轉(zhuǎn)向壓裂用可降解纖維優(yōu)選及現(xiàn)場應用

馬海洋，羅明良，溫慶志，楊 柳，薄江偉*

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580；2.北京大學，北京 100871；3.北京大學工程科學與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100871)

0 引 言

常規(guī)水力壓裂易形成對稱的單一裂縫，已經(jīng)無法滿足開發(fā)中后期儲層和非常規(guī)儲層的增產(chǎn)需求[1-2]。纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂作為一種新型儲層改造措施[3-7]，原理是用可降解纖維作為暫堵劑暫時封堵原裂縫或高滲層，在封堵處產(chǎn)生附加壓差，改變最大和最小水平主應力方向，迫使裂縫轉(zhuǎn)向，增大改造體積。施工后，可降解纖維隨地層溫度升高逐漸降解返排，不會污染儲層和地下流體，適用于非常規(guī)低滲透儲層的改造和老井的重復壓裂[8-13]。與其他類型暫堵劑不同，可降解纖維可作為一種多功能添加劑，除了發(fā)揮封堵性能外，將纖維加到壓裂液中，可提高壓裂液攜砂能力[14-18]，纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還可防止支撐劑回流[19-21]?？山到饫w維的性能直接影響該技術(shù)實施的效果，對纖維進行優(yōu)選是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，針對轉(zhuǎn)向壓裂中可降解纖維性能綜合評價與優(yōu)選的研究較少?；诖?，通過室內(nèi)模擬實驗研究可降解纖維的分散懸浮性、降解性、懸砂性和封堵性等性能，對纖維進行綜合評價及優(yōu)選，并通過礦場先導試驗進行效果評價，為纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的應用與優(yōu)化提供參考。

1 實驗材料及裝置

實驗材料包括：3種可降解纖維，基本參數(shù)見表1；CJ2-6羥丙基瓜膠；陶粒，視密度為3.23 g/cm3，體密度為1.67 g/cm3，粒徑為40～70目；20%HCl溶液、交聯(lián)劑等。

表1 可降解纖維基本參數(shù)

實驗裝置及輔助器材包括：自主設(shè)計的暫堵劑封堵性能評價實驗裝置、攪拌器、恒溫水浴鍋、恒溫干燥箱、電子天平、燒杯、量筒、過濾篩、秒表等。

2 可降解纖維評價實驗

2.1 分散懸浮性

纖維需要有良好的分散性，以防止施工時造成不必要的堵塞。采用清水和壓裂液基液為分散介質(zhì)，加入不同質(zhì)量分數(shù)(0.2%、0.4%、0.6%)的纖維，攪拌10 min后靜置2 h，觀察纖維的分散懸浮情況。結(jié)果表明：3種纖維在2種分散介質(zhì)中分散懸浮情況類似，以清水(圖1)為例，當質(zhì)量分數(shù)為0.2%時，J-1和J-3纖維分散均勻，J-2纖維有少許抱團；靜置2 h后，纖維均略有沉降，隨著質(zhì)量分數(shù)增至0.4%和0.6%，纖維間抱團越明顯，但沉降幅度減小，說明質(zhì)量分數(shù)越高，纖維分散性越差，懸浮性越好?，F(xiàn)場施工時，需同時考慮分散性和懸浮性，選擇適當?shù)馁|(zhì)量分數(shù)，保證纖維壓裂液有良好的流動性和攜帶性。

2.2 攜砂性能

20 ℃下，量取定量壓裂液基液，加入一定質(zhì)量分數(shù)(0.0、0.2%、0.4%、0.6%)的纖維，攪拌使其均勻分散，然后加入交聯(lián)劑和支撐劑并攪拌，使體系產(chǎn)生交聯(lián)。為了便于觀察，預先將部分支撐劑進行染色處理，記錄染色支撐劑在一段時間內(nèi)的沉降距離并計算沉降速度。

2.2.1 纖維種類對壓裂液攜砂性能的影響

將質(zhì)量分數(shù)為0.2%的纖維攜砂液與無纖維攜砂液中支撐劑的沉降情況進行對比。結(jié)果表明：2 h后，纖維攜砂液中支撐劑的沉降速度明顯減小，3種纖維分別將攜砂能力提高了51.85%、80.25%、81.48%。由于纖維在攜砂液中均勻分散，形成了縱橫交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對支撐劑的運動起到了阻礙作用，增大了支撐劑的沉降阻力，因此，均勻分散的纖維可提高攜砂能力。

2.2.2 纖維質(zhì)量分數(shù)對壓裂液攜砂性能的影響

沉降速度與纖維質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系見圖2。由圖2可知：當纖維質(zhì)量分數(shù)從0.0提高至0.2%時，攜砂液中支撐劑沉降速度降幅較大，支撐劑沉降速度從0.81 mm/min分別降至0.39、0.16、0.15 mm/min，但隨著質(zhì)量分數(shù)的進一步提高，沉降速度降幅變小?？紤]到纖維的分散性和纖維攜砂液的易泵注性，實際配制攜砂液時纖維質(zhì)量分數(shù)為0.2%左右即可。

圖1 質(zhì)量分數(shù)為0.2%時纖維在清水中的分散懸浮情況

圖2 支撐劑沉降速度與纖維質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

2.3 降解性

可降解纖維必須保證有合適的降解性，以滿足施工的需求。利用恒溫水浴鍋控制實驗溫度，評價纖維在70 ℃的清水、0.4%瓜膠壓裂液和20.0%HCl溶液中的降解性，同時評價纖維在清水中不同溫度(20、70、90 ℃)下的降解性。

2.3.1 液體種類對纖維降解性的影響

實驗結(jié)果(表2)表明：70 ℃下，J-1纖維在清水和壓裂液中幾乎不降解，而在20.0%HCl溶液中，1 h后降解率可達到99.0%；J-2纖維在清水和壓裂液中降解速度較慢，但在20.0%HCl溶液中，1 h后即完全降解；J-3纖維在清水中，2 h后降解率為26.0%，在壓裂液中降解率高達87.0%，在20.0%HCl溶液中，1 h后即完全降解。說明J-1纖維為酸溶性，適用于轉(zhuǎn)向酸壓裂施工，J-2和J-3纖維適于各類轉(zhuǎn)向壓裂施工，需根據(jù)具體儲層特征及施工時間進行選擇。

表2 70℃下纖維在不同液體中的降解率

2.3.2 溫度對纖維降解性的影響

實驗結(jié)果(表3)表明：在20 ℃清水中， 纖維均不發(fā)生降解；70 ℃時，僅J-2和J-3纖維發(fā)生緩慢降解；90 ℃時，J-1纖維仍不降解，相比70 ℃，J-2纖維2 h后降解率提高約5倍，而J-3纖維1 h后已完全降解；纖維的降解速度隨著溫度的升高而變快。施工時由于壓裂液的降溫作用，儲層溫度會大幅下降，溫度較低時需保證纖維不降解，能夠發(fā)揮封堵或攜砂作用；施工結(jié)束關(guān)井后，儲層溫度緩慢上升，纖維應在高溫環(huán)境下徹底降解，恢復封堵裂縫的導流能力。根據(jù)實驗結(jié)果，J-2和J-3纖維降解性符合上述需求。

表3 不同溫度下纖維在清水中的降解率

2.4 封堵性能

封堵效果和承壓能力是暫堵劑能否起到暫堵轉(zhuǎn)向效果的關(guān)鍵因素。以0.4%胍膠壓裂液+1.0%纖維+支撐劑配制暫堵液。根據(jù)現(xiàn)場資料確定模擬縫寬為1 mm，驅(qū)替壓力為0.8 MPa，測試纖維暫堵液對模擬裂縫的封堵效果；封堵完成后，逐級加壓，測試纖維暫堵層的承壓能力。

2.4.1 纖維封堵實驗

纖維暫堵液在驅(qū)替壓力為0.8 MPa下各時段漏失量見圖3。由圖3可知：J-1纖維暫堵液漏失速度快，漏失量大，60 min后漏失量為116.0 mL，難以實現(xiàn)有效封堵；J-2和J-3纖維暫堵液在20 min后漏失量增加緩慢，壓力一直維持在0.8 MPa，表明此時形成了有效的暫堵層；60 min后漏失量分別為74.5、59.0 mL，表明J-2纖維和J-3纖維具有良好的封堵性能。

圖3 0.8MPa下不同纖維暫堵液的漏失量隨時間的變化

J-1和J-3纖維在模擬裂縫中的暫堵層見圖4。J-1纖維暫堵層(圖4a)存在漏失通道，是無效暫堵層，而J-3纖維暫堵層(圖4b)十分致密，屬于有效暫堵層。

圖4 模擬裂縫中的纖維暫堵層

2.4.2 纖維暫堵層承壓能力測試

實驗結(jié)果表明：J-1纖維暫堵層由于存在漏失通道，無法承壓，即承壓能力為0.0 MPa；J-2纖維暫堵層在壓力增至3.5 MPa時失去封堵能力，即最大承壓能力為3.5 MPa；J-3纖維暫堵層最大承壓達到5.2 MPa，說明J-3纖維具有最好的封堵能力。

3 可降解纖維綜合評價及優(yōu)選

根據(jù)實驗結(jié)果，將可降解纖維的各項性能進行數(shù)字化評分，以1～5進行表征，5表示最好，1表示最差。評分結(jié)果(表4)表明：J-3纖維的綜合評分最高，并且J-3纖維的各項性能均可達中上水平，因此，優(yōu)選J-3纖維用于纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的施工。

表4 可降解纖維性能評分

4 現(xiàn)場應用情況

應用纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝在XX油田共計施工3口井，原始油層溫度為110～120 ℃，可降解纖維選用J-3纖維，施工成功率為100%。統(tǒng)計結(jié)果表明，3口井均取得較好的改造效果，壓裂后日產(chǎn)油量為10.0～19.1 t/d，是鄰井產(chǎn)量的1.92～2.55倍。

以XX油田Y-50井為例，該井儲層孔隙度為10.6%，滲透率為8.6×10-3μm2，屬于低孔低滲致密砂巖儲層。設(shè)計采取纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂改造工藝，增加泄流面積，提高單井產(chǎn)能。施工時，纖維暫堵劑加量為8 kg/m3，基于實驗結(jié)果，確定攜砂液中纖維加量為2 kg/m3，交聯(lián)比100.0∶0.4。

施工過程中，第1段造縫結(jié)束后，關(guān)井15 min，先以0.5 m3/min的排量將纖維暫堵液替入井筒，再以0.8～1.2 m3/min的排量將其泵送入縫內(nèi)，提高排量對裂縫進行封堵，油壓迅速上升，最高達53.1 MPa，裂縫封堵和轉(zhuǎn)向效果明顯。

壓裂施工后，Y-50井壓裂初期日產(chǎn)液為22.0 t/d，日產(chǎn)油為19.1 t/d。與鄰井采用常規(guī)壓裂工藝改造對比，鄰井壓裂初期日產(chǎn)液為10.2 t/d，日產(chǎn)油為7.5 t/d，表明纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂增產(chǎn)效果明顯好于常規(guī)壓裂，適用于低孔低滲致密砂巖儲層的改造。

5 結(jié) 論

(1) 隨著纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，纖維的分散性變差，懸浮性變好；質(zhì)量分數(shù)為0.2%的纖維可提高攜砂能力50%以上，考慮到攜砂液的易泵注性和纖維的分散性，推薦纖維攜砂液中纖維質(zhì)量分數(shù)約為0.2%即可。

(2) J-1纖維為酸溶性，J-2和J-3纖維在各溶液中降解率均超過90%，且符合暫堵壓裂對纖維“低溫降解慢、高溫降解快”的要求，可根據(jù)儲層特征、施工要求等選擇纖維；質(zhì)量分數(shù)為1.0%的J-2和J-3纖維均可封堵模擬裂縫，J-3纖維暫堵層承壓能力達5.2 MPa。

(3) 綜合實驗結(jié)果及成本因素，優(yōu)選J-3纖維應用于現(xiàn)場3口井，其在纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂中作為一種多功能添加劑，同時發(fā)揮暫堵和攜砂的功能，成功率為100%。壓裂后，施工井產(chǎn)油量約為相似儲層條件下常規(guī)壓裂井的1.92～2.55倍，增產(chǎn)效果顯著。