化學(xué)膠塞在控制壓裂裂縫高度中的探索與應(yīng)用

呂振虎，外力·阿不力米提，鄔國(guó)棟，董景鋒，張鳳娟，鄭 苗

中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

水力壓裂中人工裂縫的高度控制是實(shí)現(xiàn)油氣層精準(zhǔn)改造的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]，人工裂縫在縱向上無(wú)控制的延伸，會(huì)影響壓裂液液體效率進(jìn)而影響裂縫導(dǎo)流能力和壓裂效果，在隔層含水情況下易壓開(kāi)水層導(dǎo)致單井含水暴增。因此控制人工裂縫高度在儲(chǔ)層內(nèi)的有效發(fā)育是水力壓裂能否成功的關(guān)鍵[3-4]，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了一系列人工裂縫高度控制方法。80年代初期，國(guó)外率先提出人工隔層控制裂縫高度的技術(shù)原理，在此基礎(chǔ)上，Braunlich[5]、何岱海[6]提出了采用密度較大的支撐劑有序鋪置在裂縫下部來(lái)控制人工裂縫向下延伸，Robert D.Barree[7]、盧修峰等人[8]研究了采用轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層控制壓裂裂縫垂向延伸的設(shè)計(jì)方法，郭大立等人[9]優(yōu)化了攜帶液與導(dǎo)向劑最優(yōu)組合，提出了遮擋層壓力降與導(dǎo)向劑砂比的擬合關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化裂縫高度控制參數(shù)，取得了較好的效果，D.G.Garcia等人[10]采用底部脫砂技術(shù)形成人工隔層，同時(shí)采用水抑制劑避免生產(chǎn)過(guò)程中的暴性水淹，Morales等人[11]開(kāi)展了不同施工參數(shù)與人工裂縫形態(tài)間的響應(yīng)關(guān)系，為壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了指導(dǎo)意義，黃榮尊[12]，劉蜀知[13]等人從巖石破裂機(jī)理出發(fā)，系統(tǒng)分析了地層巖石參數(shù)、壓裂液流變參數(shù)及施工參數(shù)與裂縫延伸規(guī)律的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人工裂縫高度發(fā)育狀態(tài)提供了理論依據(jù)。上述方法主要從壓裂材料與壓裂工藝兩個(gè)角度入手，采用被動(dòng)控制與主動(dòng)控住相結(jié)合的思路，實(shí)現(xiàn)人工裂縫高度發(fā)育形態(tài)的控制，但在人工隔層的形成中采用了轉(zhuǎn)向劑或高密度支撐劑，該類材料在進(jìn)入儲(chǔ)層后由于運(yùn)動(dòng)高度的不確定性，導(dǎo)致裂縫高度控制不確定性，同時(shí)由于高密度支撐劑在裂縫底部的非均勻鋪置，導(dǎo)致控制效果不佳。

為此，本文在上述研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展了化學(xué)膠塞控制裂縫高度形態(tài)發(fā)育技術(shù)，采用物理模型與數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)膠塞控制人工裂縫高度的可行性進(jìn)行了研究，明確了化學(xué)膠塞控制人工裂縫高度的基本性能要求。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了高黏化學(xué)膠塞，形成了化學(xué)膠塞控制裂縫高度的工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2井次，控縫高、延縫長(zhǎng)效果明顯，對(duì)底水油藏的高效動(dòng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 化學(xué)膠塞控制裂縫高度技術(shù)原理

化學(xué)膠塞控制裂縫高度其主要技術(shù)原理為：在壓裂前置液造縫結(jié)束后，注入高黏化學(xué)膠塞，停泵待注入高黏液體形成具有一定封堵能力的化學(xué)膠塞，從而實(shí)現(xiàn)縱向和橫向上人工裂縫和天然裂縫的暫時(shí)封堵，利用高黏液體的封堵與緩沖作用，控制裂縫高度形態(tài)，為后期低黏液體輸砂提供優(yōu)勢(shì)通道，使近井帶形成良好的裂縫形態(tài)，為裂縫平面延伸，降低壓裂液濾失，提高液體造縫效率創(chuàng)造有利條件?；瘜W(xué)膠塞控制裂縫高度原理示意圖如圖1所示。

圖1 化學(xué)膠塞控制裂縫高度原理示意圖

化學(xué)膠塞可實(shí)現(xiàn)人工裂縫高度和形態(tài)發(fā)育的控制，可有效解決以下3點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題：①儲(chǔ)層無(wú)遮擋層或遮擋層沒(méi)有足夠的強(qiáng)度和厚度時(shí)，避免裂縫穿透遮擋層，形成“頂天立地”式裂縫，導(dǎo)致液體造縫效率降低，有效改造體積減??；②隔層含水，避免人工裂縫溝通水層，導(dǎo)致壓后含水上升；③有效抑制近井帶天然微裂縫開(kāi)啟，控制裂縫延伸方向與延伸長(zhǎng)度，提高液體效率，降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 化學(xué)膠塞控制裂縫高度物理模型實(shí)驗(yàn)

采用可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，對(duì)不同黏度流體(低黏流體：50 mPa·s，高黏流體：1 000 mPa·s)，在高滲通道(0.15 cm)和低滲通道(1.5 cm)下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 采用多尺度可視化平板驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置

圖3、圖4分別為飽和水后注入1 PV低黏和高黏液體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，當(dāng)?shù)宛ひ后w通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，低滲和高滲通道中液體平行推進(jìn)，未出現(xiàn)明顯差異；注入1 PV高黏流體后，再注入低黏液體，由于高黏液體進(jìn)入低滲通道，將低滲通道填充，從而封堵窄縫，后續(xù)注入低黏液體基本沿寬縫指向推進(jìn)。表明在微裂縫發(fā)育儲(chǔ)層，高黏膠塞充填在天然裂縫的上下部位，為人工裂縫正常向前延伸、提高液體效率提供有利條件。

圖3 飽和水后注入1 PV低黏液體(50 mPa·s)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

圖4 飽和水后注入1 PV高黏液體(1 000 mPa·s)再注入低黏液體(50 mPa·s)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1.2 化學(xué)膠塞控制裂縫高度數(shù)值模擬

利用FracproPT模擬不同黏度下壓裂液對(duì)裂縫形態(tài)的影響。模擬排量3.5 m3/min，施工液量30 m3條件下，不同膠塞黏度下的裂縫形態(tài)變化。

圖5 不同黏度化學(xué)膠塞對(duì)縫長(zhǎng)/縫高的影響

從圖5模擬結(jié)果可以看出，隨著化學(xué)膠塞黏度的增加，縫高得到了有效控制，當(dāng)黏度超過(guò)2 000 mPa·s時(shí)，縫高控制程度變化不大，從膠塞黏度與裂縫縱向延伸規(guī)律來(lái)看，黏度低于1 000 mPa·s時(shí)控制縫高效果不佳，膠塞黏度介于1 000～2 000 mPa·s能夠控制裂縫縱向延伸的目的。

2 化學(xué)膠塞裂縫高度控制技術(shù)

2.1 化學(xué)膠塞制備方法

2.1.1 化學(xué)膠塞性能要求

根據(jù)壓裂施工與化學(xué)膠塞裂縫高度控制需求，化學(xué)膠塞應(yīng)具備以下性能：

(1)抗剪切性能。為保證化學(xué)膠塞具有良好的裂縫形態(tài)控制能力，結(jié)合FracproPT模擬結(jié)果，化學(xué)膠塞在充填裂縫初期初始黏度應(yīng)大于1 000 mPa·s，在170 s-1下剪切180 min后，黏度應(yīng)大于200 mPa·s，使膠塞在施工期間保持良好的韌性。

(2)穩(wěn)定性：儲(chǔ)層溫度條件下，壓裂施工期間，應(yīng)保持化學(xué)膠塞不水化破膠。

(3)緩交聯(lián)性能：化學(xué)膠塞應(yīng)具備一定的緩交聯(lián)性能，確保膠塞在進(jìn)入裂縫內(nèi)形成高黏凍膠，以降低施工摩阻。

(4)降解破膠性能：施工結(jié)束后2 h內(nèi)化學(xué)膠塞能夠降解，使膠塞充填部位裂縫閉合。

表1 化學(xué)膠塞黏度技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 化學(xué)膠塞的制備及性能評(píng)價(jià)

基于化學(xué)膠塞裂縫高度控制技術(shù)要求，為克服高黏膠塞交聯(lián)時(shí)間過(guò)快，導(dǎo)致膠塞在未到達(dá)裂縫內(nèi)時(shí)成膠，降低封堵效果，增大施工摩阻，同時(shí)為滿足膠塞在高溫剪切條件下的性能要求，形成了控制壓裂人工裂縫形態(tài)發(fā)育的化學(xué)膠塞，按質(zhì)量百分比組成配方為：瓜爾膠0.7%～1.2%、防膨劑0～0.5%、破乳劑0～0.5%、助排劑0.1%～0.5%、pH值調(diào)節(jié)劑0.01%～0.08%、交聯(lián)延緩劑0.005%～0.08%、破膠劑0.001%～0.08%、交聯(lián)劑0.3%～0.6%，配方中防膨劑、破乳劑、助排劑及破膠劑加量可根據(jù)儲(chǔ)層巖石礦物、原油特性及儲(chǔ)層溫度進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2.1 耐溫耐剪切性能

為滿足化學(xué)膠塞在高溫剪切下的性能要求，按照0.7%瓜爾膠+0.3%交聯(lián)劑+0.02% pH值調(diào)節(jié)劑配制高黏化學(xué)膠塞，采用哈克流變儀在100 ℃，170 s-1持續(xù)剪切90 min，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6為高黏化學(xué)膠塞在90℃條件下的耐溫耐剪切性能測(cè)試曲線，從圖6可以看出，瓜爾膠濃度為0.7%、交聯(lián)劑用量為0.35%時(shí)，膠塞在20 min內(nèi)剪切黏度大于1 000 mPa·s，90 min后最終黏度保持在650 mPa·s以上。

圖6 化學(xué)膠塞耐溫耐剪切曲線

2.1.2.2 緩交聯(lián)性能

為克服高黏膠塞交聯(lián)時(shí)間過(guò)快，導(dǎo)致膠塞在未到達(dá)裂縫內(nèi)時(shí)成膠，降低封堵效果，增大施工摩阻，篩選交聯(lián)延緩劑，測(cè)試不同交聯(lián)延緩劑加量下的膠塞成膠時(shí)間。

圖7 交聯(lián)延緩劑濃度與交聯(lián)時(shí)間關(guān)系圖

如圖7所示，交聯(lián)延緩劑的加入能有效延長(zhǎng)交聯(lián)時(shí)間，最佳加量范圍0.1%～0.2%，交聯(lián)時(shí)間在80～200 s，達(dá)到最終黏度時(shí)間為300～600 s。

2.1.2.3 破膠性能

為保障高黏化學(xué)膠塞對(duì)近井帶人工裂縫與天然裂縫的有效封堵，同時(shí)在壓裂施工結(jié)束后避免高黏化學(xué)膠塞對(duì)儲(chǔ)層的堵塞，在施工期間化學(xué)膠塞應(yīng)呈高強(qiáng)度凍膠狀態(tài)，施工膠塞后應(yīng)破膠水化，為此，開(kāi)展化學(xué)膠塞破膠水化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)膠塞黏度技術(shù)指標(biāo)

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制破膠時(shí)間有一定的難度，破膠劑量少可延長(zhǎng)破膠時(shí)間但返排過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)反膠現(xiàn)象，破膠劑加量過(guò)大，現(xiàn)場(chǎng)加料不好控制。推薦破膠劑加量為0.000 8%～0.001%。

2.2 化學(xué)膠塞裂縫高度控制技術(shù)工藝

根據(jù)化學(xué)膠塞控制裂縫高度原理及膠塞化學(xué)特性，確定了化學(xué)膠塞裂縫高度控制技術(shù)工藝(表3)：在施工過(guò)程中采用前置液造縫，為化學(xué)膠塞的有效注入提供通道；隨后低排量(0.8～2 m3/min)注入高黏度化學(xué)膠塞，使化學(xué)膠塞在縱向和橫向上充填裂縫；停泵待化學(xué)膠塞交聯(lián)形成強(qiáng)凍膠，實(shí)現(xiàn)對(duì)近井帶人工與天然裂縫的有效封堵后階梯提排量并注入低黏液體，使低黏液體突破高黏膠塞區(qū)域，由于化學(xué)膠塞的存在，限制了低黏液體在縱向上的流動(dòng)，階梯提排量達(dá)到設(shè)計(jì)排量后開(kāi)始主加砂，形成人工導(dǎo)流裂縫。為實(shí)現(xiàn)化學(xué)膠塞的有效封堵，膠塞用量通過(guò)式(1)計(jì)算：

V=α×V液量×K

(1)

式中：α—比例系數(shù)，一般取0.1～0.3；V液量—總液量，m3；K—前置液比例，%。

表3 化學(xué)膠塞控制裂縫高度施工工藝

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，化學(xué)膠塞控制裂縫高度技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2井次，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表4所示。

表4中B井目的層測(cè)錄井均解釋為油層，目的層上下均發(fā)育中—高角度天然裂縫，且2 810 m以下儲(chǔ)層含水。下部應(yīng)力遮擋1～3 MPa，巖性遮擋弱，裂縫易向下延展。綜合考慮，采用高黏膠塞技術(shù)控制縫高的延伸；累計(jì)使用高黏化學(xué)膠塞8 m3，注入支撐劑23 m3，施工曲線如圖8所示。

該井壓裂過(guò)程中控制規(guī)模，施工排量3.0～3.5 m3/min，總加砂23 m3，壓后井溫監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖9)，溫度變化井段2 740～2 790 m，裂縫上縫高在2 755 m附近，下縫高估算2 795 m。主力吸液井段2 765～2 790 m，裂縫高度25 m，未溝通底部水層，該井壓裂后日產(chǎn)油25.11 t，且不含水。

表4 試驗(yàn)井基本參數(shù)

圖8 化學(xué)膠塞施工曲線

圖9 壓后井溫監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

(1)采用物模與數(shù)模實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了化學(xué)膠塞對(duì)人工裂縫形態(tài)控制的可行性分析，結(jié)果表明，高黏度化學(xué)膠塞可實(shí)現(xiàn)裂縫高度的有效控制，當(dāng)黏度超過(guò)2 000 mPa·s時(shí)，縫高控制程度變化較小，低于1 000 mPa·s時(shí)控制縫高效果較差，黏度介于1 000～2 000 mPa·s有利于控制裂縫縱向延伸。

(2)結(jié)合物模與數(shù)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研發(fā)了控制裂縫形態(tài)發(fā)育的高黏化學(xué)膠塞，形成了100 ℃，170 s-1下剪切20 min內(nèi)黏度大于1 000 mPa·s，90 min后最終黏度保持在650 mPa·s以上，交聯(lián)時(shí)間5～10 min，破膠水化時(shí)間50～90 min可控的高黏化學(xué)膠塞體系配方。

(3)根據(jù)化學(xué)膠塞性能，形成了壓裂用化學(xué)膠塞控制裂縫高度施工工藝，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2井次，裂縫高度在縱向得到了有效控制，為裂縫含底水儲(chǔ)層的高效改造提供了技術(shù)支撐。