深井轉向壓裂暫堵劑研究及應用

李 偉，肖 陽，陳明鑫，劉會鋒，范文同，黃龍藏，彭 芬，曹科學

(1.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.成都理工大學，四川 成都 610059；3.能新科(西安)油氣技術有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

2009年以來，得益于水力壓裂技術的突破性進展，特別是轉向壓裂技術的廣泛應用，非常規儲層得到大規模開發。1994年，Wright等[1-6]的研究顯示，鄰井裂縫和初次裂縫能夠對原應力場產生一定影響，這一發現開啟對了轉向壓裂技術的研究。后續研究[7-11]表明：若原水平地應力差較大，轉向效果會顯著減弱，甚至轉向失敗；對深部儲層而言，水平應力及應力差較大，要實現較好的轉向壓裂效果，必須提高暫堵劑對射孔孔眼的封堵能力。然而目前學者對裂縫封堵的研究表明，實際封堵壓力并不高(普遍低于5 MPa)[12-17]，且對射孔孔眼的封堵研究較少，適用于深井轉向壓裂的暫堵劑有待優化。該研究通過實驗優選了適用于深井轉向壓裂的暫堵劑及其配方，采用數值模擬方法預測轉向壓裂裂縫延伸軌跡，計算轉向壓裂裂縫波及范圍，并將計算結果與現場微地震監測數據進行對比，以驗證技術可行性。研究成果對提高深井轉向壓裂效果具有一定的指導意義。

1 轉向劑優選思路

暫堵劑封堵性能是影響轉向壓裂效果的關鍵因素之一，其直接決定了封堵的有效性以及封堵后暫堵劑濾餅的承壓能力。承壓能力越大，新裂縫越易形成。常用的射孔孔眼暫堵劑有尼龍球、可降解復合顆粒以及可降解纖維，這3種暫堵材料各有優缺點。尼龍球體積較大，依靠其彈性封堵射孔孔眼，但若射孔孔眼形狀極度不規則或出現裂縫，尼龍球易失效；可降解復合顆粒粒徑較小，可隨壓裂液進入孔眼中，形成充填式封堵；纖維則依靠在孔眼或過渡區的懸掛、纏繞作用形成團塊來實現封堵[18-20]。相關研究表明，單一纖維對裂縫的封堵能力較低[21]，而對于近井地帶射孔孔眼和初次裂縫的封堵鮮有研究。對處于高應力狀態下的深井儲層而言，為成功實現轉向壓裂，應盡可能提高封堵壓力。因此，提出了以一定比例混合暫堵顆粒和纖維，制備復合型暫堵劑的思路。基于纖維的輔助架橋原理，將顆粒作為骨架，可為纖維的纏繞和架橋提供基礎，在通過孔道和裂縫時，纖維包繞的顆粒則能夠填充顆粒骨架間隙，堵塞孔道與裂縫，泵注過程中骨架受力擠壓纖維團塊，在壓實作用下將形成更致密的纖維濾餅，從而形成具有一定封堵壓力的阻擋層。

2 實驗材料

2.1 實驗巖板

為真實模擬儲層環境，采用克深地區阿什基奇克組施工段(埋深約為6 560 m)的巖心制作巖板，模擬射孔孔眼和初次壓裂形成的水力裂縫。2塊巖板由全直徑巖心經巴西劈裂法制得，相對傳統切割法而言，前者形成的上下2塊巖板面粗糙不平，能更真實地反映裂縫面對暫堵顆粒及纖維的支撐及懸掛。在巖板一端中心位置上鉆直徑為1 cm、深度為5 cm的圓柱形小孔，模擬射孔孔眼；縫面間的邊緣部位充填厚度為2 mm的墊片，模擬初次裂縫的開度(圖1)。

圖1 實驗巖板照片

2.2 暫堵纖維

纖維的性能直接決定暫堵工藝的成敗，因此，對纖維的相關性能提出了一定的要求。通過前期篩選，優選的纖維長度為5～6 mm，在清水和壓裂液中具有良好的分散性能，纖維的質量分數不大于1%時，均未出現抱團現象。在清水和質量分數為15%的HCL中的降解評價實驗表明(表1，實驗溫度為95 ℃)，該纖維在清水中幾乎不降解，而在酸液中2h后降解率為100%。因此，在施工中可加入一定質量分數的酸液以降解纖維。

表1 纖維降解性能評價結果

3 轉向劑暫堵性能實驗研究

3.1 實驗思路及流程

實驗模擬了轉向壓裂液流經射孔孔眼以及近井裂縫面的過程。在此過程中，纖維、暫堵顆粒在孔眼處以及縫內不斷懸掛、濾失、沉降并壓實，形成具有一定厚度、能夠承受一定壓差的暫堵劑濾餅，隨后再通過泵入液體對濾餅的承壓能力進行測定，以確定暫堵劑的封堵效果，實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程

實驗時，將導流室尾部出液管線引至稱量容器，加溫導流室和儲液罐至地層溫度，打開壓力機模擬閉合壓力，將攜帶暫堵球的壓裂液泵入導流室中；再泵入含有纖維的壓裂液，最后泵入純壓裂液測得其平穩注入壓力。實驗中溫度允許波動范圍為±5 ℃，測得注入壓力的變化，并記錄出口的液體質量。

3.2 實驗結果及分析

實驗采用粒徑為0.5～1.0 mm的小粒徑暫堵顆粒。在對比實驗中，僅用壓裂液攜帶暫堵顆粒進入導流室，觀察暫堵顆粒自身的封堵能力。泵送完暫堵顆粒后，打開平流泵測試其封堵能力，發現壓力表無讀數，承壓能力為0。拆洗導流室，巖板進口端孔眼內積聚了大量暫堵顆粒(圖3)，說明單純僅靠暫堵顆粒無法實現有效封堵。因此，加入不同濃度的纖維與暫堵顆粒進行封堵實驗，測試其封堵效果。

圖3 暫堵顆粒測試實驗結果

3.2.1 纖維用量優化

實驗中暫堵顆粒質量分數為0.5%，泵注流量為10 mL/min，測試纖維質量分數為0.0、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%時復合暫堵劑的封堵效果(表2、圖4)。由表2可知：當纖維質量分數小于0.8%時，隨著纖維質量分數的增大，復合暫堵劑的封堵壓力隨之增大。說明纖維質量分數對封堵壓力有正相關影響，提高纖維質量分數，可以增加封堵壓力。當纖維質量分數為1.0%時，封堵壓力明顯減小。其原因是纖維質量分數過大，可能對實驗管線造成堵塞，導致封堵效果變差。實驗結束后拆洗導流室，可觀察到1.0%纖維+0.5%暫堵顆粒的復合暫堵劑在管線出口處形成了濾餅(圖4)，證明了上述的原因分析。綜上所述，認為復合暫堵劑中纖維質量分數為0.8%時，暫堵效果最佳。

表2 纖維用量優化實驗數據

3.2.2 暫堵顆粒用量優化

實驗中纖維質量分數為0.8%，泵注流量為10 mL/min，測試暫堵顆粒質量分數為0.3%、0.7%、1.0%、1.5%時復合暫堵劑的封堵效果(表3)。

表3 暫堵顆粒用量優化實驗數據

由表3可知：暫堵顆粒質量分數從0.3%增至1.5%，復合暫堵劑的封堵壓力先增大后降低。當暫堵顆粒質量分數小于0.5%時，隨著其質量分數的增大，封堵壓力增大。當暫堵顆粒質量分數大于0.5%時，過高的質量分數會造成暫堵顆粒在進口端孔眼處堆積，無法大量進入孔道和裂縫內部與纖維形成包繞狀的封堵帶，封堵效果變差。因此，認為復合暫堵劑中暫堵顆粒分數為0.5%時，暫堵效果最佳。最終確定，復合暫堵劑的優化配方為0.8%纖維+0.5%暫堵顆粒。

4 轉向壓裂應用實例

4.1 轉向壓裂裂縫擴展區域模擬

直井A井位于塔里木盆地庫車坳陷迪北X號構造依奇克里克逆沖斷裂控制的大型斷鼻構造內，該斷鼻向南傾伏，走向近東西向。東西長約為32 km，南北寬約為5 km，斷鼻內部發育次級斷裂。侏羅系阿合組斷鼻構造總面積為84.2 km2，閉合幅度為1 700.00 m，高點海拔為-1 300.00 m。目的儲層為侏羅系阿合組—陽霞組，該儲層物性變化較大，非均質性強，總體為低孔低滲、特低孔低滲儲層，局部發育中孔中滲儲層。儲層發育裂縫以高角度斜交構造縫為主。A井儲層深度為6 602.00～6 697.25 m，目的層平均孔隙度為5.2%，平均滲透率為1.42 mD，屬于低孔低滲深井。

該井于2019年6月進行大規模壓裂施工。前置液排量為7.0 m3/min，液量為528 m3；攜砂液類型為凍膠，黏度為126 mPa·s，排量為7.0 m3/min，液量為500 m3，壓裂砂質量濃度為160～180 kg/m3；頂替液用量為54 m3；轉向液用量為52 m3；暫堵劑為暫堵顆粒加纖維，顆粒質量濃度為2.40 kg/m3，纖維質量濃度為3.84 kg/m3。

壓裂液配方：5.40 kg/m3胍膠+0.06 kg/m3抑菌劑+2.40 kg/m3高溫穩定劑+0.48 kg/m3高溫破膠劑+0.24 kg/m3膠囊破膠劑+0.72 kg/m3交聯劑+3.00 kg/m3延遲劑。

將上述封堵壓力、壓裂排量(7.0 m3/min)、壓裂液量(1 134 m3)、壓裂時間(162 min)、壓裂液黏度(126 mPa·s)輸入數值模擬軟件。該軟件是自主研發的裂縫轉向數值模擬軟件，其模擬原理為：結合井周地應力分布模型，包括注入流體誘導井周地應力分布模型、溫度變化誘導井周地應力分布模型和人工裂縫誘導井周地應力分布模型等，根據疊加后井周地應力分布曲線，形成附加壓降計算模型，對裂縫轉向情況進行評價和研究。模擬計算得到初次壓裂裂縫及應力場分布(圖5)和轉向壓裂裂縫及應力場分布(圖6)。

圖5 初次壓裂裂縫及應力場分布

圖6 轉向壓裂裂縫及應力場分布

對比圖5和圖6可知：和首次壓裂相比，轉向壓裂裂縫的起裂位置出現了較大偏移(圖6中的紅色線條)，但由于水平應力差過大(24.0 MPa)，最終裂縫延伸軌跡會在距離井眼約30 m處回到最大水平主應力方向，整個裂縫體系的橫向波及寬度約為60.0 m。

4.2 微地震監測數據驗證

為研究壓裂后A井裂縫系統的形態和展布，選擇A井以西927 m處的另一口井B井作為監測井，進行微地震數據監測。微地震事件檢測結果顯示，事件位置基本成南北向分布，這個趨勢方向與該井FMI、聲波資料和地質力學結果基本吻合。經過統計，根據測算出的微地震事件空間展布，得到了壓裂改造形成的裂縫體系的幾何參數(表4)，SRV體積共計91.53×104m3。其中，監測顯示微地震事件寬度為61.5 m，與計算結果的60.0 m十分接近。

表4 微地震監測裂縫參數

5 結 論

(1) 從實驗研究入手，優選了低孔低滲油藏深井轉向壓裂暫堵劑，其最優配方為0.8%纖維+0.5%暫堵顆粒，對孔眼的最高封堵壓力可達到8.7 MPa。

(2) 實例應用證明，模擬計算的轉向壓裂裂縫體系橫向波及寬度與微地震監測數據十分相近，該復合暫堵劑對于低孔低滲油藏深井轉向壓裂是有效的。

(3) 針對異常高溫、高壓儲層，復合暫堵劑封堵效果有待研究，下一步工作方向為進一步優化配方，使其能在不同類型儲層中具有廣泛的適用性。