老井重復(fù)壓裂工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

賀代蘭

(新疆油田公司 百口泉采油廠， 新疆 克拉瑪依 834000)

重復(fù)壓裂是指對(duì)曾經(jīng)采取過(guò)壓裂措施的油氣井再次實(shí)施壓裂改造作業(yè)的技術(shù),是中國(guó)各大油田對(duì)老油井增產(chǎn)采取的常用措施。油氣水井初次改造時(shí),受壓裂設(shè)備、工藝、材料等因素的限制,使得壓裂規(guī)模不夠,沒(méi)能形成有效的支撐裂縫；或是隨著時(shí)間的推移,裂縫在地應(yīng)力作用下逐漸閉合,地層流體流通通道受阻；部分井之前改造層段原油基本開(kāi)采完畢,目前含水率高,需要對(duì)裂縫進(jìn)行轉(zhuǎn)向或開(kāi)采新的層位。重復(fù)壓裂針對(duì)老井目前開(kāi)采存在問(wèn)題,針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì),提出有效壓裂改造方案,使裂縫穿透污染帶,溝通剩余油氣分布區(qū),井筒與儲(chǔ)層重新建立有效溝通通道,油氣井產(chǎn)能得以恢復(fù),使老油氣井重新煥發(fā)青春,最終實(shí)現(xiàn)老油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

1 重復(fù)壓裂理論認(rèn)識(shí)

1.1 重復(fù)壓裂效果影響因素

老油氣井重復(fù)壓裂效果的主要影響因素,需結(jié)合老油田的目前實(shí)際開(kāi)采情況以及儲(chǔ)層增產(chǎn)改造方案而定。通常情況下,主要影響因素主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:地層因素、工程因素、開(kāi)發(fā)因素和巖石力學(xué)因素。

1)地層因素。主要是指儲(chǔ)層物性,反映儲(chǔ)層向裂縫的供油能力。主要包括:有效厚度、孔隙度、滲透率、初始含油飽和度、流體黏度以及電阻率。

2)工程因素。是首次改造效果的直接表現(xiàn)。主要包括:改造層數(shù)、加砂量、砂比、排量、壓液量、產(chǎn)油量以及產(chǎn)液量。

3)開(kāi)發(fā)因素。反映措施前儲(chǔ)層采出程度和地層能量保持情況。主要包括:投產(chǎn)初期日產(chǎn)油量及含水率、待措施前日產(chǎn)油量及含水率、地層壓力、累計(jì)產(chǎn)油量以及剩余可采儲(chǔ)量。

4)巖石力學(xué)因素。是重復(fù)壓裂能否形成復(fù)雜縫網(wǎng)的重要指標(biāo),反映儲(chǔ)層徹底改造的難易程度。主要包括:楊氏模量、泊松比、巖石脆性、天然裂縫密度兩向應(yīng)力差以及儲(chǔ)隔層應(yīng)力差。

1.2 重復(fù)壓裂裂縫延伸方式

中外對(duì)老井重復(fù)壓裂裂縫的延伸方式進(jìn)行了研究,重復(fù)壓裂過(guò)程中裂縫延伸主要表現(xiàn)有三種形式。

1)沿老裂縫延伸。隨著油氣不斷采出,儲(chǔ)層壓力、溫度隨之發(fā)生變化,油氣水平衡狀態(tài)被打破,地層水中無(wú)機(jī)鹽發(fā)生沉積或溶解在原油中的石蠟析出,析出的垢或蠟堵塞原有裂縫,使油流通道受阻；部分井初次改造規(guī)模小,支撐裂縫長(zhǎng)度不夠,無(wú)法有效溝通遠(yuǎn)井地帶。對(duì)于這類井,需要優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì),加大壓裂規(guī)模使老裂縫得以延伸,提高加砂強(qiáng)度增強(qiáng)裂縫導(dǎo)流能力,溝通油流通道。

2)裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。在油田開(kāi)發(fā)中后期,老裂縫控制區(qū)域內(nèi)剩余可采儲(chǔ)量越來(lái)越少,采出液含水率逐漸升高,裂縫成了水流的主要通道。如果僅僅延伸老裂縫進(jìn)行重復(fù)壓裂,剩余油氣分布區(qū)得不到有效溝通,含水率居高不下,達(dá)不到增產(chǎn)效果。采用暫堵劑在裂縫中形成瞬時(shí)暫堵,提高縫內(nèi)凈壓值,壓開(kāi)之前難以開(kāi)啟的微裂縫,形成新的分支裂縫,加大裂縫復(fù)雜程度,增大改造體積,達(dá)到控水增油的目的[1-2]。

3)壓出新的裂縫。對(duì)于強(qiáng)水淹層或開(kāi)采衰竭層位,可采用機(jī)械封隔器或注水泥對(duì)老裂縫進(jìn)行封堵,對(duì)潛力層補(bǔ)射孔,然后壓裂進(jìn)行開(kāi)采。對(duì)于層間存在應(yīng)力差的儲(chǔ)層,采用暫堵劑對(duì)含水率高的老裂縫縫口進(jìn)行封堵,壓裂液在物性好的、易壓開(kāi)層段自行起裂,壓出新的裂縫。

1.3 重復(fù)壓裂選井選層原則

重復(fù)壓裂技術(shù)是各油田老井增產(chǎn)的常用措施,壓裂成本高,因此科學(xué)的選井選層是老油田精細(xì)挖潛、降本增效的重要前提。結(jié)合中外經(jīng)驗(yàn)[3-6],老井重復(fù)壓裂選井選層主要考慮以下十條準(zhǔn)則:

1)采出程度較低的井。這類井剩余儲(chǔ)量大,具有較大的改造潛力。

2)初次改造不徹底的井。初次改造規(guī)模小、支撐裂縫短、支撐劑破碎或鋪砂不合理的井,通過(guò)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化,對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行徹底改造。

3)射孔段有效性明確,各段產(chǎn)量貢獻(xiàn)率清楚的井。這類井重復(fù)壓裂更有針對(duì)性,措施成功率高。

4)初次壓裂后產(chǎn)量高,產(chǎn)量下降快導(dǎo)致目前產(chǎn)量低,但同層位鄰井高產(chǎn)的井。

5)初次壓裂效果好,但由于洗井、修井等作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層造成污染，導(dǎo)致產(chǎn)能降低的井。

6)注采井網(wǎng)完善,初次壓裂沒(méi)有達(dá)到預(yù)期增產(chǎn)效果的井。

7)壓裂后氣油比隨開(kāi)采時(shí)間變化幅度大的井。生產(chǎn)過(guò)程中氣油比變化大表明裂縫正逐漸閉合,重新泵入支撐劑使裂縫得以有效支撐。

8)地應(yīng)力場(chǎng)的變化影響重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展方向,新的裂縫方向有利于當(dāng)前注采井網(wǎng)開(kāi)發(fā)的井。

9)老裂縫不具有挖潛潛力,但剩余油氣分布的井。優(yōu)選兩相應(yīng)力差小、油層有效厚度大、前期采出程度低、注采連通性好的層位進(jìn)行改造。

2 重復(fù)壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 機(jī)械分層壓裂

2.1.1 投球分層壓裂

投球壓裂是采用暫堵球來(lái)實(shí)現(xiàn)分層改造的一種壓裂方式。壓裂過(guò)程中,物性好的層段最先被壓開(kāi),壓開(kāi)層段吸液量大,此時(shí)在壓裂液中加入暫堵球,根據(jù)最小阻力原則,堵球?qū)σ褖洪_(kāi)層段的射孔孔眼進(jìn)行暫時(shí)封堵,隨井口壓裂液不斷泵入在井底產(chǎn)生憋壓,壓裂液轉(zhuǎn)向壓開(kāi)其它層段。根據(jù)改造層段的跨度以及應(yīng)力差確定投球的次數(shù)[7]。

2002年,李春德等[8]針對(duì)大港油田灰?guī)r地層存在高漏失、層間矛盾突出等問(wèn)題,優(yōu)選投球分層壓裂。采用1.25倍孔眼直徑,1.2倍炮眼數(shù)量,小排量注入,壓裂增產(chǎn)效果是未采用暫堵球的2倍以上。在不改變井筒內(nèi)結(jié)構(gòu)的情況下,根據(jù)改造需要可進(jìn)行5～6輪次的投球,使得各個(gè)層段都能得到有效改造[9]。投球壓裂的關(guān)鍵在于對(duì)已壓開(kāi)層段射孔孔眼實(shí)施有效封堵,是否壓開(kāi)新的裂縫。魏慧蕊等[10]使用孔眼摩阻公式計(jì)算投球過(guò)程中壓力的上升幅度和瞬時(shí)停泵時(shí)的壓降落差,判斷投暫堵球能否壓開(kāi)新的層位,在新疆油田采油一廠紅15 區(qū)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,現(xiàn)場(chǎng)井溫測(cè)試結(jié)果表明該計(jì)算方法具有參考價(jià)值。肖暉等[11]為了優(yōu)化投球壓裂施工參數(shù),開(kāi)展了堵球運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究,分析暫堵球在井下的運(yùn)動(dòng)情況,建立堵球在攜砂液中的運(yùn)動(dòng)公式,認(rèn)為注入排量是影響暫堵球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。因此在施工過(guò)程中,精確施工排量才能確保對(duì)堵塞球的精準(zhǔn)控制。

2.1.2 封隔器分層壓裂

對(duì)于縱向跨度大,薄互層發(fā)育的油層,常采用機(jī)械封隔器讓壓裂液進(jìn)入指定層段,對(duì)各目的層由下向上逐級(jí)改造,在不動(dòng)管柱的情況下實(shí)現(xiàn)分層壓裂后合采,一般兩級(jí)兩層或三級(jí)三層封隔器應(yīng)用較為普遍。機(jī)械封隔器分層壓裂技術(shù)具有入井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、施工方便、成功率高等優(yōu)點(diǎn),得以廣泛推廣應(yīng)用。

江蘇油田層間矛盾嚴(yán)重、層多、跨距大、物性差異大,傳統(tǒng)的填砂壓裂或多層合壓存在局限性,張偉等[12]采用機(jī)械卡封分層壓裂工藝,不壓井、不放噴、不動(dòng)管柱實(shí)現(xiàn)多個(gè)層段壓裂,使各個(gè)油層得到充分改造,增油效果顯著提高。彭建東[13]針對(duì)山水盆地重點(diǎn)開(kāi)發(fā)井XZ3-6井改造目的層縱向跨度大且分散的特點(diǎn),采用K344封隔器進(jìn)行三級(jí)三層壓裂,封隔卡點(diǎn)穩(wěn)定,壓裂施工成功率100%,施工結(jié)束后順利解封,達(dá)到改造預(yù)期目的。

2.1.3 連續(xù)油管分層壓裂

連續(xù)油管分層壓裂技術(shù)是在連續(xù)油管底部安裝水力噴射裝置, 將噴射裝置下入到目的層附近射孔,并從套管和連續(xù)油管的環(huán)形空間注入壓裂液,對(duì)目標(biāo)層段實(shí)現(xiàn)一趟管柱對(duì)多層進(jìn)行壓裂[14]。連續(xù)油管分層壓裂能精準(zhǔn)定位、縮短壓裂周期、改造層數(shù)不受限制等優(yōu)勢(shì),根據(jù)對(duì)已壓裂層段的封隔方式分為連續(xù)油管帶底封壓裂和連續(xù)油管填砂壓裂。

2013年,魯明春等[15]在青海油田已射孔井段采用連續(xù)油管進(jìn)行分層改造現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),采用定點(diǎn)起裂新工藝,分三級(jí)進(jìn)行壓裂,實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首次在已射孔投產(chǎn)井段采用連續(xù)管噴砂射孔環(huán)空壓裂技術(shù)實(shí)行分層改造。2018年,范杰等[16]針對(duì)西峰油田部分三疊系區(qū)塊高含水井見(jiàn)水后剩余油富集區(qū)難以動(dòng)用的難題,采用連續(xù)油管水力噴射分層壓裂在近井地帶形成復(fù)雜水力裂縫,豐富產(chǎn)層泄流通道,提高單井產(chǎn)能,降低含水率。

2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)向壓裂

2.2.1 顆粒轉(zhuǎn)向

在老井重復(fù)壓裂過(guò)程中,可降解的顆粒暫堵劑對(duì)老裂縫縫口進(jìn)行暫堵,隨著井口壓裂液不斷泵入,井筒內(nèi)壓力持續(xù)升高,裂縫在最容易壓開(kāi)的層段起裂,取代機(jī)械封隔器實(shí)現(xiàn)分層壓裂。對(duì)已壓開(kāi)的裂縫,投入小粒徑堵劑,堵劑在裂縫內(nèi)形成濾餅橋堵,使縫內(nèi)凈壓力升高,開(kāi)啟新的微裂縫或使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向,形成復(fù)雜縫網(wǎng),增大改造體積。

2013年,杜宗和等[17]對(duì)縫內(nèi)二次轉(zhuǎn)向理論和壓裂轉(zhuǎn)向機(jī)理進(jìn)行了深入研究,提出了縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓裂裂縫可能出現(xiàn)形態(tài)以及判斷方法。通過(guò)分析地應(yīng)力重新定向區(qū)域,對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向拐點(diǎn)精準(zhǔn)定位,對(duì)裂縫終端精確封堵,實(shí)現(xiàn)壓裂過(guò)程中對(duì)裂縫的有效控制。2019年,曾斌等[18]研制出高強(qiáng)度暫堵劑,具有承壓能力強(qiáng)、封堵效果好、降解率高等優(yōu)點(diǎn)。壓裂過(guò)程中,隨著堵劑的注入,地面施工壓力和裂縫延伸壓力都明顯上升,表明裂縫轉(zhuǎn)向成功。地面微地震監(jiān)測(cè)表明,通過(guò)加入堵劑最終形成夾角44°的兩條主裂縫,并產(chǎn)生了復(fù)雜的分支縫,改造體積和增產(chǎn)效果明顯高于普通壓裂。莫北三工河組油藏埋深4 000 m以上,為低孔、特低滲儲(chǔ)層,儲(chǔ)層物性差,破裂壓裂梯度高,壓裂施工壓力高于70 MPa,施工難度大,加砂量難以提高。陳亮[19]優(yōu)選出承壓能力強(qiáng)、耐溫性能好,適合深層儲(chǔ)層的暫堵劑,并對(duì)排量、加砂規(guī)模、砂比等施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工曲線壓力變化明顯,微地震監(jiān)測(cè)顯示裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向,改造效果良好。

2.2.2 纖維轉(zhuǎn)向

纖維暫堵劑常與酸液相結(jié)合,對(duì)非均質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行酸壓改造。纖維進(jìn)入儲(chǔ)層,在裂縫壁面被捕獲,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨著注入量增多,捕獲的纖維越來(lái)越多,裂縫內(nèi)外壓差越來(lái)越高,纖維在壓差作用下失水、壓實(shí),形成纖維濾餅,對(duì)現(xiàn)有裂縫進(jìn)行暫堵,實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向的目的。

2014年,周福建等[20]對(duì)纖維暫堵裂縫的封堵效果、濾失特征開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明纖維在巖心端面形成濾餅,明顯降低人工裂縫入口處的滲透率；且縫寬越大,裂縫中的濾餅越厚；低排量注入,能夠增大附加壓差,增強(qiáng)封堵效果。 2015年,楊乾龍等[21]針對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向受限井的壓裂轉(zhuǎn)向問(wèn)題,研制出壓裂液中分散性能好,靜態(tài)承壓效果好,酸液中降解率高的新型可降解纖維暫堵劑,結(jié)合酸液對(duì)儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向壓裂。纖維濾餅還能減緩酸巖反應(yīng)速率,提高酸液的有效作用距離,增加酸蝕裂縫的長(zhǎng)度。除了轉(zhuǎn)向功能,纖維暫堵劑還具有降濾失性能、防砂性能,常與顆粒暫堵劑結(jié)合使用,封堵轉(zhuǎn)向效果更佳[22-24]。

2.3 儲(chǔ)層增能壓裂

2.3.1 CO2增能

液態(tài)CO2在地層中可以溶于油也能溶于水,具有增能、降濾、防膨、助排等優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)60年代,開(kāi)始應(yīng)用于增產(chǎn)改造作業(yè)中。

2005年,池圣平等[25]在中原油田東蹼凹陷開(kāi)展了6 井次的CO2增能壓裂施工,使得壓裂液返排時(shí)間整體縮短10 d左右,液體返排率較之前提高了39%,壓后增產(chǎn)效果得以顯著提高。2011年,王新慶等[26]對(duì)CO2增能壓裂液和壓裂工藝進(jìn)行了研究,對(duì)排量、加砂量、砂比、縫高、縫長(zhǎng)等施工參數(shù)進(jìn)行了模擬,并在延長(zhǎng)油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng),壓裂液返排率高,增產(chǎn)效果好,投入產(chǎn)出比高于1∶2。2013年,姜阿娜[27]對(duì)CO2特性以及增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了分析,并在樁西采油廠樁60-5井開(kāi)展井下溫壓監(jiān)測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明注入液態(tài)CO2可以有效提高地層能量,促進(jìn)壓裂液返排,低排量注入不會(huì)對(duì)地層造成冷傷害。對(duì)比試驗(yàn)表明,CO2段塞壓裂有效期更長(zhǎng),增產(chǎn)效果更加顯著。

2.3.2 滑溜水增能

滑溜水是在清水中加入降阻劑、活性劑、防膨劑等添加劑或少量的交聯(lián)液,具有較高的黏度和較低的摩阻,解決了清水黏度低、攜砂能力差、摩阻高等問(wèn)題。采用滑溜水作為前置液,具有大排量、大縫網(wǎng)、低傷害、低成本、低砂比的“兩大、三低”特點(diǎn)。此外,對(duì)于地層能量不充足或注采井網(wǎng)不完善的井,采用大量滑溜水前置增能實(shí)現(xiàn)油水置換和補(bǔ)充地層能量的目的。

2015年,孫麗華等[28]針對(duì)扶余油田油水井比例失調(diào),配套注水技術(shù)跟不上加密井網(wǎng)配注要求,老井壓裂規(guī)模上不去等問(wèn)題,提出“前置液滑溜水壓裂技術(shù)”,使得單井平均增油量為普通壓裂的2倍,實(shí)現(xiàn)老油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。同年,王宇紅等[29]在吉林紅崗油田薩爾圖油藏也開(kāi)展了老井前置滑溜水壓裂施工試驗(yàn)。2016年,屈海清[30]對(duì)滑溜水的特點(diǎn)、壓裂技術(shù)原理、增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了研究,并在長(zhǎng)慶油田延長(zhǎng)組低滲透油藏開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)18口井,采取油套同注的方式進(jìn)行“大型混合滑溜水壓裂”,使得單井加砂量平均增加1.3倍,單井增油量平均增加3.7倍。

3 結(jié)論

老油田開(kāi)發(fā)中后期,剩余油開(kāi)采難度逐步增大,伴隨科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的新工藝、新技術(shù)應(yīng)用到老井重復(fù)壓裂中,比如:無(wú)水壓裂技術(shù)、絨囊暫堵重復(fù)壓裂技術(shù)、泡沫壓裂液技術(shù)、自轉(zhuǎn)向酸壓技術(shù)等[31-34],不同壓裂工藝技術(shù)具有自身適用性和優(yōu)勢(shì)。重復(fù)壓裂的最終目的在于在近井地帶形成復(fù)雜縫網(wǎng),盡可能多的溝通剩余油氣層,實(shí)現(xiàn)對(duì)老井控制儲(chǔ)量盡可能多的動(dòng)用。通過(guò)對(duì)老油田系統(tǒng)評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí),針對(duì)目前生產(chǎn)情況合理選井選層,優(yōu)選有效的壓裂增產(chǎn)改造方法,讓老油田重新煥發(fā)青春,從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化。