塔河油田碳酸鹽巖儲層暫堵轉(zhuǎn)向壓裂排量優(yōu)化

賀甲元 程洪 向紅 翟曉鵬 耿宇迪 王海波

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院；2.中國石化海相油氣藏開發(fā)重點實驗室；3.新疆油田公司工程技術(shù)研究院；4.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室·長江大學(xué)；5.中國石化西北油田分公司

0 引言

塔河油田位于新疆維吾爾自治區(qū)庫車縣和輪臺縣境內(nèi)。構(gòu)造位置在沙雅隆起帶中段南翼的阿克庫勒凸起上。油氣田多為碳酸鹽巖縫洞型油藏，以縫洞和裂縫為油藏流動通道及儲油空間，為典型的破碎性儲層［1］。奧陶系碳酸鹽巖油藏是塔河油田主力產(chǎn)層，油藏埋深5 000～6 800 m，厚度約70 m，地層壓力58～63 MPa，地層溫度超過130 ℃，油藏具有不均勻富集、疊合連片特征，油藏內(nèi)部隨機(jī)分布大量孔洞和天然裂縫，非均質(zhì)性強(qiáng)。

隨著酸化壓裂開采時間延長，儲層無法繼續(xù)穩(wěn)產(chǎn)［2-3］。利用暫堵轉(zhuǎn)向酸化壓裂技術(shù)溝通碳酸鹽巖內(nèi)部孔洞和天然裂縫，得到更多的可動用儲量是目前有效的增產(chǎn)技術(shù)［4-5］。塔河油田在2017年引入液態(tài)暫堵劑實施暫堵轉(zhuǎn)向酸化壓裂，取得突破。

液態(tài)暫堵劑是基于絨囊結(jié)構(gòu)的無固相封堵材料［6-8］，容易進(jìn)入裂縫內(nèi)部，施工風(fēng)險低。有效解決了顆粒暫堵劑顆粒級配難以控制，纖維暫堵劑易在井筒堆積造成堵塞超壓的難題［9］。同時液態(tài)暫堵劑具有耐高溫、承壓強(qiáng)、返排徹底的特點。

塔河油田A1井實施液體暫堵劑轉(zhuǎn)向重復(fù)酸壓改造試驗后，年產(chǎn)油量已經(jīng)由施工前的無油可開上升到年產(chǎn)油量1 000 t，改造效果顯著。但液態(tài)暫堵劑在實施暫堵轉(zhuǎn)向壓裂過程中，用多大的排量可以促使裂縫轉(zhuǎn)向一直以來沒有計算理論依據(jù)。這使得液態(tài)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂在施工過程中往往靠經(jīng)驗設(shè)計施工參數(shù)，不能有效指導(dǎo)施工設(shè)計。針對上述問題，以壓裂中裂縫開裂裂縫幾何形狀模型為基礎(chǔ)，建立暫堵轉(zhuǎn)向壓裂不同階段優(yōu)化排量設(shè)計方法，確定優(yōu)化排量，為碳酸鹽巖儲層老井高效暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)酸壓提供技術(shù)支持。

1 裂縫轉(zhuǎn)向排量優(yōu)化模型

1.1 排量作用下裂縫轉(zhuǎn)向物理模型

在暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工過程中，將液態(tài)暫堵劑注入原裂縫，根據(jù)裂縫轉(zhuǎn)向的基本原理，裂縫轉(zhuǎn)向所需的裂縫縫內(nèi)凈壓力取決于最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之差［10］

式中， Δpe為 裂縫凈壓力，MPa；σHmax為最大水平主應(yīng)力，MPa； σHmin為 最小水平主應(yīng)力，MPa；θ為天然裂縫與水平最大主應(yīng)力方位夾角，°。

縫內(nèi)凈壓力與施工排量有直接關(guān)系，排量增大，凈壓力提高。利用暫堵劑封堵原裂縫，控制壓力不向裂縫遠(yuǎn)端傳遞，形成一定封堵壓力，從而產(chǎn)生水平地應(yīng)力差，開啟側(cè)向裂縫如圖1所示。

圖1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向物理模型Fig.1 Physical model of temporary plugging and diversion inside the fracture

通過排量產(chǎn)生足夠的凈壓力實現(xiàn)天然裂縫張開，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。施工排量與凈壓力為［11］

式中，E為巖石彈性模量，GPa；hf為縫高，m；μ為壓裂液黏度，mPa· s ；L為裂縫長度，m；Q為排量，m3/min。

聯(lián)立式(1)和式(2)，得到排量與凈壓力關(guān)系為

1.2 排量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

式(3)表明，增大排量會提高裂縫內(nèi)靜壓力。縫內(nèi)凈壓力增大同時會擴(kuò)大裂縫長度L。設(shè)暫堵過程中，暫堵劑進(jìn)入裂縫內(nèi)進(jìn)行堆積，堆積的長度為Lf。

裂縫長度L大于暫堵劑堆積長度Lf，說明排量足夠大，凈壓力足夠大，開啟的裂縫足夠長，滿足暫堵壓裂需求。否則，排量不足以推動暫堵劑進(jìn)入裂縫，不能滿足暫堵壓裂要求。這時就要增大排量，壓裂出更長的裂縫使暫堵劑進(jìn)入裂縫才能滿足暫堵壓裂需求。相反，如果只是需要把暫堵劑送入裂縫，不需要開啟新裂縫，這時排量產(chǎn)生的凈壓力 Δpe要小于開啟裂縫最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之差p。就能保證裂縫不開啟，只填充暫堵劑。同時需要保證裂縫長度L大于暫堵劑堆積長度Lf，保證暫堵劑在裂縫內(nèi)有效堆積。

上述可知，保證暫堵壓裂排量優(yōu)化設(shè)計需要滿足2個限定條件：(1)裂縫長度L大于暫堵劑堆積長度Lf；(2)排量產(chǎn)生的凈壓力Δpe是否需要大于主應(yīng)力之差p。

根據(jù)這2個條件，設(shè)計出排量優(yōu)化計算流程。如圖2所示。

圖2 暫堵排量優(yōu)化設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of optimization design of temporary plugging displacement

在排量優(yōu)化過程中，需要用到的裂縫長度L在時間t內(nèi)，與排量的關(guān)系為［12］

式中，C為液態(tài)暫堵劑綜合濾失系數(shù)，

時間t內(nèi)在排量作用下裂縫寬度w為［13］

式中，υ為巖石泊松比，無量鋼；G為巖石剪切模量，MPa。

液態(tài)暫堵劑進(jìn)入原裂縫后，一部分暫堵劑堆積在主裂縫內(nèi)部，一部分暫堵劑濾失進(jìn)入地層。時間t內(nèi)，停泵時暫堵劑在裂縫內(nèi)的體積VC為［14-15］

式中，VC為 裂縫內(nèi)暫堵劑體積，m3；Sv為暫堵劑單元數(shù)，無量綱；Sp為前置液單元數(shù)，無量綱。

暫堵劑在裂縫內(nèi)的體積VC近似為立方體，則由體積VC可 得暫堵劑在裂縫中堆積長Lf為

如果暫堵劑在裂縫內(nèi)的長度Lf出現(xiàn)大于裂縫長度L情況，說明此時排量較小，不滿足開啟新裂縫。再加注暫堵劑會造成暫堵劑無效堆積，這種情況下則應(yīng)提高排量，重新計算。同時，根據(jù)排量產(chǎn)生的凈壓力Δpe是 否需要大于主應(yīng)力之差p來判斷何時終止計算。

2 排量優(yōu)化及工程應(yīng)用

2.1 作業(yè)井壓裂排量優(yōu)化

以塔河油田A1井碳酸鹽巖儲層井段為例，在天然裂縫條件下，注入一定量液態(tài)暫堵劑實現(xiàn)轉(zhuǎn)向壓裂。第1階段，暫堵劑堆積，具備一定強(qiáng)度的封堵能力。第2階段實施壓裂，開啟新裂縫。

計算參數(shù)：該碳酸鹽巖儲層井段地層水平應(yīng)力差為5.5～7.5 MPa，油層厚度40 m，碳酸鹽巖地層彈性模量2.75×104GPa，泊松比0.27，液態(tài)暫堵劑綜合濾失系數(shù)1.98×10-3m /暫堵液黏度20 mPa· s 。利用優(yōu)化設(shè)計模型，計算排量從3 m3/min增加到6 m3/min，裂縫長度及注入時間關(guān)系，如圖3所示。

從圖3中可以看出，排量3 m3/min、施工時間達(dá)到29 min時，計算壓裂裂縫長度L和暫堵劑堆積長度Lf相等，此時轉(zhuǎn)向凈壓力5.53 MPa。即轉(zhuǎn)向力不足。超過這個時間，暫堵劑堆積長度Lf大于壓裂裂縫長度L，暫堵無效。

圖3 不同排量優(yōu)化設(shè)計Fig.3 Optimization design of different displacements

提升排量到排量5 m3/min，壓裂裂縫長度L增大，當(dāng)施工時間達(dá)到45 min時，壓裂裂縫長度L和暫堵劑堆積長度Lf相等，此時轉(zhuǎn)向凈壓力7.76 MPa。大于7.5 MPa地應(yīng)力差。滿足轉(zhuǎn)向需要。但由于壓裂裂縫長度不夠，暫堵劑用量難以達(dá)到需求。

繼續(xù)提升排量到6 m3/min，施工時間60 min時，壓裂裂縫長度L大于暫堵劑堆積長度Lf。排量滿足轉(zhuǎn)向凈壓力和堆積暫堵劑兩方面的需求。深井壓裂，井口壓力較高，安全性差，能滿足最低要求不僅保證井下工程需要，也能夠滿足安全要求。因此可以作為最優(yōu)值。

2.2 作業(yè)井施工過程

塔河油田A1井初次酸壓施工最高泵壓61.6 MPa，最大排量6.8 m3/min，擠入地層總液量620 m3。施工4年后產(chǎn)液量開始下降至0，常規(guī)酸壓改造失效。

分析常規(guī)酸壓失效原因是初期酸化壓裂，強(qiáng)化主裂縫供油區(qū)域，開采一段時間后達(dá)到產(chǎn)能極限，無法繼續(xù)增產(chǎn)。要想增加產(chǎn)量，就需要開啟新裂縫，溝通新的供油區(qū)域。因此，根據(jù)塔河油田碳酸鹽巖裂縫發(fā)育特點，縫洞油藏剛性暫堵劑不易架橋的難點，提出利用液態(tài)暫堵劑縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向酸壓。由于絨囊流體在氣井［16］和煤層氣井［17］轉(zhuǎn)向壓裂應(yīng)用成功，故選擇絨囊流體作為暫堵劑。開展液體暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)酸壓改造現(xiàn)場試驗，首先用小排量注入液態(tài)暫堵液封堵尖端，封堵裂縫，然后大排量注入壓裂液實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

根據(jù)暫堵壓裂排量優(yōu)化結(jié)果，第1階段暫堵液暫堵。為了只封堵不開啟裂縫，控制轉(zhuǎn)向壓裂低于5.5 MPa。施工排量控制在3.0 m3/min，施工時間控制在25 min內(nèi)。計算轉(zhuǎn)向壓力5.53 MPa，實際注入暫堵劑70 m3。計算的轉(zhuǎn)向壓力與地層水平應(yīng)力差為5.5相近。

實際監(jiān)測轉(zhuǎn)向壓力3.6 MPa，低于5.53 MPa，證明暫堵劑起到封堵作用，且未開啟新裂縫。分析原因是由于初始暫堵后，暫堵劑優(yōu)先封堵了初次壓裂開啟裂縫，但在封堵過程中，部分微裂縫開啟，但未開啟大裂縫。暫堵成功，如圖4所示。

圖4 暫堵轉(zhuǎn)向階段轉(zhuǎn)向壓力計算值與監(jiān)測值對比Fig.4 Comparison between calculation result and monitoring result of diversion pressure in the stage of temporary plugging and diversion

第2階段壓裂，施工排量6.0 m3/min，裂縫擴(kuò)展。在第1階段施工基礎(chǔ)上，壓裂45 min，計算暫堵劑量270 m3，實際注入暫堵劑240 m3。壓裂階段施工階段計算轉(zhuǎn)向壓力7.88 MPa，實際監(jiān)測轉(zhuǎn)向壓力8.2 MPa；裂縫發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)。這時發(fā)生的裂縫轉(zhuǎn)向是實際的轉(zhuǎn)向壓力，判斷轉(zhuǎn)向裂縫為初始裂縫內(nèi)開啟的分支裂縫［18］。

2.3 液體暫堵劑暫堵規(guī)律

暫堵壓裂小排量泵送暫堵劑可使暫堵劑在裂縫內(nèi)“站得住腳”，從而在低速下能夠封堵初始裂縫和初始裂縫相連的微裂縫，暫堵劑在裂縫內(nèi)起到堆積、拉抻和填塞作用，提高流體流動的阻力。此后用大排量提高縫內(nèi)凈壓力，初始裂縫內(nèi)部就開啟新裂縫不沿原裂縫的方向延伸。塔河油田碳酸鹽巖裂縫發(fā)育，利用液態(tài)暫堵劑縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向酸壓技術(shù)，采用滑溜水開啟天然裂縫，低排量注入液態(tài)暫堵液封堵尖端，高排量注入壓裂液實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的思路是可行的。

具體技術(shù)要點主要有5點：(1)暫堵對象選擇天然裂縫發(fā)育儲層；(2)根據(jù)預(yù)設(shè)計排量、地層水平主應(yīng)力差、泵注時間以及巖石力學(xué)參數(shù)，優(yōu)化排量；(3)根據(jù)理論計算，確定暫堵劑用量；(4)暫堵液注入需用低排量；(5)暫堵后壓裂液、酸液注入則用大排量。確定完程序后，現(xiàn)場實施暫堵壓裂。實施過程中可能會有所調(diào)整，但變化范圍可控。

塔河油田A1井實施液體暫堵劑轉(zhuǎn)向重復(fù)酸壓改造試驗后，從無油可產(chǎn)上升到年產(chǎn)油量1 000 t，改造效果顯著［18］。相對于常規(guī)酸化壓裂只能溝通碳酸鹽巖優(yōu)勢儲集層。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂可擴(kuò)大供油區(qū)域面積，進(jìn)一步提升采油效果。經(jīng)多次現(xiàn)場暫堵轉(zhuǎn)向壓裂實施，最終提出了滑溜水開啟天然裂縫，3 m3/min注入暫堵液封堵尖端，6 m3/min注入壓裂液實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的暫堵轉(zhuǎn)向酸壓排量。工程實踐證明，利用排量變化能夠有效實現(xiàn)改造效果，提高產(chǎn)量達(dá)到預(yù)期目的。

3 結(jié)論與建議

(1)通過建立暫堵壓裂排量優(yōu)化模型，確定不同暫堵階段需要的合理排量，解決了現(xiàn)場轉(zhuǎn)向壓裂需要的排量靠現(xiàn)場經(jīng)驗判斷，沒有理論依據(jù)的難題，為暫堵轉(zhuǎn)向壓裂排量優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

(2)提出了滑溜水開啟天然裂縫、低排量注入暫堵液封堵尖端、高排量注入壓裂液實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的暫堵轉(zhuǎn)向壓裂排量設(shè)計程序。利用該排量程序?qū)嵤憾聣毫眩軌驖M足生產(chǎn)需要，達(dá)到儲層改造目的。

(3)實際上，生產(chǎn)一定年限的老井，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂排量設(shè)計還需要考慮生產(chǎn)后，孔隙壓力下降引起的地層應(yīng)力差變化，后期需要考慮該影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化排量設(shè)計。