蘇良銀，龐鵬，達(dá)引朋，李向平，呂寶強(qiáng)，李轉(zhuǎn)紅

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018）

1 暫堵壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

老油田重復(fù)壓裂逐漸成為降低油田產(chǎn)量遞減速度、夯實(shí)穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)的進(jìn)攻性穩(wěn)產(chǎn)措施。但是隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，重復(fù)壓裂后含水率上升，單井日增油量也逐年降低，而且面臨后續(xù)選井困難等問(wèn)題。以鄂爾多斯盆地為代表的低滲透儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，注入水突破速度快，老縫主線上水洗程度高［1］，控水增油形勢(shì)嚴(yán)峻。為了提高單井日增油量，針對(duì)低滲透儲(chǔ)層天然微裂縫發(fā)育特征明顯［2-3］和兩向主應(yīng)力差值較?。?～5 MPa）的特點(diǎn)，且老井在經(jīng)歷初次改造和注入生產(chǎn)等影響后存在井筒附近發(fā)生應(yīng)力偏轉(zhuǎn)的可能性［4-8］，積極探索了裂縫暫堵重復(fù)壓裂改造工藝，在原有裂縫張開的同時(shí)，人為加入裂縫性暫堵劑，對(duì)其進(jìn)行暫堵，迫使縫內(nèi)靜壓力上升，開啟側(cè)向微裂縫，達(dá)到溝通側(cè)向剩余油、擴(kuò)大儲(chǔ)層改造波及范圍和提高單井采收率的目的［9］。

目前，在鄂爾多斯盆地某油田每年實(shí)施暫堵壓裂100 口井以上，平均單井日增油1.1 t，與常規(guī)重復(fù)改造措施相比，增油效果并不明顯。原因主要有：1）暫堵劑的加量憑主觀經(jīng)驗(yàn)確定，每米油層的加量一般為10～20 kg［10］，可控性差；2）暫堵劑優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)未考慮縫寬和縫高等關(guān)鍵裂縫參數(shù)；3）暫堵劑種類繁多，暫堵劑進(jìn)入裂縫后升壓不明顯，達(dá)不到開啟側(cè)向微裂縫的條件。由以往礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)看，從暫堵劑進(jìn)入裂縫開始，堆積至達(dá)到一定壓差阻力所需時(shí)間較短，縫內(nèi)暫堵主要發(fā)生在支撐裂縫縫口附近不遠(yuǎn)處（距縫口小于50 m），這也為縫口發(fā)生地應(yīng)力轉(zhuǎn)向后開啟側(cè)向縫創(chuàng)造了有利條件。

2 暫堵劑篩選

除炮眼暫堵壓裂外［11］，目前裂縫暫堵所用的暫堵劑主要有懸浮性堵劑、地下交聯(lián)型堵劑和地面顆粒型堵劑等。懸浮性堵劑易受紊流等作用影響，難以形成較大的壓差阻力；地下交聯(lián)型堵劑由于交聯(lián)不均勻，不易達(dá)到所需強(qiáng)度?？紤]降低儲(chǔ)層污染程度、提高返排效果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的普適性，筆者選用XZ-1 型油溶性暫堵劑為研究對(duì)象。

該暫堵劑的主要物理性能有：1）常溫下為固體顆粒，不受力時(shí)粒徑為5 mm，受力時(shí)呈現(xiàn)脆性破壞，平均粒徑3 mm，易泵送，20 ℃時(shí)視密度為1.41 g/cm3；2）進(jìn)入地層后，溫度超過(guò)37 ℃，轉(zhuǎn)向劑顆粒軟化，對(duì)支撐劑進(jìn)行包裹和橋接，增加凍膠黏度，提高封堵性能；3）在40 ℃煤油中的溶解時(shí)間少于65 min，施工完畢后，可迅速溶解排出，縮短對(duì)地層傷害的時(shí)間。

3 堵劑用量?jī)?yōu)化

為了提高暫堵效果，通常需要暫堵劑進(jìn)入裂縫后在儲(chǔ)層2 向水平應(yīng)力條件下形成一定的暫堵壓差，開啟側(cè)向微裂縫。假設(shè)忽略堵劑對(duì)儲(chǔ)層孔隙及裂縫端部的橋堵作用，且暫堵劑進(jìn)入裂縫后與支撐劑的混合物不完全充填縫高（否則易砂堵，造成施工失?。砂筒紟?kù)克關(guān)于支撐劑在裂縫高度上的分布規(guī)律（由下至上依次為沉降區(qū)、滾流區(qū)、懸浮區(qū)及無(wú)砂區(qū)）和平衡流速的相關(guān)定義［12-13］可知，該暫堵劑進(jìn)入裂縫后會(huì)發(fā)生一定的塑性變形，與支撐劑相互包裹和橋接，逐漸下沉堆積，當(dāng)達(dá)到一定的平衡高度和封堵距離時(shí)，則在縫口附近的堵劑兩端產(chǎn)生一定的暫堵壓力差。

暫堵平衡狀態(tài)時(shí)，暫堵兩端壁面上的剪切應(yīng)力為

根據(jù)湯姆斯阻力速度定義，剪切應(yīng)力計(jì)算公式為

平衡狀態(tài)下，由式（1）和式（2）可求得暫堵距離：

顆粒的阻力速度uweq可根據(jù)湯姆斯關(guān)于非牛頓流體阻力速度與自由沉降速度up的擬合關(guān)系式計(jì)算，公式為

up可用丹尼什公式［14］計(jì)算：

求出阻力速度uweq后，在已知平均縫寬和混合物密度ρsc的條件下，根據(jù)儲(chǔ)層條件設(shè)定一定暫堵附加壓差Δp，便可由式（3）求取暫堵距離ΔL。

同理，在不同流態(tài)下，根據(jù)阻力速度uweq與平衡流速ueq的關(guān)系式，可求取ueq，進(jìn)而求取平衡裂縫高度Heq：

暫堵裂縫體積（雙翼）用量計(jì)算公式為

根據(jù)暫堵劑在攜砂液中的等效砂質(zhì)量濃度ρz，便可求取暫堵劑質(zhì)量m：

ρz可以根據(jù)總混合物的密度ρsc求?。?/p>

根據(jù)天然微裂縫開啟條件，將需要達(dá)到的暫堵壓差代入式（3），便可求取暫堵距離，進(jìn)而計(jì)算出所需的暫堵劑用量。該方法巧妙地實(shí)現(xiàn)了平衡狀態(tài)下暫堵兩端的壓差到裂縫暫堵距離的轉(zhuǎn)化，消除了暫堵升壓設(shè)計(jì)的盲目性，提高了設(shè)計(jì)的針對(duì)性。

4 影響因素分析

為了實(shí)現(xiàn)低滲透儲(chǔ)層開啟側(cè)向天然微裂縫，要求加入暫堵劑后縫內(nèi)壓力上升5 MPa 以上。設(shè)定暫堵劑進(jìn)入裂縫后兩端附加壓差為7 MPa，根據(jù)前人研究成果和礦場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在砂比大于30%（混砂液密度1.30～1.40 g/cm3）時(shí)，同步加入暫堵劑，縫內(nèi)靜壓力上升較快［15］。同時(shí)，為了加強(qiáng)暫堵效果，采用8/16 目大粒徑支撐劑（粒徑1.2～2.4 mm），由式（1）—（7）可計(jì)算出裂縫暫堵距離和暫堵體積。在排量2 m3/min 條件下，對(duì)混合物密度、顆粒有效直徑和縫高等影響暫堵效果的參數(shù)進(jìn)行分析。

4．1 暫堵混合物密度

給定等效顆粒直徑5 mm、縫寬7.0 mm 和縫高17.0 m，可以看出，混合物密度對(duì)暫堵距離有一定影響，對(duì)暫堵體積基本沒(méi)有影響（見圖1）?；旌衔锩芏戎饕缮氨葲Q定，一旦確定了砂比，總混砂液密度就基本確定。而由于所選暫堵劑視密度小于支撐劑的視密度（3.30 g/cm3），在一定含砂條件下（550～600 kg/m3），加入暫堵劑的速度對(duì)混砂液的密度影響較弱。

圖1 混合物密度對(duì)暫堵效果的影響

4．2 堵劑顆粒有效直徑

在縫寬7.0 mm、縫高17.0 m 和混合物密度1.40 g/cm3的條件下，暫堵劑進(jìn)入裂縫后，其顆粒有效直徑的大小對(duì)暫堵效果影響較大（見圖2），而顆粒有效直徑在地層中的改變主要受地層溫度的影響。在深井高溫地層應(yīng)用時(shí)，暫堵劑進(jìn)入裂縫后，軟化速度快，通過(guò)與支撐劑的相互作用（包裹、橋接等），顆粒有效直徑增大至原有的2～3 倍，顯著增加了阻力速度，最終導(dǎo)致裂縫暫堵壓差增加；而淺井低溫地層情況則相反。這一現(xiàn)象也解釋了在深井地層中加入很少量的暫堵劑就能起到很好的暫堵效果，其主要原因在于地層溫度對(duì)暫堵劑軟化作用的速度和程度。

4．3 裂縫高度

由式（6）、（7）可看出，暫堵裂縫體積與裂縫平衡高度呈線性關(guān)系，在縫寬7.0 mm、混合物密度1.40 g/cm3和顆粒直徑5 mm 的條件下，兩者關(guān)系如圖3所示。對(duì)縱向上發(fā)育多層或無(wú)有效隔層的井，如果其縫高等關(guān)鍵裂縫參數(shù)在壓裂過(guò)程中不受控，則暫堵效果的可控性將變差。

圖2 顆粒有效直徑對(duì)暫堵效果的影響

圖3 裂縫高度對(duì)暫堵效果的影響

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

D45 井所在區(qū)塊油藏平均砂層厚度14.5 m，滲透率0.57×10-3μm2，孔隙度8.10%。儲(chǔ)層縱向上、平面上相對(duì)穩(wěn)定，層內(nèi)夾層較少；上下遮擋層以泥巖、凝灰質(zhì)泥巖為主，發(fā)育較好，厚度多在5 m 以上；儲(chǔ)、隔層應(yīng)力差為3～5 MPa，有利于控制裂縫在儲(chǔ)層內(nèi)延伸。對(duì)區(qū)塊新縫開啟應(yīng)力條件計(jì)算表明，當(dāng)縫內(nèi)凈壓力提高至5～7 MPa 以上，可實(shí)現(xiàn)新裂縫的開啟。

D45 井鉆遇砂體厚度16.9 m，油層厚度12 m，電測(cè)滲透率2.70×10-3μm2，孔隙度12.62%。2008年11月壓裂投產(chǎn)，初期改造加砂35 m3，砂比35.6%，排量2.2 m3/min，試油日產(chǎn)純油15.3 t；投產(chǎn)即低產(chǎn)，日產(chǎn)液少于1 m3。應(yīng)用Fracpro PT 三維模擬軟件對(duì)造縫階段（排量2.0 m3/min） 進(jìn)行模擬，得出裂縫關(guān)鍵參數(shù)： 縫高18.0 m，縫寬8.4 mm，裂縫半長(zhǎng)117 m。

該區(qū)塊儲(chǔ)層溫度為70～80 ℃，遠(yuǎn)大于暫堵劑軟化點(diǎn)40 ℃，暫堵劑進(jìn)入裂縫后軟化速度快，軟化后包裹、橋接支撐劑，使得支撐劑的有效顆粒直徑增加（取下限值）。由評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得出最終暫堵優(yōu)化結(jié)果為：總混合物密度1 343 kg/m3，縫中等效顆粒直徑5.5 mm，暫堵距離（單翼）21.4 m，暫堵裂縫體積（雙翼）6.1 m3，所需暫堵劑240 kg。

D45 井于2013年5月進(jìn)行暫堵壓裂，實(shí)際加入暫堵劑210 kg，加入前工作壓力為32 MPa，暫堵后最高壓力達(dá)到41 MPa，新縫開啟特征明顯（見圖4），改造后該井日產(chǎn)液4.07 m3，日產(chǎn)油2.7 t，日增油1.9 t，措施效果顯著。

圖4 D45 井重復(fù)改造暫堵階段施工曲線

6 結(jié)論

1）暫堵劑用量?jī)?yōu)化方法可進(jìn)一步提高低滲透油田暫堵壓裂升壓效果，具有一定的指導(dǎo)意義。

2）暫堵劑的加入速度對(duì)混砂液密度影響有限，而地層溫度直接影響暫堵劑的軟化速度，從而影響支撐劑有效直徑的大小，這是決定工藝成敗的關(guān)鍵因素。

3）在對(duì)單井暫堵劑用量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，選擇儲(chǔ)層單一并具有一定厚度隔層的生產(chǎn)井，應(yīng)用三維壓裂軟件對(duì)縫寬、縫高等重要參數(shù)進(jìn)行精確模擬，可以提高優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性和施工的可靠性。

7 符號(hào)注釋

τeq為剪切應(yīng)力，Pa；Δp 為暫堵兩端附加壓差，Pa；為平均縫寬，m；ΔL 為暫堵距離，m；uweq為阻力速度，m/s；ρsc為混合物總密度，g/cm3；up為自由沉降速度，m/s；dp為砂粒等效直徑，mm；ρs為支撐劑視密度，g/cm3；Rh為水力半徑，mm；μa為壓裂液視黏度，mPa·s；n 為流性指數(shù)；ρl為壓裂液密度，g/cm3；Ka為壓裂液在裂縫中的稠度系數(shù)，kg·sn/m2；ueq為平衡流速，m/s；Heq為平衡裂縫高度，m；Q 為地面泵注排量，m3/min；H 為裂縫高度，m；V 為暫堵裂縫體積（雙翼），m3；m 為暫堵劑質(zhì)量，kg；ρz為堵劑等效砂質(zhì)量濃度，kg/m3；ρp為支撐劑含砂質(zhì)量濃度，kg/m3。

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