多級暫堵轉向重復壓裂技術探索及在河南油田的應用

孫彬峰，劉洪濤，劉 欣，馮興武，張 坤

（中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽，473132）

壓裂技術是河南油田開發后期增產穩產、有效開發難采儲量的重要措施。隨著生產時間的推進，一次壓裂裂縫陸續失效，通過試井和壓后產量擬合分析，壓裂兩年后人工裂縫平均導流能力僅為20.76×10-3μm2·cm，需要重復壓裂改善開發效果。河南油田已進入開發后期，受理論及現場施工工藝條件限制，以重張舊縫為原則進行重復壓裂，但重復壓裂技術只能使裂縫沿著老裂縫延伸，在老裂縫采出程度較高情況下，達不到理想的壓裂效果[1–2]。針對這種現狀，必須研究裂縫轉向重復壓裂技術，為提高重復壓裂效果開辟新的途徑。裂縫強制轉向工藝實施過程中，控制裂縫延伸軌跡的決定因素是哪些，河南油田當前的地應力條件是否滿足該工藝的應用，工程技術因素是否可以保證裂縫強制轉向成功。本文針對這些問題通過水力壓裂室內物理模擬實驗進行了研究。

1 壓裂井開發階段地應力預測結果

國內外大量定性研究認為，油氣田長期生產過程中，受生產注入活動、人工裂縫等各種因素影響，地應力場能逐漸改變，地應力場變化是使裂縫轉向的主要原因[3–4]。本文基于儲層巖石為線彈性體作為假設條件，以河南稀油老區主要壓裂目的層為輸入參數，疊加水力裂縫誘導應力場和孔隙壓力變化的誘導應力，獲得主要壓裂目的層開發階段的應力差值。計算結果見表 1。

表1 單井地應力計算結果

由表1可以看出，單井壓裂后經過長期生產，地應力差值有不同程度減小，但沒有出現應力反轉，河南油田重復壓裂裂縫自然轉向的可能性較小，需要研究堵老縫壓新縫工藝實現裂縫強制轉向。

2 裂縫暫堵轉向機理實驗研究

2.1 裂縫暫堵轉向的地應力差界限研究

對于垂向地應力為最大主應力的儲層，水平最大地應力與水平最小地應力的差值是最重要的控制參數之一[5–6]。本文主要針對河南油田 60°方位射孔條件，通過物理模擬研究了裂縫轉向的地應力差界限。模擬壓裂實驗系統由真三軸實驗架、MTS伺服增壓泵及其他輔助裝置組成，最大供液壓力可達到50 MPa。

針對60°相位角射孔完井方式，假定其中1/3射孔孔眼方位與水平最大地應力方向平行，剩余的2/3射孔孔眼方位與水平最大地應力方向的夾角均為60°；如果對射孔孔眼方位與水平最大地應力方向平行的1/3射孔孔眼實現有效封堵，那么，剩余的2/3射孔孔眼具有相同的破裂壓力及擴展規律。因此只需要知道其中一個射孔孔眼的破裂壓力及擴展規律即可。根據以上假定，加工1個方位與水平最大地應力方向的夾角為60°的射孔孔眼，加載水平應力差值分別為10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa，工作液為染色煤油。

圖1給出了應力差值分別為10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa時的裂縫形態，可以看出隨著水平地應力差值逐漸減小，裂縫轉向角度逐漸增加。實驗表明，通過有效封堵初次壓裂人工裂縫，可以實現裂縫強制轉向的地應力差界限為 8 MPa。根據當前地應力計算結果，雙河、安棚、趙凹油田主力壓裂層適合進行堵老縫壓新縫轉向壓裂工藝。

圖1 水平應力差值4～10 MPa轉向裂縫延伸軌跡

2.2 縫內裂縫暫堵轉向軌跡探討

由圖2、圖3可以看出，轉向壓裂在射孔孔眼處產生偏離水平最大地應力方位的新裂縫；隨著裂縫的擴展，新裂縫在縫內逐漸轉向，最終與水平最大地應力方位相互一致，形成明顯的曲面裂縫。

由以上物模實驗結果可知，地應力差值仍然是控制裂縫延伸軌跡的決定因素，只有在一定的地應力差條件下，通過轉向壓裂工藝條件的控制，如進行定方位射孔、增加壓裂液黏度、加大施工排量、加入裂縫轉向劑等增加了縫內凈壓力，間接改變了地應力差，從而使裂縫延伸軌跡發生偏轉，形成沿最小主應力方向延伸的轉向裂縫。由于受遠場應力狀態的制約，裂縫最終仍然轉向于最大主應力方向[7–8]。理論上，對于河南油田地應力差小于8 MPa的油井，通過應用封堵劑等一系列措施，可以形成不同于原來裂縫延伸方向的轉向新裂縫，提高裂縫改造效果。

圖3 縫內轉向曲面裂縫

3 裂縫暫堵材料優選

根據各壓裂目的層的具體狀況及后續油藏工程的需要，暫堵材料的選擇既要考慮永久封堵轉向壓裂工藝，也要考慮暫堵轉向壓裂工藝[9]。據此，研制了適合河南油田儲層轉向壓裂要求的高強度、易溶解、低傷害裂縫轉向封堵材料。

3.1 暫堵劑溶解性能

針對目前暫堵劑對轉向壓裂的局限性及轉向壓裂對暫堵劑的要求，研究評選了二次交聯型暫堵劑。該暫堵劑在壓裂液中1.5 h的溶解率為20%，4 h可全部溶解（見圖4）。

圖4 暫堵劑溶解率實驗

3.2 暫堵劑的承壓及地層傷害性能

暫堵劑在轉向壓裂過程中起著關鍵的作用，其強度關系著轉向壓裂施工的成敗。采用流動實驗儀測定封堵率及突破壓力來確定暫堵劑的強度，優選耐高溫、承壓力能力強的暫堵劑。評選出的暫堵劑耐溫達到130℃，在一定的用量下，耐壓可達到40 MPa以上（見表 2）。同時巖心傷害實驗結果顯示，該暫堵劑滲透率恢復率達到89.7%（見表3）。

表2 暫堵劑不同厚度封堵性能實驗

表3 巖心傷害實驗

4 多級暫堵轉向壓裂現場先導試驗

針對常規重復壓裂效果差的問題，為探討轉向壓裂在河南油田的適應性，2017年在雙河油田雙H9–145井進行了多級暫堵重復壓裂先導試驗，取得較好增油效果。雙H9–145井是雙河油田Ⅴ油組上層系的一口采油井，射開層位Ⅴ6–7兩個小層，砂厚5.8 m，有效厚2.4 m。2011年8月進行初次壓裂， 2017年7月10日進行多級暫堵轉向壓裂現場試驗，壓力分析表明，壓裂后有新的裂縫開啟，縫內暫堵轉向重復壓裂工藝取得了一定成功。以往壓裂實踐證明，河南油田雙江油區水平最大地應力方位為北東65°。測試H9–145井裂縫方位為北東30.17°，轉向角度35°，主加砂裂縫擬合轉向距離20～25 m。與壓前比較，壓后日增油5.5 t，累計增油845 t，取得了較好壓裂效果。說明轉向壓裂工藝在河南油田具有一定適應性。

5 結論

（1）壓裂井的地應力變化預測分析結果表明，壓裂井地應力差值隨開發時間有不同程度減小，但沒有出現應力反轉，應該研究堵老縫壓新縫工藝實現裂縫強制轉向。

（2）物模實驗表明，通過有效封堵初次壓裂人工裂縫，實現裂縫強制轉向的地應力差界限為8 MPa。根據當前地應力計算結果，雙河、安棚、趙凹油田適合進行堵老縫壓新縫轉向壓裂工藝實驗。

（3）評選出的高強度、耐高溫、易溶解、低傷害裂縫轉向劑，能夠滿足河南油田儲層轉向壓裂的需要，且轉向壓裂技術現場應用效果較好。