2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710018;
3. 中石油煤层气有限责任公司, 北京 100011
2. National Engineering Laboratory of Low-Permeability Oil & Gas Fields Exploration and Development, Xi'an, Shaanxi, 710018, China;
3. PetroChina Coalbed Methane Co. Ltd., Beijing, 100011, China
低产油气井压裂改造开采一段时间后, 压裂裂缝逐渐失效, 导致油气井产量降低, 为了提高单井产量, 需要采用重复压裂技术再次进行储层改造[1-7]。国内外重复压裂的方式主要有2种:重新张开原裂缝和裂缝转向压裂。其中, 裂缝转向压裂技术能够有效增大泄流面积, 增产效果显著, 在老油田剩余油动用、低产井增产方面应用较广。Dowell公司的模拟试验研究表明, 初次压裂裂缝(简称初次裂缝)改变了井眼附近的应力场, 新裂缝将在垂直于初次裂缝的方位起裂, 延伸一定距离发生转向, 与初次裂缝平行延伸; Chevron公司重复压裂现场测试结果表明, 新裂缝方位在初次裂缝方位上偏离30°[8]; 国内的大庆、胜利、长庆等油田广泛开展了老油井裂缝转向压裂施工作业, 从裂缝监测和改造效果方面证实了裂缝转向压裂的可行性[3-4]。但随着裂缝转向压裂技术的不断发展, 现场压裂施工存在转向剂加入后裂缝转向迹象不明显、转向成功率低和施工工艺不完善等问题[9-12]。为此, 笔者进行了低产油气井裂缝转向重复压裂技术研究, 提出了强制裂缝转向工艺新思路, 自主研发了水溶性转向剂, 优化了强制裂缝转向重复压裂施工工艺, 提高了裂缝转向压裂的成功率和有效率, 并在3口井进行了现场试验, 取得了较好的增产效果。
1 重复压裂技术原理及存在问题低产油气井初次压裂后, 地应力状态受原地应力、人工裂缝诱导应力场及地层压力诱导应力场等因素影响[13-16]。重复压裂过程中, 压开的初次裂缝周围会产生诱导应力场, 其与原地应力场共同作用, 在局部形成协同应力场。在这个协同应力场中, 应力会在井筒和初次裂缝周围的椭圆形区域内二次定向[17-18], 水平方向应力随地层压力下降而降低, 且最大水平主应力下降幅度比最小水平主应力大。因此, 地应力发生变化后, 当原始最小水平主应力大于最大水平主应力时, 重复压裂裂缝就可能发生转向。
强制裂缝转向重复压裂技术是在重复压裂时应用化学转向剂对初次裂缝进行暂堵, 当缝内净压力超过水平方向应力差时, 裂缝发生转向, 形成新的裂缝, 在油气层中形成新的油气流通道; 对新缝进行改造, 可以沟通、动用剩余油气富集区和动用程度低甚至未动用的储层, 实现低产油气井增产的目的(见图 1)。
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| 图 1 裂缝转向重复压裂裂缝转向示意 Fig.1 Diagram of fracture re-orientation |
随着裂缝转向压裂技术的不断发展, 形成了多缝转向压裂、暂堵体积压裂和暂堵酸压等重复压裂技术, 并取得了显著的增产效果。但是转向剂采用传统的人工加入方式, 加入速度依靠个人经验控制。若转向剂加入速度过慢, 未在原裂缝内形成桥堵, 井口压力无升高迹象; 若转向剂加入速度过快, 会造成砂堵, 导致施工不连续。
2 强制裂缝转向压裂技术在分析常规转向压裂技术存在问题的基础上, 以提高裂缝转向成功率为目标, 优化了裂缝转向压裂施工工艺, 研制了水溶性转向剂, 形成了强制裂缝转向压裂技术。
2.1 工艺原理强制裂缝转向压裂首先通过计算重复压裂目的层最大和最小水平主应力差, 确定能够满足裂缝转向所需的最高限定压力。压裂过程中在前置液阶段开启初次裂缝后加入水溶性转向剂, 转向剂在裂缝或近井地带堆积桥堵产生升压效应[19-22], 直至井口压力达到限定最高压力后停泵, 随后通过多次启泵, 瞬间提高缝内压力达到新裂缝开启所需的压力, 强制裂缝转向, 从而形成新的油气流通道。
2.2 水溶性转向剂常规油井用转向剂是以石蜡、松香为骨架形成的颗粒材料, 遇油后溶解, 能够满足常规油井转向压裂要求, 但不适用于气井。结合强制裂缝转向压裂工艺特点, 以水溶性树脂和天然植物胶等为原料, 研制了一种适用于气井低温条件(地层温度小于70 ℃)的组合粒径颗粒水溶性转向剂ZJ-1。ZJ-1的体积密度0.90~1.00 g/cm3, 视密度1.05~1.15 g/cm3, 软化温度50 ℃, 65 ℃下溶解时间为183 min, 水不溶物0.15%, 突破压力可达13.8 MPa, 较常规油气层水平方向应力差高, 能够满足裂缝转向的承压要求。
转向剂ZJ-1具有以下特点:1)常温条件下具有一定强度, 不粘泵、易于泵送; 2)地层温度下可产生变形, 且变形后有一定承压强度, 具有塑性特征; 3)可在压裂液或破胶液中溶解, 排液过程中转向剂易解除。
2.3 压裂液优选室内评价试验结果表明, 水溶性转向剂ZJ-1与瓜胶压裂液、聚合物压裂液及清洁压裂液等常用压裂液的配伍性好, 水不溶物含量低, 对储层伤害小。因此, 主要考虑施工区块的储层地质特征来优选压裂液。
2.4 压裂施工参数优化强制裂缝转向重复压裂技术适用性强, 能够适用于低产油气井重复压裂的各种工艺。单井压裂施工参数应根据储层物性条件和人工裂缝最佳长度所需的施工规模、排量等确定。裂缝转向的关键是确定满足裂缝转向所需的限定最高压力, 其可以根据目的层最大和最小水平主应力差、设计施工排量下裂缝延伸压力和附加安全压力求取, 计算公式为:
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(1) |
式中:pl为裂缝转向所需的施工限定最高压力, MPa; pe为裂缝延伸压力, MPa; σx和σy分别为最大、最小水平主应力, MPa; pb为附加安全压力, MPa。
2.5 施工流程强制裂缝转向压裂的施工流程为:
1) 根据岩石力学参数计算目的层的最大和最小水平主应力差, 结合初次裂缝延伸压力, 确定满足裂缝转向所需的限定最高压力;
2) 前置液阶段注入压裂液开启初次裂缝;
3) 降低压裂液注入排量, 加入水溶性转向剂ZJ-1, 转向剂产生桥堵作用在老缝内形成憋压, 直至井口施工压力达到裂缝转向所需的施工限定最高压力, 压裂机组停泵;
4) 反复启停泵, 脉冲式泵入压裂液, 在裂缝内反复憋压, 裂缝内净压力大于最大和最小水平主应力差时即满足新缝开启条件, 裂缝转向产生新裂缝。
2.6 技术特点与常规转向压裂技术相比, 强制裂缝转向压裂技术具有以下技术特点:
1) 转向成功率高。施工压力达到压裂前计算的限定最高压力后, 反复启停泵进行脉冲式憋压, 从而实现裂缝的强制转向, 大幅提高了裂缝转向的成功率。
2) 转向剂用量少。不需要控制转向剂加入速度, 加入少量的高浓度转向剂即可实现缝内憋压, 转向剂用量较传统方式大幅降低。
3) 适用性强。低产油气井高水平应力差储层均适用该技术; 可利用混砂车绞笼系统代替人工加入转向剂, 这样可利用绞笼转速控制转向剂加入速度, 消除了人工加入速度的不稳定性; 施工限定最高压力低于压裂车组、压裂井口及地面管汇的耐压等级, 对设备、井口、管线无损害, 适用性强。
3 现场试验 3.1 总体试验情况DJ气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东部, 主要采用直井开发, 主力气层为山西组山23段, 气藏埋深2 000.00~2 500.00 m, 中部深度约为2 250.00 m, 孔隙度1.8%~8.9%, 平均为5.6%;渗透率0.05~0.70 mD, 平均为0.20 mD, 地层压力系数0.78~0.89, 地层温度60~70 ℃, 是典型的低压、低孔、低渗透储层。储层非均质性较强, 部分位于构造高点或"甜点区"的气井压裂后产量高, 平均单井产气量大于2×104 m3/d, 而储层物性差、气层有效厚度小的气井压裂后产量递减快, 生产1~3月后产气量即低于工业气流。
DJ气田3口井应用了强制裂缝转向重复压裂技术, 平均单井转向剂用量340 kg, 加入转向剂后井口油压平均上升幅度达到12.8 MPa, 压裂后平均单井日增产气量3 000 m3, 取得了显著的增产效果(见表 1)。下面以DJ3-2井为例对该技术现场应用效果进行分析。
| 井号 | 转向剂用量/kg | 加入转向剂后井口油压上升幅度/MPa | 日增产气量/(m3) |
| DJ3-2 | 450 | 18.2 | 4800 |
| DJ4-8 | 260 | 11.3 | 3100 |
| DJ19-6 | 310 | 8.9 | 1100 |
| 平均 | 340 | 12.8 | 3000 |
DJ3-2井是DJ气田的一口开发井, 目的层为山西组山23段, 气藏埋深2 223.00~2 226.50 m, 气层有效厚度3.50 m, 孔隙度6.5%, 渗透率0.30 mD, 测井解释为差气层。该井初次压裂改造时, 采用了瓜胶压裂液, 施工排量3.8 m3/min, 加砂量23.7 m3, 入地液量313.5 m3, 平均砂比17.8%, 初次压裂施工曲线如图 2所示。
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| 图 2 DJ3-2井初次压裂施工曲线 Fig.2 Initial fracturing curve of Well DJ3-2 |
DJ3-2井位于河道边缘, 目的层最大主应力方向为NW向, 与河道走向一致, 裂缝仅能沿砂体边缘延伸, 初次压裂改造后无阻流量为0.86×104 m3/d, 转向压裂前产气量已低于3 000 m3/d。为沟通河道中部厚砂体, 提高该井产能, 拟对该井实强制裂缝转向重复压裂技术。
3.2.1 可行性分析重复压裂可行性主要考虑以下2方面:
1) 重复压裂后增产的可行性。首先分析邻井的生产情况, DJ3-2井所在井组共有3口开发井, 位于河道中部的同层位2口邻井初次压裂后无阻流量为1.2×104和1.5×104 m3/d, 累计产气量分别达到32×104和54×104 m3。DJ3-2井初次压裂后无阻流量仅为0.86×104 m3/d, 累计产气量7×104 m3。因此, 可通过转向压裂沟通河道中部有利砂体, 从而提高单井产气量。
2) 转向压裂工艺实施的可行性。最大和最小水平主应力随气井生产和地层压力下降而降低, 最大水平主应力的降低幅度往往比最小水平主应力大。考虑到极端状况, 以新井初期的最大和最小水平主应力差为临界点, 当缝内净压力超过新井初期的最大和最小水平主应力差时, 人工裂缝可以转向。DJ3-2井岩石力学参数计算结果表明, 目的层最小水平主应力为44.8 MPa, 最大水平主应力为53.6 MPa, 最大和最小水平主应力差为8.8 MPa。因此通过人工干预的方式, 加入转向剂将缝内净压力提高8.8 MPa以上即满足裂缝转向的要求。因此, 实施转向压裂具有可行性。
3.2.2 配套压裂液压裂液选用有机硼交联剂羟丙基瓜胶压裂液, 破胶剂为过硫酸铵, 加量为0.3%~0.5%。压裂液在地层温度65 ℃下, 以170 s-1剪切速率剪切120 min后的黏度为120 mPa·s, 压裂液破胶液的表面张力为27.6 mN/m, 破胶液残渣含量216 mg/L, 破胶液黏度3.4 mPa·s, 破胶液对岩心的伤害率21.6%, 表明压裂液具有较好的携砂、抗剪切和破胶性能。
3.2.3 压裂施工参数优化DJ3-2井重复压裂以开启老缝后造新缝为主, 设计施工排量2.5~3.0 m3/min, 加砂量4.5 m3/m, 平均砂比15%。为保证裂缝转向效果, 设计转向剂在前置液阶段分2级加入, 第1级加入200 kg, 第2级加入250 kg, 转向剂携带液70 m3。
初次压裂施工排量3.8 m3/min下裂缝延伸压力在60.0 MPa左右, 计算设计排量3.0 m3/min下裂缝延伸压力约为53.0 MPa, 通过测井曲线计算的最大和最小水平主应力差为8.8 MPa。因此, 满足裂缝转向所需的限定最高压力为61.8 MPa, 附加1.2 MPa安全压力, 确定施工限定最高压力为63.0 MPa。
3.2.4 现场施工DJ3-2井施工过程按照设计在前置液阶段泵注30 m3瓜胶压裂液开启初次裂缝后, 将施工排量降至2.0 m3/min(A点)。缓慢加入转向剂, 第1级转向剂加入200 kg, 加入速度30 kg/min, 其进入地层后井口未见明显升压迹象; 第2级转向剂加入速度提高至105 kg/min, 转向剂进入地层后井口施工压力快速上升, 压力升至63.0 MPa后超压停泵(B点)。随后反复启停泵, 脉冲式注入压裂液, 采用间歇式启泵超压, 瞬间提高缝内压力达到裂缝转向所需净压力后强制裂缝转向, 憋压3次后井口油压显示有新缝开启的特征(C点)。
加入转向剂后地面施工压力升幅超过15.0 MPa, 远高于裂缝转向所需的最大和最小水平主应力差8.8 MPa, 满足初次压裂裂缝转向开启新裂缝的条件。对比转向剂加入前后压力的变化情况, 转向剂加入前, 施工排量为3.0 m3/min时裂缝延伸压力49.0 MPa(A点), 加入转向剂后, 施工排量为2.7 m3/min时裂缝延伸压力达到60.0 MPa(C点), 初步判断加入转向剂后有新缝开启(见图 3)。
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| 图 3 强制裂缝转向重复压裂施工曲线 Fig.3 Fracturing curve by the re-fracturing techniqueusing forced fracture re-orientation |
为进一步判断新缝是否开启, 对加入转向剂后井口施工压力达到限定最高压力后的压降曲线进行分析。通过压降曲线G函数分析, 对地面压力叠加导数作切线, 与正常滤失数据部分重合后, 发现压力叠加导数特性曲线有非常明显的"隆起", 表明重复压裂时在原有裂缝的基础上产生了新的裂缝(见图 4)。
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| 图 4 压降曲线G函数分析 Fig.4 Analysis of G function pressuredecline curve |
DJ3-2井重复压裂改造共加砂24.0 m3, 压裂前产气量为1 200 m3/d, 井口油压0.8 MPa, 间歇式开井。重复压裂后井口油压3.5 MPa, 产气量保持在6 000 m3/d, 日产气量增加4 800 m3, 重复压裂取得了显著效果。测井曲线表明, 目的层上下并无其他气层, 增产的主要贡献来自于转向所形成的新裂缝, 表明强制裂缝转向重复压裂施工达到了预期目标, 实现了裂缝转向、开启新缝、提高单井产量的目的。
4 结论1) 现场施工表明, 强制裂缝转向重复压裂技术作为重复压裂增产的一项技术手段, 能够提高低产油气井单井产量。
2) 强制裂缝转向重复压裂技术具有转向成功率高、转向剂用量少和适用性强的技术特点, 提高了裂缝转向压裂的成功率和有效率, 增产效果显著。
3) 转向剂的加入速度是保证裂缝转向成功的重要参数, 需进一步研究转向剂加入速度与裂缝转向成功率的相关性, 以提高裂缝转向压裂的改造效果。
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