控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田的應(yīng)用研究

閆海建 楊永釗 賀向軍 呂金平 馬志峰

延長(zhǎng)油田股份有限公司瓦窯堡采油廠開(kāi)發(fā)科，陜西子長(zhǎng) 717300

控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田的應(yīng)用研究

閆海建 楊永釗 賀向軍 呂金平 馬志峰

延長(zhǎng)油田股份有限公司瓦窯堡采油廠開(kāi)發(fā)科，陜西子長(zhǎng) 717300

總結(jié)了國(guó)內(nèi)外控縫高壓裂技術(shù)的控縫機(jī)理、技術(shù)分類(lèi)及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了瓦窯堡油田的地質(zhì)背景，油層特點(diǎn)。針對(duì)瓦窯堡油田部分油藏存在底水活躍、油層段與底水相連且中間無(wú)明顯隔層的地層特點(diǎn)，進(jìn)行了控縫高壓裂技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)與施工方案的制訂，并對(duì)其施工效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：2009年全年應(yīng)用控縫高壓裂技術(shù)施工23井次，有效期內(nèi)平均單井凈增油146.04噸，遠(yuǎn)高于全年挖潛舊井的平均單井凈增油值51.07噸，同時(shí)也明顯高于其他舊井挖潛措施井的凈增油值，創(chuàng)造了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。

瓦窯堡油田；壓裂；控縫高壓裂；應(yīng)用研究

Wayaobao Oilfield；Fracturing；Control Slot Height Fracturing；Applied Research

前言

壓裂是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的重要技術(shù)措施。在水力壓裂過(guò)程中，當(dāng)油氣層很薄或產(chǎn)層與上下隔層之間最小水平主應(yīng)力差較小時(shí)，裂縫往往在縫高方向上突破隔層延伸。裂縫高度無(wú)論是向上還是向下過(guò)度延伸，都會(huì)造成裂縫高度過(guò)大而長(zhǎng)度過(guò)小，進(jìn)而影響裂縫的導(dǎo)流能力和壓裂效果，使壓裂難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而且如果裂縫竄入臨近的氣、水層，不但不能起到增產(chǎn)作用，反而會(huì)引起油井含水量暴增或者“引氣入井”。因此，控制裂縫高度延伸是水力壓裂成功與否的關(guān)鍵因素之一。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)控縫高壓裂技術(shù)開(kāi)展了大量的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐工作，取得了大量的研究成果，這些成果極大地推動(dòng)了控縫高壓裂技術(shù)的發(fā)展。

1 控縫高壓裂技術(shù)

1.1 壓裂裂縫高度人工控制機(jī)理

垂直裂縫的垂向增幅是受上下隔層與油層應(yīng)力差及上下隔層的物質(zhì)特性，施工參數(shù)（如排量、壓裂液黏度、加砂濃度）等因素制約的。當(dāng)裂縫向上或向下延伸，壓力超過(guò)隔層與油層應(yīng)力差及沖破蓋層所能承受的限度時(shí)，裂縫就有可能竄入非目的層引起不良效果。

由于地下物質(zhì)特性、地層應(yīng)力差及裂縫韌度的不同垂直裂縫高度不同程度地受到遏制。限制裂縫垂向增長(zhǎng)的實(shí)質(zhì)性機(jī)理是流體進(jìn)入狹窄的上下裂縫末梢時(shí)受到的阻抗。

垂直高度遏制機(jī)理的三要素：地層應(yīng)力差、巖石物質(zhì)特性和裂縫上下末梢阻抗值。

在造開(kāi)一定的縫后，填充上浮劑或下沉劑，只要這些轉(zhuǎn)向劑能集中到裂縫上下狹窄的末梢處，就能生成一定的阻抗值。這是人工控制裂縫垂向增長(zhǎng)的基本原理。

1.2 控縫高壓裂技術(shù)的分類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了幾項(xiàng)控制裂縫高度技術(shù)，如人工隔層技術(shù)、變排量壓裂技術(shù)、注入非支撐劑塞控制縫高，調(diào)整壓裂液密度控縫高技術(shù)、冷卻地層控縫高技術(shù)和低黏度等。

1.2.1 人工隔層技術(shù)

人工應(yīng)力遮擋控縫高技術(shù)的基本原理如下：

首先，裂縫的延伸主要在應(yīng)力薄弱的方向上，當(dāng)壓裂液在裂縫中流動(dòng)時(shí)，在裂縫端部發(fā)生濾失，造成局部壓力增加，逐漸超過(guò)地層中該點(diǎn)的破裂壓力極限而產(chǎn)生裂縫，并沿該方向向前延伸。這時(shí)加入隔離劑，使其上浮到裂縫的上部或沉積在裂縫下部端點(diǎn)，會(huì)阻止一部分壓裂液的濾失，形成阻抗值，即人為增大了隔擋層的壓力值。形成的阻抗值達(dá)到一定程度時(shí)，就能阻止裂縫在該方向上的延伸。

其次，在裂縫的近井地帶上下端部填充小粒徑隔離劑，減小了末梢處的流速對(duì)垂向擴(kuò)展壓力產(chǎn)生的阻抗，但在水平方向上，則相對(duì)地增加了產(chǎn)層之間滑動(dòng)的可能性。隔離劑限制了壓裂液沿縱向的流速，在注入排量不變的情況下，相應(yīng)地增加了裂縫在寬度和長(zhǎng)度方向上的擴(kuò)展能力，裂縫在寬度方向上的擴(kuò)展能力即轉(zhuǎn)化為增加層間滑動(dòng)的能力。

Nguyen等人1983年首次提出利用“人工隔層”控制裂縫高度壓裂技術(shù)，他們利用一種“下沉式隔離劑”使其沉積在裂縫下部端點(diǎn)以阻止一部分壓裂液的濾失，形成阻抗值，即人為增大了隔擋層的壓力值，從而實(shí)現(xiàn)人工隔層控制裂縫高度增長(zhǎng)。此外，他們還使用一種“上浮支撐劑”在裂縫的頂部形成橋塞來(lái)控制裂縫向上延伸，結(jié)果顯示此方法有效地控制了裂縫高度的延伸。國(guó)內(nèi)外對(duì)此都進(jìn)行了大量的卓有成效的研究，目前已經(jīng)發(fā)展成為控制裂縫高度延伸的主力技術(shù)，并取得了成功的應(yīng)用。

1.2.2 變排量壓裂技術(shù)

與上下隔層地應(yīng)力差值小的薄油層的壓裂改造，為限制裂縫高度過(guò)度延伸，采用變排量壓裂技術(shù)，在控制裂縫向下延伸的同時(shí)，可增長(zhǎng)支撐縫長(zhǎng)，增加裂縫內(nèi)支撐劑鋪置濃度，從而可有效地提高增產(chǎn)效果。

上世紀(jì)80年代初，美國(guó)的石油工程師通過(guò)大量研究棉花谷地區(qū)壓裂裂縫的分布特點(diǎn)，找出了裂縫高度與泵注排量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并花費(fèi)了許多精力研究水力裂縫高度的影響因素。

Mack等人從壓裂施工的工藝角度探討了美國(guó)Virginia州中西部Mississippian地區(qū)砂巖地層裂縫高度的延伸特點(diǎn)，得到了壓裂裂縫的高度與泵注程序之間的最優(yōu)化關(guān)系。

1.2.3 注入非支撐劑塞控制縫高

這種方法是在前置液和攜砂液中間注入非支撐劑的液體段塞，這種液體段塞由載液和封堵顆粒組成，大顆粒形成橋堵，小顆粒填充大顆粒間的縫隙，形成非滲透性阻隔段，以達(dá)到控制縫高的目的。

Palmer等人研究煤層水力壓裂發(fā)現(xiàn), 40/70目支撐劑可堵塞較小的流通通道,將壓裂液導(dǎo)入變寬了的其他通道,從而方便較大顆粒支撐劑的輸送。

Arp等人研究了使用低密度支撐劑來(lái)控制裂縫的增長(zhǎng);使用硅粉、70/140目砂、20/40目砂及10/20目砂的混合物來(lái)控制裂縫下端的增長(zhǎng)，并批評(píng)了使用低排量、低濃度壓裂的做法。

1.2.4 調(diào)整壓裂液的密度控制縫高

根據(jù)壓裂梯度來(lái)計(jì)算壓裂液的密度，如果要控制裂縫向上延伸，采用密度較大的壓裂液，使其在重力作用下盡可能向下壓開(kāi)裂縫，反之，如果要控制裂縫向下延伸，使用密度較小的壓裂液。

1.2.5 冷卻地層控制縫高

先低排量注入低溫液體冷卻地層，降低地層應(yīng)力，這時(shí)的注入壓力必須小于地層的破裂壓力，當(dāng)冷卻地層的范圍和應(yīng)力條件達(dá)到一定要求時(shí)，再提高排量，注入高濃度降濾劑的低溫前置液，壓開(kāi)裂縫，在注入低溫液體冷卻地層期間的某一時(shí)刻，將注液壓力提高到造縫壓力，進(jìn)而采用控制排量和壓力的方法控制縫高的延伸，這種方法主要用于膠結(jié)性較差的地層和用常規(guī)水力壓裂難以控制裂縫延伸的油氣層。

大數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)至下而上進(jìn)行劃分為物理層、邏輯層以及邏輯字庫(kù)層。邏輯字庫(kù)包含了基礎(chǔ)類(lèi)、參考系、專(zhuān)業(yè)類(lèi)以及管理類(lèi)等數(shù)據(jù)；邏輯層主要用來(lái)描述國(guó)土資源數(shù)據(jù)的專(zhuān)題圖件，細(xì)分包括防災(zāi)管理數(shù)據(jù)、地政管理數(shù)據(jù)以及礦政管理數(shù)據(jù)；物理層主要用來(lái)描述另外兩層的關(guān)鍵要素，數(shù)據(jù)邏輯設(shè)計(jì)如圖3所示：

2 瓦窯堡油田地質(zhì)背景

瓦窯堡油田地處鄂爾多斯盆地一級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中東部，區(qū)域構(gòu)造背景為一平緩的西傾單斜，傾角半度左右，每公里坡降8～10m。在西傾單斜背景上發(fā)育三個(gè)近東西走向的主要鼻狀隆起帶。

油田鉆遇地層從上到下依次為第四系黃土層、侏羅系中下統(tǒng)延安組、富縣組以及三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組，主要油層為三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)2、長(zhǎng)4+5和長(zhǎng)6油層組。

2.1 長(zhǎng)2 油藏特點(diǎn)

長(zhǎng)2油層組為構(gòu)造—巖性油藏，原始油層壓力低，以底、邊水水驅(qū)為主，溶解氣驅(qū)為輔，油水分異性差。埋深188～990m，巖性比較單一，主要為灰白—灰綠色細(xì)砂巖夾黑色、灰色粉砂質(zhì)泥巖，砂巖呈巨厚狀，具水平層理，泥質(zhì)、灰質(zhì)膠結(jié)?？紫抖?7.50%，孔喉類(lèi)型為小孔隙、小孔喉類(lèi)型，滲透率14.80×10-3μm2。地層溫度27.30～45℃、地層壓力4.35MPa，飽和壓力與原始地層壓力比值為0.24，即飽和壓力不足原始地層壓力的1/4，氣油比僅為11m3/t。20℃原油密度0.83g/cm3，屬弱酸性的CaCl2水型。

2.2 長(zhǎng)4 +5 和長(zhǎng)6油藏特點(diǎn)

長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6油層組為巖性圈閉油藏，巖性為一套灰白色砂巖、灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖與灰色粉細(xì)砂巖互層。長(zhǎng)4+5油藏埋深510～1220m，長(zhǎng)6油藏埋深570～1280m。平均孔隙度10.90%，平均滲透率1.18×10-3μm2；孔喉類(lèi)型為小孔隙、細(xì)微喉道、微裂縫類(lèi)型。原始油層壓力低、油水分異性差。驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為彈性—溶解氣驅(qū)，地層溫度28～51.1℃、地層壓力6.20～10.18MPa、20℃原油密度0.85～0.86g/cm3，屬弱酸性的CaCl2水型。

3 控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田的應(yīng)用情況

3.1 控縫高壓裂技術(shù)施工總體方案

3.1.1 射孔段的選擇盡量靠近油層上部；

3.1.3 低傷害壓裂液具有破膠徹底，防止黏土膨脹，減少壓裂液對(duì)油層的傷害，提高壓裂效果的作用；

3.1.4 施工排量要滿(mǎn)足壓裂施工要求；

3.1.5 控制劑以下沉劑為主，控制裂縫下向增長(zhǎng)；

3.1.6 下沉劑用量在500～2000kg之間；

3.1.7 壓后要控制抽排速度。

3.2 控縫高壓裂技術(shù)的施工工藝

在壓裂施工過(guò)程中選用密度為0.36g/ cm3上浮劑，添加濃度為3～5%；選用密度為2.48g/cm3下沉劑，添加濃度為3～5%。施工過(guò)程中采用濃度0.3%的胍膠水溶液作為控縫劑載液。

在主壓裂施工前加入控縫劑作為一個(gè)預(yù)處理措施，施工工序相當(dāng)于一次小規(guī)模壓裂，先注入一定濃度的前置液，然后加入低濃度的上浮或下沉控縫劑，并使其上浮到裂縫頂部或沉降到裂縫底部后，再進(jìn)行正常壓裂施工，由此裂縫垂向延伸得到控制，井壓增加，防止裂縫向上、下擴(kuò)展，從而達(dá)到控制縫高的目的。

現(xiàn)場(chǎng)施工主要以小排量、小砂量和低砂比為主。砂量大小以穿透油層近井污染帶為依據(jù)，在油層厚度大時(shí)適當(dāng)加大砂量。下沉劑加入量以聲波時(shí)差、遮擋層好壞和油水層之間的距離大小來(lái)確定。同時(shí)下沉劑加入量以不溝通水層為主要依據(jù)。主要適用于底水活躍、油層段與底水相連且中間無(wú)明顯隔層的油層和油水同層。

3.3 控縫高壓裂技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況

瓦窯堡油田中山川區(qū)油區(qū)2189-3、 2189-5井系停躺井，通過(guò)資料分析，對(duì)比研究，認(rèn)為該井具有一定挖潛價(jià)值。

根據(jù)巖性、物性、電性及含油性關(guān)系，對(duì)2189-3井制定如下方案：射孔4m，加砂20m3，施工排量1.6～1.8 m3/min；對(duì)2189～5井制定如下方案：射孔5m，加砂24m3，排量1.8～2.0 m3/min。這兩口井控縫高壓裂改造后，效果良好，在此成功的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，又對(duì)更多油井實(shí)施了控縫高壓裂改造，均達(dá)到了預(yù)期效果。

截止到2009年底，瓦窯堡油田應(yīng)用控縫高壓裂技術(shù)對(duì)23口油井進(jìn)行了改造，油井的詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，應(yīng)用控縫高壓裂技術(shù)施工后，除少數(shù)油井（2367-2井，3020-3井）增油效果不明顯以外，其余21口油井的產(chǎn)油量均有顯著提高，23口井累計(jì)增油3358.93T，日增凈油≥2.0T井3口，占改造井總數(shù)的13.0%；日增凈油≥1.0＜2.0T井6口，占改造井總數(shù)的26.1%；日增凈油≥0.5＜1.0T井12口，占改造井總數(shù)的52.2%；日增凈油＜0.5T井2口，占改造井總數(shù)的8.6%，總體上取得了較好的增產(chǎn)效果。

3.4 瓦窯堡油田控縫高壓裂技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

瓦窯堡油田2009年全年完成舊井挖潛177口，采取的施工工藝、施工井?dāng)?shù)及增產(chǎn)效果如表2所示。

由表2可知，在瓦窯堡油田2009年全年完成的挖潛措施井中，控縫高壓裂井的增油效果最為明顯，有效期內(nèi)平均單井凈增油146.04噸，遠(yuǎn)高于全年挖潛舊井的平均單井凈增油值51.07噸，同時(shí)也高于常規(guī)二次壓裂、轉(zhuǎn)向壓裂、HRS復(fù)合解堵等其他舊井挖潛措施井的凈增油值。

如果按每口控縫高壓裂井施工費(fèi)用9.2萬(wàn)元，每噸原油價(jià)格2057元（油田公司收購(gòu)價(jià)格）計(jì)算，那么2009年全年23口控縫高壓裂井投入費(fèi)用211.6萬(wàn)元，創(chuàng)造的產(chǎn)值為690.93萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為1：3.27，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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4 結(jié)論

4.1 控縫高壓裂技術(shù)主要是通過(guò)人工隔層技術(shù)、變排量技術(shù)以及調(diào)整壓裂液密度等方法使地層的物質(zhì)特性、應(yīng)力差及裂縫韌度在垂直裂縫方向上不同程度地受到遏制，從而達(dá)到限制裂縫垂向增長(zhǎng)，形成水平裂縫的目的；

4.2 瓦窯堡油田屬于低滲、特低滲透油藏，部分油藏存在底水活躍、油層段與底水相連且中間無(wú)明顯隔層的情況，屬于控縫高壓裂技術(shù)的使用范圍。瓦窯堡油田2009年全年應(yīng)用控縫高壓裂技術(shù)施工23井次，有效期內(nèi)平均單井凈增油146.04噸，遠(yuǎn)高于全年挖潛舊井的平均單井凈增油值51.07噸，同時(shí)也明顯高于常規(guī)二次壓裂、轉(zhuǎn)向壓裂、HRS復(fù)合解堵等其他舊井挖潛措施井的凈增油值，創(chuàng)造了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，控縫高壓裂技術(shù)在瓦窯堡油田有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。

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Study on The Technology of Control Slot Height Fracturing Applied in Wayaobao Oilfield

Yan Haijian Yang Yongzhao Lv Jinping He Xiangjun Ma Zhifeng
Wayaobao Oil Production Plant of Yanchang Oil Field Co., Ltd., Zichang 717300 China

Summarying up the high seam domestic and foreigncontrolled joint control mechanism of fracturing technology. Analysising of the Wayaobao field location and reservoir characteristics. There is some active bottom water in Wayaobao oil reservoir. The reservoir section is connected with the bottom water compartment and the middle strata has no obvious characteristics. For that, the control slot height fracturing process has designed and construction of program has developed, what’s more, its construction effects has evaluated. The results showed that: In the year 2009, there are 23 wells applicated of construction control slot height fracturing technology. The life of the average net increased 146.04 tons of singlewell oil, well above the annual tapping potential of old oil wells, whose average value was 51.07 tons per single well, even also significantly higher than other potential measures in the old wells. It created a very good value for money. Therefore, the control slot height fracturing technology has a further promoting value in Wayaobao Oilfield.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.008

閆海建(1974-)，男，陜西省子長(zhǎng)縣人，瓦窯堡采油廠鉆井工程師，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究。