新型可降解纖維暫堵轉向壓裂技術研究及應用

王艷林， 方正魁， 劉林泉, 劉 娜

(1中石油新疆油田公司石西油田作業區 2中石油新疆油田公司實驗檢測研究院)

0 引言

對于低孔、低滲等非常規儲層的開發，往往需要采用水力壓裂措施進行儲層改造，但常規水力壓裂工藝容易在儲層中形成單一的對稱裂縫，不能有效動用油藏儲量，壓裂改造效果有限[1-3]。可降解纖維暫堵轉向壓裂技術作為一種新型的壓裂施工措施，近年來受到越來越多的關注，其施工原理是將作為暫堵劑的可降解纖維伴隨壓裂液注入儲層裂縫，對主裂縫進行有效的封堵，隨著后續壓裂液的泵入，產生一定的暫堵壓力，誘導裂縫發生轉向形成分支裂縫，從而在儲層中形成新的裂縫網絡，增大儲層滲流面積[4-7]。施工措施后，纖維在地層溫度下逐漸降解，隨著壓裂返排液排出儲層，不會影響壓裂后的裂縫導流能力[8]。

可降解纖維與其他類型的暫堵劑不同，除了具有較強的封堵能力外，纖維的加入還能提高壓裂液的懸砂性能，并能有效防止壓裂支撐劑的回流[9-11]。因此，本文通過大量室內實驗對可降解纖維參數進行了優化，并評價了其分散性能、懸砂性能、封堵性能、降解性能以及對裂縫導流能力的影響，并在此基礎之上，將研究的新型可降解纖維暫堵轉向壓裂技術應用于礦場試驗，為非常規儲層的高效壓裂開發提供一種新思路。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：新型可降解纖維(長度分別為2 mm、4 mm、6 mm和8 mm，直徑為15 μm)、HPG羥丙基胍膠、20～40目陶粒支撐劑、交聯劑、模擬地層水(礦化度為8 750 mg/L)。

實驗儀器：高溫高壓驅替實驗裝置、封堵性能評價實驗裝置、FCES-100型裂縫導流能力測試儀、YD881型恒溫干燥箱、HH-601型恒溫水浴鍋、AE523型電子分析天平、量筒、燒杯、過濾網等。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維參數優化實驗

采用高溫高壓驅替實驗裝置評價纖維長度和加量對破裂壓力和破裂流量的影響，具體實驗方法為：①連接實驗裝置的管柱，在出口端裝上篩網；②配制質量分數為0.5%的胍膠壓裂液，加入支撐劑陶粒和纖維進行驅替，最后留下支撐劑和纖維作為砂體；③繼續使用清水驅替砂體，并增大驅替流速直至砂體破裂，記錄破裂壓力和流量。

1.2.2 分散性能評價實驗

在清水和胍膠壓裂液基液中加入纖維，攪拌使其分散均勻，然后靜置3 h后，觀察纖維在不同溶液中分散情況。

1.2.3 懸砂性能評價實驗

取一定量的胍膠壓裂液基液，加入不同質量分數的纖維攪拌分散均勻，然后加入交聯劑和支撐劑(20～40目陶粒)，攪拌使體系交聯，將體系置于水浴鍋中，在不同溫度下測定一段時間內支撐劑的沉降高度，并計算沉降速度。

1.2.4 封堵性能評價實驗

使用自主研制的封堵性能評價裝置對加入纖維后的壓裂液體系的封堵性能進行了評價，實驗裝置的模擬縫寬為1 mm，驅替壓力為0.5 MPa，測定壓裂液體系在不同時間下的濾失量。

1.2.5 降解性能評價實驗

將纖維加入地層水或胍膠壓裂液中，在不同溫度下恒溫靜置不同時間后，取出未降解纖維，使用清水反復沖洗，然后將未降解纖維置于50℃恒溫烘箱中干燥24 h，稱其重量，計算降解率。

1.2.6 可降解纖維對裂縫導流能力的影響

參照石油天然氣行業標準SY/T 6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》，使用FCES-100型裂縫導流能力測試儀評價可降解纖維對裂縫導流能力的影響。

圖1 纖維長度優選實驗結果

2 結果與討論

2.1 纖維參數的優化

2.1.1 纖維長度的優選

參照纖維參數優化實驗中的方法，選擇長度為2 mm、4 mm、6 mm和8 mm的纖維進行砂體穩定性實驗，纖維的直徑均為15 μm，纖維加量均為質量分數0.5%，實驗溫度為常溫(25℃)，實驗結果見圖1所示。

由圖1結果可知，隨著纖維長度的逐漸增大，砂體的破裂壓力和破裂流量均逐漸升高，說明纖維越長，砂體的穩定性越好。而另一方面，纖維長度過長會影響其與支撐劑的混合均勻程度，且不易泵入地層，因此，綜合考慮各種因素的影響，選擇纖維長度為6 mm為宜。

2.1.2 纖維加量的優選

參照纖維參數優化實驗中的方法，選擇纖維加量為質量分數0、0.5%、1.0%和1.5%進行砂體穩定性實驗，纖維的長度均為6 mm，直徑均為15 μm，實驗溫度為常溫(25℃)，實驗結果見圖2。

圖2 纖維加量優選實驗結果

由圖2結果可知，隨著纖維質量分數的逐漸增大，砂體的破裂壓力和破裂流量均逐漸升高，說明纖維質量分數越大，砂體的穩定性越好，暫堵性能越好。但在現場實際應用中，如果纖維的質量分數大于1.5%時，纖維自身容易糾纏成團，不易分散，因此，為方便現場施工，選擇纖維的加量為1.0%。

2.2 分散性能

參照分散性能評價實驗中的方法，評價了纖維的分散性能，纖維長度為6 mm，直徑為15 μm，加量為質量分數1.0%，實驗溫度為常溫(25℃)，從實驗結果可以看出，纖維在清水中放置24 h后略有沉降，而在胍膠壓裂液基液中放置24 h后并無明顯沉降，這是由于胍膠壓裂液基液的黏度較高，使得纖維在其中的分散程度比較穩定，具有良好的分散懸浮性能。

2.3 懸砂性能

參照懸砂性能評價實驗中的方法，評價了不同質量分數纖維在不同實驗溫度下對壓裂液懸砂性能的影響，纖維長度為6 mm，直徑為15 μm，實驗結果見圖3。

由圖3實驗結果可以看出，隨著纖維質量分數的增加，支撐劑沉降速度逐漸下降，隨著實驗溫度的升高，支撐劑沉降速度逐漸增大。這是由于在一定溫度范圍內，纖維加量的增大使壓裂液體系形成的交叉網絡結構更加穩定，從而延長了支撐劑在壓裂液中的懸浮時間，使懸砂性能增強；而隨著溫度的進一步增大，纖維的降解程度增大，從而造成懸砂性能的下降。

圖3 懸砂性能評價實驗結果

2.4 封堵性能

參照封堵性能評價實驗中的方法，評價了纖維對壓裂液體系的封堵效果，纖維長度為6 mm，直徑為15 μm，纖維質量分數為1.0%,實驗溫度為常溫(25℃)。

由實驗結果可知，隨著纖維質量分數的增大，濾失量逐漸下降，而隨著實驗時間的延長，濾失量逐漸增大。60 min濾失量為32.5 mL，說明此時纖維已經形成了有效的暫堵層，能夠有效降低濾失量，再繼續增大纖維質量分數，濾失量降低程度不明顯。說明纖維質量分數為1.0%時能使壓裂液體系具有良好的封堵性能，能夠滿足暫堵轉向壓裂施工過程中對壓裂液封堵性能的要求。

2.5 降解性能

參照降解性能評價實驗中的方法，評價了纖維的降解性能，纖維長度為6 mm，直徑為15 μm，實驗結果見表1。由表1可以看出，隨著溫度的升高和實驗時間的延長，纖維在地層水和胍膠壓裂液中的降解率均呈現出逐漸增大的趨勢。當實驗溫度為90℃時，纖維在地層水中12 h的降解率能夠達到100%，而在胍膠壓裂液中12 h的降解率也能達到95%以上。這說明在溫度較低時(小于50℃)，纖維降解率較小，能夠保證壓裂液體系的懸砂和封堵能力，而在溫度較高時(大于70℃)，纖維降解率迅速增大，具有良好的降解性能。

2.6 可降解纖維對裂縫導流能力的影響

參照可降解纖維對裂縫導流能力實驗中的方法評價了不同溫度條件下可降解纖維對裂縫導流能力的影響，纖維長度為6 mm，直徑為15 μm，纖維質量分數為1.0%，實驗用流體為3%KCl溶液，實驗用支撐劑為20～40目陶粒，閉合壓力為40 MPa，鋪砂濃度為5 kg/m2，實驗結果見表2。

表1 纖維降解性能實驗結果

表2 可降解纖維對裂縫導流能力的影響實驗結果

由表2結果可以看出，在實驗溫度小于50℃時，加入1.0%纖維后的裂縫導流能力比不加纖維時有所下降，導流能力降低率均大于10%；而在實驗溫度大于70℃時，加入纖維的裂縫導流能力降低率小于5%。當溫度達到90℃時，加入纖維的裂縫導流能力與不加纖維基本相當，說明可降解纖維能夠在高溫下有效降解，從而避免暫堵壓裂施工對儲層的傷害，不影響壓裂施工后的裂縫導流能力。

3 礦場試驗

新型可降解纖維暫堵轉向壓裂技術在陸上某油田共計施工3井次，施工成功率100%。以X井為例，該井壓裂施工井段為3 181～3 206 m，儲層平均孔隙度為11.6%，平均滲透率為9.7 mD，屬于低孔、低滲砂巖儲層。壓裂施工時使用長度為6 mm，直徑為15 μm的纖維，共計加入纖維850 kg，在第一階段主裂縫形成后，先以低排量0.8～1.0 m3/min注入纖維暫堵液，然后再提高排量2.5～2.8 m3/min將纖維泵入縫內，進行封堵，使裂縫轉向形成分支裂縫。加入纖維后，施工壓力上升明顯，最高壓力達到51.6 MPa，起到了良好的裂縫暫堵轉向效果。

壓裂施工作業后,X井初期日產液量為59.5 m3，日產油量為50.7 m3，穩定日產液量為41.6 m3，日產油量為37.9 m3；可以看出，新型可降解纖維暫堵轉向壓裂技術的增產效果明顯好于常規壓裂，能夠較大幅度的提高低孔、低滲砂巖儲層的油井產量。

4 結論

1)通過室內實驗優選出新型可降解纖維長度為6 mm、直徑為15 μm，纖維質量分數為1.0%時暫堵性能較好，并且具有良好的分散性能和懸砂性能。

2)隨著溫度的升高，纖維的降解率逐漸增大，當實驗溫度達到90℃時，新型可降解纖維在地層水和胍膠壓裂液中的降解率分別能夠達到100%和95%以上。另外，隨著溫度的升高，纖維對裂縫導流能力的影響逐漸減小。這能夠確保在低溫下壓裂液具有良好的懸砂和暫堵性能，而在高溫下纖維能迅速降解，不影響壓裂施工后裂縫的導流能力。

3)礦場試驗結果表明，X井采用新型可降解纖維暫堵轉向壓裂措施后，施工壓力明顯上升，說明達到了良好的暫堵轉向效果。X井壓裂后的日產液量和日產油量均明顯得到了提高，起到了良好的壓裂增產效果。