深層碳酸鹽巖大斜度井及水平井纖維暫堵轉(zhuǎn)向分段壓裂參數(shù)優(yōu)化

朱雯釗，苗 娟，陳思韻，雷 蕾，劉 菊

(1.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000；2.西南石油大學(xué)，四川 南充 637000；3.中國石油濟柴動力有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

四川盆地高石梯-磨溪地區(qū)燈影組燈四段氣藏為碳酸鹽巖氣藏，儲量豐富[1-2]。開發(fā)前期以直井分層壓裂為主，試油產(chǎn)量為1×104～100×104m3/d[3]。主要原因為部分區(qū)塊儲層物性差，低孔低滲，楊氏模量、泊松比高，導(dǎo)致破裂壓力高和裂縫延伸困難，常規(guī)酸化壓裂工藝波及范圍較小，近井導(dǎo)流能力有限。為增加單井產(chǎn)量及延長增產(chǎn)有效期，實施了大斜度井及水平井多級暫堵分段壓裂技術(shù)，取得顯著增產(chǎn)效果[4-11]。

深層大斜度井水平井分段壓裂工藝常用工藝包括裸眼封隔器分段壓裂、連續(xù)油管分段壓裂[12-14]、化學(xué)材料暫堵轉(zhuǎn)向分段壓裂技術(shù)。而目前裸眼封隔器與滑套的組合機械分段壓裂后的低產(chǎn)井仍需進一步增加壓裂段數(shù)，提高全井段的壓裂程度[15]；增加封隔器的數(shù)量加大了施工風(fēng)險，增大了作業(yè)成本。碳酸鹽巖裸眼水平井壓裂過程中利用纖維暫堵已有裂縫，迫使壓裂液轉(zhuǎn)向開啟新裂縫是增加壓裂段數(shù)的有效手段，該方法不增加封隔器數(shù)量，操作成本低[16]，可實現(xiàn)全井段充分壓裂。但目前常用的纖維暫堵分層分段壓裂工藝壓裂效果差異性較大，暫堵后施工壓力反應(yīng)不一，部分井暫堵纖維送至井底后施工壓力沒有明顯變化，未出現(xiàn)暫堵后壓裂液轉(zhuǎn)向新層段的特征[17]。因此，通過開展暫堵物理模擬實驗，論證了實施纖維暫堵轉(zhuǎn)向的可行性，優(yōu)化了纖維類型及使用濃度，根據(jù)不同施工條件，實現(xiàn)了暫堵纖維的定量使用，克服了現(xiàn)有技術(shù)以現(xiàn)場經(jīng)驗為主的不足，同時配合井下分層分段工具，實現(xiàn)了深層碳酸鹽巖大斜度井及水平井多級分段壓裂。

1 儲層特征

高石梯-磨溪潛伏構(gòu)造帶位于四川盆地樂山-龍女寺古隆起帶軸部東區(qū)的安岳-遂寧-漳南之間，主要發(fā)育南北向和東西向2組構(gòu)造線，斷裂不發(fā)育。近幾年對高石梯-磨溪地區(qū)的整體勘探取得了較好的效果，截至2021年底，探明含氣面積為805.26 km2；氣藏構(gòu)造平緩，地層傾角為3～5 °，閉合高度為161 m,具有局部多高點特征。但隨著勘探程度不斷加深，Ⅱ、Ⅲ類儲層占比越來越高。Ⅱ、Ⅲ類儲層特征為：主要分布于震旦系臺內(nèi)及勘探外圍區(qū)，平均孔隙度為2.5%～4.0%，平均滲透率小于0.05 mD；縱向上多層，單層平均厚度不足15 m，層間差異大，儲層非均質(zhì)性強；儲層孔洞縫發(fā)育程度低，主要以溶孔發(fā)育為主，溶洞基本不發(fā)育，連通性較差；楊氏模量(平均為56.3 GPa)及泊松比(平均為0.26)均較大，呈塑性特征，破裂壓力高；儲層壓裂易形成垂直縫，水平主應(yīng)力差值大，壓裂形成復(fù)雜縫難度大；儲層埋深普遍超過5 000 m，地層溫度為151.27～156.13 ℃，平均為153.23 ℃，地溫梯度為0.026 ℃/m，屬于高溫深層氣藏[9]。

2 纖維暫堵轉(zhuǎn)向工藝優(yōu)化

纖維暫堵轉(zhuǎn)向的效果受層段間應(yīng)力差及壓力升高幅度影響，當(dāng)儲層層段間應(yīng)力差已知時，能否實現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向主要決定于井底壓力的升高幅度。纖維暫堵后人工裂縫壓力的變化計算公式為：

(1)

式中：Kf為人工裂縫滲透率，D；W為裂縫寬度，cm；D為巖心直徑，cm；Q為泵注排量，cm3/s；μ為流體表觀黏度，mPa·s；L為劈裂巖心長度，cm；Δp為巖心進出口兩端壓差，MPa。

由式(1)可知，為得到較高的壓差，需優(yōu)化的參數(shù)包括排量、流體表觀黏度、纖維種類及用量。其中，裂縫寬度與壓裂液黏度及排量相關(guān)，暫堵材料鋪置的長度范圍與纖維種類及用量相關(guān)。但加入纖維暫堵劑后壓差的變化是綜合影響的結(jié)果，單一因素?zé)o法直接計算。因此，需要開展纖維轉(zhuǎn)向物理模擬研究，優(yōu)化暫堵轉(zhuǎn)向工藝參數(shù)。

2.1 實驗設(shè)計

暫堵實驗采用可降解纖維，其網(wǎng)狀橋架作用可輔助實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，施工結(jié)束后關(guān)井一段時間，纖維可完全降解，不影響裂縫的壓裂效果[18-19]。人工裂縫監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬表明，水力壓裂人工裂縫的寬度為3～8 mm。根據(jù)裂縫寬度優(yōu)選暫堵纖維的長度分別為3、6、12 mm，現(xiàn)場經(jīng)驗表明，組合纖維的暫堵效果優(yōu)于單一長度纖維，因此，實驗采用組合纖維，3種纖維的比例均為1/3。測試纖維質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%、2.0%、2.5%，排量為80～250 mL/min。

利用川慶鉆探公司研制的ZD-1型暫堵模擬實驗裝置，開展可降解纖維組合暫堵劑暫堵轉(zhuǎn)向物理模擬實驗。實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由泵注設(shè)備、壓力計、夾持器、活塞、流量計、燒杯等組成。夾持器中放置對稱的2塊巖心，巖心為采集天然露頭巖樣，加工為長寬高為20 mm×10 mm×3 mm的巖心板，巖心孔隙度為5%，滲透率為0.1 mD。設(shè)置裂縫縫寬為8 mm；裝置整體承壓為20 MPa，最大泵注流量為300 mL/min；柱塞缸體容積為4 L；夾持器進出液端管徑為10 mm，可加熱至150 ℃；通過流量計與壓力計讀取不同流量下對應(yīng)的壓力，對比暫堵效果。

圖1 ZD-1型暫堵模擬實驗裝置

實驗步驟：①將2塊巖心放置夾持器中，巖心中間放置直徑為8 mm的巖石小顆粒，模擬8 mm人工裂縫寬度；②活塞缸體中加入4 L左右質(zhì)量分數(shù)為0.3%胍膠壓裂液基液，基液中分別添加質(zhì)量分數(shù)為1.5%、2.0%、2.5%的組合纖維；③初始排量為50 mL/min，逐步增至250 mL/min，記錄每個排量下壓力的變化，通過壓力變化分析纖維暫堵效果，確定最佳暫堵方案。

2.2 實驗結(jié)果

不同組合纖維暫堵實驗結(jié)果見表1。由表1可知：暫堵纖維質(zhì)量分數(shù)為1.5%時，低排量下長時間泵注后，施工壓力無明顯升高，或出現(xiàn)短暫升高后迅速下降現(xiàn)象，當(dāng)排量超過200 mL/min時，出現(xiàn)一定程度的暫堵能力，施工壓力升高后下降較快，說明組合纖維在較低使用濃度下，暫堵效果較差，且對現(xiàn)場施工排量要求高。質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，低排量下封堵能力弱，縫口施工壓力升至8～12 MPa，隨著施工時間延長，封堵位置易被突破；較高排量下封堵效果較好，壓力升至15 MPa，封堵穩(wěn)定性較好，不易被突破。質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，低排量及高排量下均表現(xiàn)出較好的封堵能力，縫口施工壓力升至15 MPa，封堵壓力穩(wěn)定性好。

由此可知，質(zhì)量分數(shù)較低時，纖維封堵能力弱，低排量下無法實現(xiàn)高強度封堵；質(zhì)量分數(shù)為2.5%的組合纖維，流量為120～250 mL/min時，可對8 mm寬的裂縫產(chǎn)生良好的封堵效果，封堵壓力達到限壓15 MPa，且封堵過程中未出現(xiàn)突破，封堵穩(wěn)定?？紤]實際施工井筒泵注組合暫堵纖維后，在壓裂液中存在分散運移、濃度下降的情況，需適當(dāng)提高施工排量。

表1 不同組合纖維暫堵實驗結(jié)果

3 應(yīng)用實例

西南油氣田高石梯-磨溪區(qū)塊碳酸鹽巖油氣資源儲量豐富，儲層埋藏深，基質(zhì)致密，天然裂縫非均質(zhì)性強，裸眼封隔器與纖維暫堵相結(jié)合實施大斜度井全井段壓裂，顯著提高了單井產(chǎn)量，得到大量應(yīng)用，已在現(xiàn)場實施超過80口井。其中，高石00A-X1井為高石梯-磨溪區(qū)塊的一口斜井，完鉆層位為燈四段，井深為6 098.00 m(垂深為5 165.29 m)。采用裸眼完井，裸眼段為5 253.00～6 098.00 m。該井共解釋氣層7層，儲層總厚度為351.6 m，其中II類儲層厚度為3.8 m，平均孔隙度為7.2%；III類儲層厚度為347.9 m，平均孔隙度為3.0%。依據(jù)大斜度井及水平井分層分段方法，采用裸眼封隔器將壓裂段分為5 253.00～5 415.00 m、5 415.00 ～ 5 590.00 m、5 590.00～5 760.00 m、5 760.00～5 950.00 m、5 950.00～6 098.00 m 5段，每段跨度均較大，段內(nèi)采用酸化壓裂。人工裂縫一般在儲層低應(yīng)力段起裂，在無其他因素干擾情況下，每段內(nèi)僅有1條人工裂縫，不利于擴大壓裂體積。因此，根據(jù)該井實際情況和試油工藝的可操作性，采用裸眼封隔器分段+段內(nèi)纖維暫堵轉(zhuǎn)向細分小段，每段內(nèi)設(shè)計1次纖維暫堵轉(zhuǎn)向，可增加1～2條人工裂縫，實際壓裂體積可增加一倍，能顯著提高壓裂效果，實現(xiàn)大斜度段全部壓裂的目的。實際施工時向井筒擠入的總液量為1 795 m3，向地層擠入的總液量為1 614 m3，組合暫堵纖維質(zhì)量為330 kg，施工排量為7.0～8.0 m3/min，施工泵壓為60～80 MPa(圖2)。

圖2 高石00A-X1井燈四段酸化壓裂施工曲線

由暫堵轉(zhuǎn)向物模實驗可知，在完井管柱內(nèi)徑為88.9 mm、暫堵纖維質(zhì)量分數(shù)為2.5%的情況下，施工排量應(yīng)達到6.0 m3/min以上才能實現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向。實際施工時，暫堵轉(zhuǎn)向階段施工排量為7.0～8.0 m3/min，第1、2、4段暫堵纖維到達井底后，排量不變，施工壓力明顯上升，判斷暫堵轉(zhuǎn)向成功，達到產(chǎn)生新裂縫的目的。該井壓裂后測試日產(chǎn)氣量為112.7×104m3/d，取得了顯著的增產(chǎn)壓裂效果。截至2021年年底，高石梯-磨溪構(gòu)造燈影組大斜度井及水平井分層分段酸壓工藝現(xiàn)場試驗31井次，其中，裸眼封隔器分段+纖維暫堵轉(zhuǎn)向分段壓裂大斜度井及水平井13口，平均測試日產(chǎn)氣量為74.1×104m3/d，較未采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂井的日產(chǎn)氣量高43%，證實了該多級分段壓裂技術(shù)具有較好的應(yīng)用潛力。

4 結(jié) 論

(1) 纖維暫堵物理模擬實驗表明，在已開啟的人工裂縫中泵注長度為3～12 mm，質(zhì)量分數(shù)為2.5%的纖維暫堵劑時，可實現(xiàn)封堵轉(zhuǎn)向的目的，證實纖維暫堵轉(zhuǎn)向分段壓裂具有可行性。

(2) 采用裸眼封隔器分段與段內(nèi)纖維暫堵轉(zhuǎn)向相結(jié)合的大斜度井及水平井多級分段壓裂技術(shù)，可有效提高全井段壓裂程度，在高石梯-磨溪區(qū)塊Ⅱ、Ⅲ類儲層壓裂中取得較好的應(yīng)用效果，與未采用纖維暫堵的同類壓裂井相比，壓裂井日產(chǎn)量可提高43%。