鄂爾多斯盆地致密油應力循環壓裂技術

李川 張翔 杜現飛 唐梅榮 王廣濤 李昌恒

中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室

鄂爾多斯盆地致密油資源豐富，總資源量達20億t。近年來，通過借鑒以北美Bakken高壓致密油藏為代表的非常規油氣藏開發技術和經驗［1-4］，開展工廠化作業、叢式井鉆完井、大排量體積壓裂等新工藝試驗［5］，盆地Ⅰ類致密油儲層實現規模開發，效益顯著。但盆地長7致密油Ⅱ類儲層脆性指數偏低（40.3%）、水平兩向應力差較大（7.6 MPa），不利于形成網絡裂縫［6］。前期采用常規混合水壓裂改造35口井，平均試油日產油5.1 t，投產后日產油不足1 t，效果不理想，亟需探索新型壓裂技術。受到室內循環應力加載物模實驗的啟發，開展了循環應力壓裂新工藝技術試驗，初步實現了致密油Ⅱ類儲層的有效改造，開辟了提高致密油單井產量的新途徑。

1 室內物模實驗

前人采用物理模擬試驗，驗證了提高縫內凈壓力可以使砂巖形成復雜裂縫［7］。本次實驗分別采用單軸循環應力加載和循環泵注物模實驗，驗證循環應力加載對儲層的影響。

1.1 巖心循環應力實驗

實驗采用的試件為直徑25 mm，長度50 mm的小圓柱體。對2塊取自同一井深以及同一塊取心試件上的巖樣（HS油田L37井1 792 m，巖心孔隙度6.1%、滲透率0.05 mD，密度2.57 g/cm3，彈性模量26118 MPa、泊松比 0.21），分別做直線應力加載（A#）和循環應力加載（B#）實驗。

A#實驗采用單軸加載，圍壓為0 MPa，軸向應力加載速率74 N/s，采用線性增加的方式，當壓力到達79 MPa時，巖心發生破壞（圖1a）。

B#實驗循環應力加載，圍壓為0 MPa，采用負荷控制，加載速率74 N/s，初始的峰值應力為48 MPa，此后循環的峰值載荷逐次增加2 MPa，加載頻率為6次/h，當循環到第16次時試件發生破壞（圖1b）。

物模實驗表明：循環應力加載下的破壞是一個損傷累積的過程，在循環應力作用下，微裂紋形成并不斷增加，試件破而不碎，其完整部分在載荷的作用下不斷產生新的裂隙，當試件的完整部分不能承受載荷時，前期形成的大量微裂縫相互連通，形成形態復雜的宏觀裂縫。

圖1 直線加載與循環加載試件的破壞形態對比Fig. 1 Failure shape comparison between the sample with linear loading and that with cyclic loading

通過對比單向加載和循環應力加載后的實驗結果可以看出，循環應力下巖心試件所產生的破碎程度遠比單向應力加載要高得多；B#巖心加載達到第16次時發生破碎，表明形成的復雜裂縫是多次累加的結果。

1.2 循環應力泵注物模實驗

物模實驗系統由大尺寸巖石三軸力學性質試驗架、雙腔恒速恒壓計量泵、氣動控制系統、液壓站、聲發射儀及其他輔助裝置組成，可測試最大尺寸為30 cm×30 cm×60 cm的試件。該系統采用真三軸加載方式，使實驗試件的受力狀況盡可能接近實際油層的受力狀況（圖2）。

選取水泥試件進行了壓裂模擬實驗，2組實驗的三軸應力狀態均為18、12、6 MPa，采用胍膠基液作為壓裂介質，并分為常規注入壓裂和循環升壓式泵注2組（詳細實驗參數見表1）。該實驗的目的主要是為了對比循環泵注和直接泵注所產生的裂縫形態的差異。1#試件采用直線泵注方式壓裂，注入排量2.0 mL/min，壓力在6 min時突然降低，之后壓力緩慢抬升，無明顯波動；2#試件采用循環泵注的方式壓裂，注入排量0～3.0 mL/min，壓力在8 min時突然降低，但降低幅度明顯小于1#試件，之后壓力多次劇烈波動，產生5個明顯波峰（見圖3）。

圖2 三軸壓裂物模試驗機Fig. 2 Physical simulation testing machine of triaxial fracturing

表1 物模實驗模擬參數Table 1 Simulation parameters of physical test

圖3 常規泵注與循環泵注壓力變化曲線Fig. 3 Pressure change curves of conventional pumping and cyclic pumping

泵注結束后，剖開試件進行觀察：1#試件只產生了一條平直裂縫，而2#試件在經過壓裂后主裂縫面位置處產生了分支縫。通過實驗后切割觀察表明，常規壓裂方法形成了符合經典Penny模型的人工裂縫；而采用循環應力加載方法壓裂后的試件，形成的裂縫面發生了明顯轉向，產生了更為復雜的裂縫網絡（見圖4）。

圖4 常規泵注與循環泵注試件的破壞形態對比Fig. 4 Failure shape comparison between the sample with conventional pumping and that with cyclic pumping

2 壓裂工藝優化

2.1 技術思路

通過物理模擬實驗，明確了循環應力下巖心試件所產生的破碎程度遠比單向應力加載要高得多，循環泵注相比常規泵注更易于形成復雜的裂縫網絡。受物模實驗啟發，研發了應力循環壓裂技術。該技術利用縫內橋堵，結合施工參數（如排量、砂濃度）的控制，對儲層加載循環應力，使儲層受到疲勞破壞，實現縫網壓裂。

2.2 關鍵工具研發

應力循環工具組成自上而下依次為：循環振蕩器、旋流噴砂器、多功能堵頭，如圖5所示，主要技術參數見表2。該工具的管柱最大外徑100 mm，承壓70 MPa，耐溫120 ℃，壓裂時油管直接與循環振蕩器連接下至井底。

圖5 應力循環壓裂工具基本組成Fig. 5 Basic components of stress-cycle fracturing tool

表2 應力循環壓裂工具主要技術參數表Table 2 Main Technological parameters of stress-cycle fracturing tool

2.2.1 循環振蕩器 為了提高混砂工具的可靠性和穩定性，保證更好的混砂效果，基于Helmholtz振蕩腔的原理［8］設計了循環振蕩器。混砂液通過循環振蕩器入口后形成射流束，射流束向下游流動時形成渦量擾動，并在射向下游的過程中，在特定頻率范圍內的擾動會得到放大。

2.2.2 旋流噴砂器 基于流體旋流混合原理，確定了通過機械端口引導流體旋流攪拌的思路，通過流體力學數值分析等手段，設計了旋流噴砂器。通過噴砂器出口軸線與中軸線的偏心距和角度設計，產生旋流效應，在旋流噴砂器出口，混合液在旋流作用下產生漩渦，進一步加速液體混合效果。

2.2.3 多功能堵頭 該套工具配備了2種堵頭，普通款長度為16 mm，內置壓力計款長度694 mm。內置壓力計通過傳壓孔監測井底壓力和井底溫度數據，安裝于支撐筒體的中心孔內，不與支撐筒體的內壁面產生摩擦和碰撞，確保壓力計的安全可靠。

2.3 壓裂參數優化

2.3.1 排量優化 鄂爾多斯盆致密油施工排量超過7 m3/min時，縫高容易失控，造成無效支撐，縫內凈壓力不再增加。為此應力循環壓裂總排量應不超過7 m3/min，環空變排量優化為0～5.0 m3/min，油管排量優化為 1.4～2.0 m3/min。

2.3.2 油管砂濃度優化 根據礦場統計，油管砂濃度與井底凈壓力具有正相關性，油管砂濃度每增加200～400 kg/m3，井底凈壓力可提高 0.5～1.5 MPa［9］。考慮到設備能力及施工安全，油管最高砂濃度優化為 1 200 kg/m3，平均砂濃度 160～200 kg/m3。

2.3.3 脈沖間隔時間優化 脈沖間隔時間是指一個控砂階段內油套環空排量變化前后所間隔的時間，由于油套環空排量持續間隔變化，導致井口油套環空壓力變化較大。結合地面物理模擬實驗及現場施工經驗，確定脈沖間隔時間為2～4 min；環空排量為0時，井底砂濃度最高，最有利于支撐劑架橋的形成。

2.4 施工工序

具體工藝過程如下：采用油管泵注高濃度攜砂液、環空注入凈液體調整排量實時控制井下砂濃度，當環空持續降排量至0時，高濃度的支撐劑泵入裂縫中，形成支撐劑架橋后，提高施工排量，裂縫內的凈壓力大幅升高，此后通過凈液沖洗解除支撐劑架橋，重復以上過程直到完成壓裂。

該工藝可避免排量波動可能造成的脫砂現象，原理是：通過裂縫模擬，設置好油管停砂時間，當出現脫砂而升壓時，管柱內支撐劑濃度剛好為0，提高施工排量凈液沖洗解除砂橋；如果出現脫砂時油管內仍有支撐劑的情況，通過提高環空排量，油管排量降至最小（0.1～0.2 m3/min）并停止加砂，即可在短時間內解除脫砂，避免砂堵。

3 現場應用

應力循環壓裂技術在鄂爾多斯盆地致密油Ⅱ類儲層試驗37口井，與應用混合水壓裂的35口鄰井相比，平均試油產量由5.1 t/d提高到14.9 t/d，投產初期日產油量由不足1 t提高到2.6 t，增產效果顯著。

以鄂爾多斯盆地合水油田N142井為例。油管排量 1.6 m3/min，環空排量 0～4.4 m3/min，累計入地液量624.6 m3，累計加砂65.7 m3，砂比13.7%，最高砂濃度1 200 kg/m3，9個應力循環，明顯升壓6次，最高有效升壓5.1 MPa（見圖6）。

為認識應力循環壓裂后的裂縫擴展形態，開展了井下微地震裂縫監測。試驗井與應用混合水壓裂工藝的鄰井相比，有效信號明顯增加，裂縫帶寬增加29%，有效改造體積（ESRV）增加44.5%，實現了提高儲層改造體積、增加裂縫復雜程度的目的，投產初期日產油量提高1.64 t（見表3）。

應力循環壓裂初步實現了致密油類Ⅱ儲層的有效改造，該工藝無需加入特殊材料和其他配套設備，現場操作簡單，施工規模與常規混合水壓裂相當，平均施工排量3.8 m3/min，僅為常規混合水壓裂的一半，節省了水馬力和井場占地，平均施工成本降低14.6%，經濟效益顯著。

圖6 N142井應力循環壓裂施工曲線Fig. 6 Curve of stress-cycle fracturing in Well N142

表3 應力循環壓裂與對比井井下微地震監測結果Table 3 Downhole seismic monitoring results of stress-cycle fracturing well and its reference well

4 結論與建議

（1）物理模擬實驗表明，循環應力下儲層受到疲勞破壞，更易于形成復雜的裂縫網絡。

（2）利用支撐劑縫內橋堵，結合施工排量的控制，多次提高縫內凈壓力，對儲層加載循環應力，可增加儲層改造體積，提高單井產量。

（3）該工藝無需加入特殊增壓材料，現場操作簡單，施工規模與常規混合水壓裂相當，施工排量僅為常規混合水壓裂的一半，降低了施工成本。

（4）建議從優化壓裂液配方入手，實現井底液體黏度的實時控制，進一步提高井底凈壓力的控制水平，降低儲層傷害和施工成本。