暫堵轉向分層壓裂工藝在薄互層油藏中的應用研究

金智榮 ，包敏新，李升芳，張華麗，杲 春

(1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院；2.中國石化江蘇油田分公司勘探開發管理部，江蘇 揚州 225009)

江蘇油田韋莊等區塊屬于中低滲油藏，埋深較淺，通常在1 000～1 300 m范圍，油層溫度在40～50℃。縱向上油層呈現油水互層、層多層薄現象。條件允許時，可通過機械分層壓裂采用一趟管柱實現對各油層逐層改造。當井筒條件或隔層封擋能力不符合施工要求的情況下，江蘇油田嘗試通過投蠟球來封堵已壓裂層，轉而壓開破裂壓力高的層。但是蠟球封堵承壓能力弱、難溶、施工過程易從射孔炮眼脫落。近年來，在頁巖氣水平井中，利用水溶性暫堵材料實現多段多簇縫網壓裂的技術逐步成熟[1-2]，該暫堵工藝也被引用到直井多油層逐層壓裂改造作業中，但是封堵失敗的問題時有發生，為此，對暫堵轉向分層壓裂工藝展開進一步研究。

1 暫堵轉向壓裂技術原理

暫堵轉向分層壓裂就是對物性好的低破裂壓力油層實施加砂壓裂后，往井筒內投入一定數量和粒徑的暫堵球，隨壓裂液攜帶至預期已壓裂層的射孔炮眼處對其封堵，繼續注液使井筒壓力上升，當壓力達到物性差的油層破裂壓力值時，該層被壓開。反復此過程，實現改造多個油層的目的。

2 暫堵轉向分層壓裂排量選擇

暫堵球隨壓裂液被攜帶入井筒中作紊流態流動，其受力如圖1所示。若使暫堵球運移到射孔炮眼處，應滿足FT大于FG。

圖1 暫堵球在井筒中運移和暫堵射孔炮眼過程受力變化

根據文獻可知[3-4]：

(1)

其中：

μ1=2.12×10-2Q/dc2

(2)

(3)

(4)

式中：FT為流向射孔炮眼的壓裂液對暫堵球的拖曳力，N；FG為暫堵球受到的向下運動慣性力，N；ρB、ρ分別為暫堵球密度和壓裂液密度，kg/cm3；D、DP分別為暫堵球直徑和射孔炮眼直徑，m；μ1、μa分別為壓裂液在井筒中流速和暫堵球顆粒在壓裂液中沉降速度，m/s；fd為摩阻系數，無因次；Cd為阻力系數，無因次；dc為壓裂油管直徑，m；n為射孔炮眼數；Q為施工排量，m3/min。

當暫堵球坐落于預期已壓裂油層射孔炮眼上，其受力如圖1b所示。要實現暫堵球對射孔炮眼有效封堵，施工過程中不隨排量波動而發生脫落，應滿足FH大于FD。

FH為暫堵球在孔眼上所受到的附著力，N；FD為壓裂液流動對暫堵球的推力，N。

FD=0.392 7fDρμ2D2

(5)

(6)

綜合以上分析：暫堵球能夠坐落并封堵射孔炮眼不發生脫落，需同時滿足的條件是：

(7)

將預封堵層段相應參數代入式(7)，同時滿足要求的排量即為對應的最低施工排量(見表1)。

表1 最小施工排量計算參數

暫堵球能夠坐落射孔炮眼的最小排量：

(8)

暫堵球能夠封堵不脫落的最小排量：

(9)

當施工排量Q滿足公式(8)、(9)即表示暫堵球能夠有效坐落并封堵射孔炮眼。

圖2是射孔炮眼數n轉化為對應不同壓裂油層厚度(每米油層對應射孔炮眼數為16)對暫堵轉向分層壓裂所需最低施工排量影響。可以看出，暫堵球有效封堵射孔炮眼保持不脫落所需最低排量要大于暫堵球能夠坐落于射孔炮眼所需排量，因此在排量選擇時只需滿足暫堵球有效封堵不脫落最低排量即可。此外，壓裂油層厚度越大，對應射孔炮眼數越多，則暫堵球坐落并有效封堵的所需最低排量也明顯增大，表明暫堵球有效封堵射孔炮眼難度增加。

圖2 不同壓裂油層厚度下所需施工排量

在進行暫堵轉向分層壓裂施工排量選擇時，還需要綜合考慮具體壓裂油層深度、加砂規模等情況來進行優選。

3 暫堵材料性能優選

為了能夠有效封堵射孔炮眼，選擇的暫堵球必須具有一定承壓能力，并且在施工結束后能夠在低溫條件下迅速降解，不影響后期壓裂液返排及井筒內工具的起下作業。

優選合成樹脂類Z-1型暫堵材料制成的暫堵球，該材料含有強親水性基團，遇水能夠起黏，并且兼具剛性特點，滿足承壓、水溶要求。

3.1 承壓性能

選用18 mm粒徑Z-1型暫堵球顆粒，置于10 mm直徑的模擬射孔炮眼裝置上(見圖3)，施加30 MPa壓差，45℃條件下承壓4 h，壓力基本未下降。取出暫堵球觀察，球部分微變形未破碎，能夠滿足30 MPa壓差條件的暫堵射孔炮眼施工。

圖3 暫堵球在模擬射孔炮眼裝置承壓試驗

3.2 溶解性能

將承壓試驗后的Z-1型暫堵球顆粒放入清水中，45℃條件下，10 h暫堵球顆粒表面部分軟化溶解，溶液起黏，36 h全部溶解，并且溶液均勻，有黏度(見圖4)。滿足壓裂下泵投產前全部溶解的要求，不會對井筒內工具和管柱造成影響。

圖4 Z-1型暫堵球溶解狀態

4 現場應用及效果

W-55井壓裂10、14號層，如表2。考慮上下鄰近射開油層情況，為實現兩個非均質油層充分改造，采用暫堵轉向分層壓裂工藝。

表2 W-55井壓裂油層物性參數

根據壓裂油層溫度，考慮耐壓和壓后可溶要求，選擇直徑18 mm、密度1.1×103kg/m3的Z-1型暫堵球。結合壓裂模擬軟件優化確定：①壓裂10號層時排量2.0 m3/min，加砂8 m3；②投入105顆Z-1型暫堵球(暫堵球設計數量[5]=射孔炮眼數×1.1)；③暫堵球坐落并封堵10號層，轉向壓裂14號層時排量根據圖2研究結果確定為2.5 m3/min，設計加砂8 m3。

該井2018年12月壓裂施工，按設計要求完成兩個非均質油層逐層改造。該井壓前日產液7.3 t，日產油0.9 t，壓后投產日產液14 t，日產油2.3 t，增油效果明顯優于鄰井對應單層壓裂。

5 結論及建議

(1)進行暫堵轉向壓裂施工排量選擇時，要考慮暫堵球不僅能坐落射孔炮眼，還要保證暫堵球在施工過程中不脫落。

(2)壓裂油層越厚，保證暫堵球有效封堵射孔炮眼所需排量越高，有效封堵的難度也越大。

(3)優選的Z-1型暫堵球能夠滿足低溫溶解和封堵承壓施工要求。

(4)W-55井現場應用表明暫堵轉向分層壓裂施工可實現鄰近非均質油層逐層壓裂改造，壓裂效果良好。

(5)暫堵轉向分層壓裂工藝可以作為機械分層壓裂工藝的重要補充，為解決縱向上多個油層的逐層充分改造提供了更多的手段。