暫堵壓裂造多縫工藝技術(shù)在姬塬油田的研究與應(yīng)用

楊金峰，張進(jìn)科，張 倩，茍利鵬，張 滿

（中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西西安 710200）

姬塬油田于1968 年開始投入勘探，共計開發(fā)14個層系，48 個地質(zhì)區(qū)塊，以三疊系長8、長6、長4+5 等油藏為主。近年來，為改善油藏開發(fā)效果，通過優(yōu)化措施結(jié)構(gòu)，優(yōu)化措施工藝，有序推進(jìn)新技術(shù)試驗，形成姬塬油田措施工藝技術(shù)體系。其中，近年來措施改造方式水力壓裂占比最大。

但常規(guī)水力壓裂改造存在三方面問題：（1）常規(guī)壓裂技術(shù)裂縫沿著老裂縫延伸，在老裂縫采出程度較高情況下，常規(guī)壓裂改造含水上升風(fēng)險大，達(dá)不到理想的壓裂效果。姬塬油田近幾年常規(guī)壓裂日增油效果基本相當(dāng)，但含水整體上升較大，相比措施前含水上升均大于10 %；（2）儲層自身物性差，常規(guī)改造工藝適應(yīng)性差，部分井處于油藏邊部及低產(chǎn)區(qū)、長期低產(chǎn)，自身儲層特性使得重復(fù)壓裂改造不能有效挖潛剩余油；（3）同時大砂量體積壓裂、大斜度井改造過程中易出現(xiàn)壓穿現(xiàn)象[1-4]（見表1）。

1 裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理及儲層適應(yīng)性分析

1.1 裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理分析[5-11]

當(dāng)重復(fù)壓裂井中的誘導(dǎo)應(yīng)力差足以改變地層中的初始應(yīng)力差時，則在井筒和初次人工裂縫周圍的橢圓形區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)力重定向：初始最小水平應(yīng)力方向可能轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳白畲笏綉?yīng)力方向，而初始最大水平應(yīng)力方向則變?yōu)槟壳白钚∷綉?yīng)力方向。根據(jù)彈性力學(xué)理論和巖石破裂準(zhǔn)則，裂縫總是沿著垂直于最小水平主應(yīng)力方向起裂，那么重復(fù)壓裂就可以產(chǎn)生一條垂直于初次人工裂縫的新縫。

根據(jù)最小主應(yīng)力原理,要產(chǎn)生一條與初次人工裂縫垂直的新裂縫,那么重復(fù)壓裂前時間和空間上（x，y，t）的應(yīng)力變化為:

式中：σHT-初始水平最大應(yīng)力方向上（x 軸方向）的應(yīng)力；σhT-初始水平最小應(yīng)力方向上（y 軸方向）的應(yīng)力；ΔσHf-人工裂縫引起的x 方向上的應(yīng)力；Δσhf-人工裂縫引起的y 方向應(yīng)力；ΔσHP-注采引起的x 方向上應(yīng)力；Δσhp-注采引起的y 方向的應(yīng)力。

則要產(chǎn)生新裂縫條件為：

1.2 縫擴(kuò)展模擬試驗

通過開展了高-低應(yīng)力區(qū)裂縫擴(kuò)展模擬試驗，得出裂縫向高應(yīng)力區(qū)延伸的力學(xué)條件：應(yīng)力差小于3 MPa時，可以通過變排量的方法提高縫內(nèi)凈壓力至3 MPa；應(yīng)力差大于3 MPa 時，需結(jié)合暫堵技術(shù)，提升縫內(nèi)凈壓力至5 MPa。因此：提升施工排量和采用暫堵方法可實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜縫網(wǎng)（見圖1、圖2）。

通過對不同油藏取巖心室內(nèi)試驗研究，姬塬油田三疊系油藏水平地應(yīng)力差3 MPa～7 MPa，因此需要采用暫堵方法實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，同時低滲透儲層上下泥巖層遮擋條件較好，水力壓裂所形成的裂縫基本被控制在儲層范圍內(nèi)，儲層條件為徑向縫網(wǎng)的實現(xiàn)提供有利的支撐[12]（見表2）。

表1 姬塬油田近三年油井常規(guī)壓裂改造效果統(tǒng)計表

圖1 裂縫延伸物模試驗結(jié)果

圖2 裂縫延伸物模試驗結(jié)果圖

表2 姬塬油田各油藏水平應(yīng)力實際測試值（取平均值）

2 姬塬油田暫堵工藝模式及裂縫擴(kuò)展特征研究

2.1 縫口暫堵造多縫工藝

在井眼（x=0，y=0）處誘發(fā)應(yīng)力場特征，決定了重復(fù)壓裂是否在井眼處產(chǎn)生新的裂縫：

則在井眼處（縫口暫堵）產(chǎn)生裂縫條件為：

圖3 縫口暫堵裂縫擴(kuò)展圖

針對縱向改造強(qiáng)度小、裂縫主向剩余油不富集側(cè)向剩余油富集中高含水井，在前置液加入轉(zhuǎn)向劑在縫口形成穩(wěn)定橋堵（見圖3），迫使在非最大主應(yīng)力方位啟裂新縫并延伸，在姬塬油田單砂體、隔夾層遮擋條件差且常規(guī)壓裂風(fēng)險較高長4+5、長6 油藏有極好的適應(yīng)性。

2.2 縫內(nèi)暫堵造多縫工藝

初次裂縫縫寬方向，即裂縫面x=0 上的應(yīng)力變化，在井眼處沒有發(fā)生應(yīng)力重定向時，決定著重復(fù)壓裂產(chǎn)生新的裂縫的延伸以及新裂縫重新轉(zhuǎn)向的位置：

則裂縫內(nèi)某點（0，y）處（縫內(nèi)暫堵）產(chǎn)生新裂縫的應(yīng)力條件為：

圖4 縫內(nèi)暫堵裂縫擴(kuò)展圖

為了防止主向井水線突進(jìn)、多次壓裂改造裂縫過度延升，在原裂縫壓開后投加轉(zhuǎn)向劑，裂縫內(nèi)部產(chǎn)生橋堵（見圖4），隔層遮擋條件較好時，則會形成新的裂縫；隔層遮擋條件較差時，則會迫使裂縫在高度上的延伸，有利于提高儲層縱向改造程度。通過前期壓裂井分析，其轉(zhuǎn)向時機(jī)都設(shè)計在60 %以上，也就是整個泵注程序2/3 的階段，壓后整體含水升高，分析認(rèn)為，主向井轉(zhuǎn)向時機(jī)靠后，使原有主裂縫過度延伸，加速水線突進(jìn)，造成水升高。因此后期優(yōu)化轉(zhuǎn)向時機(jī)應(yīng)控制在50%以內(nèi)，避免水淹[13-15]。

2.3 三級暫堵造多縫工藝

三級暫堵多縫工藝，結(jié)合縫口和縫內(nèi)暫堵工藝，即在井眼（x=0，y=0）處產(chǎn)生新的裂縫，裂縫延伸后在某兩點（0，y1）、（0，y2）處產(chǎn)生新裂縫的技術(shù)（見圖5）。

圖5 三級暫堵裂縫擴(kuò)展圖

針對采出程度低、剩余油富集、主向井水線突進(jìn)井或長期低產(chǎn)低效井，結(jié)合縫口、縫內(nèi)暫堵優(yōu)勢，在縫口形成新裂縫后再次實施兩級暫堵，控縫長、增縫寬、易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，達(dá)到控水增油目的。在低產(chǎn)、低效、孔隙性見水超低滲透長8 油藏適應(yīng)性好。

2.4 寬帶壓裂工藝

針對物性差、存在一定微裂縫，長期低產(chǎn)低效，驅(qū)替系統(tǒng)難以有效建立的特低滲、超低滲儲層，采用體積壓裂+暫堵的方式形成多級暫堵寬帶壓裂工藝技術(shù)。在前置液階段加入暫堵劑，在老縫端部形成應(yīng)力遮擋；施工初期，滑溜水、高排量開啟側(cè)向裂縫，小粒徑（40/70）支撐劑，充填小尺度裂縫；施工中期，多級暫堵，提升縫內(nèi)凈壓力，增加裂縫復(fù)雜程度；施工后期，高黏液體，20/40 目支撐劑，建立主縫高導(dǎo)流帶。通過工藝優(yōu)化和關(guān)鍵材料的配套，控制裂縫帶長、增加裂縫帶寬，實現(xiàn)重構(gòu)應(yīng)力場、重構(gòu)壓力場、重構(gòu)滲流場的目標(biāo)，挖潛側(cè)向剩余油、改善油藏開發(fā)效果（見圖6）。

試驗表明，砂量設(shè)計在50 m3～70 m3，暫堵劑級數(shù)為3～5 級，在采出程度低、剩余油富集的羅1、黃3 長8超低滲透油藏，效果好。2019 年在羅1 長8、黃3 長8開展寬帶壓裂試驗19 口，初期單井日增油2.2 t，目前單井累增油125 t，預(yù)測當(dāng)年產(chǎn)出投入比1.2（按55 美元/桶）。

圖6 寬帶壓裂裂縫擴(kuò)展圖

3 實施效果

3.1 整體實施效果

2019 年姬塬油田總計實施暫堵壓裂78 口，單井日增油0.53 t，措施后含水上升10.1 %，基本平穩(wěn)，與常規(guī)措施效果比增油效果相當(dāng)，但含水下降了9.5 %，整體控水增油效果好（見表3）。

分暫堵工藝來看，三級暫堵、寬帶壓裂通過裂縫多次轉(zhuǎn)向，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，措施增油效果明顯；縫口暫堵在常規(guī)壓裂風(fēng)險較高的長4+5、長6 油藏控水效果較好；縫內(nèi)暫堵效果較差，后期優(yōu)化轉(zhuǎn)向時機(jī)、暫堵劑用量（見表4）。

3.2 轉(zhuǎn)向壓力分析

暫堵升壓幅度大于兩向應(yīng)力差值（超低滲為3.0 MPa～7.0 MPa）時，裂縫即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，長4+5、長8 暫堵升壓與增油效果關(guān)系（見圖7、圖8），從圖中可以看出增油與暫堵升壓呈正相關(guān)關(guān)系；現(xiàn)場施工水平地應(yīng)力差可作為依據(jù)，在不超過井口、套管限壓值情況下，盡可能更多暫堵劑、更大的轉(zhuǎn)向壓力，確保裂縫轉(zhuǎn)向，形成復(fù)雜縫。

表3 2019 年采油五廠油井暫堵壓裂效果統(tǒng)計表

表4 采油五廠油井暫堵壓裂分工藝效果統(tǒng)計表

圖7 長4+5 暫堵升壓與增油效果之間關(guān)系圖

圖8 長8 暫堵升壓與增油效果之間關(guān)系圖

圖9 暫堵劑投加量與增油效果對比圖

3.3 暫堵劑投加量分析

從暫堵劑投加量與增油效果對比散點圖9 來看，暫堵劑投加越多，越易發(fā)生轉(zhuǎn)向，增油效果好；同時部分點可以看出，增油效果與暫堵劑投加時機(jī)和裂縫壓力有密切關(guān)系，暫堵劑投加量滿足裂縫轉(zhuǎn)向條件即可；不排除部分井因裂縫閉合進(jìn)行改造時，裂縫未轉(zhuǎn)向但增油效果依然可觀。

4 結(jié)論

（1）隨著注水開發(fā)年限的增長，常規(guī)壓裂效果逐漸變差，近幾年在姬塬油田實施暫堵壓裂造多縫工藝技術(shù)整體效果較好，控水增油效果優(yōu)于常規(guī)壓裂，形成較為成熟的工藝體系。

（2）垂直裂縫井中在一定的時間范圍內(nèi)，誘導(dǎo)應(yīng)力足以改變初始水平應(yīng)力差，導(dǎo)致應(yīng)力重定向?？梢酝ㄟ^壓裂施工曲線判斷是否形成新裂縫（升壓幅度3 MPa～7 MPa），在滿足井筒限壓的條件下更多暫堵劑、更大的轉(zhuǎn)向壓力，確保裂縫轉(zhuǎn)向動用側(cè)向剩余油。

（3）在姬塬油田，采出程度低、剩余油富集、注水見效油井，采用三級暫堵壓裂，既形成復(fù)雜縫網(wǎng)、有效挖潛剩余油；采出程度低、剩余油富集、注水不見效、常規(guī)壓裂效果差油井，采用寬帶壓裂，疏通老縫、復(fù)雜縫網(wǎng)、有效挖潛剩余油；縱向改造強(qiáng)度小、采出程度低、中高含水井可采用縫口暫堵，能有效挖潛剩余油；縫內(nèi)暫堵實施效果相對較差，后期優(yōu)化轉(zhuǎn)向時機(jī)（提前至20 %～30 %）及暫堵劑用量。