陳建宏,李傳浩,沈煥文,王 凱,王碧濤,王高強(qiáng)

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司采油三廠,陜西吳起717600)

特低滲油藏裂縫垂向延伸增產(chǎn)技術(shù)
——以靖安油田塞392區(qū)塊為例

陳建宏,李傳浩,沈煥文,王 凱,王碧濤,王高強(qiáng)

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司采油三廠,陜西吳起717600)

隨著特低滲油藏開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大,特低滲油藏提高單井產(chǎn)量是目前各油田面臨的重要研究課題。為此,對(duì)裂縫垂向延伸的增產(chǎn)機(jī)理、影響裂縫垂向延伸的主要因素以及裂縫垂向延伸適應(yīng)油藏條件開展了深入分析研究,提出了裂縫垂向延伸增產(chǎn)技術(shù)和實(shí)施條件。該技術(shù)為特低滲油藏提高單井產(chǎn)量提供了一種有效途徑,對(duì)此類油田的開發(fā)具有重要意義。

特低滲油藏,裂縫垂向延伸,多級(jí)加砂,增產(chǎn)機(jī)理

1 裂縫垂向延伸增產(chǎn)機(jī)理分析

儲(chǔ)層在酸化壓裂過(guò)程中,由于上下遮擋層的好壞以及不同液體流變性能的不同,裂縫在垂向上的延伸存在穿層和不穿層兩種情況[1]。在縫長(zhǎng)方向上將裂縫分為無(wú)數(shù)個(gè)相互獨(dú)立的垂直剖面,每個(gè)垂直剖面均可看成二維線性裂紋。當(dāng)裂縫沿高度方向尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其斷裂韌性裂縫就會(huì)垂向擴(kuò)展延伸[1]。

1.1 提高泄油面積,提高單井產(chǎn)能

裂縫的泄油面積和導(dǎo)流能力是油井增產(chǎn)的主要因素,而裂縫泄油面積在長(zhǎng)6油層主要決定于裂縫的數(shù)目和縫長(zhǎng)。在特低滲油藏中,由于水平微裂縫的存在,通過(guò)人工壓裂開啟微裂縫,裂縫沿水平方向不斷延伸,溝通油水井,使油井見水,造成油井產(chǎn)量下降,所以對(duì)于水平微裂縫發(fā)育的油藏,利用轉(zhuǎn)向劑的加入,在裂縫內(nèi)形成高壓環(huán)境,使縫高增加,垂向裂縫延伸與水平微裂縫溝通,再通過(guò)壓裂施工參數(shù)的控制,最終形成多條裂縫,從而提高單井產(chǎn)量。

1.2 延長(zhǎng)裂縫閉合周期,減緩油井遞減

在地層中孔隙流體壓力作用下,部分上覆巖層的重力被孔隙流體壓力所支撐。而壓裂后上覆巖層的重力由填充砂和工作液所支撐。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出,地層深度越深,通過(guò)人工壓裂的水平裂縫受上覆巖層重力作用越大,裂縫閉合周期越短,隨著裂縫導(dǎo)流能力的快速下降,產(chǎn)量遞減越大。而在垂直方向上的裂縫受地殼內(nèi)部的水平運(yùn)動(dòng)及其它因素綜合作用影響明顯小于水平裂縫的上覆巖層重力作用,相應(yīng)的裂縫閉合周期較長(zhǎng),產(chǎn)量遞減小。

1.3 提高小油層剖面動(dòng)用程度

由于特低滲油藏隔夾層發(fā)育(表1),油井壓裂后裂縫沿單一的層段或沿層理不斷水平延伸,而其它層未能動(dòng)用,通過(guò)裂縫的垂向延伸,裂縫穿過(guò)隔夾層屏障,溝通各小層,提高油層剖面動(dòng)用程度,提高單井產(chǎn)能。

1.4 提高導(dǎo)流能力

在油田開發(fā)過(guò)程中,由于壓力、溫度等環(huán)境條件的改變,必然引起油井產(chǎn)量的下降,例如化學(xué)結(jié)垢和沉積引起堵塞、微粒運(yùn)移引起堵塞或者壓裂裂縫閉合,而裂縫垂向延伸可以撐開垂向上的裂縫,減小在開發(fā)過(guò)程中形成的堵塞和裂縫閉合,從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

2 影響裂縫垂向延伸因素分析

影響裂縫垂向延伸的因素主要可歸結(jié)為兩類,一是不可控因素,包括地層應(yīng)力、巖石性質(zhì)、天然裂縫和儲(chǔ)層的沉積構(gòu)造;二是可控因素,即施工參數(shù),包括施工泵壓、施工排量和液體粘度。

2.1 儲(chǔ)層沉積特征對(duì)裂縫垂向延伸的影響

沉積特征受水動(dòng)力條件的影響,表現(xiàn)為隔夾層發(fā)育,非均值性強(qiáng),不同的小層間滲透率存在差異,所以,在儲(chǔ)層酸化壓裂過(guò)程中裂縫易沿一個(gè)方向延伸,對(duì)于水平層理和平行層理,裂縫易沿較高滲透層單向延伸,造成油水井溝通,油井見水,減弱了裂縫的垂向延伸。因此,儲(chǔ)層的沉積特征及其對(duì)人為干擾因素影響的敏感程度,決定了裂縫在垂向上可能延伸的程度。

表1 靖安油田塞388-30井長(zhǎng)6油層數(shù)據(jù)

2.2 地層應(yīng)力對(duì)裂縫垂向延伸的影響

斷裂力學(xué)表明裂縫延伸的形狀取決于裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子。在裂縫向前延伸的過(guò)程中,水平方向有一個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子,垂直方向有兩個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子,這三個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的對(duì)比,決定了裂縫的幾何形狀。因此,查明地層應(yīng)力的大小,并分析其與人工壓裂時(shí)施工壓力的共同作用下,對(duì)垂向上應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響,對(duì)于提高裂縫垂向延伸有較大的定性作用。

2.3 天然裂縫對(duì)裂縫垂向延伸的影響

對(duì)于天然裂縫不發(fā)育的地層,壓裂裂縫形態(tài)取決于其三向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)最小主應(yīng)力原理,水力壓裂裂縫總是產(chǎn)生于強(qiáng)度最弱、阻力最小的方向,即巖石破裂面垂直于最小主應(yīng)力方向。當(dāng)Sz最小時(shí),形成水平裂縫;當(dāng)Sy最小時(shí),形成垂直裂縫[2]。

對(duì)于顯裂縫發(fā)育地層很難出現(xiàn)人工裂縫。而微裂縫地層可能出現(xiàn)多種情況,人工裂縫面可以垂直于最小主應(yīng)力方向;也可能基本上沿微裂縫的方向發(fā)展,把微裂縫串成顯裂縫。

對(duì)于天然微裂縫發(fā)育油藏,由于天然微裂縫的存在,通過(guò)人工壓裂開啟水平微裂縫,使裂縫不斷向前延伸,而裂縫高度延伸很小,水平方向的延伸導(dǎo)致油水井間溝通,油井投產(chǎn)即水淹,影響油井產(chǎn)能。

2.4 巖石物性對(duì)裂縫垂向延伸的影響

Terzaghi認(rèn)為[3]:地層巖石變形由有效應(yīng)力引起。假設(shè)地層巖石為理想的均質(zhì)各向同性線彈性體,彈性狀態(tài)下垂向載荷產(chǎn)生的水平主應(yīng)力分量由廣義胡克(Hook)定律計(jì)算。

E和v為巖石力學(xué)參數(shù),典型值見表2。它們與巖石類型和所受到的圍壓、溫度有關(guān)。

就巖石物性來(lái)講,對(duì)垂向裂縫的延伸影響較大的是巖石的塑性、韌性以及是否存在滑移現(xiàn)象。遮擋層的塑性表現(xiàn)為泊松比,此值越大,對(duì)裂縫延伸幅度的影響越大。

表2 常見巖石的泊松比與楊氏模量

在酸化壓裂施工期間,隔層和產(chǎn)層是否存在滑移現(xiàn)象,表現(xiàn)為隔層和產(chǎn)層結(jié)合是否牢固衡量標(biāo)準(zhǔn)是鈍化系數(shù),此系數(shù)越大,遮擋層與產(chǎn)層界面結(jié)合越不牢固,在施工時(shí)越容易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象,裂縫的垂向延伸越不容易。

2.5 施工參數(shù)對(duì)裂縫垂向延伸的影響

影響裂縫幾何形狀的施工參數(shù),包括流體的粘度和密度、施工排量和射孔孔眼的布置。射孔孔眼的布置可以確保裂縫在油藏內(nèi)產(chǎn)生,壓裂液粘度無(wú)論對(duì)大型壓裂或常規(guī)壓裂都是非常重要的。理論和實(shí)踐證明粘度對(duì)縫高延伸的影響要比排量大的多。然而,對(duì)于形成一定的壓裂規(guī)模的油田,其壓裂液的性能和使用具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性,故壓裂液粘度對(duì)裂縫高度延伸的影響可看作是一個(gè)定量。這樣,針對(duì)某一區(qū)塊的酸化壓裂施工,影響裂縫垂向延伸的動(dòng)態(tài)因素只有施工排量和施工壓力。

(1)施工排量的影響。施工排量與裂縫高度的關(guān)系是排量越大,裂縫越高。不同地區(qū)由于地層情況不同,施工排量對(duì)裂縫高度的影響也不同。根據(jù)各個(gè)區(qū)塊壓裂施工前后測(cè)得的井溫?cái)?shù)據(jù)并參照綜合測(cè)井圖,確定實(shí)際壓開縫高。根據(jù)所得資料采用回歸分析的方法,確定各區(qū)塊排量與縫高的關(guān)系:

式中:h——裂縫高度,m;Q——施工排量,m3/min;a,b——回歸系數(shù)。

在液體粘度一定的條件下,施工排量增加一倍,縫寬僅僅增加18%左右。施工排量一定的條件下,液體粘度增加一倍,縫寬增加達(dá)到80%左右[4]。

(2)施工泵壓的影響。施工泵壓直接決定井底裂縫延伸壓力。假設(shè)目的層裂縫端點(diǎn)的有效應(yīng)力為σ1,而遮擋層的有效應(yīng)力為σ2,H0為油層厚度,則延伸壓力Pn與垂向高度h0有如下關(guān)系:

因此,在目的層與遮擋層之間,在有效應(yīng)力差一定的情況下,當(dāng)裂縫的垂向高度達(dá)到油層厚度時(shí),依據(jù)上述公式可以確定出可施加的最大延伸壓力,從而為裂縫垂向高度最大限度的控制在目的層內(nèi)所需的延伸壓力的選取提供必要的參數(shù)。

3 提高裂縫垂向延伸技術(shù)

3.1 裂縫垂向延伸適應(yīng)油藏條件

(1)疊合程度高、砂體厚度大(大于30m),邊底水不發(fā)育。

(2)泥質(zhì)薄夾層發(fā)育的砂泥巖互層,剖面動(dòng)用程度低。

(3)巖性致密,水平層間微裂縫發(fā)育。

(4)沉積過(guò)程中受水動(dòng)力作用大,層理明顯,主要發(fā)育水平層理和平行層理。

(5)儲(chǔ)層滲流能力差,油井投產(chǎn)后遞減大,穩(wěn)定后產(chǎn)量低。

3.2 優(yōu)化施工參數(shù)

施工規(guī)模、排量、泵壓等施工參數(shù)對(duì)裂縫高度的延伸至關(guān)重要,進(jìn)行酸化壓裂施工設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)依靠現(xiàn)有的模擬技術(shù)手段,優(yōu)化施工參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.3 工作液體系優(yōu)化

采用高粘度壓裂液體系和高濾失酸液體系[4],通過(guò)增加裂縫在垂向延伸,延長(zhǎng)裂縫的閉合周期,減小油井遞減周期,提高單井產(chǎn)量。

3.4 采用多級(jí)加砂壓裂工藝

多級(jí)加砂壓裂就是對(duì)同一井層段進(jìn)行兩次重復(fù)壓裂。第一次主壓裂作業(yè)程序完成后,關(guān)井45min,使入井液體充分?jǐn)U散,再視井口壓力情況決定是否放噴,然后進(jìn)行第二次壓裂作業(yè)程序。每次加砂結(jié)束前,要在混砂車按0.01%-0.03%-0.05%楔型梯度加入過(guò)硫酸銨12kg。壓裂結(jié)束后,關(guān)井20min進(jìn)行壓力擴(kuò)散,再采用井口控制返排措施強(qiáng)制裂縫閉合。

多級(jí)加砂壓裂目的是,在第一次壓裂形成主裂縫并充分造縫延伸后停泵,讓裂縫內(nèi)混砂液體濾失擴(kuò)散,使裂縫閉合,然后用比第一次壓裂作業(yè)更高的排量進(jìn)行第二次壓裂施工程序,使裂縫重新開啟[5],向更寬更高方向發(fā)展(圖1),取得更好的改造效果。

另外,在第二主壓裂程序開始之前,可加入裂縫控制劑對(duì)已經(jīng)形成的裂縫進(jìn)行暫時(shí)性堵塞,以期造開新裂縫,提高改造效果。即便不能形成新裂縫,暫堵劑可以對(duì)微裂縫進(jìn)行堵塞,降低液體的濾失,使主裂縫向前延伸、向?qū)挵l(fā)展。

圖1 多級(jí)加砂壓裂示意圖

2007-2009年在靖安油田塞392區(qū)開展了多級(jí)加砂壓裂、定向射孔、水力噴射等新工藝新技術(shù)試驗(yàn),其中,多級(jí)加砂壓裂技術(shù)取得了很好的應(yīng)用效果,實(shí)施33口多級(jí)加砂壓裂,一級(jí)砂量30～35m3,二級(jí)砂量20～25m3,排量2～2.4m3/min,試油平均單井日產(chǎn)油23.2m3,日產(chǎn)水1.5m3,增油效果明顯(表 3)。

表3 靖安油田塞392區(qū)長(zhǎng)6油藏多級(jí)加砂壓裂試驗(yàn)井與對(duì)比井?dāng)?shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)裂縫垂向延伸主要受沉積特征、地層應(yīng)力、天然裂縫、巖石物性和施工參數(shù)等因素的影響。

(2)通過(guò)裂縫垂向延伸,可以減緩油井遞減,提高剖面動(dòng)用程度,提高單井產(chǎn)能。

(3)在壓裂酸化過(guò)程中,可以通過(guò)優(yōu)化施工參數(shù)、工作液提高裂縫垂向延伸。

(4)靖安油田塞392區(qū)長(zhǎng)6油藏開展了多級(jí)加砂壓裂、定向射孔、水力噴射等新工藝新技術(shù)試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果表明,多級(jí)加砂壓裂儲(chǔ)層改造工藝增油效果明顯,有效地提高了單井產(chǎn)量。

(5)裂縫垂向延伸技術(shù)適用于油層疊合程度高,厚度大,天然微裂縫發(fā)育,隔夾層發(fā)育,剖面動(dòng)用程度差的油藏。

[1]李年銀,趙立強(qiáng),張 倩,等.裂縫高度延伸診斷與控制技術(shù)[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2008,27(5):81-84

[2]王道富.鄂爾多斯盆地特低滲透油田開發(fā)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001:79-82

[3]Terzaghi著.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社出版.2005:60-100

[4]馬飛,黃貴存,楊逸,等.深層裂縫性儲(chǔ)層降濾失技術(shù)研究 [J].石油地質(zhì)與工程,2009,23(1):89-92

[5]王軍鋒,王登蓮,馬立軍,等.塞392長(zhǎng)6低滲透油藏提高單井產(chǎn)量途徑研究[J].石油化工應(yīng)用,2008,27(增):73-82

編輯:劉洪樹

TE357.1

A

1673-8217(2010)01-0087-04

2009-10-17;改回日期:2009-11-04

陳建宏,1981年生,2005年畢業(yè)于西安科技大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè),現(xiàn)主要從事油田開發(fā)工作。