高速通道壓裂工藝在低滲透油藏的應用

劉向軍

（中國石化勝利油田分公司河口采油廠，山東 東營 257200）

隨著油田開發(fā)的深入，低滲透油藏儲量不斷增加，2010年以來新發(fā)現(xiàn)的儲量主要以低滲透油藏為主。勝利油區(qū)河口采油廠低滲透油藏儲量豐富，主要分布在渤南、大王北、大王莊等油田，地質儲量達1.2×108t以上，低孔低滲透，自然產能低，壓裂成為該類油藏主要的增產措施[1-5]。2010年以來新開發(fā)的低滲透區(qū)塊主要采用仿水平井大井距、小排距的開發(fā)井網，需要增加壓裂貢獻度。

為達到仿水平井的開發(fā)效果，油水井需要實施造長縫壓裂[6]，由于受到壓裂施工能力、壓裂液污染等因素的影響[7]，壓裂有效縫長遠小于設計支撐縫長，油井產能未得到充分發(fā)揮，儲量未得到充分動用[8]。高速通道壓裂工藝是2010年出現(xiàn)的新工藝，主要應用于美國、南美、俄羅斯、中東、北非等油氣高產地區(qū)，已在世界范圍內實施了超過4000井次，取得了良好的增產效果[9]；在中國，該工藝剛起步，主要在四川氣井上進行了小范圍的試驗，截止到2014年底，共實施40余井次，比常規(guī)壓裂增產約30%，降低綜合成本約20%，對于油井，高速通道壓裂工藝還處在室內實驗階段。

通過工藝適用條件分析、非連續(xù)支撐劑鋪置導流能力實驗和保持高速通道方法的研究，形成了自主的高速通道壓裂工藝，并應用于渤南油田義441塊和大王北油田大52塊，實施2口井，成功率為100%。

1 高速通道壓裂工藝概述

為增加裂縫導流能力，2010年6月29日，斯倫貝謝公司推出了Hiway水力壓裂技術，將實現(xiàn)壓裂無限導流又向前推進了一步。該技術通過在支撐裂縫內部形成開放式的網絡通道，使油氣產量和采收率實現(xiàn)最大化。高速通道壓裂工藝采用脈沖式加砂工藝，其與常規(guī)壓裂最大的區(qū)別是改變壓裂支撐縫內支撐劑的鋪置形態(tài)，打破傳統(tǒng)壓裂依靠支撐劑導流能力增產的理念，把常規(guī)連續(xù)鋪置變?yōu)榉蔷鶆虻牟贿B續(xù)鋪置。該工藝的人工裂縫不是由連續(xù)的支撐劑進行支撐，而是由眾多支撐劑團一樣的支柱進行支撐，支柱與支柱之間形成暢通的無限導流能力的通道，眾多通道相互連通形成立體網絡，從而實現(xiàn)大的支撐裂縫內包含眾多小通道的形態(tài)，極大地提高了油氣滲流能力，在儲層內形成一個開放式油氣網絡通道（圖1），消除由于壓裂液殘渣堵塞、支撐劑嵌入等引起的導流能力損耗，從而減小井筒附近的壓降漏斗效應，顯著提高壓裂改造的效果，所以被形象地稱為Hiway水力壓裂工藝，又稱高速通道壓裂工藝。該工藝較常規(guī)壓裂增產15%以上[9]。

圖1 高速通道壓裂工藝縫內網絡通道示意Fig.1 Schematic diagram of network channel for Hiway technology

高速通道壓裂工藝裂縫內的網絡通道大小為毫米級，是傳統(tǒng)支撐劑充填層內孔道大小的10倍以上。與常規(guī)壓裂縫內支撐劑鋪置對比（圖2）可見，該工藝可提高裂縫導流能力和抗污染能力，降低加砂難度，使相同加砂量造出的有效縫更長，對減少支撐劑用量和提高油氣經濟開發(fā)有所幫助[10]。

圖2 高速通道壓裂與常規(guī)壓裂縫內支撐劑鋪置對比Fig.2 Correlation of proppants laying for Hiway fracturing and conventional fracturing

2 工藝評價室內實驗

2.1 適用地質條件

為避免高速通道壓裂所形成的支撐劑支柱垮塌，引入楊氏模量和閉合應力的比值這個參數(shù)。室內實驗結果表明，可把楊氏模量與閉合應力之比等于350作為判斷的基準值，當比值小于350時，高速通道壓裂形成裂縫的穩(wěn)定性差；當比值為350～500時，能夠形成穩(wěn)定的縫內網絡通道；若比值大于500，則表明所實施地層條件較好[9]。

2.2 非連續(xù)支撐劑鋪置導流能力實驗評價

在實驗室的導流儀上利用支撐劑塊模擬支撐劑非連續(xù)鋪置狀態(tài)，驗證非連續(xù)支撐劑鋪置對導流能力的影響[11]。當閉合壓力為28 MPa時，20/40目石英砂在連續(xù)鋪置狀態(tài)下的滲透率為300 μm2，20/40目陶粒在連續(xù)鋪置狀態(tài)下的滲透率為700 μm2，在非連續(xù)鋪置狀態(tài)下測得的滲透率為42000 μm2。實驗結果表明，非連續(xù)鋪置支撐劑的滲透率是傳統(tǒng)連續(xù)鋪置支撐劑滲透率的60～140倍，壓裂裂縫的導流能力得到明顯提高。

2.3 保持高速通道的方法

高速通道壓裂工藝主要采用泵入纖維來實現(xiàn)，對纖維參數(shù)、纖維攜砂能力、纖維與支撐劑添加順序進行了實驗研究，得到保持高速通道的方法。

2.3.1 纖維參數(shù)

通過砂體的坍塌實驗來確定復合體中纖維的長度、直徑和質量濃度，其中纖維質量濃度采用纖維質量與支撐劑體積之比表示。主要是研究有無纖維條件下砂體的穩(wěn)定性、纖維的長短、纖維的粗細、纖維質量濃度以及砂粒的顆粒大小對砂體穩(wěn)定性的影響。主要通過坍塌流量和塌堵壓力2個參數(shù)進行實驗評價。

纖維質量對砂體穩(wěn)定性的影響實驗 有纖維條件下砂體的坍塌流量為5 L/min，塌堵壓力為0.3 MPa；無纖維條件下砂體的坍塌流量為0.1 L/min，塌堵壓力為0.0005 MPa。表明加入纖維后砂體的穩(wěn)定性顯著增強。

纖維質量濃度對砂體穩(wěn)定性的影響實驗 當纖維質量濃度為6 kg/m3時，砂體的坍塌流量為4.5 L/min，塌堵壓力為0.1 MPa；當纖維質量濃度為10 kg/m3時，砂體的坍塌流量為15 L/min，塌堵壓力為0.2 MPa。表明纖維質量濃度為10 kg/m3時砂體的穩(wěn)定性好于纖維質量濃度為6 kg/m3時。

纖維直徑對砂體穩(wěn)定性的影響實驗 當纖維直徑為15 μm時，砂體的坍塌流量為4 L/min，塌堵壓力為0.18 MPa；當纖維直徑為23 μm時，砂體的坍塌流量為4 L/min，塌堵壓力為0.12 MPa；當纖維直徑為53 μm時，砂體的坍塌流量為4.2 L/min，塌堵壓力為0.1 MPa。由此可見，隨著纖維直徑的增大，坍塌流量基本不變，塌堵壓力持續(xù)下降。

纖維長度對砂體穩(wěn)定性的影響實驗 當纖維長度為25 mm時，砂體的坍塌流量為5 L/min，塌堵壓力為0.3 MPa；當纖維長度為10 mm時，砂體的坍塌流量為4 L/min，塌堵壓力為0.18 MPa。由此可見，纖維長度越長，砂體的穩(wěn)定性越好，但在現(xiàn)場施工時難度越大。

綜上所述，纖維能夠使同粒徑的砂體穩(wěn)定性增加幾十倍，坍塌流量是不加纖維時的50倍，塌堵壓力是不加纖維時的600倍；纖維質量濃度對砂體穩(wěn)定性的影響較大，纖維質量濃度為10 kg/m3時的坍塌流量和塌堵壓力都是纖維質量濃度為6 kg/m3時的2倍左右?？紤]泵入難度等因素，優(yōu)選纖維長度為10 mm，直徑為15 μm，質量濃度為10 kg/m3。

2.3.2 纖維攜砂能力評價

采用直徑為15 μm，長度為10 mm，質量濃度為10 kg/m3的纖維，砂比為40%的攜砂液，分別進行加入纖維和不加入纖維實驗，通過測定支撐劑完全沉降時間來研究纖維對攜砂能力的影響，完全沉降時間越長，攜砂能力越強。實驗結果表明，不加入纖維情況下完全沉降時間為2 h，加入纖維情況下完全沉降時間為3.2 h。由此可以看出，纖維的加入使攜砂能力大大增強。分析其原因為纖維分散在交聯(lián)攜砂液中，對支撐劑的沉降有阻止減緩作用，從而增加了支撐劑的懸浮時間，提高了壓裂效果。

2.3.3 纖維與支撐劑添加順序實驗

分先加陶粒后加纖維、纖維陶粒一起加、先加纖維后加陶粒、先加纖維后交聯(lián)等4種情況進行實驗，得到陶粒完全沉降所需要的時間分別為2，3.2，3和1.3 h。對比實驗結果可以看出纖維陶粒一起加入的情況下陶粒完全沉降所需要的時間最長，效果最好[12]。因其現(xiàn)場操作也較容易實現(xiàn)，所以選擇纖維陶粒一起加入的方式進行施工。

3 現(xiàn)場實例

在室內實驗研究的基礎上，在義441-斜3和大北25-斜24等2口井上進行了高速通道壓裂工藝現(xiàn)場試驗，截止到2014年12月底，累積增產原油量為3700 t，與同區(qū)塊采用常規(guī)壓裂工藝的油井相比增產15%。其中，2014年5月14日，義441-斜3井成為勝利油區(qū)首口該工藝成功實施井，取得了較好的效果。以義441-斜3井為例進行說明。

3.1 義441塊油藏概況

義441塊位于渤南油田的中部斷階帶，北臨渤南油田二區(qū)，南臨渤南油田一區(qū)。主力含油層系主要為古近系沙河街組沙三段2砂組。油藏類型為構造-巖性油藏[13-14]，油藏中部埋深為3100 m，平均孔隙度為18%，平均滲透率為21×10-3μm2，屬于低孔低滲透儲層。義441塊為2012年新建產能塊，該塊采用大井距（400 m）、小排距（200 m）的仿水平井井網開發(fā)，油水井需要長縫壓裂工藝，常規(guī)壓裂工藝壓裂施工加砂困難，造長縫效率低，為提高壓裂效果和成功率，優(yōu)選該塊義441-斜3井進行高速通道壓裂工藝實驗。

3.2 實施過程

義441-斜3井共射開3層，總射孔厚度為11.6 m，射孔段總跨度為26 m，最大井斜為35.5°。義441-斜3井井斜大，層多，加砂難度大；井距大，需采用造長縫壓裂工藝，需要大砂量施工，施工難度大；滲透率低，泥質含量高，其值為10%～16%，儲層容易受到污染。該井楊氏模量與閉合應力之比為420。選用高速通道壓裂工藝進行施工，該工藝主要施工參數(shù)包括：支撐劑用量為40 m3，支撐劑間隔段塞為2 min，最高砂比為40%，施工排量為5 m3/min，具體參數(shù)見表1。選用纖維為無機類型，纖維質量為400 kg，長度為10 mm，直徑為15 μm，質量濃度為10 kg/m3。

2014年5月14日嚴格按照方案設計施工參數(shù)實施，施工順利完成。之后，采用強制閉合技術，立即放噴，最高產油量為21.9 t/d。該井為老井，壓裂后的效果好于新井壓裂，遞減較慢，增產幅度大于20%，目前仍自噴生產，截止到2014年12月底，累積增產原油量為2500 t，效果明顯。

表1 義441-斜3井泵注程序Table1 Pump injection program of Well Yi441-Xie3

4 結論

為保證高速通道壓裂工藝實現(xiàn)，引入楊氏模量與閉合應力之比等于350為判斷的基準值，比值小于350，高速通道壓裂形成的裂縫穩(wěn)定性差；比值為350～500，能夠形成穩(wěn)定的縫內網絡通道；若比值大于500，則是實施條件較好的地層。

非連續(xù)支撐劑鋪置導流能力實驗結果表明，當閉合應力為28 MPa時，非連續(xù)鋪砂的滲透率是傳統(tǒng)連續(xù)鋪砂的60～140倍，壓裂裂縫的導流能力得到明顯提高。

通過保持高速通道的方法研究，優(yōu)選纖維長度為10 mm，直徑為15 μm，質量濃度為10 kg/m3，加入纖維后，攜砂液攜砂能力明顯提高，而且纖維支撐劑一起加入的方式為最佳方式。

在室內實驗研究的基礎上，進行2口井現(xiàn)場試驗，取得預期效果，高速通道壓裂工藝適用于低滲透油藏開發(fā)，推廣前景廣闊。

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