JS油田中高含水油井深部堵水壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

趙 健，鄧建華，張景浩，彥士清

（1.中國(guó)石化東北油氣分公司生產(chǎn)管理處，吉林長(zhǎng)春 130062；2.中國(guó)石化東北油氣分公司工程院；3.中國(guó)石化東北油氣分公司勘探處）

JS油田屬于低滲復(fù)雜小斷塊油田，其儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫較為發(fā)育，在開發(fā)中面臨很大困難：一方面主力油田已進(jìn)入中高含水期，油田產(chǎn)量遞減加大，另一方面新增儲(chǔ)量品位差、動(dòng)用低。因此加強(qiáng)JS油田中高含水油藏的治理，實(shí)現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)，已成為一項(xiàng)非常緊迫的工作。

國(guó)內(nèi)針對(duì)中高含水油井增產(chǎn)的措施主要有兩方面，一是通過調(diào)剖、堵水措施，實(shí)現(xiàn)中高含水油田穩(wěn)油控水，二是通過壓裂技術(shù)措施，提高低滲層開發(fā)效果。對(duì)于高含水油藏，常規(guī)壓裂技術(shù)易壓開高含水層帶，使增產(chǎn)效果受到影響，為此開展了低滲油田高含水油井深部堵水壓裂技術(shù)研究。其基本原理是用高強(qiáng)度耐高溫堵劑封堵老裂縫，再用水力壓裂工藝技術(shù)在其它方位壓開新裂縫，達(dá)到全面改造儲(chǔ)層、減少油井產(chǎn)水量、提高油層采收率的效果。其技術(shù)分兩種類型：先壓后堵和先堵后壓。

1 JS油田中高含水壓裂情況

JS油田綜合含水70.74%，水井開井132口，占采油井開井?dāng)?shù)的90.0%。含水大于60%的采油井85口，占井?dāng)?shù)的64.4% 。這些油田的老井遞減率平均達(dá)到了25.67%，油田穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻。低滲透油層進(jìn)入高含水期后，原有裂縫控制的原油幾乎完全采出，裂縫成了水的主要流通通道，但這些井仍然控制著一定的剩余可采儲(chǔ)量，常規(guī)壓裂技術(shù)容易壓開高含水層帶，使壓裂增產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用受到了限制，增產(chǎn)效果受到了影響。

從高含水老井壓裂情況來看，壓后累計(jì)產(chǎn)油較少，平均在100 t以下，含水均有一定程度上升，有效期較短（表1）。

表1 部分含水大于60%的壓裂井情況

2 深部堵水壓裂技術(shù)研究［1－3］

針對(duì)不同的堵壓類型，進(jìn)行了大量的室內(nèi)研究，篩選出三種滿足要求的堵劑配方：S1、S2和S1－1堵劑，其中，S1為有機(jī)鉻＋5%預(yù)交聯(lián)顆粒類堵劑，S2為單體聚合凝膠類堵劑，S1－1為有機(jī)鉻類堵劑。通過HAAKE RE600流變儀，開展了轉(zhuǎn)變壓力法、巖心封堵實(shí)驗(yàn)等，并對(duì)三種交聯(lián)堵劑進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：流變性、韌性、熱穩(wěn)定性、封堵性和與巖石結(jié)合強(qiáng)度。

2.1 流變性實(shí)驗(yàn)

采用HAAKE RS600流變儀，測(cè)量堵劑的流變性能，針對(duì)4種不同堵劑重點(diǎn)考察了剪切應(yīng)力－剪切速率關(guān)系。圖1中S3為觸變性水泥漿類堵劑。

圖1 不同堵劑剪切應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

這4類堵劑的剪切應(yīng)力－剪切應(yīng)變關(guān)系曲線與延性固體（彈塑性體）相似，整條曲線包括彈性變形、屈服及屈服后流動(dòng)（對(duì)應(yīng)于固體的塑性變形）幾個(gè)階段。4種受試凝膠的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)相似而有細(xì)小差別，最明顯的區(qū)別是處于不同的應(yīng)力水平，這決定于凝膠組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括聚合物鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、剛?cè)嵝院蜐舛取⒕W(wǎng)絡(luò)密度和完善度，大分子鏈的水化能力以及網(wǎng)絡(luò)束縛水的性質(zhì)等等。

2.2 韌性實(shí)驗(yàn)

為了簡(jiǎn)捷地比較堵劑的韌性，依據(jù)材料韌性的定義，設(shè)計(jì)了一套韌性評(píng)價(jià)裝置，也就是在相同的應(yīng)變的條件下，比較所施加應(yīng)力的大小，以此來反映材料韌性的大小。針對(duì)篩選出的堵劑進(jìn)行了韌性測(cè)試（表2）。

表2 堵劑的韌性測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的3種堵劑均有較好的韌性，在多孔介質(zhì)或者裂縫中能顯出良好的抗剪切能力，說明其不易于在多孔介質(zhì)或者裂縫中運(yùn)移時(shí)斷裂，具有良好的變形能力，而S2系列堵劑的韌性尤為優(yōu)良。

2.3 堵劑的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

熱重分析（TG））是研究高聚物熱降解過程的重要工具，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、快速、準(zhǔn)確。采用美國(guó)Perkin－Elmer公司DSC－2C差示掃描量熱儀對(duì)堵劑進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析。

在空氣環(huán)境中，樣品用量為15 mg左右；測(cè)試溫從30℃開始以10℃／min的升溫速率，升溫到500℃，做堵劑的TG圖（圖2）。

測(cè)試的三條曲線開始失重的溫度不同，曲線S1于50℃開始失重，曲線S1－1于85℃開始失重，而曲線S2于120℃開始失重，也就是說S2的脫水開始溫度要比S1與S1－1高，說明S2的熱穩(wěn)定性更優(yōu)越。從脫水來看，三種凝膠堵劑保持水份的能力不一樣，但是差別不是很大。

圖2 凝膠堵劑在空氣條件下的熱失重曲線

2.4 封堵性實(shí)驗(yàn)

在堵劑的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，最重要的是堵劑對(duì)多孔介質(zhì)的封堵行為。通過巖心調(diào)剖流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究堵劑在孔隙介質(zhì)中滯留及堵塞的流動(dòng)特性。

2.4.1 堵劑的突破壓力梯度

針對(duì)篩選的3種堵劑開展了突破壓力實(shí)驗(yàn)，具體情況見表3。從中可看出，S2的突破壓力梯度為106 MPa／m，而S1與S1－1的突破壓力梯度分別為78 MPa／m與52 MPa／m，明顯低于S2。從整體上講，三種堵劑均有較好的封堵性能，能夠有效地封堵大孔隙或者裂縫。

表3 突破壓力梯度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 堵油效率與堵水效率實(shí)驗(yàn)

在測(cè)得突破壓力梯度之后，向巖心中注入1 PV地層水，測(cè)定其封堵率。向巖心注入1 PV原油，測(cè)定堵油率。

對(duì)于S2堵劑，其堵水率在95%左右，對(duì)于S1堵劑，其堵水率在88%左右，而S1－1堵劑，其堵水率在84%左右。對(duì)于堵油率，S2為20%左右，S1在13%左右，S1－1在16%左右。由于S2具有強(qiáng)吸水膨脹性能，而S1系列堵劑具有延遲膨脹性能，所以S2系列堵水率最高，而S1系列堵油率最低。整體而言，三類堵劑對(duì)油水具有明顯的選擇性封堵。

2.5 堵劑與巖石結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

JS油田的地應(yīng)力和裂縫場(chǎng)分布研究表明，地應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫方向的影響非常明顯。裂縫總是沿垂直于最小主應(yīng)力平面的產(chǎn)生，由于產(chǎn)水層滲透率高應(yīng)力小，堵劑發(fā)生作用后，要使產(chǎn)水層應(yīng)力大，就必須使堵劑與巖石結(jié)合強(qiáng)度增加。

利用三軸應(yīng)力機(jī)對(duì)堵劑與巖石結(jié)合強(qiáng)度開展了評(píng)價(jià)。將巖心壓裂后注入堵劑再次壓裂，能夠明顯在新的部位形成裂縫，證明三種堵劑與巖石有較強(qiáng)的結(jié)合力，其中S2性能更優(yōu)越。

隨著堵劑的注入量提高，低滲透率巖心的出液壓力不斷上升，這說明了在不同滲透率地層中注入堵劑后，能夠提高高滲透層的出液壓力，從而在進(jìn)行堵壓作業(yè)時(shí)，壓開低滲透層，以達(dá)到堵塞高滲透層、壓開低滲透層的目的。

3 堵水壓裂施工工藝技術(shù)研究［4－6］

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇先堵后壓工藝，增加堵劑強(qiáng)度和用量會(huì)大幅度提高高滲透率油藏的出液壓力，而達(dá)到后期壓開低滲透率油層的目的。先堵后壓現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)研究?jī)?nèi)容包括堵劑用量和性能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響、堵劑用量計(jì)算、堵劑強(qiáng)度和施工排量對(duì)施工的影響。

3.1 堵劑強(qiáng)度及用量的選擇

出液壓力梯度是指堵劑注入到單位長(zhǎng)度多孔介質(zhì)中后，高低滲透率巖心出液時(shí)的最大壓力。針對(duì)三種堵劑進(jìn)行了注入量與出液壓力實(shí)驗(yàn)。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同堵劑在突破壓力梯度上有很大差異，隨著注入量的增加，任何一種堵劑都將促使地層突破壓力梯度上升，隨著注入量的增加，突破壓力梯度增幅明顯上升，其中S2較為明顯，這也說明水泥與巖石能夠更加好的結(jié)合。同時(shí)在相同的注入量的情況下，隨著堵劑強(qiáng)度的增加，堵劑改變巖石的出液壓力梯度增加更為明顯，也就是說，堵劑的強(qiáng)度可以明顯地改變油藏突破壓力，強(qiáng)度越高，油藏的突破壓力越高。因此，在理論上可以根據(jù)需要增加突破壓力多少來確認(rèn)堵劑封堵半徑的大小。注入堵劑的量越大，強(qiáng)度越大，堵劑的封堵半徑越大，那么油藏的突破壓力梯度越大。應(yīng)用中可以結(jié)合油井地層條件，盡量提高堵劑的用量和強(qiáng)度。

3.2 深部堵水壓裂施工工藝的選擇

由于地層和油井的特殊性，深部堵水壓裂技術(shù)通常要與其它堵水工藝技術(shù)或壓裂工藝技術(shù)聯(lián)合使用才能產(chǎn)生好的效果，這些工藝技術(shù)主要包括：

（1）分層堵水和分層壓裂工藝技術(shù)。在多層的情況下，應(yīng)用該技術(shù)是為了保證堵劑和壓裂液按設(shè)計(jì)要求進(jìn)入目的層，進(jìn)而達(dá)到理想的施工效果。常用的分選壓裂技術(shù)有封隔器分層壓裂、限流法分層壓裂和堵塞球選擇性壓裂。

（2）注大段塞工藝技術(shù)。對(duì)特殊的地層（如天然裂縫十分發(fā)育的地層），通常的堵水技術(shù)和堵劑用量難以達(dá)到理想效果，采用注段塞的技術(shù)（如有機(jī)凝膠＋粘土＋緩凝水泥段塞），為有效封堵裂縫提供了可能。

（3）定向射孔工藝技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行重新射孔，可進(jìn)一步保證在不同于老裂縫的方位形成新裂縫。

3.3 堵水壓裂施工參數(shù)的選擇

施工參數(shù)中占首要地位的是壓力，堵老裂縫時(shí)，在不壓開地層的條件下將堵劑泵入地層，施工壓力應(yīng)低于地層破裂壓力；由于堵壓技術(shù)改變了近井地帶儲(chǔ)層的地應(yīng)力分布，壓新縫時(shí)新裂縫的方位并不垂直于原來的地層最小主應(yīng)力方向，因此施工壓力通常比預(yù)計(jì)的壓力要高。

施工參數(shù)中其次應(yīng)考慮排量因素，排量與壓裂液性能共同控制著裂縫壓力的變化，影響裂縫幾何形狀與支撐劑輸送。堵老縫時(shí)，在不壓開地層的條件下將堵劑泵入地層，排量應(yīng)小于地層吸液速度；壓新縫時(shí)，施工排量必須大于地層吸液速度，但也不宜太高。

其它參數(shù)包括摩阻壓力、裂縫高度、輸送支撐劑等。

4 典型井試驗(yàn)分析

S55－1井為JS油田注水主方向上的一口油井，生產(chǎn)井段1160.4～1184.5 m，平均孔隙度為12.1%，平均滲透率15.38×10－3μm2，產(chǎn)層厚度16.5 m，累積產(chǎn)油量0.1074×104t，累積產(chǎn)水量1.8455×104m3。措施前日產(chǎn)油量0.8 t，日產(chǎn)水量12.4 m3，含水93.9%。

2011年7月對(duì)該井進(jìn)行先堵水后壓裂工藝措施，采用低排量注入工藝將各段塞緩慢注入地層，共注入S2堵劑102.5 m3，隨著堵劑對(duì)微裂縫的填充，施工壓力由16.5 MPa逐漸上升至18.6 MPa，候凝72 h固化后，試壓10 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降小于0.5 MPa，說明該井注入堵劑后固化良好。試壓后對(duì)該井進(jìn)行定向射孔壓裂，注入低密度陶粒20 m3，施工排量為2 m3／min，施工壓力為22.3 MPa，堵水施工壓力高出3.7 MPa，說明堵劑進(jìn)入高滲層老裂縫，堵塞吸水層的水流通道和裂縫，降低高滲層滲透率，使后續(xù)壓裂加砂液能進(jìn)入低滲層，壓開新的裂縫，堵壓效果見表4。

表4 堵水壓裂效果分析

從施工后采油情況來看，堵水壓裂后產(chǎn)油增加了2.35 t／d，含水下降11.2%，到2012年6月日產(chǎn)油恢復(fù)到措施前水平，產(chǎn)液10.6 t／d，產(chǎn)油0.75 t／d，含水92.9%，措施有效期11個(gè)月，共增油339 t，取得很好的增油降水效果，并節(jié)約了可觀的倒油運(yùn)費(fèi)和污水處理費(fèi)用。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)JS低滲油田特點(diǎn)研制的堵水劑，堵水率在85%以上，是堵油率的4～5倍，具有較高的選擇堵水能力，能深部堵塞高滲層老裂縫，從而在進(jìn)行堵壓作業(yè)時(shí)，壓開低滲透層，以達(dá)到堵塞高滲透層、壓開低滲透層的目的。

（2）針對(duì)S55－1井，采用S2堵劑堵水＋定向射孔壓裂的先堵后壓工藝，措施后產(chǎn)油增加了2.35 t／d，含水下降11.2%，有效期11個(gè)月，共增油339 t，取得很好的增油降水效果。

（3）試驗(yàn)表明，堵壓綜合采油技術(shù)在JS油田具有良好的應(yīng)用前景。

［1］Eson R L，Cooke R W.A successful high－temperature gel system to reduce steam channeling［A］.SPE24665.

［2］Seright R S.Use of preformed gels for conformance control in fractured systems［A］.SPE35351.

［3］郭大力，趙金州，吳剛，等.堵壓綜合采油技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1999，21（6）：73－76.

［4］姜瑞忠，蔣廷學(xué)，汪永利.水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：52－56.

［5］胡永全，趙金洲，蒲萬芬，等.堵老裂縫壓新裂縫重復(fù)壓裂技術(shù)［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22（3）：61－64.

［6］謝水祥，李克華，苑權(quán)，等.油井選擇性堵水技術(shù)研究［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2003，4（1）：12－13.