低產油氣井強制裂縫轉向重復壓裂技術

王 坤， 葛騰澤， 曾雯婷

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018； 3.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100011)

低產油氣井壓裂改造開采一段時間后，壓裂裂縫逐漸失效，導致油氣井產量降低，為了提高單井產量，需要采用重復壓裂技術再次進行儲層改造[1-7]。國內外重復壓裂的方式主要有2種：重新張開原裂縫和裂縫轉向壓裂。其中，裂縫轉向壓裂技術能夠有效增大泄流面積，增產效果顯著，在老油田剩余油動用、低產井增產方面應用較廣。Dowell公司的模擬試驗研究表明，初次壓裂裂縫(簡稱初次裂縫)改變了井眼附近的應力場，新裂縫將在垂直于初次裂縫的方位起裂，延伸一定距離發(fā)生轉向，與初次裂縫平行延伸；Chevron公司重復壓裂現(xiàn)場測試結果表明，新裂縫方位在初次裂縫方位上偏離30°[8]；國內的大慶、勝利、長慶等油田廣泛開展了老油井裂縫轉向壓裂施工作業(yè)，從裂縫監(jiān)測和改造效果方面證實了裂縫轉向壓裂的可行性[3-4]。但隨著裂縫轉向壓裂技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)場壓裂施工存在轉向劑加入后裂縫轉向跡象不明顯、轉向成功率低和施工工藝不完善等問題[9-12]。為此，筆者進行了低產油氣井裂縫轉向重復壓裂技術研究，提出了強制裂縫轉向工藝新思路，自主研發(fā)了水溶性轉向劑，優(yōu)化了強制裂縫轉向重復壓裂施工工藝，提高了裂縫轉向壓裂的成功率和有效率，并在3口井進行了現(xiàn)場試驗，取得了較好的增產效果。

1 重復壓裂技術原理及存在問題

低產油氣井初次壓裂后，地應力狀態(tài)受原地應力、人工裂縫誘導應力場及地層壓力誘導應力場等因素影響[13-16]。重復壓裂過程中，壓開的初次裂縫周圍會產生誘導應力場，其與原地應力場共同作用，在局部形成協(xié)同應力場。在這個協(xié)同應力場中，應力會在井筒和初次裂縫周圍的橢圓形區(qū)域內二次定向[17-18]，水平方向應力隨地層壓力下降而降低，且最大水平主應力下降幅度比最小水平主應力大。因此，地應力發(fā)生變化后，當原始最小水平主應力大于最大水平主應力時，重復壓裂裂縫就可能發(fā)生轉向。

強制裂縫轉向重復壓裂技術是在重復壓裂時應用化學轉向劑對初次裂縫進行暫堵，當縫內凈壓力超過水平方向應力差時，裂縫發(fā)生轉向，形成新的裂縫，在油氣層中形成新的油氣流通道;對新縫進行改造，可以溝通、動用剩余油氣富集區(qū)和動用程度低甚至未動用的儲層，實現(xiàn)低產油氣井增產的目的(見圖1)。

圖1 裂縫轉向重復壓裂裂縫轉向示意Fig.1 Diagram of fracture re-orientation

隨著裂縫轉向壓裂技術的不斷發(fā)展，形成了多縫轉向壓裂、暫堵體積壓裂和暫堵酸壓等重復壓裂技術，并取得了顯著的增產效果。但是轉向劑采用傳統(tǒng)的人工加入方式，加入速度依靠個人經驗控制。若轉向劑加入速度過慢，未在原裂縫內形成橋堵，井口壓力無升高跡象；若轉向劑加入速度過快，會造成砂堵，導致施工不連續(xù)。

2 強制裂縫轉向壓裂技術

在分析常規(guī)轉向壓裂技術存在問題的基礎上，以提高裂縫轉向成功率為目標，優(yōu)化了裂縫轉向壓裂施工工藝，研制了水溶性轉向劑，形成了強制裂縫轉向壓裂技術。

2.1 工藝原理

強制裂縫轉向壓裂首先通過計算重復壓裂目的層最大和最小水平主應力差，確定能夠滿足裂縫轉向所需的最高限定壓力。壓裂過程中在前置液階段開啟初次裂縫后加入水溶性轉向劑，轉向劑在裂縫或近井地帶堆積橋堵產生升壓效應[19-22]，直至井口壓力達到限定最高壓力后停泵，隨后通過多次啟泵，瞬間提高縫內壓力達到新裂縫開啟所需的壓力，強制裂縫轉向，從而形成新的油氣流通道。

2.2 水溶性轉向劑

常規(guī)油井用轉向劑是以石蠟、松香為骨架形成的顆粒材料，遇油后溶解，能夠滿足常規(guī)油井轉向壓裂要求，但不適用于氣井。結合強制裂縫轉向壓裂工藝特點，以水溶性樹脂和天然植物膠等為原料，研制了一種適用于氣井低溫條件(地層溫度小于70 ℃)的組合粒徑顆粒水溶性轉向劑ZJ-1。ZJ-1的體積密度0.90～1.00 g/cm3，視密度1.05～1.15 g/cm3，軟化溫度50 ℃，65 ℃下溶解時間為183 min，水不溶物0.15%，突破壓力可達13.8 MPa，較常規(guī)油氣層水平方向應力差高，能夠滿足裂縫轉向的承壓要求。

轉向劑ZJ-1具有以下特點：1)常溫條件下具有一定強度，不粘泵、易于泵送；2)地層溫度下可產生變形，且變形后有一定承壓強度，具有塑性特征；3)可在壓裂液或破膠液中溶解，排液過程中轉向劑易解除。

2.3 壓裂液優(yōu)選

室內評價試驗結果表明，水溶性轉向劑ZJ-1與瓜膠壓裂液、聚合物壓裂液及清潔壓裂液等常用壓裂液的配伍性好，水不溶物含量低，對儲層傷害小。因此，主要考慮施工區(qū)塊的儲層地質特征來優(yōu)選壓裂液。

2.4 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

強制裂縫轉向重復壓裂技術適用性強，能夠適用于低產油氣井重復壓裂的各種工藝。單井壓裂施工參數(shù)應根據(jù)儲層物性條件和人工裂縫最佳長度所需的施工規(guī)模、排量等確定。裂縫轉向的關鍵是確定滿足裂縫轉向所需的限定最高壓力，其可以根據(jù)目的層最大和最小水平主應力差、設計施工排量下裂縫延伸壓力和附加安全壓力求取，計算公式為：

pl=pe+|σx-σy|+pb

(1)

式中：pl為裂縫轉向所需的施工限定最高壓力，MPa；pe為裂縫延伸壓力，MPa；σx和σy分別為最大、最小水平主應力，MPa；pb為附加安全壓力，MPa。

2.5 施工流程

強制裂縫轉向壓裂的施工流程為：

1) 根據(jù)巖石力學參數(shù)計算目的層的最大和最小水平主應力差，結合初次裂縫延伸壓力，確定滿足裂縫轉向所需的限定最高壓力；

2) 前置液階段注入壓裂液開啟初次裂縫；

3) 降低壓裂液注入排量，加入水溶性轉向劑ZJ-1，轉向劑產生橋堵作用在老縫內形成憋壓，直至井口施工壓力達到裂縫轉向所需的施工限定最高壓力，壓裂機組停泵；

4) 反復啟停泵，脈沖式泵入壓裂液，在裂縫內反復憋壓，裂縫內凈壓力大于最大和最小水平主應力差時即滿足新縫開啟條件，裂縫轉向產生新裂縫。

2.6 技術特點

與常規(guī)轉向壓裂技術相比，強制裂縫轉向壓裂技術具有以下技術特點：

1) 轉向成功率高。施工壓力達到壓裂前計算的限定最高壓力后，反復啟停泵進行脈沖式憋壓，從而實現(xiàn)裂縫的強制轉向，大幅提高了裂縫轉向的成功率。

2) 轉向劑用量少。不需要控制轉向劑加入速度，加入少量的高濃度轉向劑即可實現(xiàn)縫內憋壓，轉向劑用量較傳統(tǒng)方式大幅降低。

3) 適用性強。低產油氣井高水平應力差儲層均適用該技術；可利用混砂車絞籠系統(tǒng)代替人工加入轉向劑，這樣可利用絞籠轉速控制轉向劑加入速度，消除了人工加入速度的不穩(wěn)定性；施工限定最高壓力低于壓裂車組、壓裂井口及地面管匯的耐壓等級，對設備、井口、管線無損害，適用性強。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 總體試驗情況

DJ氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，主要采用直井開發(fā)，主力氣層為山西組山23段，氣藏埋深2 000.00～2 500.00 m，中部深度約為2 250.00 m，孔隙度1.8%～8.9%，平均為5.6%；滲透率0.05～0.70 mD，平均為0.20 mD，地層壓力系數(shù)0.78～0.89，地層溫度60～70 ℃，是典型的低壓、低孔、低滲透儲層。儲層非均質性較強，部分位于構造高點或“甜點區(qū)”的氣井壓裂后產量高，平均單井產氣量大于2×104m3/d，而儲層物性差、氣層有效厚度小的氣井壓裂后產量遞減快，生產1～3月后產氣量即低于工業(yè)氣流。

DJ氣田3口井應用了強制裂縫轉向重復壓裂技術，平均單井轉向劑用量340 kg，加入轉向劑后井口油壓平均上升幅度達到12.8 MPa，壓裂后平均單井日增產氣量3 000 m3，取得了顯著的增產效果(見表1)。下面以DJ3-2井為例對該技術現(xiàn)場應用效果進行分析。

表1 強制裂縫轉向壓裂技術應用效果統(tǒng)計

3.2 DJ3-2井實例分析

DJ3-2井是DJ氣田的一口開發(fā)井，目的層為山西組山23段，氣藏埋深2 223.00～2 226.50 m，氣層有效厚度3.50 m，孔隙度6.5%，滲透率0.30 mD，測井解釋為差氣層。該井初次壓裂改造時，采用了瓜膠壓裂液，施工排量3.8 m3/min，加砂量23.7 m3，入地液量313.5 m3，平均砂比17.8%，初次壓裂施工曲線如圖2所示。

圖2 DJ3-2井初次壓裂施工曲線Fig.2 Initial fracturing curve of Well DJ3-2

DJ3-2井位于河道邊緣，目的層最大主應力方向為NW向，與河道走向一致，裂縫僅能沿砂體邊緣延伸，初次壓裂改造后無阻流量為0.86×104m3/d，轉向壓裂前產氣量已低于3 000 m3/d。為溝通河道中部厚砂體，提高該井產能，擬對該井實強制裂縫轉向重復壓裂技術。

3.2.1 可行性分析

重復壓裂可行性主要考慮以下2方面：

1) 重復壓裂后增產的可行性。首先分析鄰井的生產情況，DJ3-2井所在井組共有3口開發(fā)井，位于河道中部的同層位2口鄰井初次壓裂后無阻流量為1.2×104和1.5×104m3/d，累計產氣量分別達到32×104和54×104m3。DJ3-2井初次壓裂后無阻流量僅為0.86×104m3/d，累計產氣量7×104m3。因此，可通過轉向壓裂溝通河道中部有利砂體，從而提高單井產氣量。

2) 轉向壓裂工藝實施的可行性。最大和最小水平主應力隨氣井生產和地層壓力下降而降低，最大水平主應力的降低幅度往往比最小水平主應力大?？紤]到極端狀況，以新井初期的最大和最小水平主應力差為臨界點，當縫內凈壓力超過新井初期的最大和最小水平主應力差時，人工裂縫可以轉向。DJ3-2井巖石力學參數(shù)計算結果表明，目的層最小水平主應力為44.8 MPa，最大水平主應力為53.6 MPa，最大和最小水平主應力差為8.8 MPa。因此通過人工干預的方式，加入轉向劑將縫內凈壓力提高8.8 MPa以上即滿足裂縫轉向的要求。因此，實施轉向壓裂具有可行性。

3.2.2 配套壓裂液

壓裂液選用有機硼交聯(lián)劑羥丙基瓜膠壓裂液，破膠劑為過硫酸銨，加量為0.3%～0.5%。壓裂液在地層溫度65 ℃下，以170 s-1剪切速率剪切120 min后的黏度為120 mPa·s，壓裂液破膠液的表面張力為27.6 mN/m，破膠液殘渣含量216 mg/L，破膠液黏度3.4 mPa·s，破膠液對巖心的傷害率21.6%，表明壓裂液具有較好的攜砂、抗剪切和破膠性能。

3.2.3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

DJ3-2井重復壓裂以開啟老縫后造新縫為主，設計施工排量2.5～3.0 m3/min，加砂量4.5 m3/m，平均砂比15%。為保證裂縫轉向效果，設計轉向劑在前置液階段分2級加入，第1級加入200 kg，第2級加入250 kg，轉向劑攜帶液70 m3。

初次壓裂施工排量3.8 m3/min下裂縫延伸壓力在60.0 MPa左右，計算設計排量3.0 m3/min下裂縫延伸壓力約為53.0 MPa，通過測井曲線計算的最大和最小水平主應力差為8.8 MPa。因此，滿足裂縫轉向所需的限定最高壓力為61.8 MPa，附加1.2 MPa安全壓力，確定施工限定最高壓力為63.0 MPa。

3.2.4 現(xiàn)場施工

DJ3-2井施工過程按照設計在前置液階段泵注30 m3瓜膠壓裂液開啟初次裂縫后，將施工排量降至2.0 m3/min(A點)。緩慢加入轉向劑，第1級轉向劑加入200 kg，加入速度30 kg/min，其進入地層后井口未見明顯升壓跡象；第2級轉向劑加入速度提高至105 kg/min，轉向劑進入地層后井口施工壓力快速上升，壓力升至63.0 MPa后超壓停泵(B點)。隨后反復啟停泵，脈沖式注入壓裂液，采用間歇式啟泵超壓，瞬間提高縫內壓力達到裂縫轉向所需凈壓力后強制裂縫轉向，憋壓3次后井口油壓顯示有新縫開啟的特征(C點)。

加入轉向劑后地面施工壓力升幅超過15.0 MPa，遠高于裂縫轉向所需的最大和最小水平主應力差8.8 MPa，滿足初次壓裂裂縫轉向開啟新裂縫的條件。

對比轉向劑加入前后壓力的變化情況，轉向劑加入前，施工排量為3.0 m3/min時裂縫延伸壓力49.0 MPa(A點)，加入轉向劑后，施工排量為2.7 m3/min時裂縫延伸壓力達到60.0 MPa(C點),初步判斷加入轉向劑后有新縫開啟(見圖3)。

圖3 強制裂縫轉向重復壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing curve by the re-fracturing techniqueusing forced fracture re-orientation

為進一步判斷新縫是否開啟，對加入轉向劑后井口施工壓力達到限定最高壓力后的壓降曲線進行分析。通過壓降曲線G函數(shù)分析，對地面壓力疊加導數(shù)作切線，與正常濾失數(shù)據(jù)部分重合后，發(fā)現(xiàn)壓力疊加導數(shù)特性曲線有非常明顯的“隆起”，表明重復壓裂時在原有裂縫的基礎上產生了新的裂縫(見圖4)。

圖4 壓降曲線G函數(shù)分析Fig.4 Analysis of G function pressuredecline curve

DJ3-2井重復壓裂改造共加砂24.0 m3，壓裂前產氣量為1 200 m3/d，井口油壓0.8 MPa，間歇式開井。重復壓裂后井口油壓3.5 MPa，產氣量保持在6 000 m3/d，日產氣量增加4 800 m3，重復壓裂取得了顯著效果。測井曲線表明，目的層上下并無其他氣層，增產的主要貢獻來自于轉向所形成的新裂縫，表明強制裂縫轉向重復壓裂施工達到了預期目標，實現(xiàn)了裂縫轉向、開啟新縫、提高單井產量的目的。

4 結 論

1) 現(xiàn)場施工表明，強制裂縫轉向重復壓裂技術作為重復壓裂增產的一項技術手段，能夠提高低產油氣井單井產量。

2) 強制裂縫轉向重復壓裂技術具有轉向成功率高、轉向劑用量少和適用性強的技術特點，提高了裂縫轉向壓裂的成功率和有效率，增產效果顯著。

3) 轉向劑的加入速度是保證裂縫轉向成功的重要參數(shù)，需進一步研究轉向劑加入速度與裂縫轉向成功率的相關性，以提高裂縫轉向壓裂的改造效果。

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