高延伸對排量的變化不太敏感。尕斯油田深層儲層最佳施工排量約為3.5m3/min。

1.3 壓裂液黏度對縫高延伸的影響

根據尕斯油田深層儲層條件，對不同壓裂液黏度下縫高的模擬，結果見圖3。

圖3 壓裂液黏度與縫高延伸的關系

模擬計算結果表明，壓裂液黏度越大，壓裂液造縫能力越強，且濾失相對較小，使得裂縫的高度高且寬度大，但壓裂液黏度對裂縫尺寸的影響是有限的。因此，在保證壓裂液正常攜砂的前提下，盡可能降低胍膠用量和壓裂液黏度，對裂縫的縱向延伸起一定的控制作用。

1.4 隔層厚度對縫高延伸的影響

根據尕斯油田深層儲層條件，對不同隔層厚度下縫高進行模擬，結果見圖4。

從隔層厚度對縫高的影響分析可以看出，目前在尕斯油田深層儲、隔層地應力差的條件下，只有當隔層厚度大于9.0m時才能有效遮擋裂縫的縱向延伸，但由于實際隔層厚度平均僅5.6m，因此無法有效阻止裂縫在縱向上的延伸。

圖4 隔層厚度與縫高延伸的關系

從儲、隔層地應力差、施工排量、壓裂液黏度及隔層厚度對裂縫縱向延伸敏感性分析可以看出，儲、隔層地應力差和隔層厚度對縫高延伸影響占主導，壓裂施工排量和壓裂液黏度對其的影響較弱。目前在尕斯油田深層儲、隔層地應力條件下薄隔層厚度難以對壓裂縫高進行有效控制，有必要對此進行深入研究。

2 控縫高技術

常用的壓裂縫控縫高技術有人工隔層技術[6-8]、變排量技術[9]、調整壓裂液密度技術及冷卻地層技術[10]等。

2.1 人工隔層技術

2.1.1 人工隔層技術原理及步驟

人工隔層技術是國內常用的控縫高技術。該技術是在壓裂施工的前置液中加入暫堵劑，阻止需進行高度控制方向壓裂液的流動，其原理見圖5。使用密度比壓裂液小的暫堵劑控制裂縫向上延伸，阻止壓裂液和支撐劑向上流動；加入密度比壓裂液大的暫堵劑控制壓裂向下延伸，暫堵劑的沉降使壓裂液和支撐劑無法向下流動，從而阻止裂縫向下延伸。根據國內勝利、吐哈、中原等油田的應用情況，人工隔層能將儲、隔層間應力差增加3～5MPa。

圖5 人工隔層技術原理與凈應力分布圖

其主要步驟如下：

1)分析原始儲、隔層條件下裂縫縱向延伸，確定裂縫縱向延伸需控制的方向，如上、下或同時控制。

2)使用預前置液造縫，使地層破裂，并使裂縫延伸達到一定規模。

3)使用黏度較低的液體，低排量泵入控制劑，并將其全部頂替進地層。

4)關井10～20min，使轉向劑上浮和下沉，形成滲透性較差的人工隔層。

5)最后按常規壓裂施工進行施工，完成壓裂施工作業。

2.1.2 尕斯油田人工隔層技術適應性

根據尕斯油田深層儲層條件對不同隔層厚度對縫高的影響進行模擬，結果見圖6。

圖6 人工隔層適應性分析結果

從人工隔層對縫高的影響分析可以看出，在實施人工隔層控縫高技術后，隔層對裂縫在縱向上的延伸起到了較好的遮擋作用，當隔層厚度大于4.6m時能有效遮擋裂縫的縱向延伸，而尕斯油田深層實際隔層平均厚度為5.6m，故人工隔層控縫高技術能有效防止該油藏人工裂縫在縱向上的過度延伸。

2.2 變排量技術

壓裂上下隔層地應力差值小的薄層時，裂縫容易使上下層溝通，為限制縫高過度延伸，通過排量的瞬間躍變，可在控制裂縫縫口高度向下延伸的同時將支撐劑輸送至裂縫更深處，增大支撐縫長，增加裂縫內支撐劑鋪置濃度，提高裂縫的導流能力，改善增產效果。但對于薄互層儲層來說，縫高在上下隔層都有延伸，變排量壓裂技術主要適用于具有一定厚度的底水油藏，防止底水上竄。

2.3 調整壓裂液密度技術

利用壓裂液密度控制裂縫高度，是通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實現的。若要控制裂縫向上延伸，應采用密度較高的壓裂液；若要控制裂縫向下延伸，則應采用密度較低的壓裂液。因此，通過調整壓裂液密度來控縫高是一種單向方式，只能控制裂縫在一個方向的延伸，并不適用于控制薄互層儲層壓裂裂縫高度。

2.4 冷卻地層技術

采用控制排量和壓力的方法，先以低排量注入低溫液體冷卻地層，降低地層應力，當冷卻地層的范圍和應力

條件達到一定要求時，再以高排量注入高濃度降濾劑的低溫前置液壓開裂縫，冷卻一定時間后再將注液壓力提高到地層破裂壓力進行造縫。這種方法主要用于膠結性較差的地層和不存在清水傷害問題的油氣層。

3 實例應用

X井是尕斯油田深層的一口油井，根據壓裂選井、選層結果可對Ⅲ-7小層進行壓裂改造，達到提高單井產量的目的。故以該井為例進行人工隔層技術優化設計。

3.1 儲層基本參數

X井擬壓裂井段儲層基本參數見表1。

表1 X井擬壓裂井段儲層基本參數

3.2 縫高延伸分析

從表2可見Ⅲ-7小層上隔層厚度8.0m，下隔層厚度6.0m，均無法達到正常阻擋裂縫延伸的厚度，如不采取措施可能壓竄Ⅲ-5小層和Ⅳ-1小層，可能造成壓裂后油井水淹，且有早期砂堵的風險，為此采用人工隔層技術進行壓裂。

3.2.1 壓裂施工泵注程序優化結果

X井壓裂施工泵注程序優化結果見表2。

3.2.2 控縫高結果分析

在相同壓裂施工參數和施工規模下，采用常規壓裂和人工隔層壓裂的裂縫形態模擬計算，結果見圖7～8。

圖7 X井常規壓裂裂縫形態示意圖

圖8 X井人工隔層壓裂裂縫形態示意圖

表2 X井壓裂施工泵注程序優化結果

對比圖7、8結果可見，常規壓裂總裂縫高度為 18.0m，既壓開了Ⅲ-7號層以上的Ⅲ-5層，也壓開了Ⅲ-7號層以下的Ⅳ-1號層，而采用人工隔層壓裂后總裂縫高度為12.9m，縫高得到有效控制，上下隔層都不會被壓竄，保證了壓裂施工的成功，同時也增加了裂縫長度。

4 結論

1)裂縫縱向延伸敏感性分析表明，尕斯油田深層儲、隔層地應力差和隔層厚度對裂縫高度的影響占主導，施工排量和壓裂液黏度對其的影響較弱。

2)控縫高壓裂技術主要是通過人工隔層技術、變排量技術、調整壓裂液密度及冷卻地層技術等使地層的物質特性、應力差及裂縫韌度在縱向裂縫方向上不同程度地受到遏制，可有效阻礙裂縫在縱向上的延伸。

3)人工隔層技術能夠很好地控制縫高的延伸，同時增加裂縫的長度。

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2015-06-30

中國石油大學(北京)科研項目“砂煤互夾層水力裂縫造縫機制研究”(2462015YQ0203)

許超蘭(1992-)，女，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事油氣田開發研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.012