一種實現(xiàn)裂縫高導流能力的脈沖加砂壓裂新方法

吳順林，李憲文，張礦生，唐梅榮，李向平，達引朋

（1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安710021）

鄂爾多斯盆地長×為代表的致密油藏，總資源量大［1-2］，而該類儲層前期改造了600 余口井，其中僅有345 口井獲工業(yè)油流，平均單井試油產(chǎn)量僅6.4 t/d 左右。通過均勻加砂、逐漸提高砂比、常規(guī)胍膠壓裂液攜砂等常規(guī)方式壓裂，形成的裂縫導流能力為8～10 μm2·cm，其優(yōu)化結果遠未達到最優(yōu)值，因此，通過提高裂縫導流能力來提高單井產(chǎn)量還有足夠的空間。

影響油井產(chǎn)能的主要因素有地層滲透率、油層厚度、泄油半徑、油井半徑、表皮系數(shù)等。由于半徑比對產(chǎn)能的影響作用十分微弱，因而一般不會通過改變半徑比來提高油井產(chǎn)能。對于壓裂井而言，裂縫導流能力是對表皮系數(shù)影響最大的因素［3］，因此，為了建立油藏到井筒的高速導流通道，使裂縫具備較高的導流能力，提高單井產(chǎn)量，結合鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏特征，探索了一種新型壓裂改造技術［4-6］，這對有效開發(fā)鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏具有重要意義。

1 脈沖加砂壓裂技術

1.1 原理

脈沖加砂壓裂，是在加砂壓裂過程中，通過專用混砂車脈沖式泵入一段支撐劑，再脈沖式泵入一段純液體，進行反復交替循環(huán)加砂壓裂［7］。支撐劑脈沖時間與純液體脈沖時間之和為一個脈沖周期，在每個支撐劑濃度階段，可以包含多個脈沖。其中，脈沖分為支撐劑脈沖和純液體脈沖2 種（見圖1）。同時，為了形成裂縫與井筒有效的溝通，需要尾追一個時間相對較長的連續(xù)支撐劑泵入階段，從而避免在近井地帶出現(xiàn)窄點或無支撐劑區(qū)域。

圖1 脈沖加砂壓裂泵注程序

專用混砂車的砂斗設計“三角形開關”，采取自動控制，實現(xiàn)脈沖式開關，完成脈沖式加砂，并能夠根據(jù)砂比的大小精確控制進砂量（見圖2）。

圖2 常規(guī)壓裂技術和脈沖加砂壓裂對比

1.2 室內(nèi)可行性

為了成功實施脈沖加砂壓裂，支撐劑進入地層須呈不連續(xù)充填，以“柱狀”體形式非均質地鋪置在裂縫內(nèi)，四周具有高速導流能力的通道，因此需要確保支撐劑段塞在進入管柱、經(jīng)射孔孔眼進入裂縫過程中不會分散。

1.2.1 支撐劑充填方式

設計支撐劑充填層，可以提高裂縫的導流能力。通過室內(nèi)實驗把支撐劑置入裂縫系統(tǒng)中，施加相當于上覆壓力的閉合應力，并測量了以不同流速泵入單相流體穿過充填層所需的力。根據(jù)達西定律和納維-斯托克斯方程計算支撐劑充填層的滲透率，得出不連續(xù)支撐劑充填層的滲透率比連續(xù)支撐劑充填層的滲透率高1.5～2.5 個數(shù)量級（見圖3）。由此可見，支撐劑在裂縫中以“聚團”形式存在，會大大提高裂縫滲透率（即裂縫導流能力）［8-9］。

1.2.2 支撐劑段塞在壓裂液中的穩(wěn)定性

通過支撐劑段塞在不同壓裂液試驗管中的穩(wěn)定性實驗，記錄支撐劑段塞通過該管前后X 射線在管壁上的吸收量，確定支撐劑段塞的穩(wěn)定性。從圖4可以清楚地看出，添加纖維后，支撐劑段塞能夠在2 h 后基本保持原狀態(tài)不變，表明纖維壓裂液能提高支撐劑段塞的穩(wěn)定性。

1.2.3 支撐劑段塞通過射孔孔眼的完整性

現(xiàn)場配置一套攪拌機，將一根長約198 m、直徑7.6 cm 的處理管線連接到攪拌機的排出口。沿處理管線布置5 組射孔孔眼，每組10 個孔，直徑0.95 cm，5個孔呈0°相位，另外5 個呈180°相位。安裝2 個密度計，1 個在攪拌機出口，1 個在處理管線終端，用來測量支撐劑密度，監(jiān)測段塞的穩(wěn)定性。

支撐劑攜帶液以11.6 m/s 的流速通過處理管線的時間是33 s。從5 組峰值可以看出（見圖5），攜帶液在處理管線終端和攪拌機出口的密度剖面基本相同，表明支撐劑段塞在通過處理管線的過程中能保持穩(wěn)定。

圖5 攜帶液密度與時間的關系

2 現(xiàn)場施工工藝

與常規(guī)壓裂相比，脈沖加砂壓裂現(xiàn)場施工除了地面專用混砂車設備外，還需要纖維壓裂液、完井方式優(yōu)選和壓裂優(yōu)化設計。這4 部分組成了脈沖加砂壓裂實現(xiàn)的主要技術手段。

2.1 纖維壓裂液

纖維壓裂液不僅可以攜帶支撐劑，更重要的是在支撐劑脈沖階段能夠有效地防止支撐劑沉降［10］，而且在支撐劑進入裂縫后，仍然能很好地保持整體特征，達到支撐裂縫的目的。纖維的有效注入主要依靠專用混砂車的纖維添加裝置及攪拌設計，使纖維均勻地加入到壓裂液中，形成纖維壓裂液。纖維壓裂液是確保脈沖式加砂進入地層之后能夠保持“柱體”支撐的關鍵因素之一。

2.2 完井方式優(yōu)選

采用不同于常規(guī)射孔方式的等間距分簇式射孔，即射孔簇長1 m，簇距1 m，孔眼數(shù)16 個，孔徑8.1 mm，不僅支撐劑在泵送過程中實現(xiàn)了脈沖，而且通過射孔時在完井剖面上也能夠分離成多個支撐劑團，更有助于高速導流通道的形成。

2.3 壓裂設計優(yōu)化

脈沖加砂壓裂技術的適用條件為：①彈性模量/閉合應力比值在1 000 以上；②致密砂巖，滲透率低，需要增加有效縫長； ③地層壓力系數(shù)為0.78，儲層能量低；④井底溫度較低，纖維溶解時間較長。

根據(jù)鄂爾多斯盆地致密砂巖的巖石力學參數(shù)及物性特征（見表1），結合該技術適用條件，應用FracCADE壓裂設計軟件中獨有的脈沖加砂壓裂設計模塊進行工程設計，包括射孔方案及脈沖時間等施工參數(shù)，進而模擬出裂縫幾何形狀及參數(shù)，對現(xiàn)場施工、效果分析具有重要的指導作用。

表1 試驗井的巖石力學參數(shù)及物性參數(shù)

3 應用實例

在鄂爾多斯盆地低滲透區(qū)長×層選取滲透率較好、有效厚度較大的3 口直井，開展脈沖加砂壓裂試驗［11］。3 口直井的平均孔隙度為12.7%，有效滲透率為2.2×10-3μm2，地層孔隙壓力為14.2 MPa，施工順利，施工參數(shù)見表2，施工曲線見圖6。

表2 試驗井施工參數(shù)

圖6 A 井壓裂施工曲線

A 井試排產(chǎn)油31.5 m3/d，投產(chǎn)初期（前3 個月平均）產(chǎn)油2.04 t/d；B 井試排產(chǎn)油22.5 m3/d，投產(chǎn)初期產(chǎn)油1.91 t/d；C 井試排產(chǎn)油26.1 m3/d，投產(chǎn)初期產(chǎn)油2.03 t/d。

3.1 對比分析

與采用常規(guī)壓裂的鄰井、區(qū)塊同類儲層井相比，3口脈沖加砂壓裂試驗井的平均試油產(chǎn)量為26.8 m3/d，分別是它們的1.2 倍、1.4 倍；投產(chǎn)初期產(chǎn)油量為2.00 t/d，分別是它們的1.4 倍、1.3 倍；投產(chǎn)初期單位壓差累計產(chǎn)液，分別是它們的1.4 倍、1.1 倍；投產(chǎn)初期產(chǎn)能指數(shù)，分別是它們的1.4 倍、1.5 倍［12-13］。

3.2 效果分析

由于選取的3 口試驗井均位于有效厚度較大、物性較好的區(qū)塊，為了進一步分析評價該技術的增產(chǎn)潛力，將試驗井與對比井的地層系數(shù)、產(chǎn)能指數(shù)進行歸一化處理，反算出脈沖加砂壓裂技術的壓后初期裂縫導流能力［14］。

壓后流體從儲層流向裂縫，再從裂縫流向井筒［12，15］，其產(chǎn)量公式為

式中：Qaf為油井壓裂后產(chǎn)量，t；Ko，Kf分別為油藏和裂縫的滲透率，μm2；h 為儲層厚度，m；μ 流體為黏度，mPa·s；B 為流體壓縮系數(shù)；pe，pf，pw分別為油藏、裂縫、井底壓力，MPa；re，rf，rw分別為油藏、裂縫、井筒的泄流半徑，m。

由式（1）得出：

由式（2）得出：

式中：Kf1，Kf2分別為對比井、試驗井的滲透率，μm2。

半徑比位于分母的對數(shù)項內(nèi)，對產(chǎn)能的影響十分微弱，最終得出

綜上所述，脈沖加砂壓裂技術壓后初期裂縫導流能力提高了14.1%，取得了較好的現(xiàn)場應用效果。

4 結論

1）鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏具備脈沖加砂壓裂有利的地質條件，還有提高單井產(chǎn)量的空間。

2）新的脈沖加砂壓裂技術采用“脈沖式加砂、纖維壓裂液攜砂及等間簇射孔”，實現(xiàn)了裂縫高導流能力，有效提高了單井產(chǎn)量，為鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏的改造開辟了一條新的有效途徑。

3）充分考慮油井之間的差異性，采用地層系數(shù)、產(chǎn)能指數(shù)歸一化處理的分析方法，反算出裂縫導流能力提高了14.1%。

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