割縫篩管暫堵酸壓適應(yīng)性評(píng)價(jià)

馬清杰 李 軍 余勇剛 唐云鵬

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2.中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院3.新疆恒洲景業(yè)石油技術(shù)服務(wù)有限公司 4.新疆油田公司油田技術(shù)服務(wù)分公司)

0 引 言

塔里木盆地順北油田為奧陶系碳酸鹽巖裂縫-洞穴型油藏，平均埋藏深度超過7 300 m[1-2]，其中4、8號(hào)斷裂帶內(nèi)的油氣井主要采用裸眼完井方式，由于目的層的裸眼井壁穩(wěn)定性差，完井測(cè)試期間易出現(xiàn)井壁坍塌，由此造成井筒堵塞，給油氣井的生產(chǎn)作業(yè)帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。如SHB4-1H井完井階段鉆頭通井至井底，替漿、循環(huán)鹽水期間返出巖屑0.15 m3，測(cè)試期間在除砂器中收集到灰?guī)r掉塊。順北8X井采用油管測(cè)試完井方式，生產(chǎn)期間該井生產(chǎn)封隔器失封，通過井筒作業(yè)出現(xiàn)套管變形、井壁坍塌現(xiàn)象，給順北區(qū)塊正常生產(chǎn)帶來極大隱患。

為降低裸眼完井帶來的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)順北區(qū)塊的完井方式進(jìn)行了探索與研究。割縫篩管由于管、縫同體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越且價(jià)格低廉[3-5]，目前成為順北區(qū)塊主要的完井方式之一。但后期在暫堵酸壓過程中，存在暫堵材料堵塞割縫及管體強(qiáng)度失效的風(fēng)險(xiǎn)，給工程實(shí)踐帶來較大影響。當(dāng)前，對(duì)割縫篩管的擋砂精度研究較多[6-8]，但割縫篩管暫堵劑通過性評(píng)價(jià)未開展，同時(shí)符合擋砂精度要求又滿足暫堵酸壓的臨界縫寬有待研究。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)割縫篩管完井方式下暫堵酸化壓裂工藝研究不足。為此，本文通過割縫篩管暫堵劑通過性室內(nèi)試驗(yàn)與地面試驗(yàn)相結(jié)合的方案，評(píng)價(jià)順北酸壓常用的暫堵劑配方通過不同規(guī)格割縫篩管的可行性。基于割縫篩管表皮系數(shù)計(jì)算模型，形成暫堵酸壓參數(shù)優(yōu)選方案，得到滿足暫堵酸壓的臨界表皮系數(shù)。研究成果對(duì)順北區(qū)塊完井方式優(yōu)化，降低暫堵酸壓風(fēng)險(xiǎn)，保障后期儲(chǔ)層改造的順利進(jìn)行具有重要指導(dǎo)意義。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)依據(jù)相似性原理，以平面過濾件替代現(xiàn)場(chǎng)割縫篩管為研究對(duì)象，對(duì)割縫篩管的通過性綜合性能進(jìn)行研究。通過模擬實(shí)際工況中暫堵劑混合液流經(jīng)割縫的流速，并以此作為相似準(zhǔn)則的輸入變量，可保持在恒定排量下通過測(cè)量割縫過濾單元件的壓降來評(píng)價(jià)割縫篩管的抗堵塞性，進(jìn)而評(píng)估暫堵劑的通過性難易程度。整套試驗(yàn)裝置主要由以下4個(gè)部分組成：信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、割縫過濾單元抗堵塞性能試驗(yàn)裝置、壓力及流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment equipment

開展室內(nèi)試驗(yàn)，首先進(jìn)行了割縫縫長(zhǎng)對(duì)暫堵劑通過性的影響評(píng)價(jià)。試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。在保持縫寬一定的情況下通過可調(diào)過濾件(見圖3)進(jìn)行縫長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)所用滑溜水由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的HPG-1胍膠和清水配成，所用暫堵劑類型有粒徑為0.25～0.85 mm和0.80～1.20 mm的顆粒暫堵劑，長(zhǎng)度為5～6 mm的絲狀纖維暫堵劑。

圖2 割縫縫長(zhǎng)對(duì)暫堵劑通過性的影響評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test equipment for evaluating the impact of slot length on the passability of temporary blocking agent

圖3 可調(diào)縫長(zhǎng)過濾件Fig.3 Filter piece able to adjust slot length

1.2 地面驗(yàn)證試驗(yàn)

地面試驗(yàn)與實(shí)際施工環(huán)境接近，目的為驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施做準(zhǔn)備。試驗(yàn)設(shè)備主要有：2臺(tái)2000型壓裂泵車，1臺(tái)混砂車，1輛暫堵劑泵入車，1個(gè)30 m3壓裂液罐，1個(gè)30 m3清水罐，5～6 mm纖維暫堵劑，0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑，0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，HPG-1胍膠粉，3根不同型號(hào)的割縫篩管。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試排量保持在0.5～1.0 m3/min(流速26～52 m/min)之間，試驗(yàn)開始前啟泵試壓10 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓降小于0.5 MPa為合格；低壓2 MPa，穩(wěn)壓10 min，不滲不漏無壓降為合格。試壓合格后，開泵泵入工作液，觀察篩管的出液情況，并記錄泵入排量及壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 縫長(zhǎng)對(duì)割縫篩管暫堵纖維通過性的影響

試驗(yàn)設(shè)定割縫篩管的規(guī)格為縫寬3 mm，使用0.25～0.85 mm的暫堵劑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，通過可調(diào)縫長(zhǎng)過濾件調(diào)節(jié)縫長(zhǎng)分別為15、20、60、100和200 mm，在保持相同的過流速度(68 m/min)條件下，測(cè)試得到注入壓差隨時(shí)間的變化關(guān)系(見圖4)。由圖4可知，在相同條件下，割縫縫長(zhǎng)大于15 mm時(shí)，割縫縫長(zhǎng)對(duì)暫堵劑的通過性影響很小，可忽略不計(jì)。

圖4 不同縫長(zhǎng)下注入壓差隨時(shí)間的變化圖Fig.4 Variation of injection pressure over time under different slot lengths

2.1.2 縫寬對(duì)不同配方暫堵劑通過性的影響

該室內(nèi)試驗(yàn)不同暫堵劑配方通過割縫的速率統(tǒng)一設(shè)定為55 m/min，對(duì)應(yīng)排量400 L/h。選取割縫過濾件縫寬分別為1.5、2.0、2.5、3.0和4.0 mm，縫長(zhǎng)均為20 mm，采用錯(cuò)位布縫形式，過濾件有4條縫(見圖5)。

圖5 割縫過濾單元件實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of slotted filtersingle element

選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5～6 mm纖維暫堵劑進(jìn)行組合，測(cè)試得到各暫堵劑配方通過不同縫寬過濾件的壓差(見圖6)。

圖6 不同配方暫堵劑通過不同縫寬過濾件壓差對(duì)比圖Fig.6 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with different slot widths

從圖6可以看出：在相同的割縫縫寬下，所需壓差隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增大；當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí)，2.5與3.0 mm縫寬所需的壓差降低幅度明顯增大。在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%、顆粒暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%時(shí)，當(dāng)縫寬達(dá)到3.0 mm以上，纖維暫堵劑與顆粒暫堵劑所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)通過性影響顯著降低。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是縫寬超過纖維暫堵劑長(zhǎng)度(5～6 mm)的50%以后，其架橋作用顯著減弱，外力作用下纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較易被破壞，暫堵劑通過性明顯提高。

2.1.3 不同規(guī)格暫堵劑配方的通過性評(píng)價(jià)

該試驗(yàn)保持注入排量為400 L/h，選擇3和4 mm縫寬，在其他條件相同時(shí)，試驗(yàn)得到不同暫堵劑配方通過3、4 mm縫寬過濾件的壓差(見圖7)。

圖7 不同配方暫堵劑通過3、4 mm縫寬過濾件壓差對(duì)比圖Fig.7 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with a slot width of 3 mm and 4 mm

從圖7可以看出：在纖維暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，粒徑0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑比粒徑0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑所需注入壓差增大了2.0～3.6倍；隨著暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，所需的注入壓差也逐漸增大，其中0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑通過3 mm縫寬的壓差由3.2 MPa增大到4.2 MPa、增幅為31.3%，通過4 mm縫寬的壓差由2.6 MPa增大到3.6 MPa、增幅為38.5%。結(jié)果表明，暫堵劑的粒徑越大，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其通過割縫過濾件所需的壓差越大，通過性越差，因此優(yōu)先選用0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑配方方案。

2.2 地面試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)縫寬大于3 mm，暫堵劑通過性顯著增強(qiáng)。由于沒有可參照的標(biāo)準(zhǔn)及案例，故將3 mm作為該暫堵劑方案下的通過性臨界縫寬，以此通過地面試驗(yàn)加以驗(yàn)證。在地面測(cè)試了3種規(guī)格篩管，縫寬分別為2、3和4 mm，3種篩管其他參數(shù)為：縫長(zhǎng)200 mm，外徑88.9 mm，內(nèi)徑75.9 mm，長(zhǎng)度3 m，每圈割縫數(shù)6，縫間距100 mm，縫離篩管兩端0.2 m。地面測(cè)試得到3種縫寬下不同暫堵劑配方通過割縫的泵壓曲線，如圖8所示。割縫篩管割縫堵塞情況如圖9所示。地面試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律較符合。

圖8 暫堵劑通過性地面測(cè)試曲線Fig.8 Ground test curve of temporary blocking agent passability

圖9 地面試驗(yàn)各縫寬割縫篩管割縫堵塞情況Fig.9 Slot blocking status of slotted pipe with different slot widths in ground test

2.2.1 縫寬2 mm試驗(yàn)

測(cè)試2 mm縫寬割縫管，排量0.9 m3/min，暫堵劑配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%的纖維暫堵劑，測(cè)試壓力由0.43 MPa突然上升至3.36 MPa，說明割縫管出現(xiàn)了明顯的封堵；停泵后觀察割縫管縫口暫堵劑堵塞嚴(yán)重，人力無法插入1.5 mm厚的硬質(zhì)卡片。試驗(yàn)結(jié)果表明，2 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性很差，不適合現(xiàn)場(chǎng)暫堵酸壓使用。

2.2.2 縫寬3 mm試驗(yàn)

開始測(cè)試3 mm縫寬割縫管，排量為0.5 m3/min，暫堵劑配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的纖維暫堵劑，測(cè)試壓力平穩(wěn)保持在0.76 MPa左右，未出現(xiàn)壓力突變；提高排量至1.0 m3/min，增大纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，測(cè)試壓力平穩(wěn)保持在1.82 MPa左右，未出現(xiàn)壓力突變；保持排量1.0 m3/min，更換為0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，測(cè)試壓力仍平穩(wěn)保持在1.8 MPa左右，未出現(xiàn)壓力突變。停泵后割縫管縫口內(nèi)側(cè)無暫堵劑堵塞，表明在3 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性優(yōu)異，滿足現(xiàn)場(chǎng)暫堵酸壓的需求。

2.2.3 縫寬4 mm試驗(yàn)

開始測(cè)試4mm縫寬割縫管，排量0.5 m3/min，暫堵劑配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的0.25～0.85 mm顆粒型和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的纖維型，測(cè)試壓力保持在0.9 MPa左右，未出現(xiàn)壓力突變；提高排量至1.1 m3/min，增大纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)至1.5%，更換質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，測(cè)試壓力仍較平穩(wěn)保持在1.9 MPa左右，未出現(xiàn)壓力突變；停泵后割縫管縫口內(nèi)部無暫堵劑堵塞，表明4 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性優(yōu)異，滿足現(xiàn)場(chǎng)暫堵酸壓的需求。

3 割縫篩管參數(shù)優(yōu)選

3.1 割縫篩管阻塞系數(shù)計(jì)算模型

目前研究割縫表皮的學(xué)者較多[6，9-10]，由割縫堵塞產(chǎn)生的表皮系數(shù)模型表達(dá)式為[6]：

(1)

式中：m為割縫單元數(shù)，無因次；b為割縫的寬度，m；t1為縫內(nèi)堵塞深度，m；δ為割縫的穿透比，δ=ls/lu；ls為割縫的長(zhǎng)度，m；lu為割縫單元長(zhǎng)度，m；K1為縫內(nèi)堵塞物滲透率，μm2；K0為初始滲透率，μm2。

在相同的穩(wěn)定流流量條件下，用達(dá)西定律衡量真實(shí)壓降與理想壓降關(guān)系的參數(shù)。將室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得不含暫堵劑的混合液通過不同縫寬過濾件的壓差作為理想壓降Δp1。

定義壓力損失系數(shù)c(真實(shí)壓降與理想壓降的比值)，用來修正不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的暫堵劑在割縫里的阻塞深度。由室內(nèi)試驗(yàn)可知，暫堵劑混合液通過割縫會(huì)發(fā)生阻塞，解堵可以施以不同壓力，以獲得一定流量的兩端壓差作為暫堵劑通過篩管的真實(shí)壓降Δp，則有：

c=Δp/Δp1

(2)

用阻塞系數(shù)M來判斷篩管堵塞難易程度，它是指在相同的穩(wěn)定流流量情況下，用達(dá)西定律衡量真實(shí)壓降與理想壓降關(guān)系的參數(shù)。由此推導(dǎo)出割縫篩管阻塞系數(shù)：

(3)

阻塞系數(shù)M值越大，篩管發(fā)生堵塞可能性越大，暫堵劑通過性越差。

3.2 暫堵酸壓參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

室內(nèi)試驗(yàn)所用過濾件縫長(zhǎng)ls=20 mm，割縫單元長(zhǎng)lu=25 mm，割縫單元數(shù)m=4，割縫縫寬b分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5及4.0 mm。假設(shè)暫堵劑不含纖維時(shí)的堵塞深度為t=1 mm，本試驗(yàn)所用顆粒暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不大于1%，堵塞割縫的主要是纖維暫堵劑，與割縫內(nèi)的預(yù)堵塞物一致，則K1=K0。由式(3)計(jì)算得到割縫篩管的阻塞系數(shù)，形成暫堵酸壓參數(shù)優(yōu)選方案如圖10所示。

圖10 暫堵酸壓參數(shù)優(yōu)選方案Fig.10 Optimization scheme of temporary blocking acid fracturing parameters

阻塞系數(shù)為正值表示割縫發(fā)生堵塞，M=0表示未發(fā)生堵塞，阻塞系數(shù)越大，篩管堵塞程度越嚴(yán)重，暫堵劑通過性越差。由圖10可以看出：割縫篩管阻塞系數(shù)隨著縫寬增加而逐漸減小，纖維暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大阻塞系數(shù)越大，但縫寬大于臨界值3 mm時(shí)，不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)暫堵劑的阻塞系數(shù)變化趨于平衡，堵塞風(fēng)險(xiǎn)較??；根據(jù)割縫堵塞程度，阻塞系數(shù)存在一臨界值6.1，阻塞系數(shù)大于6.1，割縫堵塞程度較嚴(yán)重，暫堵劑無法通過；阻塞系數(shù)小于6.1，暫堵劑通過性良好，對(duì)應(yīng)的縫寬和暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為暫堵酸壓的參數(shù)優(yōu)選方案。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)酸化壓裂中暫堵劑堵塞篩管割縫的問題，開展了割縫篩管不同暫堵劑配方通過性室內(nèi)試驗(yàn)與地面驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明3 mm為順北常用暫堵劑配方通過割縫篩管的臨界縫寬值。

(2)建立了割縫篩管阻塞系數(shù)計(jì)算模型，以阻塞系數(shù)來區(qū)分不同暫堵劑配方通過割縫管的堵塞程度，當(dāng)阻塞系數(shù)大于6.1，割縫堵塞程度較大，暫堵劑無法通過，阻塞系數(shù)小于6.1時(shí)，暫堵劑通過性良好。

(3)通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到阻塞系數(shù)，形成了暫堵酸壓參數(shù)優(yōu)選方案，低于臨界值所對(duì)應(yīng)的縫寬和暫堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為暫堵酸壓的參數(shù)優(yōu)選方案。