普光氣田碳酸鹽巖儲層暫堵轉向酸壓技術

陳燦 王棟 扈殿奇 魏美濤 石恒毅 崔夢瑄

1.中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院；2.中國石油華北油田分公司第二采油廠

普光氣田氣藏埋深4 500 m以上、平均含硫14.28%、孔隙度 2.3%～13.2%、滲透率 (0.03～92.8)×10-3μm2，屬于中孔、低滲透構造-巖性氣藏，主要含氣層為三疊系飛仙關組、二疊系長興組，累計上報探明天然氣地質儲量 2 782.95×108m3［1-5］。完井采用一體化管柱，投產采用射開全井段儲層的方式和膠凝酸多級注入酸壓工藝，建成產能120×108m3/a，伴隨氣田高效運行，受儲層井段長(160～557.9 m)和非均質性影響，產出剖面顯示部分層段(長興組、飛仙關組飛三段)未動用或動用率低。采用常規酸壓方式，無法取得理想的改造效果。暫堵轉向酸壓技術縱向可開啟新層，改善產氣剖面，橫向可均勻改造，提高儲層動用程度［6-7］，普光氣田主體儲層擬采用該技術進行改造。吳勇等通過測試封堵劑的承壓強度、溶解性和水不溶物含量優選出高強度暫堵劑［8］，劉洪、何青琴、達引朋、蘇良銀等進行了重復壓裂裂縫分布機理研究及暫堵堵劑用量優化［9-12］，陳勉等探索了地應力、斷裂韌性、節理和天然裂縫等因素對水壓裂裂縫擴展的影響［13］，趙益忠等利用三軸壓裂模擬實驗得到了3種不同巖心的壓后裂縫幾何形態和壓裂過程中壓力隨時間的變化規律［14］，劉建升等利用微地震監測明確了通過暫堵壓裂工藝能實現裂縫轉向、開啟地層微裂縫［15］。暫堵壓裂能否實現裂縫轉向，裂縫有何擴展規律？目前微地震監測技術雖對其進行了定量分析，但受信號干擾誤差較大。筆者應用真三軸模擬實驗裝置，采用物性類似的露頭巖心，加載與實際儲層對應的三向應力，采用自主研發的可降解酸壓暫堵劑和高溫清潔轉向酸體系，進行了酸壓暫堵轉向實驗研究，并通過暫堵轉向酸壓現場試驗進一步驗證了該工藝的可靠性。

1 實驗準備

1.1 巖心

實驗用露頭巖心取自四川省巴中市通江縣諾水河鎮，取心層位位于普光氣田飛仙關組、長興組，其加工滿足如下要求：(1)露頭尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，誤差不超過±5 mm；(2)端面不平行度誤差不超過±0.05 mm，端面不平整度誤差不超過±0.02 mm；(3)人工井筒應垂直端面，其最大偏差不超過±0.25°。

實驗系統采用中國石油大學(華東)研制的大尺寸真三軸模擬壓裂系統。模擬實驗前先采用TAW-1000微機控制電液伺服巖石三軸應力試驗機對實驗巖心力學參數進行測定，對相應儲層進行地應力剖面測井并解釋。由表1和表2可知，在相同圍壓條件下，露頭和儲層的抗壓強度、彈性模量和泊松比相關性較好，因此露頭可近似模擬儲層巖心。

表1 露頭巖心力學參數Table 1 Mechanical parameters of outcrop core

表2 測井解釋的力學參數Table 2 Mechanical parameters of log interpretation

根據普光儲層地應力特點，按照相似原則，實驗所用地應力參數為上覆應力50 MPa，最大和最小水平主應力分別為27 MPa和 22 MPa，在此壓力下井眼起裂的瞬間及裂縫延伸過程中可以有效地控制裂縫的慣性延伸。

1.2 可降解暫堵劑

為滿足暫堵劑可降解及高強度需要，通過分子結構設計，采用線型熔融縮聚工藝和低溫成型工藝合成了3種規格的高分子聚酯類暫堵劑(直徑0.1～1 mm的細粒狀暫堵劑、直徑1～6 mm的大粒狀暫堵劑和長度為6～12 mm的纖絲狀暫堵劑)，可分別封堵高滲層、天然裂縫和酸蝕裂縫(暫堵劑實物見圖1)。

圖1 3種規格的暫堵劑Fig.1 Temporary plugging agents of three models

1.3 高溫清潔轉向酸

針對普光氣田儲層高溫、高濾失、非均質性強的特點，優化形成了以黏彈性表面活性劑為主劑，具有自轉向功能的清潔酸體系(圖2)，主體配方為：20%HCl+4.0%～6.0%轉向劑+1.0%～2.0% 鐵穩劑+1.5%～3.0%緩蝕劑，耐溫 130 ℃，鮮酸黏度為15～20 mPa·s，利于泵送，進入儲層后發生酸巖反應黏度增大；殘酸黏度小于5 mPa·s，無聚合物殘留，可保護儲層與酸蝕裂縫不受傷害。

2 實驗過程及結果分析

第1次對露頭酸壓時采用高溫清潔轉向酸，排量設定為15 mL/min；暫堵酸壓時采用直徑為0.1～1.0 mm的可降解細粒狀暫堵劑，預先和高溫清潔轉向酸混合均勻，通過中間容器加注，排量設定為15 mL/min，壓裂后分別掃描裂縫形態。巖心第1次酸壓后形態、暫堵酸壓后形態見圖3，第1次酸壓和暫堵酸壓后的壓力曲線分別見圖4和圖5。

圖2 清潔轉向酸鮮酸和殘酸Fig.2 Fresh and residual clean diverting acid

圖3 1#巖心第1次酸壓后、暫堵酸壓后的形態Fig.3 Morphology of No.1 core after the first acid fracturing and the temporary plugging and acid fracturing

圖4 1#巖心第1次酸壓后的壓力曲線Fig.4 Pressure curve of No.1 core after the first acid fracturing

圖5 1#巖心暫堵酸壓后的壓力曲線Fig.5 Pressure curve of No.1 core after temporary plugging and acid fracturing

由圖4和圖3a可知，泵注壓力波動上升，當達到81.5 MPa時，巖樣局部破裂，壓力降低，隨著轉向酸的泵入，泵注壓力波動明顯，表明有新裂縫不斷產生和轉向；巖心掃描結果表明，轉向酸酸壓后刻蝕形成裂縫面較復雜，局部存在裂縫轉向。

由圖5和圖3b可知，泵注壓力波動非常明顯，表明有造新縫的過程，破裂壓力達到81.9 MPa；掃描巖心發現暫堵酸壓后形成了新的單翼水平縫，復雜的裂縫形態表明暫堵劑暫堵效果良好。

3 現場應用

3.1 井況介紹

X井位于四川盆地川東斷褶帶黃金口構造帶，完鉆垂深5 854.57 m，完鉆層位飛仙關組，人工井底6 143.94 m。

2009年5月采用酸壓工藝投產，投產井段5 767～6 111 m，射孔厚度 274.3 m/44 層，完井管柱為采用永久封隔器的不動管柱(圖6)。

圖6 X井完井管柱圖Fig.6 Completion string of Well X

2017年3月因產液量大關井，關井前日產氣13×104m3，日產液 375 m3，2018年7月先經過堵水，再采取深穿透射孔措施后，于7月底成功復產。產液剖面測試結果表明，在日產氣30×104m3的生產制度下，5 860.0 m以下層段產氣貢獻占全井產氣量的86.4%，其余射孔段產氣貢獻僅為13.6%，表明該井前期酸壓和堵水措施未能均勻改造儲層，儲層動用程度低(產剖測試結果見表3)，表3中，飛一、飛二段層號為55-60，飛三段層號為48-54。54層深度為 5 860～5 863 m。55-58 層深度為 5 863～5 878 m。

表3 X 井產液剖面測試結果Table 3 Test results of production profile

3.2 暫堵酸壓設計思路

針對該井完井采用“不動管柱”，在無法使用分層工具的工況下改善產氣剖面，需解決3個問題：一是層間差異大，如何縱向開啟新層；二是投產后的酸蝕老裂縫形狀、尺寸不明確，如何實現暫堵劑的高強度暫堵；三是未動用層層內非均質性強，如何在開啟非動用層厚實現均勻酸化。鑒于此，擬定以下暫堵酸壓設計思路：(1)改善氣藏遠端能量供給，提高儲層滲流能力；(2)設計一級暫堵，封堵 5 860～5 878 m出水層，迫使酸液轉向進入上部飛三段；(3)暫堵劑加注從架橋到封堵，分級加注；粒狀及纖絲狀暫堵劑分兩套流程加注；(4)為降低溝通下部出水層風險，優化施工排量，限制縫高擴展。

暫堵層段 5 767.4～5 901.0 m，跨度 133.6 m，層厚 89.5 m，設計暫堵劑用量 3.2 t，胍膠液 120 m3，轉向酸200 m3，利用StimPlan壓裂軟件模擬計算，縫長 78.6 m，有效縫長 64.8 m，縫寬 0.21 cm，酸壓模擬裂縫剖面如圖7所示。

3.3 施工過程及效果分析

該井于2018年11月29日施工，累計注入組合暫堵劑 2.5 t，其中長度為 6～12 mm 的纖絲狀暫堵劑0.65 t、粒徑 0.1～1 mm 的細粒狀暫堵劑 0.65 t、粒徑1～6 mm 的大粒狀暫堵劑 1.2 t，胍膠液 120 m3，清潔轉向酸200 m3。由暫堵酸壓施工曲線(圖8)可知，在暫堵劑進入儲層階段，暫堵劑最高暫堵壓力為66.13 MPa，比未注入暫堵劑的最高施工壓力高了近20 MPa，表明暫堵劑在不斷壓實并封堵高滲層；在轉向酸進入儲層階段，施工壓力波動明顯，表明轉向酸向低滲層轉移并不斷開啟新裂縫，最后注入閉合酸完成施工，措施后平均日產氣量由14×104m3提高到 23.9×104m3，由施工曲線和生產曲線可知，暫堵轉向酸壓技術提高了該井的均勻改造程度，進而提高了儲層動用程度。

圖7 X井酸壓模擬裂縫剖面圖Fig.7 Fracture simulation section after acid fracturing of X Well

圖8 X井暫堵酸壓施工曲線Fig.8 Temporary plugging and acid fracturing curve of X Well

4 結論

(1)露頭暫堵酸壓實驗表明，轉向酸作為壓裂液明顯有利于復雜裂縫的形成，加入暫堵劑后，起裂壓力增加了 5～10 MPa，且明顯有新裂縫出現，表明暫堵劑暫堵效果顯著。

(2)由暫堵酸壓現場試驗可知，在暫堵劑進入儲層階段，暫堵劑最高暫堵壓力為66.13 MPa，比未注入暫堵劑的最高施工壓力高了近20 MPa，表明暫堵劑在不斷壓實并封堵高滲層；在轉向酸進入儲層階段，施工壓力波動明顯，表明轉向酸向低滲層轉移并不斷開啟新裂縫，與前期露頭巖心暫堵酸壓實驗結果類似，驗證了暫堵轉向酸壓技術的可靠性。