轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)在陜北低滲透油田改造中的應(yīng)用——以 W46－48油井為例

劉 釗，楊詩湘，楊 剛，魚 磊

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

鄂爾多斯盆地西南部的W油田，構(gòu)造特征簡單，是典型的低孔低滲油藏，主力產(chǎn)層為延長組油層［1］。延長組厚度大約 400 ～ 1 400 m，儲(chǔ)層縱橫向變化大，巖性致密，物性差［2，3］。W油田目前已處于開發(fā)的后期，儲(chǔ)層含水量大，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的難度不斷增加，隨著開發(fā)年限和儲(chǔ)層改造次數(shù)的增加，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行單一大規(guī)模的常規(guī)壓裂已經(jīng)不能滿足油田提高采收率的目標(biāo)。因此，在 W油田46－48井，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工，取得了預(yù)期的效果。

1 轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂

低滲透油田由于儲(chǔ)層物性差，無良好的運(yùn)移通道，往往在開發(fā)的初期就要進(jìn)行儲(chǔ)層的壓裂改造，壓出一條高導(dǎo)流能力的人工裂縫［5］。此時(shí)裂縫的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍巖石的滲透率，裂縫周圍一定范圍的油氣就會(huì)通過裂縫運(yùn)移，從而提高油氣采收率。但是經(jīng)過一定時(shí)間的開采，由于地層壓力的降低以及其他一些因素的影響，如結(jié)蠟結(jié)垢堵塞原有裂縫，甚至原有裂縫閉合［5］，這時(shí)要對(duì)老裂縫進(jìn)行再次改造。為了控水增油，充分發(fā)揮油井的生產(chǎn)潛能，對(duì)老裂縫采取常規(guī)的重復(fù)壓裂措施已經(jīng)產(chǎn)生不了多大效果。因此，有必要對(duì)油井進(jìn)行轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)。

轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂新技術(shù)就是利用壓裂前置液攜帶化學(xué)暫堵劑進(jìn)入裂縫，化學(xué)暫堵劑是懸浮在前置液中的微小顆粒，其強(qiáng)度大于地層破裂壓力，顆粒較大的先沉降形成橋堵，增大流動(dòng)阻力，之后顆粒小的逐級(jí)沉降形成橋堵［6］，暫堵劑選擇性的堵住已有裂縫和射孔孔眼，然后采用定向射孔技術(shù)重新對(duì)地層進(jìn)行壓裂，由于壓力差的原因，新的裂縫沿著不同于原有裂縫的方向起裂和延伸［7］。在施工壓裂結(jié)束后，暫堵劑會(huì)溶解在地層水中，不會(huì)對(duì)地層造成污染［8］。

實(shí)施堵老縫(永久堵、暫時(shí)堵)壓新縫重復(fù)壓裂技術(shù)，這是真正意義上的重復(fù)壓裂概念。我們應(yīng)用的轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)就屬于這一范疇。其理想模型如下:

2 裂縫的形成與分布分析

利用壓裂液傳壓的原理，通過地面泵組及其輔助設(shè)備，以遠(yuǎn)大于地層吸收能力的注入速度，向地層注入有一定粘度的壓裂液，使井筒壓力升高，當(dāng)壓力升高到地層破裂壓力時(shí)，地層就會(huì)沿著垂直最小主應(yīng)力軸的方向發(fā)生破裂，一般情況是形成對(duì)稱于井眼的裂縫。由于初次壓裂后，地層內(nèi)部均一性發(fā)生變化，導(dǎo)致地應(yīng)力發(fā)生變化，但是轉(zhuǎn)向壓裂先向地層注入暫堵劑，基本可以使地層恢復(fù)均一壓力，普通重復(fù)壓裂技術(shù)沒有明顯破裂壓力點(diǎn)，所以它只是將老縫重新張開加人新的支撐劑，并未形成新的油氣滲流通道，效果較差;而轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)有明顯破裂壓力點(diǎn)且高于初次壓裂破裂壓力點(diǎn)，這說明實(shí)施過程中開啟了新的裂縫，而且措施增產(chǎn)效果明顯。對(duì)于井內(nèi)裂縫的起裂方位目前沒有明確的定論，但是普遍認(rèn)為形成裂縫的條件與地應(yīng)力及其分布，巖石的力學(xué)性質(zhì)，壓裂液的性質(zhì)及注入方式等密切相關(guān)。

圖1 重復(fù)壓裂裂縫方位隨時(shí)間變化俯視圖［4］

對(duì)于裂縫起裂方向、裂縫的延伸規(guī)律國內(nèi)外進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。付永強(qiáng)等基于線彈性斷裂力學(xué)結(jié)合巖石的抗拉破壞準(zhǔn)則，對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行分類，展開了不同構(gòu)造應(yīng)力場下斜井和水平井壓裂施工中破裂壓力及裂縫起裂方向研究。目前國內(nèi)外學(xué)者幾乎一致認(rèn)為，產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差是影響裂縫垂向延伸的主要因素，Cleary認(rèn)為產(chǎn)層與隔層之間的地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面強(qiáng)度以及裂縫中壓裂液的壓力分布和壓裂液的流變性等都會(huì)對(duì)裂縫垂向延伸產(chǎn)生重要的影響［9］。羅天雨、趙金洲等，根據(jù)射孔孔眼處的實(shí)際受力狀態(tài)建立了套管射孔斜井的破裂壓力計(jì)算模型，同時(shí)建立了斜井裂縫的總轉(zhuǎn)向角度的計(jì)算公式，用于判斷裂縫的總的轉(zhuǎn)向程度。

一般情況下，地下巖石由于埋藏在地下深處，所以承受著很厚的上覆巖層的重量，而且又受到鄰近巖石的擠壓，地層中的巖石處于壓應(yīng)力狀態(tài)，作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂向主應(yīng)力 σz，及水平主應(yīng)力 σx，σy。垂向主應(yīng)力 σz即該深度以上覆蓋地層所形成的壓力，用以下公式計(jì)算:

式中:H為油層深度;г為上覆巖層平均相對(duì)密度。

埋藏在地下深處的巖石，具有彈性與脆性。油層在形成裂縫時(shí)，首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)超過彈性限度后，油層才開始發(fā)生脆性斷裂。如果巖石單元是均質(zhì)的各向同性材料，當(dāng)已知地層中各應(yīng)力的大小，油層裂縫的形成即巖石破裂時(shí)，首先發(fā)生在垂直于巖石最小主應(yīng)力軸的方向或油層最薄弱的地方［15］。

3 選井選層

水力壓裂是通過向地層注入液體，使地層破裂，形成高滲流通道，從而增大有效泄油面積。壓裂施工有效與否的關(guān)鍵因素之一就是選井選層的合理性，很多油田都還憑借經(jīng)驗(yàn)選井選層，這對(duì)壓裂施工造成誤導(dǎo)，可能造成施工的失敗。因此，壓裂施工主要依據(jù)以下幾點(diǎn)進(jìn)行合理的選井選層:

(1)壓裂層段應(yīng)該具備一定的足夠的剩余可采儲(chǔ)量、地層壓力以及中低含水飽和度，這是壓裂取得良好效果的基礎(chǔ)［12，13］。

(2)地層系數(shù)不能太低。地層系數(shù)過低，即所謂的特低滲透層，此類儲(chǔ)層地層裂縫的導(dǎo)流能力低，壓裂后不能取得良好的效果:但是地層系數(shù)過高，即所謂的高滲透層，壓裂只能起到解堵的作用，因此選擇低滲透儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂最為合適。

(3)具有完整的注采井網(wǎng)，注水井對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層壓裂效果好。

(4)應(yīng)該選擇初次壓裂由于各種原因失敗的井，如早期發(fā)生端部脫砂、初次壓裂規(guī)模小、支撐劑破裂導(dǎo)致裂縫閉合、支撐劑分布不均等情況。

(5)井況良好的井，固井質(zhì)量好，套管完好，強(qiáng)度具備要求的井優(yōu)先考慮［14］。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 W 油田46－48井的生產(chǎn)狀況

W油田46－48井于2005年9月開鉆，歷時(shí)一個(gè)多月完鉆，該井有一定的傾斜角度，井深2 006 m，人工井底1 990 m，套管深度2 001.18 m，完鉆目的層是長7油層，固井質(zhì)量好，水泥返高448 m，套管出地高0.25 m。

該井于 2005年10月，爆燃?jí)毫淹懂a(chǎn)延 10層，孔段:1 354～1 356/2m，初產(chǎn):12 m3/38%，2010年3月該井出明水，擠封延10換采長4+5，孔段:1 815～1 818/3 m。投產(chǎn)后產(chǎn)量為5.5 m3/25%。目前該井產(chǎn)出情況為0.3 m3/13%，決定應(yīng)用裂縫方向控制劑暫堵老縫，重壓新縫，改善產(chǎn)液剖面，提高單井產(chǎn)能。

4.2 壓裂施工情況

表1 施工壓裂井段油層數(shù)據(jù)

在壓裂施工前置液前向底層中加入轉(zhuǎn)向控制劑，該劑是在地面在高溫高壓通過交聯(lián)反應(yīng)以及物理法的勢能活化得到的顆粒型堵劑，是化學(xué)反應(yīng)與物理勢能相互催化的復(fù)合體。在應(yīng)用時(shí)，顆粒隨液體遵循流體向阻力最小方向流動(dòng)的原則進(jìn)入炮眼和原裂縫后，在壓力差下獲得勢能后繼續(xù)反應(yīng)交聯(lián)，產(chǎn)生橋堵，可以形成40～80 Mpa的裂縫破裂壓力的壓差值，使后續(xù)工作液不能向原裂縫和高滲透帶進(jìn)入，從而壓裂液進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生新縫。產(chǎn)生橋堵的轉(zhuǎn)向劑雜施工完成后溶于底層水和壓裂液，不對(duì)原縫產(chǎn)生污染。

壓裂施工的方式:為使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向或壓開新縫開啟新層，根據(jù)軟件計(jì)算，結(jié)合射開油層情況分析得知裂縫方向控制劑用量為30.0 kg。在壓裂前置液前泵入裂縫延伸控制劑暫堵老縫，使老縫停止延伸，轉(zhuǎn)向開啟新縫，同時(shí)在前置液中加入相滲控制劑，控制壓開新縫的縫高，改善產(chǎn)液剖面，大大提高單井產(chǎn)能。本次施工層位是 W46－48井長4+5層，射孔段為:1 815～1 818/3m，破壓:28.4 Mpa，工作壓力:11～18 Mpa，砂量為:12.0 m3，排量:0.8 ～ 1.0 m3/min，停泵壓力:7.2 Mpa，總液量為:50.7 m3。

4.3 效果分析

2010年3月投產(chǎn)采長4+5，孔段:1 815～1 818/3m。投產(chǎn)后產(chǎn)量為5.5/25%。截止到2012年 6月，該井產(chǎn)狀 0.3/13%，日產(chǎn)液僅有:0.2 t，2012年7月1日對(duì) W46－48井實(shí)施轉(zhuǎn)向壓裂，壓裂后投產(chǎn)初期日產(chǎn)液為:16.4 m3，日產(chǎn)油:4.0 t，日增油:3.8 t，截止到 2012年 8月 25日該井日產(chǎn)液:2.2 m3，日產(chǎn)油:1.9 t，日增油:1.7 t，目前該井累計(jì)增油量為:98.8 t。

圖2 W46－48井實(shí)施轉(zhuǎn)向壓裂五十天的生產(chǎn)情況

5 結(jié)語

通過對(duì)w油田46－48井轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的應(yīng)用、施工參數(shù)和措施后產(chǎn)量跟蹤統(tǒng)計(jì)，可以得出以下結(jié)論:

(1)轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)中，轉(zhuǎn)向劑可以暫堵老縫，改變壓裂時(shí)的凈壓力，誘導(dǎo)新縫產(chǎn)生，從而使支撐劑在新縫中鋪置。

(2)在低滲油藏實(shí)施轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂是提高重復(fù)壓裂效果，改善低滲油藏開發(fā)效果的有效途徑。

(3)轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)是低滲透油藏注水受利益油區(qū)塊一種新型重復(fù)壓裂技術(shù)。

(4)對(duì)于W油田采油技術(shù)現(xiàn)狀，若采取先導(dǎo)試驗(yàn)，單井增油量可增產(chǎn)1噸以上。

(5)轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂的主要目的是實(shí)施裂縫轉(zhuǎn)向，啟動(dòng)新層，溝通新的未動(dòng)用油區(qū)，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果，該項(xiàng)技術(shù)不同于常規(guī)原段重復(fù)壓裂以增大規(guī)模為主要目標(biāo)，因此可相對(duì)降低壓裂規(guī)模，這為降低壓裂成本提供新的思路。

［1］南增祥，王素榮，姚衛(wèi)華.鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組長6一8特低滲透儲(chǔ)層微裂縫研究［J］.巖性油氣藏.2007，19(4):40一44.

［2］徐波，孫衛(wèi).姬塬油田長4+5砂巖儲(chǔ)層孔隙類型與成巖作用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版).2008，38(6):953 －958.

［3］李金超.鄂爾多斯盆地長4+5油層組沉積相特征及層序演化［D］.長安大學(xué).2005，9－13.

［4］曾雨辰.轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.西南石油學(xué)院.2005，31 －75.

［5］胡永全，林輝，趙金洲，等.重復(fù)壓裂技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè).2004，24，(3):72 －75.

［6］閆治濤.重復(fù)壓裂高效暫堵劑研制與評(píng)價(jià)［J］.中國工程科學(xué).2012，14，(4):20 －25.

［7］霍霏霏，王海軍，等.轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)在陜北低滲透油田的應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程.2011，25，(4):95 －97.

［8］張士誠.重復(fù)壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.世界石油工業(yè).1995，2，(7):39 －46.

［9］王繼波，胥元?jiǎng)?，張蔚紅.水平井壓裂機(jī)理研究進(jìn)展［J］.西部探礦工程.2010，2，80 －83.

［10］李培超.重復(fù)壓裂造縫機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào).2008，30，(12):1862－1865.

［11］羅天雨、趙金洲.水力壓裂橫向多裂縫延伸模型［J］.天然氣工業(yè).2007，27，(10):75 －78.

［12］蔣廷學(xué).影響重復(fù)壓裂效果的因素分析［J］.低滲透油氣田.1999 ，4，(3):64 －66.

［13］潘有軍，謝軍.“三低”油藏重復(fù)壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.吐哈油氣.2012，17，(1):90 －93.

［14］陳和平.重復(fù)壓裂技術(shù)在江漢低滲透油田的應(yīng)用［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào).2009，22，(2):45 －47.

［15］樓一珊，金業(yè)權(quán).巖石力學(xué)與石油工程［M］.北京:石油工業(yè)出版社.2006.