致密儲層縫內暫堵轉向壓裂工藝技術

許建國 劉光玉 王艷玲

中國石油吉林油田公司油氣工程研究院

暫堵轉向壓裂技術是致密油氣藏增產挖潛的有效手段之一，在國內各大油田已成功推廣應用，在提高單井產量及油田采收率方面效果顯著［1］。國內外學者針對暫堵轉向壓裂施工工藝［2］、封堵劑材料優選［3］、轉向裂縫擴展軌跡［4］、裂縫起裂機理［5］等方面做了一定研究，但縫內暫堵劑用量方面的研究較少。暫堵劑在裂縫中的暫堵機理是個復雜的過程，以裂縫閉合為前提，起初實際應用中暫堵劑用量通常根據現場經驗而定，目前尚未有統一的計算方法［6］。劉全喜等［7］應用不同射孔孔徑、穿深，乘以預封堵的炮眼數計算暫堵劑用量。魏天超等［8］提出擠注和升降排量測試方法，依據有效吸液孔數及測試壓力變化，確定施工排量下達到裂縫延伸的壓力，動態調整暫堵轉向施工時入泵的暫堵劑量。蘇良銀等［9］根據天然微裂縫開啟條件，通過平衡暫堵兩端的壓差求取裂縫暫堵距離，進而估算暫堵劑用量。熊穎等［10］認為暫堵轉向劑用量與堵劑封堵層厚相關，暫堵劑類型的優選和用量設計是決定形成復雜縫網的關鍵，直接影響著壓裂井的改造效果。筆者通過實驗，建立了滿足40 MPa 壓差的承壓條件下的暫堵劑鋪置厚度與裂縫寬度的關系圖版，通過壓前成像測井、小型測試結果等多種手段結合，精確判斷裂縫開啟數量，進而提出暫堵劑用量的計算方法，并在壓裂過程中動態監測，根據壓力波動情況實時調整，達到復雜縫網形成的目的，實現致密油氣藏的有效動用。

1 縫內暫堵轉向工藝原理

縫內暫堵轉向工藝是屏蔽天然裂縫、斷層、克服高應力差，改善裂縫形態，讓裂縫更加復雜化的有效措施［11］。縫網壓裂的滑溜水階段，在分支縫延伸過程中，通過一次或多次向井段內投送暫堵劑，遵循流體流向阻力最小方向流動的原則［12］。暫堵劑進入已壓開的分支裂縫，產生高強度的濾餅橋堵，迫使縫內凈壓力上升，在裂縫壁面應力薄弱處發生破裂，產生新的分支裂縫，使后續壓裂液不能進入原分支裂縫，而進入高應力區或者新裂縫層［13］。在主裂縫周圍產生更多的次裂縫，形成復雜縫網，達到增大改造體積的目的，壓后暫堵劑在一定時間內完全降解，隨返排液排出，不會造成地層污染。

2 暫堵劑用量優化設計

2.1 暫堵劑優選

暫堵劑的優選條件需滿足：(1)適中的粒徑，可以隨壓裂液進入裂縫；(2)具有一定的封堵性，即在滿足儲層溫度、壓力條件下形成具有一定的封堵能力的堵墻，提高裂縫縫內凈壓力，進而憋開新的裂縫；(3)壓后一定時間內可以徹底降解并順利返排出井筒，避免對地層造成傷害。

暫堵劑的研究由最初的惰性有機樹脂、固體有機酸、遇酸溶脹的聚合物等暫堵劑［14］，發展到顆粒型暫堵劑［15-16］、凍膠型暫堵劑［17］、纖維型暫堵劑［18］和泡沫型暫堵劑等，后來王彥玲等［13］考慮暫堵劑解堵問題，進行了酸溶性、水溶性和油溶性暫堵劑的研究，認為殘渣量小、封堵強度高的水溶性暫堵劑是未來研究重點，其中具有自清潔性的可降解暫堵劑是最有潛力的發展方向。吉林油田致密儲層壓裂現場使用的暫堵劑，嚴格按照暫堵劑性能(暫堵劑的封堵性和溶解性)評價重點考慮［19］，優選一種新型的清潔環保型高強度水溶性暫堵材料。該暫堵劑是可溶解生物聚合物，耐溫60～150 ℃，耐壓差40 MPa，溶解時間可控(2～96 h)，屬于水基溫控溶解型暫堵劑，其抗壓性能良好，溶解后水質干凈清亮，呈弱酸性，利于致密儲層清潔改造。如圖1 所示，為優選的暫堵劑在一定溫度下的承壓能力評價，紅色壓力曲線明確其承壓可達40 MPa。

圖1 暫堵劑承壓曲線Fig.1 Pressure bearing curve of temporary plugging agent

2.2 暫堵劑用量計算方法的優化

暫堵劑用量設計合理與否，是復雜縫網形成的關鍵，直接影響著壓裂井的改造效果。若暫堵劑用量偏少，封堵程度不夠，使得暫堵層的滲透性和承壓能力受限，分支縫網形成范圍受限，達不到實現增大改造體積的目的；若暫堵劑用量偏多，不僅造成施工成本的浪費，還使現場的施工難度增大和作業時間增加。起初暫堵劑加量憑主觀經驗確定，受區域地質條件、儲層溫度、儲層厚度、巖石力學參數等各方面影響，并沒有統一的計算方法。現場暫堵劑的用量多以郭亞兵［20］提出的滿足暫堵壓實后濾餅厚度2.3 cm 以上為條件的計算公式設計。然而現場壓裂施工過程中發現，按該方法設計的暫堵劑用量不確定性較強，施工過程暫堵劑加入時機、速度要求嚴格，且公式里相關參數多人為經驗給出，合理性需要繼續優化。

筆者基于調研和現場應用效果，開展了室內暫堵劑濾餅承壓評價實驗。如圖2 所示，承壓≥40 MPa情況下的暫堵劑鋪置厚度H與裂縫寬度W關系圖版，可以確定不同裂縫寬度，在承壓不變的情況下所需要的暫堵劑厚度，比如10 mm 裂縫寬度滿足承壓≥40 MPa 情況下的暫堵劑鋪置厚度為217 mm,再結合動態裂縫高度、微裂縫條數，根據計算公式(1)，進一步優化暫堵劑用量。

圖2 裂縫寬度與暫堵劑鋪置厚度關系圖版Fig.2 Relationship chart of fracture width vs.placement thickness of temporary plugging agent

式中,G為暫堵劑質量，kg；H為暫堵劑鋪置厚度，mm；h為動態裂縫高度，m；W為分支縫寬度，mm；n為分支縫條數；ρ為暫堵劑視密度，取值1.7 g/cm3；K為嵌入裂縫比例，取值2%。

天然裂縫開啟數量是通過壓前結合成像測井解釋的天然裂縫數量、壓前小型測試方法G函數分析的微裂縫數量以及開縫因子共同確定的。例如，YS204-1 井成像測井(FMI)識別，3 522～3 528 m 發育天然裂縫，結合諸多學者應用裂縫密度表征裂縫發育程度［21］，該井裂縫密度1.8 條/m，且裂縫走向與最大水平主應力方向夾角較小(20°～45°)，壓裂過程中裂縫較難開啟，需通過縫內暫堵轉向壓裂技術提高縫網的復雜程度。

3 現場應用

以英臺氣田營城組的YS204-1 井為例，該井壓裂井段為3 142.0～3 632.0 m，巖性以火山碎屑巖為主，平均孔隙度為7%，平均滲透率為0.05×10?3μm2，屬于低孔、低滲、小孔喉的致密儲層。施工設計分為4 段進行壓裂，排量為6.0～17.0 m3/min，砂量為310 m3，暫堵劑用量2 684 kg，總液量9 151 m3，其中，基液量為3 518 m3，滑溜水液量為5 633 m3。壓裂第1 段按照常規經驗方法應用了200 kg 暫堵劑進行縫內暫堵［20］。如圖3 所示為同等排量(17 m3/min)下投放暫堵劑前后壓力上漲情況，發現壓力不但沒有上漲反而下降了2 MPa，說明暫堵未見效。現場壓前也做了小型測試，利用FracproPT 壓裂優化設計軟件進行G函數分析，確定最少存在5 條裂縫，第1 段應用200 kg 暫堵劑僅能封堵2、3 條裂縫，暫堵劑數量存在明顯不足。

圖3 YS204-1 井第1 段(116～120 號層)壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing construction curve of the first stage (layer 116～120) in Well YS204-1

根據式(1)計算得出單條裂縫每米厚度儲層暫堵劑用量為4.2 kg，同時綜合考慮了開啟裂縫條數，對剩余未施工的壓裂井段進行了暫堵劑用量的重新設計，并在壓裂過程中進行動態監測，根據壓力波動情況實時調整。隨后剩余的3 段壓裂，暫堵劑進入地層后，投暫堵前后同等排量施工壓力上漲2.0～7.0 MPa，具體數據見表1。表中壓力均有上漲，說明實現一定范圍的縫內暫堵轉向，使得裂縫發生破裂角度增大，改造范圍增大，形成復雜縫網。

表1 YS204-1 井投放暫堵劑前后壓力上漲情況Table 1 Pressure increase after the injection of temporary plugging agent into Well YS204-1

后續應用式(1)對10 口井共33 層進行了縫內暫堵劑用量的設計，其中25 層投暫堵劑前后同等排量下壓力增長0.5～7.0 MPa，有效率達到75.8%。統計已施工井段儲層厚度及同等排量下壓力的上漲情況，發現暫堵效果明顯井基本集中在40 m 厚度以內的致密儲層，為后期致密儲層設計縫內暫堵劑用量提供有利的依據。

4 結論與認識

(1)縫內暫堵轉向壓裂技術是利用暫堵劑的臨時封堵作用，提高凈壓力，促使更多新微裂縫的開啟和延伸，增加裂縫的復雜程度，增大單井改造體積。

(2)暫堵劑的優選對于縫網的形成至關重要。選用的水基溫控溶解型暫堵劑，是一種清潔環保型高強度水溶性暫堵材料，抗壓性能好，溶解后水質干凈清亮，呈弱酸性，利于致密儲層清潔改造。

(3)綜合考慮了暫堵劑封堵厚度、動態裂縫高度、微裂縫條數及寬度等參數的暫堵劑用量設計方法，現場應用11 口井37 層有效率達到75.7%，暫堵轉向效果明顯，能夠實現致密儲層縫內暫堵轉向造縫網的目的，為致密儲層改造提供了理論依據。