裂縫型碳酸鹽巖儲層暫堵轉向酸壓實驗評價與工藝優化

李松 張華禮 王萌 張曦 周長林 胡秋筠

1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心 3.中國石油勘探開發研究院

四川盆地茅口組氣藏具有較大的勘探開發潛力[1-4]，但不同區域儲層埋藏深度、溫度、壓力、孔滲及天然裂縫發育程度等地質特征差異大，針對性改造工藝匹配難度大。天然裂縫發育的裂縫型儲層表現為儲層非均質性較強，常規酸化工藝難以使得改造層段均勻布酸，不能得到充分改造。非機械方式暫堵轉向酸化工藝一定程度上可實現非均質儲層均勻布酸，國內主要采用可降解材料作為暫堵轉向劑，依靠酸液攜帶進入滲透性較好及流動系數大的層段，堆積實現暫堵轉向，從而達到了強非均質儲層的酸液合理置放的目的[5-9]。

以川西茅口組為例，其平均深度6 700 m、平均溫度150 ℃、平均地層壓力125 MPa、平均孔隙度2.6%～4.2%、平均滲透率(0.18～3.00)×10-3μm2。鑒于井下巖心數量的限制，基于3D打印裂縫巖板模擬技術，模擬研究了不同完井方式下非機械方式暫堵轉向工藝，優選了耐溫、承壓能力強的暫堵轉向材料，評價了不同裂縫下暫堵轉向材料含量、粒徑組合等設計參數及其封堵能力，為暫堵轉向酸化工藝設計提供理論依據。

1 暫堵轉向材料優選

1.1 茅口組儲層特征及實驗條件

從儲層巖心及微觀薄片(見圖1)可知，茅口組儲集空間多為裂縫及與裂縫伴生的溶蝕孔洞。對露頭、巖心、薄片及生產動態等靜、動態資料綜合分析認為，雙魚石區塊茅口組儲層的儲集類型為裂縫型。

1.2 不同完井方式下暫堵材料選擇

采用與射孔孔眼直徑相匹配的球形暫堵材料，在套管壁上的孔眼入口處進行暫堵。對于裸眼完成井，可采用小粒徑球形暫堵材料深入到人工酸蝕裂縫內，實現堆積暫堵(見圖3)。堆積暫堵時需使用多級配的暫堵劑和纖維，暫堵顆粒架橋，纖維封堵充填顆粒間孔隙，以便充分充填裂縫口和/或裂縫內的空間，實現有效封堵[10-12]。

2 暫堵材料性能實驗評價

2.1 降解及承壓封堵能力評價

實驗評價了暫堵顆粒和暫堵球在儲層溫度條件下的降解能力。選取6 mm暫堵球進行炮眼暫堵能力測試。將暫堵球放置在巖心夾持器一端封堵，放入巖心流動實驗設備中進行注入、暫堵測試。

實驗表明：在150 ℃時，暫堵球和暫堵顆粒A的12 h降解率可達98%以上(見圖4)；封堵球封堵承壓>15 MPa，能形成有效封堵，封堵245 min后完全降解(見圖5)，可滿足暫堵需求。

2.2 射孔完井暫堵球用量實驗評價

以往的投球封堵實驗，大多無法觀察到封堵球的運移情況[13-14]。本研究采用可視化管柱，可有效地觀察封堵球運移情況。采用清水作為攜帶液來評價不同排量對不同個數的暫堵球封堵效率的影響，從而優化暫堵球用量。實驗結果(見表1)表明，排量越大，封堵幾率越大，暫堵球在清水中封堵效率為47%～100%，與投球數量和排量正相關。若要實現完全暫堵炮眼，投球數需為炮眼數的1.27倍以上。

表1 不同排量下清水為攜帶液+6 mm封堵球暫堵結果

2.3 裸眼完井暫堵顆粒實驗評價

2.3.1實驗裝置

暫堵評價流動裝置可模擬高強度纖維暫堵劑材料對不同縫寬裂縫的封堵情況，評價封堵效果。通過泵注含暫堵劑的攜帶液進入模擬裂縫裝置內，記錄注入端的壓力變化，同時對比裂縫出口端的液量變化情況，以判斷暫堵劑在裂縫內部的封堵情況。根據以上兩個參數形成一定的評價標準，以評價不同含量及配比條件下的封堵效果。實驗裝置如圖6所示。

實驗用模擬裂縫巖板為3D打印的模擬真實裂縫的巖板(見圖7)。兩塊巖板中部均刻蝕相同尺寸的凹槽，上下閉合形成一平行裂縫，凹槽表面進行磨砂處理，凹槽兩外側棱對稱鉆墊片固定槽，通過不同厚度的墊片改變裂縫寬度。實驗使用的3D巖板基質孔隙度為1.0%，滲透率為0.20×10-3μm2。

2.3.2暫堵材料組合與封堵能力評價

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選取5套暫堵顆粒對3 mm縫寬進行粒徑組合評價，暫堵顆粒粒徑分別為0.2～0.4 mm、0.4～0.6 mm、0.6～1.0 mm、2.0 mm和2.0 mm暫堵顆粒+暫堵纖維(見圖8)在同樣實驗條件下對比。從實驗結果(見圖9)可以看出，僅依靠粒徑較為集中的暫堵顆粒對3 mm縫寬的有效封堵壓力≤7 MPa，而顆粒與纖維組合可有效封堵，封堵壓力≥15 MPa。分析認為，暫堵顆粒架橋，纖維封堵顆粒間孔隙，快速形成有效封堵。

2.3.3暫堵材料配比優化評價

對于3 mm的裂縫寬度，優選暫堵材料組合為纖維和2.0 mm顆粒，改變二者的含量，以確定最優組合。實驗結果(見圖10)表明，采用2.0 mm顆粒和纖維組合封堵時，都能夠有效封堵3 mm裂縫，只是形成有效封堵的時間存在差異。暫堵材料總用量越多，起壓速度越快，封堵所用時間就越少。通過實驗優化，得到組合暫堵材料的配方為(質量分數，下同)：0.8%暫堵纖維+0.8%的2.0 mm暫堵顆粒。

除暫堵材料含量外，施工排量也是影響暫堵效果的關鍵因素。從理論上說，增大排量加大了暫堵材料在縫內的運移速率，使材料能夠快速在縫內形成堆積封堵。但在實際作業過程中，增大排量卻會造成動態縫寬變大，使得當前所用的暫堵材料組合不再適用，增大了縫內暫堵的不確定性。

采取固定縫寬方式，不考慮動態縫寬影響，對比了40 mL/min、50 mL/min和60 mL/min3種排量下針對3 mm縫寬優選的暫堵材料組合實驗評價，研究排量對暫堵效果的影響。在固定縫寬條件下，排量越高，暫堵材料在縫內的架橋堆積速率越快，暫堵用液量和材料用量均越低(見圖11)。因此，推薦采用相對較大的排量進行暫堵作業，以實現暫堵材料在縫口的快速堆積和封堵。

3 暫堵轉向酸壓工藝

3.1 暫堵轉向設計方法

針對儲層力學特征、裂縫發育程度，結合酸壓模擬和室內實驗就可以實現暫堵縫網酸壓：①通過測井解釋和巖石力學實驗確定σH、σh、St等儲層力學參數；②通過成像測井刻畫天然裂縫位置、產狀、密度；③計算天然裂縫開啟或巖體形成新縫所需Pnet；④根據暫堵承壓能力，確定天然裂縫開啟條數i；⑤酸壓模擬確定酸壓規模和主裂縫和/或所有天然裂縫的尺寸；⑥計算暫堵酸蝕裂縫所需材料用量Md0和Mdi;⑦根據推薦配方確定每種暫堵材料用量M。不同裂縫發育程度儲層暫堵酸壓優化流程見圖12。

3.2 暫堵轉向材料用量計算方法

采用暫堵層滲透率模型計算暫堵材料用量，即：填充量增大→暫堵層孔隙度、滲透率、流入裂縫流體量減小，井筒液體壓縮而產生憋壓ΔP，ΔP≥Pnet時溝通天然裂縫或產生新縫。因此，通過達西公式計算單縫暫堵材料用量，進而計算暫堵主縫和開啟的天然裂縫的材料用量。

達西公式為：

(1)

單縫暫堵材料用量計算公式為：

Md=ρdVd=ρdAfLd=ρdHfWfLd

(2)

將式(1)代入式(2)得單縫暫堵材料用量：

(3)

因此，暫堵材料的總用量計算公式為：

M=2Md0+Md1+Md2+…Mdi

(4)

式中：ρd為暫堵材料密度，1 200 kg/m3；Ld為裂縫暫堵段長度，m(實驗平均值為0.064 m)；Vd為裂縫暫堵段體積，m3；Hf為裂縫高度，由酸壓模擬求得，m；Wf為裂縫寬度，由酸化模擬求得，m；Kd為暫堵層滲透率(實驗平均值為0.837×10-3μm2)；μ為攜帶液黏度，mPa·s；Q為排量，m3/h；ΔP=Pnet，由測井數據結合巖石力學實驗得出,MPa；Md0為主裂縫用量，kg;Mdi為第i條開啟的天然裂縫用量,kg。

3.3 實例計算

以雙探X井為例，茅口組測井解釋有3段為含氣層。該井茅口組地層應力狀態為σH>σv>σh，σH、σh分別為2.3 MPa/100 m、1.98 MPa/100 m，儲層段平均σH-h為22.3 MPa。

參考該區塊茅口組巖石力學試驗，內聚力為24.1～92.4 MPa，平均值69.3 MPa。在現有封堵能力(15 MPa)下，逼近角≤60°～80°的天然裂縫以張性破裂為主(見圖13)。

該井第1段厚度為33 m，天然裂縫發育，鉆至此段時鉆井液密度1.94～2.01 g/cm3，漏失鉆井液達71.0 m3，點火火焰高0.5～3.0 m，經成像測井解釋該段天然裂縫密度0.52 條/m，平均高度3 m，寬度3 mm。經計算，天然裂縫開啟壓力Pnet為4.9～12.7 MPa，可知在暫堵能力為15 MPa的情況下，17條裂縫可全部開啟。暫堵時建議排量降至2 m3/min左右，此時主縫動態縫寬為3 mm。推薦使用2.0 mm暫堵顆粒和6.0 mm暫堵纖維進行暫堵，體積比為1∶1。由式(4)可計算得出暫堵材料總用量為250 kg，其中暫堵天然裂縫和主裂縫分別需16 kg和234 kg暫堵材料。

4 結論與建議

(1)優選的暫堵材料承壓達15 MPa，150 ℃下降解率>98%，適于裂縫型儲層暫堵轉向條件。

(2)射孔完井暫堵的炮眼封堵效率與排量正相關；暫堵球投球總數為炮眼數的1.27倍時，可達到完全封堵。裸眼完成井暫堵酸蝕裂縫，暫堵纖維和2.0 mm顆粒組合可有效封堵3 mm縫口，配方為0.8%暫堵纖維+0.8%的2.0 mm顆粒時封堵效果最佳。

(3)增大排量可提高(固定縫寬)縫口封堵速度，現場施工時需要結合模擬計算確定最佳排量。

(4)建立了不同裂縫發育程度儲層的暫堵轉向優化設計方法與流程，通過建立的暫堵層滲透率模型可計算獲得暫堵轉向材料加量，為現場應用提供了理論依據。