转向压裂技术的研究与应用.doc

转向压裂技术的研究与应用摘要 水力压裂技术是低渗透油气藏改造的主要措施，但经过水力压裂后的油气井，在生产过程中由于种种原因可能导致水力裂缝失效。对这类油气井很自然就会采取重复压裂措施以保证油藏稳产增产，提高油气采收率。正对重复压裂技术，研究开发出新的化学暂堵剂，可使流体在地层中发生转向，在裂缝转向技术、多裂缝压裂、有效缝长控制领域中得到了广泛的应用。关键词 低渗油藏 重复压裂 化学暂堵剂 转向压裂 前言水力压裂技术是低渗透油气藏改造的主要措施，但经过水力压裂后的油气井，在生产过程中由于种种原因可能导致水力裂缝失效。对这类油气井很自然就会采取重复压裂措施以保证油藏稳产增产，提高油气采收率。目前美国压裂井的近1/3为重复压裂井。基于对重复压裂方式的不同理解，目前国内外实施的重复压裂有两种方式：层内压出新裂缝。厚油层纵向上的非均质性，油层内见效程度不同，层内矛盾影响开发效果。可以通过补射非主力油层或对非均质厚油层重复压裂、或者压裂同井新层等措施改善出油剖面，从而取得很好的效果。延伸原有裂缝。油田开发过程中，由于压力、温度等环境条件的改变，引起原有压裂裂缝失效。这类井需要加砂重新撑开原有裂缝，穿透堵塞带就可以获得不同程度的效果。另外，压裂改造规模不够，或者裂缝导流能力低，这类井必须加大压裂规模继续延伸原有裂缝，或者提高砂量以增加裂缝导流能力。1 转向技术原理及理论分析1.1 技术原理压裂裂缝控制技术是应用化学暂堵剂使流体在地层中发生转向，在压裂中可以暂堵老缝或已加砂缝，从而造出新缝或使压裂砂在裂缝中均匀分布。主要作用有：纵向剖面的新层启动；重复压裂的平面上的裂缝转向；裂缝单向延伸的控制。可广泛应用于重复压裂、细分层压裂、套变井及落物井压裂。控制技术的实施方法是在施工过程中实时地向地层中加入化学暂堵剂，该剂为粘弹性的固体小颗粒，遵循流体向阻力最小方向流动的原则，转向剂颗粒进入井筒的炮眼，部分进入地层中的裂缝或高渗透层，在炮眼处和高渗透带产生滤饼桥堵，可以形成高于裂缝破裂压力的压差值,使后续工作液不能向裂缝和高渗透带进入，从而压裂液进入高应力区或新裂缝层，促使新缝的产生和支撑剂的铺置变化。产生桥堵的转向剂在施工完成后溶于地层水或压裂液，不对地层产生污染。针对不同储层特性、不同封堵控制的作用，经过拟合计算确定不同的有效用量。通过特殊工艺技术,可实现支撑剂均匀分布在裂缝中、控制裂缝延伸有效长度、实现多裂缝的形成、实现重复压裂裂缝转向等充分挖掘剩余油富集区域、调整注采关系的改造工艺技术。 1.2压裂裂缝转向理论分析重复压裂最为有效的措施是最大限度改造剩余油富集区，即重复压裂裂缝延伸方位与原裂缝发生一定角度的偏转，以提高油并的泄油面积，提高水驱波及系数，提高油藏的采出程度。原始应力场将随着油田的开发而发生变化，这对重复压裂能否产生新的裂缝将产生较大的影响。水力裂缝的延伸方向取决于地层应力状态，其几何形状还受地层岩石力学性质及施工参数控制，重复压裂产生的裂缝方向仍然取决于地应力状态，以及对原缝的封堵情况。一般来说，地下受到三个主应力的作用：垂向主应力si，两个水平主应力sX,sy，对于形成垂直裂缝的压裂作业，新的压开裂缝方位总是垂直于最小水平主应力，那么，重复压裂所形成的裂缝是在原有裂缝延伸，如果把原裂缝封堵后，是否还产生新的水力裂缝?油藏中形成一条水力裂缝，将导致一个椭圆形压降区。裂缝的椭圆形区域将产生双向附加应力，沿裂缝延伸方向附加应力远小于垂直裂缝壁面的附加应力。附加应力的增大将改变原应力场的状态。重复压裂形成的裂缝将会偏离于原来压裂所产生的裂缝方向。沟通了油层中非泄油区或低压降区，油藏中形成一条水力裂缝，将导致一个椭圆形压降区。裂缝的椭圆形区域将产生双向附加应力，沿裂缝延伸方向附加应力远小于垂直裂缝壁面的附加应力。附加应力的增大将改变原应力场的状态。重复压裂形成的裂缝将会偏离于原来压裂所产生的裂缝方向。沟通了油层中非泄油区或低压降区，这个区域大小水平应力的差值将发生变化。+10 MPa-+7 MPa-+3 MPa-0，诱导转向应力区(见图1)；0-3 MPa-一7 M Pa，自然转向应力区(见图2)。 如果重复压裂裂缝超过椭圆形泄油区的边界，裂缝延伸就可能顺应最初原始应力方向。然而，由于受裂缝生长惯性的影响，裂缝也可能沿着已经改变的裂缝方向继续生长较远。2 压裂转向剂的室内合成及评价2.1 材料与仪器有机单体（含有-SO3H和苯环侧基的烯烃），工业品；抗温材料，工业品；引发剂，工业品；氧化钠，工业品。2.2 聚合反应将有机单体溶于适量的水中,用适量的氢氧化钠将pH值调至要求值,然后加入抗温材料和引发剂，搅拌均匀后于50下反应68h，得到胶状产物；剪切、造粒、烘干得粒径为3-5mm的颗粒状产物（粒径可根据需要调整）。2.3 评价方法a、溶解速度称取样品分散于自来水中，按要求条件养护后置于筛网（孔径为0.1mm）上至无水滴下，称取吸液后样品的质量，按下式计算溶解速度。R= m2/m1，式中：m1、m2-分别为样品溶解前后的质量，gb、承压能力将样品用少量水喷涂挤压成饼，放入高压计量泵中，用清水打压，观察压力变化，记录最高压力。2.4 配方确定2.4.1有机单体加量对压裂转向剂性能影响 固定其他反应条件，考察有机单体对转向剂性能的影响，结果见表1。表1 有机单体加量的优选有机单体，g 室温2.5h溶解速度802.5 h溶解速度700.750.851000.840.901500.950.952001.01.0注：100g抗温材料+0.3%引发剂，评价用水为自来水。由表1可看出，随着有机单体的增加，室温下2.5h溶解速度从0.75到全溶，并且通过实验现象观察，转向剂强度逐渐变小，韧性逐渐增强，有机原料加量为100g-150g时，802.5h的效果较好，这说明有机单体能提供较好的溶解能力及韧性，但影响转向剂强度。2.4.2抗温材料加量的影响在有机单体剂等条件不变条件下，改变抗温材料的加量，评价转向剂性能变化，结果见表2。表2 抗温材料加量的优选抗温材料，g室温2.5h溶解速度802.5h溶解速度40溶解溶解700.950.971000.860.901500.750.80注：100g有机单体+10g化学联接剂+0.3%引发剂。从表2可看出，抗温材料加量从40g增加到150g时，转向剂的溶解呈下降趋势，但转向剂802.5h的强度和韧性呈增强趋势，这是由于抗温材料作为桥接材料通过物理、化学吸附作用与聚合物分子链之间桥接，形成均一稳定的三维网状骨架结构，随着抗温材料增加，三维骨架网格点大大增多，因而体系强度增大，溶解速度下降，热稳定性提高，根据现场压裂要求，抗温材料加量为70g-100g较好。2.4.3化学联接剂加量的影响固定其他反应条件，改变化学联结剂加量进行实验，结果见表3。表3 化学联接剂加量的优选联接剂，g室温2.5h溶解速度802.5 h溶解速度100.850.9050.900.9530.950.970 溶解溶解注：100g有机单体+100g抗温材料+0.1%交联剂+0.3%引发剂。从表3可看出，化学联接剂量由0增加到10g时，转向剂经802.5h溶解速率影响不大，但通过观察，转向剂的强度和韧性明显增强，实验结果表明化学联接剂最佳加量为5g-10g较好。2.4.4引发剂加量的影响在有机原料加量为100g，抗温材料加量为100g，化学联接剂加量为10 g，交联剂加量为0.1%条件下考察了引发剂加量对转向剂性能影响，结果见表4。表4 引发剂加量的优选引发剂，%室温2.5h溶解速度0.10.950.20.900.30.860.50.78由表4可看出，随引发剂加量的增加，转向剂室温溶解速率呈下降趋势，这是因为引发剂的用量直接影响到聚合物的相对分子质量和自交联度，加量太少，反应速度慢，自交联度小，转向剂溶解速度增加。1.4.6 转向剂在不同溶液中的溶解速度图3 小颗粒转向剂溶解曲线图4 大颗粒转向剂溶解曲线图3为小颗粒转向剂溶解曲线，图4为大颗粒转向剂溶解曲线。实验表明转向剂在水和10%HCL中溶解时间基本一致，小颗粒转向剂在压裂液中3.5h溶解完，大颗粒转向剂在压裂液中溶解完全需要5.5h，如果转向剂密集堆实，形成封堵层，溶解时间会更长，完全能够满足现场压裂时间调整。2.5突破压力试验突破压力试验，是采用通过人造充填岩心的方法，使用岩心流动试验仪来评价的。岩心使用压裂砂充填而成。充填后的岩心基本参数见表5。表5 试验岩心基本参数岩心编号岩心长度岩心直径注水压差平均水相渗透率（m2）015cm2.54cm0.128MPa2.66025cm2.54cm0.135MPa2.21035cm2.54cm0.147MPa1.93045cm2.54cm0.153MPa1.63055cm1.6cm0.137MPa2.03065cm1.6cm0.177MPa1.122.5.1 分散态突破压力测试试验分别测试了模拟压实后为5cm、1cm、0.5cm、0.7cm厚度的突破压力。样品的使用量采用计算体积的方法使用排开体积来计量的，用温度为80度压裂液浸泡3-5分钟后开始测试。试验使用01、02、03、04号岩心分别测定5cm、1cm、0.5cm、0.7cm厚度的突破压力。试验结果见表6。表6 分散态突破压力测试结果岩心编号01020304药品体积（cm3）35.347.073.535.39模拟厚度（cm）510.50.7突破压力（MPa）44MPa突破23MPa突破无0.7备注开始注入阶段有液体流出，流出50-60ml以后，完全封堵。基本没有形成封堵，读不出压力。有絮状物流出，没有构成封堵。从以上的实验结果可以看出，模拟压实后滤饼厚度1cm以上，其分散态药剂可以通过相互粘接形成封堵滤饼，其突破压力23MPa。模拟压实后滤饼厚度小于1cm，其分散态药剂不能有效形成封堵滤饼，并随着驱替不断溶解而流出。2.5.2 预制胶结态突破压力的测试从表7的实验结果可以看出，分散态的药剂由于其本身的颗粒性质在小于1cm的情况下不能够形成有效封堵，因此我们采用溶解后风干的方法，制成厚度为0.9cm和0.5cm厚度的药饼，并分别使用05、06号岩心进行了突破压力的测试，其结果见表7。表7 预制胶结态突破压力的测试岩心编号厚度（cm）突破压力（MPa）备 注050.923MPa 突破已经达到平流泵上限。060.512.3突破前只有少量的液体流出。从以上的实验数据可以看出，该药剂一旦形成滤饼后，突破压力就很高，滤饼厚度达到或超过0.9cm就很难突破。3 技术特点转向剂颗粒可进入井筒炮眼和地层中的裂缝或高渗透层，在炮眼处和高渗透带产生滤饼桥堵，使压裂液进入高应力区或新裂缝层，促使新缝的产生，转向剂在施工完成后溶于地层水或压裂液，不对地层产生污染，具有以下特点。 （1）强度高：具有很高的承压能力；（2）形成滤饼：在地层可以形成滤饼，封堵率高，封堵效果好；（3）可溶性好：在压裂液中可以完全溶解，不造成新的伤害；（4）有利于返排：内含含F表面活性剂，有利于助排；（5）方法操作简单：投入方法简单，不会给压裂设备带来新的负担；（6）时间可控：所需的压力和封堵时间，可以通过应用量剂大小、成分组成、颗粒大小控制。4 现场应用转向压裂技术2005年在中原油田文13-386等10口井井进行应用，取得较好的产油效果。4.1 文13-386井4.1.1施工简况该井于2005年1 月20日组织压裂施工，同时组织进行全过程裂缝监测。（1）小型压裂测试泵入活性水10m3冻胶20m3后，以5%的低砂比加入0.45-0.9mm的陶粒1.0m3，油管压力52.6MPa，加砂排量4.09m3/ min，顶替液16.5m3。（2）加入裂缝延伸控制剂按设计量70kg分两次从高压管汇中连续加入裂缝延伸控制剂，每次35kg，共计70kg，并将控制剂挤入井筒内。（3）正式压裂加入延伸控制剂后开始进入正式压裂阶段，泵入前置液140m3，破裂压力52.1MPa，正式加砂，加砂油管压力57.7MPa，比小型测试加砂压力高5.1MPa，加砂排量4.23m3/min。整个压裂过程中，调试好仪器后的套管压力由31.6MPa升至砂比为42%时的37.6MPa，曲线特征显示为典型的新裂缝在逐步延伸。由此可判断，延伸控制剂达到暂堵改向的目的；本次压裂共加砂40m3，最高砂比42%，平均砂比26.8%，顶替液16.5m3，停泵压力33MPa。压裂完成后关井扩散压力4小时后装4mm油嘴控制放喷。4.1.2压裂施工曲线图5 压裂施工曲线从施工曲线中可以看出：测试压裂时由于仪器调试不准，套压不能准确反映出破裂压力，校准压力仪表后，正式压裂时的套管压力由31.6MPa上升至37.6MPa，说明新缝一直在延伸。在主压裂时，套压有明显的破裂显示特征，说明有新缝开启。转向压裂前转向压裂后4.1.3裂缝监测结果及增产效果图6 转向压裂效果通过全过程裂缝监测显示，在水平方向上发生近33度的偏转，压前液量24.6t/d，油2.3t/d，压后初产液量130t/d，后稳在90-100t/d液量，油量12t/d以上，之后产油量稳定在6t/d以上，含水82%，初期日增油10t/d，有效期长达8个月，目前已累积增油836t。图7 压裂前后的产量曲线4.2文16294.2.1基本概况文16-29井是位于文16西块边部的一口滚动开发井，1998年元月压裂投产S3中7，井段：3311.9-3334.6m，11.8m/8n，破压50.8MPa，加陶粒12m3，压后5mm油嘴生产，初期日产液29.7t/d，日产油27.8t/d，含水2.7%，自喷7个月后，下44泵转抽，后由于能量下降先后换38和32小泵深抽，动液面一直在2200m以下，地层压力只有15.01MPa，2001年9月由于能量不足封井，关井前累计产油1.27*104t，累计产水0.36*104t，累计产气252.97*104m3。4.2.2 压裂分析2005年分析该井有转向重复压裂扶躺的潜力：该井位于独立断缝内，控制含油面积比较大（0.11Km2），油层厚度大（12m），S3中7油层控制地质储量8.2*104t，测算关井前采出程度只有15.5%，还有一定数量的可采储量可以挖潜；初次压裂加砂规模小，存在改造不彻底的问题； 已经关井4年时间，井底地层压力得到一定程度的恢复。4.2.3压裂施工2005年9月15日对该井实施卡封压裂S3中7扶躺，破压56.2MPa，加入转向药剂36Kg，加陶粒砂25m3，排液后下入38泵生产，初期日产液29t/d，日产油13t/d，含水55%，目前日产油量稳定在10t/d以上，压裂扶躺后已累计增油量1476t。表8 压裂施工的基本参数表井号文1629停泵压力18.5 MPa施工日期2005915一般排量4.2m3/min压裂车组H-2000平均砂比27.8 井段3301.9-3334.6转向剂用量45kg压裂方式卡封、合压压裂液名称GRA支撑剂名称规范陶粒 0.45-0.9胶联剂类型TCB-1活性水用量（设计）10 m3胶联比100：0.5