王 維，王賢君，唐鵬飛，張 浩，顧明勇，張洪濤

（中國石油大慶油田分公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

大慶油田外圍葡萄花儲層具有豐度低、低孔低滲、薄互發(fā)育等特點，常規(guī)射孔完井難以實現(xiàn)有效動用。前期采用水平井分段壓裂投產(chǎn)取得了較好的效果，但隨著生產(chǎn)時間的延長，受儲層物性、初次改造不充分及注采關(guān)系難以建立等影響，產(chǎn)量逐漸降低，目前低產(chǎn)井比例較高，急需通過重復(fù)壓裂來提高單井產(chǎn)量[1–3]。

綜合考慮水平井儲層物性、初次壓裂施工參數(shù)、固井質(zhì)量等因素，以分析其低產(chǎn)失效原因，確定了兩類水平井需要通過暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工來提高單井產(chǎn)量。第一類水平井的水平段井筒方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，人工裂縫與井筒方向夾角較小，往往不超過30°，從而導(dǎo)致裂縫所能控制的泄油面積較小。該類井如采取單一的加大規(guī)模重壓老縫，老縫能延伸但其控制面積相對較小，而采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，在裂縫遠(yuǎn)端泵入暫堵劑，促使裂縫轉(zhuǎn)向產(chǎn)生新縫[3–5]，可溝通新的未被動用泄油區(qū)[6]，提高其泄油面積。第二類水平井因固井質(zhì)量或其他原因，無法下入井下工具進(jìn)行機(jī)械封隔，只能進(jìn)行籠統(tǒng)改造，存在部分層段未被充分改造，影響水平井產(chǎn)能。針對該類井，可采用全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，通過泵入不同粒徑組合的暫堵劑（其中，大粒徑負(fù)責(zé)架橋，小粒徑負(fù)責(zé)充填），在裂縫近端和炮眼處形成橋堵。橋堵形成后，井筒內(nèi)凈壓力提高，促使段內(nèi)其余裂縫起裂，從而實現(xiàn)分段改造。

1 暫堵劑優(yōu)選及暫堵轉(zhuǎn)向施工參數(shù)優(yōu)化

針對不同暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝技術(shù)，開展了封堵強(qiáng)度和返排能力評價實驗，結(jié)合暫堵劑性能參數(shù)和大慶油田低滲透水平井初次壓裂施工參數(shù)，形成暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。

1.1 暫堵劑優(yōu)選

優(yōu)選暫堵劑時主要考慮暫堵劑兩方面的性能，一是暫堵劑是否堵得住，即評價暫堵劑的封堵強(qiáng)度；二是暫堵劑能否解得開，即評價暫堵劑在排出時其解堵能力。

封堵強(qiáng)度主要通過測試暫堵劑在裂縫中與支撐劑混合后其承壓能力來進(jìn)行評價。采用導(dǎo)流能力測試裝置，首先測試模擬地層條件下石英砂鋪置原始滲透率，然后將暫堵劑和石英砂混合填入導(dǎo)流室內(nèi)，采用逐級加壓的方式進(jìn)行驅(qū)替，測試其能承受的最大壓力。解堵能力是在封堵強(qiáng)度實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行反向驅(qū)替，測試驅(qū)替后滲透率值，并計算其與原始滲透率比值得到解堵率，以此來評價其滲透率恢復(fù)情況。

共對10 種單一粒徑水溶型暫堵劑進(jìn)行了實驗評價，測定其最大承受壓力和解堵率（圖1）。從圖1 可以看出，1.0 mm 單一粒徑條件下，DCF–1 顆粒型暫堵劑具有良好的封堵性能與解堵性能，可降解纖維的封堵能力較低，但具有最優(yōu)的解堵性能。共對7 種混合粒徑（3.0 mm 與0.5 mm 混合）水溶型暫堵劑進(jìn)行了實驗評價，測定了其最大承受壓力和解堵率（圖2）。從圖2 可以看出，混合粒徑條件下DCF–1 顆粒型暫堵劑具有良好的封堵性能與解堵性能。

圖1 單一粒徑暫堵劑性能實驗評價

根據(jù)實驗結(jié)果，確定了不同暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)的暫堵劑使用原則：①水平井縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂優(yōu)先選擇1.0 mm 單一粒徑的DCF–1 型暫堵劑，當(dāng)兩向應(yīng)力差較小時（小于6 MPa），可優(yōu)先選擇纖維暫堵劑；②水平井全井多級暫堵轉(zhuǎn)向優(yōu)先選擇3.0 mm與0.5 mm 不同粒徑組合的DCF–1 型暫堵劑。

1.2 暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

1.2.1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂

圖2 混合粒徑暫堵劑性能實驗評價

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂主要優(yōu)化暫堵劑用量和暫堵轉(zhuǎn)向起裂位置，結(jié)合縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂原理，建立了縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂物理模型（圖3）。根據(jù)裂縫尖端效應(yīng)，預(yù)計裂縫壁面將產(chǎn)生兩個薄弱點O1和O2，分析裂縫壁面受力情況及其起裂點位置。裂縫壁面的受力為初次壓裂人工裂縫延伸產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力、初次壓裂投產(chǎn)后地層孔隙壓力變化產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力和原地應(yīng)力三者的疊加[7–14]。

裂縫壁面任意一點的應(yīng)力分布：

圖3 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂物理模型

式中：xσ 、yσ 、xyσ 為x 和y 坐標(biāo)下正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量，MPa；Hσ 、hσ 分別為水平方向上最大地應(yīng)力和最小地應(yīng)力，MPa；I1,K O 、I2,K O 分別為1O和2O 端巖石的應(yīng)力強(qiáng)度因子，無量綱；1Oθ 、2Oθ 為裂縫面上的點分別到水力裂縫尖端1O 與 2O 的連線與最大水平主應(yīng)力方向的夾角，rad；1Or 、2Or 為裂縫面上的點分別到水力裂縫尖端1O 與2O 的距離，m；v 為儲層巖石泊松比，無因次；α 為Biot 多孔彈性系數(shù)，無因次；pp 為當(dāng)前地層壓力，MPa；ep 為原始地層壓力，MPa。

水力裂縫壁面任意一點處的最大主應(yīng)力為（拉為正，壓為負(fù)）：

式中：1σ 為水力裂縫壁面任意一點處的最大主應(yīng)力，MPa。

縫內(nèi)新縫起裂準(zhǔn)則應(yīng)用最大張應(yīng)力準(zhǔn)則，為最大主應(yīng)力不小于巖石的抗張強(qiáng)度（T0），10Tσ≥ 。將大慶油田外圍低滲透水平井典型參數(shù)代入上述公式，計算結(jié)果表明，裂縫壁面的最大主應(yīng)力僅在暫堵位置O1處大于巖石抗張強(qiáng)度，即僅在O1處暫堵起裂形成新縫。

考慮到暫堵劑進(jìn)入裂縫后不會完全充填縫高，在進(jìn)行實驗和真實施工轉(zhuǎn)換中用參考系數(shù)k 來表征暫堵劑充填不完全的情況[15]。根據(jù)幾何相似原理，利用室內(nèi)實驗測得的暫堵劑性能參數(shù)，計算目的層段的裂縫所需的封堵段長度。計算公式如下：

綜合考慮地層壓力對原地應(yīng)力場的改變，其中轉(zhuǎn)向壓力為：

式中：netp 為裂縫內(nèi)凈壓力，MPa。

單縫內(nèi)暫堵劑用量體積為：

式中：Vzdj為暫堵劑的用量，m3。

1.2.2 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂優(yōu)化設(shè)計的核心是單段暫堵劑用量的優(yōu)化。根據(jù)大慶油田外圍低滲透水平井初次壓裂施工曲線，得到水平井開孔率一般為40%～50%，再根據(jù)全井已射孔數(shù)計算總的開孔數(shù)。根據(jù)限流壓裂經(jīng)驗，壓裂維持每個射孔炮眼開啟需0.3～0.4 m3/min，結(jié)合工藝管柱和液體沿程摩阻，確定主壓裂施工排量，并由此確定每段主壓裂施工開啟炮眼數(shù)。其中單孔暫堵劑用量設(shè)計為4～7 kg，可確定每段暫堵劑的最終用量。

2 水平井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)配套

2.1 暫堵劑擠注測試

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向施工前，以低排量1～2 m3/min 泵入少量暫堵劑，觀察暫堵劑到達(dá)裂縫位置后壓力的變化，根據(jù)壓力變化情況，調(diào)整暫堵劑用量。當(dāng)暫堵劑到達(dá)后無明顯轉(zhuǎn)向壓力顯示時，適當(dāng)提高泵注排量，確認(rèn)是否有裂縫張開；如果仍無法確認(rèn)轉(zhuǎn)向響應(yīng)，可重新泵注暫堵劑，若仍無壓力顯示，可增加泵入暫堵劑測試用量。當(dāng)壓力反應(yīng)強(qiáng)烈時，頂替暫堵劑，根據(jù)現(xiàn)場情況降低設(shè)計暫堵劑用量。擠注測試時應(yīng)采用少量多次的方式加入，依此判斷地層對暫堵劑的敏感程度。

2.2 升降排量測試

針對全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂，主壓裂施工前開展升降排量測試，根據(jù)施工壓力變化及沿程摩阻，計算不同施工排量條件下有效吸液孔數(shù)[16]，根據(jù)有效吸液孔數(shù)及時調(diào)整暫堵劑用量。

孔縫摩阻計算公式為：

式中：式中：pPΔ 為射孔炮眼摩阻，MPa；cP 為不同排量條件下的測試泵壓，MPa；tP 為停泵壓力，MPa；lP 為沿程摩阻，MPa。

有效吸液孔數(shù)計算公式為：

式中：q 為施工排量，m3/min；ρ 為壓裂液密度，kg/m3；n 為有效吸液孔數(shù)；D 為射孔炮眼直徑，mm；a 為孔眼流量系數(shù)，取值0.56～0.89。

2.3 配套管柱

針對縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向和全井多級暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，分別配套了雙封單卡壓裂工藝管柱和大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。其中縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂主要配套雙封單卡壓裂工藝管柱，該工藝管柱要求水平井段固井質(zhì)量良好，防止竄槽。雙封單卡壓裂工藝管柱主要由兩個擴(kuò)張式封隔器、水力錨、導(dǎo)壓噴砂器等組成（圖4）。在壓裂施工時，兩個封隔器對目標(biāo)段進(jìn)行封隔，利用導(dǎo)壓噴砂器產(chǎn)生的節(jié)流壓差使封隔器坐封，對目標(biāo)層段進(jìn)行壓裂，縫內(nèi)暫堵劑通過油管進(jìn)入主縫內(nèi)，每段壓裂施工完成后先進(jìn)行返洗，防止井筒內(nèi)沉砂，然后上提并對下一段進(jìn)行封隔。

圖4 雙封單卡壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)

全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂主要配套大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。水平井全井固井質(zhì)量好，且井身結(jié)構(gòu)完整，可以采用套管壓裂進(jìn)行全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂；水平井井筒固井質(zhì)量差或者存在漏點等原因?qū)е戮斫Y(jié)構(gòu)不完整，從而無法采用套管壓裂時，可采用大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱。該工藝管柱由壓縮式封隔器、噴嘴、水力錨等組成（圖5）。在直井段下入封隔器進(jìn)行坐封，壓裂液從直井段油管和水平段套管進(jìn)入目標(biāo)位置，遵循自然選擇原則進(jìn)入低應(yīng)力位置裂縫，完成加砂和替擠后再投入暫堵劑，在炮眼處形成橋堵，然后再開始下一段的壓裂施工，依次完成全井各段施工。

圖5 大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗

以A 井為例，初次壓裂采用雙封單卡工藝管柱分段壓裂后投產(chǎn)，根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合井筒方位角判斷井筒方向與人工裂縫夾角為10°左右，裂縫控制面積小，為典型的縱向縫水平井。該井初次壓裂共完成6 段壓裂施工，壓后初期產(chǎn)油5.0 t。重復(fù)壓裂采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向與老縫加大規(guī)模間隔交互的方式，老縫加大規(guī)模壓裂3 段，老縫縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂3 段，在防止縫間溝通的情況下盡可能增大裂縫泄油面積。該井目前最小水平主應(yīng)力為25 MPa，優(yōu)選纖維暫堵劑，根據(jù)式（5）和式（6），計算加入量為150 kg，在高砂比階段加入。A 井全井固井質(zhì)量優(yōu)良，因此配套管柱優(yōu)選雙封單卡壓裂工藝管柱?，F(xiàn)場完成設(shè)計6 段的壓裂施工，每段壓裂施工纖維加入量為150～180 kg。纖維暫堵劑進(jìn)入裂縫后，地面施工壓力上升了3～6 MPa，封堵效果明顯。重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油由壓前的1.6 t 提高至6.6 t。

在研究區(qū)共開展縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗7 口井，地面施工壓力平均上升3.3 MPa，重復(fù)壓裂前平均單井日產(chǎn)油1.2 t，暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂后，初期平均單井日產(chǎn)油4.9 t。

3.2 全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗

以B 井為例，初次壓裂時由于固井質(zhì)量差發(fā)生套竄，先后采用雙封單卡及水力噴射工藝均未能成功分段壓裂，后采用籠統(tǒng)限流壓裂對全井段進(jìn)行改造。根據(jù)區(qū)塊鄰井及本井初次壓裂開孔率，預(yù)計本井重復(fù)壓裂改造孔數(shù)為140 孔。重復(fù)壓裂時采用全井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝，直井段為J55 鋼級套管，采用大規(guī)模單卡壓裂工藝管柱，優(yōu)化施工排量為6.0～8.0 m3/min，可維持25 孔開啟，優(yōu)化重復(fù)壓裂6段，進(jìn)行5 級轉(zhuǎn)向?，F(xiàn)場完成設(shè)計6 段施工后，轉(zhuǎn)向5 級，在1.5 m3/min 排量條件下，暫堵劑到達(dá)炮眼時壓力上升1.3～16.5 MPa，且各段主壓裂的壓力特征和壓后停泵壓力均不一致，這表明通過暫堵轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)了分段改造。

在研究區(qū)共開展全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場試驗2 口井，重復(fù)壓裂前平均單井日產(chǎn)油1.5 t，重復(fù)壓裂后，初期平均單井日產(chǎn)油4.5 t。全井多級暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂工藝實現(xiàn)了該類井的分段改造，有效提高了單井產(chǎn)量。

4 結(jié)論

（1）人工裂縫與井筒夾角較小和固井質(zhì)量差，無法分段壓裂兩種類型水平井，確定了縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向及全井多級暫堵轉(zhuǎn)向兩種重復(fù)壓裂措施，優(yōu)選了兩種措施用暫堵劑，優(yōu)化了重復(fù)壓裂施工參數(shù)，形成了相應(yīng)的壓裂前暫堵劑擠注測試和升降排量測試兩種暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂現(xiàn)場施工控制方法。

（2）研制了雙封單卡分段壓裂工藝和大規(guī)模單卡壓裂工藝兩種重復(fù)壓裂配套工藝管柱，能滿足水平井暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工需求。