纖維強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

汪道兵， 周福建， 葛洪魁， 劉雄飛， 石　陽(yáng)， Sergio Zlotnik， 張　薇

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣研究院，北京　100249；　2. 西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，巴塞羅那E-08034；　3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 采油工程研究所，北京 100083；　4. 中國(guó)石油東方地球物理公司 大港分院，天津　300280 )

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纖維強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

汪道兵1,2,3， 周福建1， 葛洪魁1， 劉雄飛1， 石陽(yáng)3， Sergio Zlotnik2， 張薇4

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣研究院，北京100249；2. 西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，巴塞羅那E-08034；3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 采油工程研究所，北京 100083；4. 中國(guó)石油東方地球物理公司 大港分院，天津300280 )

可降解纖維可以強(qiáng)制人工裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向,促進(jìn)復(fù)雜縫網(wǎng)的形成，目前還不清楚纖維強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律。通過(guò)纖維濾失暫堵能力實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)纖維轉(zhuǎn)向劑對(duì)人工裂縫的暫堵轉(zhuǎn)向作用，分析纖維轉(zhuǎn)向劑對(duì)不同裂縫寬度、不同流速時(shí)裂縫暫堵規(guī)律，確定形成暫堵的臨界纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)降解性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，纖維在少量水存在的情況下降解率能夠達(dá)到85%以上，并在暫堵后依靠?jī)?chǔ)層溫度恢復(fù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降解；根據(jù)真三軸壓裂物模實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證纖維轉(zhuǎn)向劑在裂縫存在條件下形成暫堵強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向的可靠性，得出裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的水平主應(yīng)力差上限為7.5 MPa，兩次壓裂產(chǎn)生裂縫間夾角與水平主應(yīng)力差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。85口井次的現(xiàn)場(chǎng)纖維轉(zhuǎn)向酸壓工藝試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向壓力最高達(dá)到40.0 MPa，增產(chǎn)效果明顯。該研究結(jié)果對(duì)理解纖維暫堵裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理與指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

可降解纖維； 轉(zhuǎn)向壓裂； 降解性能； 暫堵性能

0　引言

隨著致密氣、頁(yè)巖氣和煤層氣等非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)步伐的加快，非常規(guī)油氣資源已成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。水力壓裂技術(shù)是非常規(guī)油氣進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的有效手段。非常規(guī)儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率超低，若采用常規(guī)水力壓裂技術(shù)，則形成單一對(duì)稱裂縫，難以滿足高效勘探開(kāi)發(fā)的需求，必須擴(kuò)大壓裂改造體積，增加裂縫復(fù)雜程度。通過(guò)縫網(wǎng)體積壓裂改造實(shí)施油氣層的三維立體改造，能夠形成人工裂縫立體網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層人工裂縫波及體積的最大化，從而提高油氣層的有效滲透率和油氣井的產(chǎn)量[1-4]。

地層水力裂縫擴(kuò)展存在優(yōu)勢(shì)方位，主要受地應(yīng)力、天然裂縫和人工遮擋等因素控制。Aghigi M A等采用考慮孔隙彈性的全耦合有限元數(shù)值模擬方法，研究致密砂巖中生產(chǎn)誘導(dǎo)的應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)重復(fù)壓裂裂縫起裂與延伸的影響規(guī)律；應(yīng)力擾動(dòng)導(dǎo)致重復(fù)壓裂裂縫重新定向延伸，配合定向射孔可使重復(fù)壓裂裂縫定向起裂[5]。在頁(yè)巖水平井分段多級(jí)壓裂時(shí)，先前壓開(kāi)裂縫附近形成的“應(yīng)力陰影”(Stress Shadow)區(qū)域?qū)⒂绊戉徑鼘佣嗡α芽p的起裂與擴(kuò)展，是裂縫間距、頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力各向異性等因素綜合作用的結(jié)果[6]。Kresse O等利用非常規(guī)UFM2D壓裂模型，研究天然裂縫性地層中的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，在地應(yīng)力各向異性較小的情況下，由于存在“應(yīng)力陰影”效應(yīng)，裂縫間相互作用可使裂縫發(fā)散而形成縫網(wǎng)；如果地應(yīng)力各向異性較大，裂縫將沿最大主應(yīng)力方向延伸，縫網(wǎng)的形成受限[6-8]。

當(dāng)?shù)貞?yīng)力差等客觀因素不利于裂縫轉(zhuǎn)向時(shí)，可以通過(guò)暫堵轉(zhuǎn)向劑引入人工附加遮擋，封堵先前形成的裂縫和高滲流通道，用于進(jìn)行人工裂縫強(qiáng)制轉(zhuǎn)向壓裂，提高改造范圍和效果[9-11]。一般采用粉陶、油溶性樹(shù)脂等暫堵轉(zhuǎn)向劑，但是它們對(duì)地層損害較大且受到地層溫度限制等[12-13]。鄭力會(huì)等評(píng)價(jià)絨囊暫堵液的暫堵性能，它可以使人造巖心裂縫的流動(dòng)阻力增加25 MPa[14]。楊寶泉通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究ZD-1暫堵劑，在地層溫度條件下可以承壓20 MPa以上，24 h的水溶率達(dá)98%以上[15]。Potapenko D I等使用轉(zhuǎn)向材料控制裂縫的擴(kuò)展，將可降解纖維裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用于Barnett頁(yè)巖水平井的重復(fù)壓裂施工，裂縫轉(zhuǎn)向體系(FDS)對(duì)已形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)形成暫堵，在施工過(guò)程中壓力明顯增加[16]。Allison D等研制一種自動(dòng)降解可變形顆粒；該轉(zhuǎn)向劑體系采用兩種粒徑顆粒相互配合使用，密度為1.25 g/cm3，當(dāng)壓力升高到某一值時(shí)，顆粒發(fā)生形變，滲透率明顯降低，形成較為致密的遮擋層[17]。

可降解纖維作為一種新型的暫堵轉(zhuǎn)向劑，可以強(qiáng)制人工裂縫轉(zhuǎn)向，具有適應(yīng)高溫地層、承壓能力高、封堵裂縫能力好、遇地層溫度自動(dòng)徹底降解和對(duì)地層基本無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已成功進(jìn)行先導(dǎo)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前，對(duì)纖維在不同裂縫寬度條件下的裂縫暫堵規(guī)律與影響因素缺少實(shí)驗(yàn)依據(jù)，纖維加量多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，纖維的溫度降解性能研究較少，形成暫堵強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向的條件與因素有待確認(rèn)，需要開(kāi)展纖維強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律的研究，為理解纖維暫堵裂縫的機(jī)理與指導(dǎo)纖維轉(zhuǎn)向壓裂設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1　轉(zhuǎn)向劑設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

1.1設(shè)計(jì)

裂縫強(qiáng)制轉(zhuǎn)向劑主要應(yīng)用于封堵裂縫并迫使它轉(zhuǎn)向[9-15]，需要滿足性能為：(1)密度在1.00 g/cm3左右，易與工作液混溶；(2)易于封堵裂縫并具備一定的強(qiáng)度；(3)其形狀能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)加入；(4)降解后能與工作液配伍；(5)施工結(jié)束后降解徹底，保證解除封堵并不影響生產(chǎn)；(6)具備系列產(chǎn)品，能夠滿足不同條件下的應(yīng)用；(7)能夠滿足油井、水井和氣井的應(yīng)用；(8)成本低。

1.2性能評(píng)價(jià)

1.2.1粒子類型優(yōu)化

常用的暫堵轉(zhuǎn)向劑一般以不同粒徑和形狀的顆粒作為暫堵材料，其中線性粒子比顆粒更容易橋堵裂縫[18-21]。為比較纖維轉(zhuǎn)向劑和顆粒轉(zhuǎn)向劑對(duì)裂縫儲(chǔ)層的暫堵轉(zhuǎn)向能力，進(jìn)行裂縫性儲(chǔ)層暫堵實(shí)驗(yàn)和溫度降解性能實(shí)驗(yàn)。

1.2.1.1顆粒與纖維轉(zhuǎn)向劑裂縫性儲(chǔ)層暫堵實(shí)驗(yàn)

塔里木盆地山前儲(chǔ)層具有埋藏深(6 000～8 023 m)、地層壓力高(100～140 MPa)、溫度高(150～180 ℃)、儲(chǔ)層厚度大(>100 m)和高角度裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，結(jié)合儲(chǔ)層特征，利用研究區(qū)巖心模擬0.5 mm以下裂縫，進(jìn)行暫堵實(shí)驗(yàn)，巖心平均滲透率為0.860×10-3μm2，平均孔隙度為7.500%[9]。

實(shí)驗(yàn)材料：纖維轉(zhuǎn)向劑、顆粒轉(zhuǎn)向劑、瓜膠和蒸餾水等，滑溜水由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的瓜膠和蒸餾水配制而成。暫堵轉(zhuǎn)向液分別為：(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%的纖維轉(zhuǎn)向劑和滑溜水；(2)相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顆粒轉(zhuǎn)向劑和滑溜水。

實(shí)驗(yàn)原理：對(duì)于不同模擬裂縫寬度的巖心，分別注入顆粒轉(zhuǎn)向劑溶液和纖維轉(zhuǎn)向劑溶液(DCF)，在同一注入壓力圍壓條件下，通過(guò)多組平行實(shí)驗(yàn)計(jì)算平均注入液量，比較形成暫堵時(shí)各自的注入液量，衡量暫堵劑形成暫堵的難易程度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：分別采用0.5、0.3、0.1 mm寬度裂縫和孔隙型巖心，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出：對(duì)于較寬的裂縫巖心，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維轉(zhuǎn)向劑溶液比顆粒轉(zhuǎn)向劑溶液更容易形成暫堵[19,21]。隨著裂縫寬度減小或成為孔隙型巖心時(shí)，纖維轉(zhuǎn)向劑溶液的優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，即：(1)對(duì)于較寬的裂縫型巖心，纖維轉(zhuǎn)向劑溶液更容易形成暫堵；(2)對(duì)于孔隙型巖心，顆粒轉(zhuǎn)向劑溶液略具優(yōu)勢(shì)；(3)隨著裂縫寬度減少，顆粒轉(zhuǎn)向劑溶液的暫堵轉(zhuǎn)向能力相對(duì)增強(qiáng)。

1.2.1.2顆粒與纖維轉(zhuǎn)向劑溫度降解性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料分別選用纖維、顆粒兩種類型轉(zhuǎn)向劑(成分相同)，對(duì)于每一種轉(zhuǎn)向劑，取3組(每組15個(gè))樣品，在90 ℃溫度下進(jìn)行溫度降解性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，纖維轉(zhuǎn)向劑溶液的溫度降解性能優(yōu)于顆粒轉(zhuǎn)向劑溶液的。同時(shí)，纖維在液體及溫度作用下易軟化、聚集，較易形成橋堵，尤其對(duì)于裂縫性儲(chǔ)層，更容易架橋而形成屏蔽暫堵。因此，裂縫轉(zhuǎn)向劑一般選擇纖維型轉(zhuǎn)向劑[10-11,19,21]。

1.2.2物理性能

為了纖維能夠徹底被降解，在保證足夠強(qiáng)度的前提下控制纖維的直徑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定纖維的直徑為10～20 μm，將纖維轉(zhuǎn)向劑配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的懸浮溶液，常溫靜置4 h后用顯微鏡照相，可以清晰地看到轉(zhuǎn)向劑在溶液中微觀分散懸浮的狀態(tài)，分散的纖維易于形成架橋結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3(a))。轉(zhuǎn)向劑易于聚集的趨向使它容易左右交織，易形成較粗大、穩(wěn)固的聚集體，有利于形成對(duì)裂縫良好的封堵效果。

圖1　顆粒轉(zhuǎn)向劑與纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵注入液量

Fig.1 The injection volume comparisons between practical diverting agent and fiber diverting agent when their bridge process is completed

圖2顆粒轉(zhuǎn)向劑與纖維轉(zhuǎn)向劑降解性能實(shí)驗(yàn)曲線

Fig.2 The degradation rate curves of particle diverting agent and fiber diverting agent

為確保纖維形成相互交織的聚集體，并且易于現(xiàn)場(chǎng)加料，需要平衡纖維的長(zhǎng)度取值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定纖維的長(zhǎng)度為5.0～6.0 mm。為確保纖維能夠均勻穩(wěn)定地分散在溶液中，確定轉(zhuǎn)向劑密度為1.00～1.02 g/cm3；通過(guò)表面活性劑處理，轉(zhuǎn)向劑表面極易分散，懸浮液能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)圖3(b))。

圖3　纖維轉(zhuǎn)向劑物理性能Fig.3 The physical properties of diverting agent

2　轉(zhuǎn)向劑性能實(shí)驗(yàn)

2.1溫度降解性能

為保證轉(zhuǎn)向劑能夠適用于不同工作液體系和流體的井層，轉(zhuǎn)向劑類型設(shè)計(jì)為溫度降解型，通過(guò)井溫?cái)?shù)值模擬，優(yōu)化降解溫度為90、120和150 ℃系列[10-11]。

對(duì)于每個(gè)系列的轉(zhuǎn)向劑，取3組(每組15個(gè))樣品，分別在90、120和150 ℃進(jìn)行溫度降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，三個(gè)系列轉(zhuǎn)向劑能夠在5 h后降解率達(dá)到85%以上，并且能夠在暫堵后依靠?jī)?chǔ)層溫度的恢復(fù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降解。

2.2配伍性能

為實(shí)現(xiàn)清潔無(wú)損害的轉(zhuǎn)向酸化，除了保證轉(zhuǎn)向劑能夠在溫度恢復(fù)時(shí)自動(dòng)降解，還要保證纖維轉(zhuǎn)向劑不與各種酸液反應(yīng)而產(chǎn)生酸渣或其他不溶性成分。根據(jù)通?，F(xiàn)場(chǎng)配酸液范圍配制酸液，分別進(jìn)行10.00%HCl、8.00%HCl、10.00%HCl+3.00%HF、12.00%HCl+2.00%HF、6.00%HCl+1.50%HF、10.00%HCl+5.00%HAc+2.00%HF(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等常用酸液體系的配伍性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由于實(shí)驗(yàn)酸液密度較大，轉(zhuǎn)向劑有向上浮起現(xiàn)象，但在各種酸液體系中均未發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而生成不溶物質(zhì)。由表1可以看出，纖維轉(zhuǎn)向劑與各種酸液長(zhǎng)時(shí)間放置均能保持清潔的分散體系，轉(zhuǎn)向劑和各種酸液的配伍性良好。

圖4　纖維轉(zhuǎn)向劑隨時(shí)間的降解程度曲線Fig.4 The degradation rate vs time curves of different type of clean diverting agents

2.3暫堵裂縫轉(zhuǎn)向性能

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向劑能夠暫堵裂縫、增大轉(zhuǎn)向壓力并最終強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向的目的，纖維轉(zhuǎn)向劑必須能夠暫堵裂縫并達(dá)到一定的轉(zhuǎn)向壓力。為探索纖維轉(zhuǎn)向劑對(duì)不同縫寬裂縫的暫堵能力，設(shè)計(jì)纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液性能實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖5)，通過(guò)模擬帶裂縫的巖心或類似裂縫的部件模擬不同寬度的裂縫。為了防止在模擬圍壓泵注入纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液過(guò)程中堵塞更細(xì)的注入管道，將較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維轉(zhuǎn)向劑提前配制均勻并加入到纖維—砂漿罐，利用高壓氣體驅(qū)替模擬施工過(guò)程。

表1　纖維轉(zhuǎn)向劑與各種酸液的配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5　纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液性能實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 The experimental device of testing the properties of fiber-based fracturing fluids

2.3.1暫堵能力評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)裝置中裝入巖心(見(jiàn)圖6(a))，向其中加入一定尺寸的鋼片，當(dāng)巖心施加圍壓后保持一定的寬度。加圍壓至20.0 MPa后注入纖維轉(zhuǎn)向劑溶液，發(fā)生暫堵后繼續(xù)加壓注入，以實(shí)現(xiàn)纖維的最終暫堵?tīng)顟B(tài)及進(jìn)入裂縫深度，最大注入壓力控制在20.0 MPa以內(nèi)(見(jiàn)圖6(b))。由圖6(b)可以看出，0.5 mm裂縫能夠被纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵，纖維進(jìn)入裂縫的距離一般在2.0～3.0 mm之間，可承壓18.0～19.0 MPa而不破壞堵塞[19,21]。

設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)M纖維轉(zhuǎn)向劑堵塞不同寬度裂縫的能力，模擬裂縫高度為20.0 mm，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%，流量為0.5 L/min，裂縫寬度分別為2.0、3.0 mm，注液過(guò)程的注入端壓力變化見(jiàn)圖7。由圖7可以看出，兩組實(shí)驗(yàn)連續(xù)注入纖維轉(zhuǎn)向劑10 min后增加注入阻力分別為8.0～10.0、4.0～8.0 MPa，說(shuō)明DCF注入后能夠明顯增大裂縫的進(jìn)液阻力，且裂縫寬度較小時(shí)更為有利。

利用實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖5)，通過(guò)改變不同裂縫寬度和流量得到形成暫堵裂縫的臨界纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)圖8)。由圖8可以看出，在同一裂縫寬度時(shí)，隨著流速增加，暫堵裂縫所需纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；在同一流速時(shí)，裂縫寬度越大，所需纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越大，說(shuō)明當(dāng)流速和縫寬增加時(shí)，纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵裂縫難度加大。在裂縫寬度為6.0或4.0 mm時(shí)，即使采用較高的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于2.00%)，現(xiàn)場(chǎng)也需要低于1 m3/min的流速才能形成暫堵；在1 m3/min流速下，裂縫寬度一般不超過(guò)6.0或4.0 mm，說(shuō)明在較大寬度裂縫難以實(shí)現(xiàn)暫堵，對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向不利，可以先加入粉砂堵塞大尺度裂縫，再加入纖維有效封堵裂縫[11,13,19,21]。

圖6　0.5 mm裂縫寬度巖心纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵?tīng)顟B(tài)Fig.6 The temporary bridge state of the core with 0.5 mm width

圖7　不同裂縫寬度時(shí)纖維轉(zhuǎn)向劑堵塞裂縫能力實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 The curves of the temporary bridge ability of fiber at different levels of fracture width

2.3.2纖維轉(zhuǎn)向劑轉(zhuǎn)向性能物理模擬實(shí)驗(yàn)

為了模擬壓裂施工中纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵帶來(lái)的裂縫轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，利用大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)，對(duì)尺寸為300.0 mm×300.0 mm×300.0 mm的天然露頭巖樣進(jìn)行壓裂模擬。利用凍膠攜帶纖維，對(duì)已形成裂縫進(jìn)行暫堵，提高壓裂液的注入壓力，使它超過(guò)最大水平主應(yīng)力，在垂直最大主應(yīng)力方向上開(kāi)啟新縫。經(jīng)過(guò)多次暫堵、新縫開(kāi)裂，形成不同方位裂縫交織的縫網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3.2.1方法

首先利用清水模擬第一次壓裂，壓裂出一條裂縫作為模擬的天然裂縫或水力裂縫，并使用示蹤劑標(biāo)示；然后配制纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液，利用纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液模擬第二次暫堵壓裂并記錄壓力變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出巖樣觀察裂縫形態(tài)。

圖8　纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵裂縫時(shí)不同裂縫寬度下纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與流速的關(guān)系曲線Fig.8 The relationship curves between flow rate and fiber concentration(mass fraction) at different levels of fracture width when the fiber bridge is reached

2.3.2.2儀器及用品

真三軸壓裂模擬系統(tǒng)；天然露頭制備巖樣，尺寸為300.0 mm×300.0 mm×300.0 mm，一面正中打27.0 mm小孔，深度為17.0 cm，并粘接10.0 cm長(zhǎng)鋼管(外徑為25.0 mm，內(nèi)徑為22.0 mm)；壓裂液為3.00%～5.00%瓜膠+0.04%檸檬酸+5.00%交聯(lián)劑+1.00%～2.00%纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；破膠劑：25.00%醋酸。

2.3.2.3結(jié)果

Sandstone2#致密砂巖巖樣，最大水平應(yīng)力為7.5 MPa，最小水平應(yīng)力為5.0 MPa，垂向應(yīng)力為15.0 MPa，第一次壓裂時(shí)，壓力由9.0 MPa迅速降至2.0 MPa，巖樣破裂，停泵，打開(kāi)觀察；再重新加載圍壓，泵注DCF，泵速為10 mL/min，泵壓出現(xiàn)多次波動(dòng)，壓力由52.8 MPa迅速降至2.0 MPa，響聲清脆且較大，形成新縫，停泵打開(kāi)觀察，結(jié)果見(jiàn)圖9，第一次壓裂沿最大水平主應(yīng)力方向產(chǎn)生一條東翼單縫；第二次壓裂產(chǎn)生的人工裂縫與第一次壓裂后形成的東翼單縫相互垂直。說(shuō)明纖維具有明顯的暫堵作用，在應(yīng)力差為2.5 MPa的條件下，可以使人工裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。

圖9　取出巖樣照片F(xiàn)ig.9 The graph of core samples after experiment

另外，分別模擬水平應(yīng)力差為2.5、5.0和7.5 MPa時(shí)露頭灰?guī)r的裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理，當(dāng)應(yīng)力差為2.5 MPa時(shí)，第二條裂縫與第一次壓開(kāi)裂縫基本垂直；當(dāng)應(yīng)力差為5.0 MPa時(shí)，兩次壓裂裂縫夾角約為45°；當(dāng)應(yīng)力差為7.5 MPa時(shí)，裂縫不能發(fā)生轉(zhuǎn)向。

因此，纖維轉(zhuǎn)向劑壓裂液具有明顯的暫堵作用，在暫堵舊縫的同時(shí)，如果最大、最小水平主應(yīng)力差值較小，在垂直最大主應(yīng)力方向上開(kāi)啟新縫，當(dāng)水平應(yīng)力差達(dá)到某一臨界值時(shí)，即使注入纖維轉(zhuǎn)向劑封堵也難以使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。在壓裂模擬過(guò)程中，壓力出現(xiàn)多次上升、然后下降過(guò)程，說(shuō)明纖維轉(zhuǎn)向劑可以形成多次破裂或裂縫延伸過(guò)程[11,13,17-19]。

2.3.2.4巖樣第二次壓裂后的應(yīng)力場(chǎng)模擬

根據(jù)注入流體誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)和人工裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)理論[22-24]，模擬巖樣在實(shí)驗(yàn)條件下的周向應(yīng)力分布，基本輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2，模擬結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可以看出，周向應(yīng)力場(chǎng)最小方向沿y軸(對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)媳狈较?，說(shuō)明轉(zhuǎn)向裂縫形態(tài)沿南北向，與初始裂縫垂直，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[11,13,17-19,21]。

表2　基本輸入?yún)?shù)

圖10　Sandstone2#巖樣周向應(yīng)力模擬平面Fig.10 The simulated 2D graph of circumferential stress of Sandstone 2#

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在非均質(zhì)碳酸鹽巖酸壓施工中，在地層最大主應(yīng)力方位、天然裂縫發(fā)育方位，以及非均質(zhì)發(fā)育的儲(chǔ)集體相對(duì)于井眼的方位等匹配不一致，且存在轉(zhuǎn)向造縫的可能時(shí)(最大、最小主應(yīng)力差較小)，通過(guò)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維轉(zhuǎn)向劑暫堵已形成裂縫，提高注入壓力，迫使裂縫在其他方向開(kāi)裂并延伸，增加溝通概率而提高酸壓效果。采用較低排量充填、提高裂縫內(nèi)凈壓力和多次加入纖維轉(zhuǎn)向劑等方法，提高纖維轉(zhuǎn)向效率[10,21-23]。塔里木盆地高溫高壓碳酸鹽油氣藏非均質(zhì)性強(qiáng)、天然裂縫和溶洞體分布不一、地應(yīng)力各向異性強(qiáng)，為了提高酸壓溝通縫洞體概率，在85口井應(yīng)用纖維轉(zhuǎn)向劑酸壓工藝，轉(zhuǎn)向壓力(或凈壓力增加值)最高達(dá)40.0 MPa，增產(chǎn)效果明顯。

試驗(yàn)區(qū)塊儲(chǔ)層特征及物性參數(shù)：儲(chǔ)層巖石類型主要為顆?；?guī)r和礁灰?guī)r。顆粒灰?guī)r的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%。宏觀儲(chǔ)集空間以巖心級(jí)別的溶蝕孔洞為主，含少量大型溶洞及裂縫，微觀儲(chǔ)集空間以薄片級(jí)別的溶孔為主，包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間溶孔和微裂縫。根據(jù)巖心樣品的物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大孔隙度為12.740%，最小孔隙度為0.099%，平均為2.030%;滲透率分布范圍為(0.002～840.000)×10-3μm2，平均為8.390×10-3μm2。

實(shí)例1：A井是某油田的一口評(píng)價(jià)井，鉆井、錄井油氣顯示一般，實(shí)鉆井眼軌跡偏離強(qiáng)振幅異常反映的儲(chǔ)集體，從目的井段至儲(chǔ)集體中部距離為150 m。套管射孔完井后測(cè)試開(kāi)井36 h產(chǎn)少量油(0.02 m3)，關(guān)井曲線反映近井儲(chǔ)層致密，導(dǎo)數(shù)曲線后期下掉并趨平，試井解釋認(rèn)為遠(yuǎn)井存在好儲(chǔ)集體。A井酸壓改造對(duì)主應(yīng)力方位有利，但對(duì)高角度天然裂縫發(fā)育方向不利，且儲(chǔ)集體距離井眼較遠(yuǎn)，采用纖維轉(zhuǎn)向劑酸壓提高溝通縫洞體概率，同時(shí)擴(kuò)大改造范圍[9,11,13]。

第一級(jí)壓裂無(wú)明顯溝通顯示；纖維轉(zhuǎn)向劑溶液到位后泵壓上升5.8 MPa，第二級(jí)壓裂液造縫泵壓明顯增高(比第一級(jí)高14.0 MPa)，轉(zhuǎn)向造縫明顯，且后期有明顯溝通，說(shuō)明轉(zhuǎn)向溝通強(qiáng)振幅區(qū)；注酸溝通作用明顯，泵壓下降幅度超過(guò)15.0 MPa，溝通效果好[12,22-23]。

酸壓后用6.0 mm油嘴放噴排液，日產(chǎn)油為100 m3，折日產(chǎn)氣為1.100 0×104m3。酸壓后試井曲線雙對(duì)數(shù)診斷圖上有明顯1/2斜率曲線的人工縫特征，且雙對(duì)數(shù)圖后期曲線下掉，裂縫溝通有利儲(chǔ)集體[9-12]。

實(shí)例2：B井是某油田的一口水平開(kāi)發(fā)井，酸壓目的層段長(zhǎng)度為643.0 m，且不同井段儲(chǔ)層發(fā)育狀況差別較大，A點(diǎn)附近(5 850.6 m)和B點(diǎn)附近(5 920.5 m)表現(xiàn)為串珠狀反射，氣測(cè)顯示高。A點(diǎn)附近井段在鉆井過(guò)程中漏失大量泥漿，中間層段表現(xiàn)為弱反射特征且油氣顯示好。酸壓原則是盡力使長(zhǎng)水平段的多個(gè)儲(chǔ)層發(fā)育段獲得有效改造，考慮采用人工裂縫強(qiáng)制轉(zhuǎn)向酸壓工藝，爭(zhēng)取形成多條裂縫、獲得多處溝通：首先泵注一定規(guī)模前置液造縫；然后注入纖維轉(zhuǎn)向劑溶液形成暫堵，繼續(xù)注入前置液爭(zhēng)取在另一井段形成新的裂縫；再注入酸液對(duì)形成的人工裂縫及其連通的天然縫洞系統(tǒng)進(jìn)行酸蝕疏通，建立高效的導(dǎo)流通道[24-28]。

根據(jù)酸壓施工曲線，第一級(jí)前置液造縫后無(wú)明顯溝通顯示，在注入DCF過(guò)程中排量穩(wěn)定時(shí)，泵壓呈上升趨勢(shì)，反映DCF在井底縫口的積聚暫堵過(guò)程，將排量提高至每一級(jí)前置液水平時(shí)泵壓有一定增加，說(shuō)明纖維轉(zhuǎn)向劑對(duì)人工裂縫起到暫堵轉(zhuǎn)向作用[9,13-14,18-19,21]；注入酸液進(jìn)入地層后泵壓下降，酸蝕效果明顯。酸壓后用4.0 mm油嘴求產(chǎn)，油壓為20.0 MPa，日產(chǎn)油為90.7 m3，日產(chǎn)氣為0.903 2×104m3，不產(chǎn)水。

4　結(jié)論

(1)評(píng)價(jià)纖維轉(zhuǎn)向劑的暫堵能力，分析在不同裂縫寬度、不同流速下的暫堵裂縫規(guī)律，在同一裂縫寬度下，隨著流速增加，暫堵裂縫所需纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；在同一流速下，裂縫寬度越大，所需纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越大，說(shuō)明當(dāng)流速和縫寬增加時(shí)，纖維暫堵裂縫難度加大。

(2)纖維轉(zhuǎn)向劑與各種酸液長(zhǎng)時(shí)間放置均能保持清潔的分散體系，與各種酸液的配伍性良好。評(píng)價(jià)90、120和150 ℃系列纖維轉(zhuǎn)向劑的降解性能，纖維在少量水存在的情況下降解率能夠達(dá)到85%以上，并且在暫堵后依靠?jī)?chǔ)層溫度的恢復(fù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降解，完全滿足油氣井裂縫轉(zhuǎn)向增產(chǎn)改造的需要。

(3)驗(yàn)證纖維形成暫堵、強(qiáng)制人工裂縫轉(zhuǎn)向的條件，即當(dāng)水平主應(yīng)力差低于7.5 MPa時(shí)，纖維可以使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，當(dāng)高于7.5 MPa時(shí)，難以使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向；水平主應(yīng)力差值越小，兩次壓裂產(chǎn)生的裂縫夾角越大。

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2016-02-24；編輯：任志平

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973計(jì)劃”項(xiàng)目(2015CB250903)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51490652)；國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目(CSC 201506440005)；中澳天然氣技術(shù)伙伴關(guān)系基金(20150817120350)；中國(guó)石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2014A-4212)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金資助項(xiàng)目(2462016YXBS10)

汪道兵(1985-)，男，博士研究生，主要從事非常規(guī)儲(chǔ)層縫網(wǎng)形成與控制機(jī)理方面的研究。

周福建，E-mail: zhoufj@cup.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.010

TE357.1

A

2095-4107(2016)03-0080-09