低滲透儲層縫內暫堵多分支縫壓裂技術研究

王賢君，王 維，張玉廣，尚立濤，張明慧，張 瑞

（1．大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163000；2．南京工業大學材料科學與工程學院）

隨著大慶油田開發的深入，開發對象逐步轉向外圍低滲透儲層。該類儲層主要特點為低孔低滲透、物性差、豐度低等，常規方式無法投產，壓裂增產改造是實現低滲透儲層開發建產的主要手段。針對低滲透儲層，為提高壓裂增產改造效果，應盡可能增大裂縫與油藏的接觸面積。該類儲層采用常規壓裂技術難以取得明顯增產效果，采用大規模壓裂雖然取得了較好的效果，但是施工成本高，經濟性較差，難以實現效益開采。為提高外圍低滲透儲層增產改造效果，采用纖維縫內暫堵多分支縫壓裂技術，通過可降解纖維+基液+支撐劑組合工藝在人工裂縫主縫內產生橋堵，提高縫內凈壓力，迫使裂縫轉向產生多分支裂縫，形成復雜裂縫系統，提高人工裂縫泄油面積[1-7]。該技術在保證改造效果的同時，有效控制了施工成本，實現低滲透儲層的經濟有效開采。

1 技術原理

1.1 纖維縫內暫堵多分支縫壓裂技術原理

在注水井網條件下，常規壓裂單一裂縫控制的砂體體積有限，導致裂縫與砂體匹配度不高，單純加大壓裂規模易溝通水井導致水淹，儲層動用程度低。通過在人工裂縫主縫內加入可降解纖維暫堵劑產生橋堵，提高縫內的凈壓力，使之大于水平主應力差與巖石抗張強度之和，在主裂縫內兩側轉向產生新縫，實現增大裂縫控制砂體范圍、提高壓裂效果的目的。

1.2 纖維縫內暫堵多分支縫形成條件

通過室內實驗與現場試驗得出，可以根據評價儲層水平應力差異系數、巖石力學參數與應力遮擋情況來判斷改造儲層能否形成多分支裂縫：當儲層水平應力差異系數小于0.2，楊氏模量大于24.5 GPa時，水力壓裂能夠形成多條分支縫；而水平應力差異系數為0.2～0.3、楊氏模量為15.0～24.5 GPa時，水力壓裂在高凈壓力時才能夠形成多分支縫。

1.3 纖維可降解性能

暫堵轉向壓裂施工完成后，纖維在地層溫度條件下可實現降解，并隨返排液排出。地層溫度下纖維降解率的大小對人工裂縫導流能力有重要的影響，為此進行了不同溫度條件下的纖維降解率測試實驗，實驗結果見表1。

實驗結果表明，恒溫60 ℃、96 h后，纖維最大降解率為61.86%；恒溫90 ℃、96 h后，纖維最大降解率為96.0%。由此可見，在現場條件下纖維進入裂縫后會發生降解，不影響裂縫的導流能力。

1.4 纖維壓裂液流變性能

纖維對壓裂液的流變性能有重要影響，用流變儀測試了一組不同質量分數纖維的羧甲基壓裂液（CMG）在90 ℃、170 s-1、60 min時的表觀黏度隨溫度的變化（表2）。

黏度–時間流變性能評價表明，壓裂液中加入0.1 %～0.3 %纖維后，壓裂液平均剪切黏度提高3～4倍，提高了壓裂液體系的攜砂性能，利于高砂比施工，能夠提高改造裂縫的有效支撐程度。

表1 不同溫度條件下纖維降解率測試實驗結果

表2 纖維壓裂液流變性能評價結果

2 壓裂優化設計

2.1 縫內轉向時機與施工時間

儲層改造時，巖石力學性質與地應力的分布狀態決定了壓裂裂縫的形態，根據測錄井資料所獲得的巖性、聲波時差及密度計算地層的巖石力學參數。基于地層特性信息及連續的數據點，地震屬性數據體，建立井間巖石力學參數三維數據體，建立地層巖石力學參數連續剖面。采用全三維壓裂模擬軟件確定儲層物性、巖石力學參數的平面非均質分布規律，解釋定義巖性并計算應力；采用有限元網格節點方法對地層點進行相關運算，允許垂直和水平兩方向上的變化，建立網格化非均質地質模型，進行非對稱全縫長人工裂縫模擬，判斷形成轉向縫時機。

應用纖維、基液、支撐劑組合的壓裂方式對人工裂縫的主裂縫進行暫堵，在提高縫內凈壓力的同時實現了轉向裂縫擴展延伸。即壓裂完主裂縫后采用質量分數 0.2%～1.2 %的纖維基液與支撐劑進行縫內暫堵，提高了裂縫尖端壓力，使轉向裂縫擴展，形成了一定長度的轉向裂縫。壓裂結束后，主裂縫里的纖維溶解，仍保持良好的導流能力。該壓裂方式確定了不同儲層轉向裂縫擴展所需要的纖維與支撐劑濃度及施工時間，以質量分數1.0%的纖維基液與質量分數30%的陶粒組合為例，確定了不同儲層裂縫轉向工藝的施工時間（圖1）。

圖1 不同儲層縫內轉向工藝施工時間與凈壓力關系

2.2 縫內裂縫轉向條數與縫長優化

以區塊儲層特征與應力場研究結果[8-10]為基礎，結合巖石力學參數，采用數值模擬軟件，建立儲層物性、地應力、巖石力學參數的平面非均質分布規律和網格化非均質地質模型，進行人工裂縫模擬，分析轉向裂縫條數與長度對應產量關系，確定單井改造形成轉向縫條數與長度。以B1井為例，分別模擬了 1條、2條、多條轉向裂縫，通過優化裂縫長度、施工規模和施工工藝方法，得到的轉向縫長度為45～55 m（圖2），確定轉向縫條數為3條。施工工藝優化結果見表3。

圖2 不同應力差下儲層施工凈壓力與轉向縫長度關系

3 現場壓裂試驗

采用纖維縫內暫堵多分支縫壓裂工藝在海拉爾油田低滲透儲層、長垣外圍低滲透儲層及低滲致密氣層開展了現場試驗，取得了較好的效果。

3.1 低滲透直井纖維縫內暫堵多分支縫重復壓裂

在海拉爾油田開展直井纖維暫堵多分支縫重復壓裂現場試驗15口井，初次壓裂后平均單井日產油3.8 t，重復壓裂前平均單井日產油0.4 t，重復壓裂后初期平均單井日產油 4.2 t，為初次壓裂后產量的110%。與同區塊低滲透儲層采用常規重復壓裂的14口井相比，相同改造規模下多分支縫重復壓裂后日產油效果提高了40%。

表3 B1井縫內轉向壓裂優化結果

3.2 纖維縫內暫堵多分支縫重復壓裂

在長垣外圍水平井N255-P338開展纖維縫內暫堵轉向重復壓裂現場試驗，全井施工6段，縫內暫堵轉向施工3段。以全井第4段施工為例，20%砂比時加入纖維，地面施工壓力由45 MPa上升至51 MPa，上升了6 MPa，從施工壓力變化情況判斷暫堵轉向成功，形成了分支裂縫。N255-P338井初次壓裂投產日產油5 t，重復壓裂前日產油1.1 t，纖維縫內暫堵多分支縫重復壓裂后日產油6.6 t，是初次壓裂后的132%。

3.3 直井纖維縫內暫堵多分支縫壓裂

在低滲致密氣儲層直井開展纖維縫內暫堵多分支縫壓裂現場試驗2口井，其中SS8井初次施工為常規壓裂投產，重復壓裂時，采用纖維縫內暫堵多分支縫壓裂工藝，地面施工壓力上升了6.5 MPa，產量獲得突破，壓后試氣產量達7.3×104m3/d，與初次壓裂相比，在同等加砂規模條件下，重復壓裂后試氣產量是初次壓裂后的5.2倍。在WS1-3井開展了縫內暫堵壓裂試驗，纖維加入后施工壓力上升6.9 MPa，壓后試氣產量1.65×104m3/d，在同等施工規模條件下，壓后產量超過同區塊內所有鄰井。

4 結論

（1）室內實驗表明，在高應力差系數條件下，水力壓裂需要通過高凈壓力才能形成暫堵多分支縫。

（2）室內實驗評價了纖維的降解性能及纖維壓裂液的流變性能，纖維壓后可降解，不會影響壓后返排，纖維壓裂液體系攜砂性能好，有利于高砂比施工。

（3）建立了網格化非均質地質模型，進行了非對稱全縫長人工裂縫模擬，確定了形成轉向縫時機及暫堵施工時間，優化的纖維添加質量分數為0.2%～1.2%，通過分析轉向裂縫條數與縫長對應的產量關系，確定了單井改造形成轉向縫條數與長度。

（4）纖維縫內暫堵轉向多分支縫壓裂工藝能夠擴大低滲透儲層人工裂縫與油藏的接觸面積，有效提高單井產量，現場試驗應用取得了較好效果。

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