低滲透疏松砂巖纖維壓裂技術(shù)

溫慶志，徐 希，王杏尊，黃 越，黃 杰

（1.中國石油大學(xué)，山東 青島，266580；2.中海油服股份有限公司，天津，300451）

引 言

疏松砂巖油藏埋深淺、滲透率低、出砂嚴(yán)重，自然產(chǎn)能低。因此，開展纖維加砂壓裂技術(shù)研究對(duì)于低滲透疏松砂巖儲(chǔ)層的開發(fā)有很重要的意義[1-7]。纖維加砂壓裂技術(shù)在壓裂過程中添加一定量纖維，依靠纖維材料形成的類似網(wǎng)狀的互繞結(jié)構(gòu)來固定支撐劑，提高壓裂液的攜砂能力，并使支撐劑在裂縫內(nèi)均勻鋪置，減少地層吐砂，從而提高改造效果。目前，纖維壓裂技術(shù)中纖維的加入方式，加入量等問題沒有得到解決，且大多數(shù)都是針對(duì)常規(guī)疏松砂巖研究的[8-16]。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來優(yōu)選出合適的纖維以及纖維的加入方式和用量，從而形成一套完善的纖維壓裂技術(shù)。通過對(duì)此技術(shù)的深入研究，可以為低滲透疏松砂巖儲(chǔ)層提供一種實(shí)用、有效的防砂手段，也能達(dá)到增產(chǎn)的效果，對(duì)類似儲(chǔ)層的開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

1 壓裂用纖維的優(yōu)選與評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 纖維的分散性

目前纖維主要有無機(jī)纖維和有機(jī)纖維兩大類。不同纖維其強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有所不同。在防砂時(shí)應(yīng)根據(jù)地層砂密度來選擇纖維的材質(zhì)，再綜合成本進(jìn)行選擇。根據(jù)XX油田地質(zhì)特征，確定使用SC纖維為壓裂用纖維。纖維壓裂工藝是在攜砂液階段，通過混砂車將支撐劑、壓裂液、纖維混合均勻，然后進(jìn)入地層。因此，纖維需要有良好的分散性，防止纖維在壓裂液中抱團(tuán)，導(dǎo)致施工壓力的增加。

分別在清水、壓裂液基液和壓裂液凍膠中加入一定量的纖維，用機(jī)械攪拌器協(xié)助分散，觀測(cè)其分散情況，如圖1所示。

圖1 纖維在不同介質(zhì)中的分散狀態(tài)

由圖1可知，纖維在壓裂液凍膠中的分散性最好，只有極少量纖維（1%～5%）未分散；基液中纖維的分散性次之，偶見少量纖維未分散；在清水中的分散性最差。由此可知，該纖維在壓裂液中具有良好的分散性，可用于壓裂施工中?，F(xiàn)場(chǎng)取樣表明，纖維與壓裂液混合均勻，在施工中表現(xiàn)出良好的分散性能。

2.2 纖維對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響

采用裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)儀評(píng)價(jià)纖維對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，該儀器能模擬地層條件，可以測(cè)試不同類型支撐劑的導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案

分別繪制不同纖維濃度下20～40目陶粒和30～60目陶粒導(dǎo)流能力變化曲線（圖2）。

圖2 不同濃度纖維對(duì)導(dǎo)流能力的影響

由圖2可知，70MPa時(shí)，20～40目陶粒不加纖維時(shí)，導(dǎo)流能力為58μm2·cm，纖維濃度為1.0%時(shí)，導(dǎo)流能力為53.23μm2·cm，下降幅度為8.6%；30～60目陶粒不加纖維時(shí)，導(dǎo)流能力為21μm2·cm，纖維濃度為1.0%時(shí)，導(dǎo)流能力為18.97μm2·cm，下降幅度為9.5%。由此可知，纖維對(duì)導(dǎo)流能力的影響較小，加入纖維后支撐劑的導(dǎo)流能力依然能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。

2.3 纖維對(duì)壓裂液攜砂能力的影響

壓裂液中加入纖維后，纖維與砂粒相互作用，可以形成一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加砂粒下沉的阻力。因此，懸砂性能的好壞可以直接反映纖維壓裂液的性能。

2.3.1 靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)

（1）不同添加方式對(duì)攜砂性能的影響。壓裂液采用胍膠壓裂液，纖維濃度為5kg/m3。分別按以下4種方式添加纖維：1號(hào)燒杯，配好交聯(lián)液后，先添加陶粒再添加纖維；2號(hào)燒杯，配好交聯(lián)液后，先添加纖維再加陶粒；3號(hào)燒杯，配好交聯(lián)液后，支撐劑和纖維同時(shí)加入；4號(hào)燒杯，先將纖維與水混合，再加入交聯(lián)劑交聯(lián)，最后添加陶粒。將攪拌均勻的攜砂液倒入量筒中，靜置，觀察支撐劑的沉降情況。1～4號(hào)燒杯中支撐劑完全沉降時(shí)間為2.0、3.2、3.0、1.3h。實(shí)驗(yàn)表明，纖維合適的加入方式為，先配好交聯(lián)液，再將纖維與陶粒同時(shí)加入，纖維能夠較好地分散，增加陶粒懸浮時(shí)間，壓裂液混合均勻，現(xiàn)場(chǎng)操作也較為方便。

（2）不同纖維加量對(duì)攜砂性能的影響。按上述優(yōu)選的方式將纖維和陶粒同時(shí)加入到壓裂液中，纖維濃度分別為：3、5、7kg/m3，混合均勻后記錄沉降時(shí)間，對(duì)應(yīng)的砂粒完全沉降時(shí)間為2.0、3.2、4.0h。隨著纖維濃度的增加，陶粒完全沉降時(shí)間延長，說明纖維的懸砂性能越好。這是因?yàn)槔w維分散在壓裂液中，增強(qiáng)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，起到減緩支撐劑沉降，增加懸浮時(shí)間的作用。

2.3.2 動(dòng)態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用大型可視平板裂縫模擬裝置，該裝置主要由壓裂液配制裝置、泵入裝置、大型可視平板裂縫等幾部分組成。

實(shí)驗(yàn)依據(jù)相似性原理，將現(xiàn)場(chǎng)施工排量折算為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裂縫模型的縫口流速，最終確定液體流速為0.2m/s；壓裂液黏度約為2mPa·s；實(shí)驗(yàn)過程中壓裂液的實(shí)際黏度隨纖維濃度的增加而增加；實(shí)驗(yàn)時(shí)保證恒定砂比。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表2 動(dòng)態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)比3種纖維濃度下的砂堤形態(tài)，如圖3所示。

圖3 不同纖維濃度下砂堤分布

由圖3可知，纖維濃度對(duì)砂堤形態(tài)影響較大，隨纖維濃度增加，砂堤在平板中的分布更加均勻。無纖維實(shí)驗(yàn)組，90%的支撐劑沉積在處；纖維濃度為5kg/m3組，支撐劑分布均勻，砂堤高度十分平緩，從堤峰開始到平板末端，砂堤高度變化不明顯；纖維濃度為 10kg/m3組，支撐劑分布較均勻。隨纖維濃度增加，平板內(nèi)殘留的支撐劑量減少。表明更多的支撐劑被攜帶入了更深的地層，有利于增加裂縫的有效支撐長度。

隨纖維濃度增加，堤峰位置向右推移。無纖維組和纖維濃度為5kg/m3組堤峰出現(xiàn)在接近縫口處；纖維濃度為10kg/m3組堤峰出現(xiàn)在平板中間處。證明纖維濃度為10kg/m3組可以輔助形成更長的砂堤，增加縫長。

為測(cè)定顆粒的運(yùn)移速度，對(duì)部分顆粒進(jìn)行特殊標(biāo)記，觀測(cè)記錄在特定時(shí)間內(nèi)顆粒的運(yùn)移軌跡，計(jì)算顆粒的水平運(yùn)移速度和沉降速度（表3）。

表3 不同纖維濃度下顆粒的運(yùn)移速度

16.92 2.85 5 15.53 2.14 16.33 3.31 17.69 3.12 16.61 2.85 18.27 1.82 1017.94 2.74 17.03 2.32 17.98 2.04 17.81 2.3

由表3可知，隨著纖維濃度的增加，支撐劑顆粒的水平運(yùn)移速度逐漸增大，沉降速度逐漸減小，并趨于平緩。因此，纖維濃度的增加有利于支撐劑的運(yùn)移，但是在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)纖維的大量加入，會(huì)導(dǎo)致施工摩阻增大，射孔孔眼和裂縫中容易發(fā)生砂堵。因此，纖維濃度不宜過大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，適宜的纖維濃度為5kg/m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論研究成果，并結(jié)合XX油田儲(chǔ)層特征，進(jìn)行了纖維壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。以XX13-1油田A井為例。XX13-1油田A井滲透率為6×10-3μm2，孔隙度為18.8%，屬于低滲透疏松砂巖儲(chǔ)層。試驗(yàn)選用SC纖維，直徑為10μm，長度為10mm，纖維加量為5kg/m3。纖維加入方式為分階段楔形加入。

纖維加砂施工時(shí)，采用延遲交聯(lián)壓裂液，為防止纖維堵塞油管，頂替液的前2m3加交聯(lián)劑，采用凍膠頂替，然后微過量頂替0.5～1.0m3的純液，以保證纖維和支撐劑完全進(jìn)入地層中，防止井筒沉砂和沉纖維。壓裂施工后，該井出砂量明顯減少，由3.00m3/d減至0.01m3/d，產(chǎn)量明顯增加，由6.15m3/d增至24.80m3/d，增加303%。說明纖維壓裂技術(shù)可應(yīng)用于低滲透疏松砂巖儲(chǔ)層。

4 結(jié)論

（1）隨著纖維濃度的增加，支撐劑導(dǎo)流能力略微有所下降，可以忽略纖維對(duì)導(dǎo)流能力的傷害。

（2）不同纖維加入方式和不同加量對(duì)壓裂液攜砂能力均有影響。先加入交聯(lián)劑，再加入纖維，最后加入支撐劑，體系沉降慢，懸砂時(shí)間長，效果好；隨著纖維濃度的增加，壓裂液的攜砂性能增加。

（3）根據(jù)纖維加入方法及纖維加入量優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合纖維壓裂設(shè)計(jì)軟件，確定了XX油田泵入程序，施工后，儲(chǔ)層出砂減少，產(chǎn)量增加，壓裂效果顯著。

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