熊春明，石陽，周福建，劉雄飛，楊賢友，楊向同

（1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

近年來中國(guó)石油天然氣勘探開發(fā)逐漸向深層油氣藏發(fā)展。深層油氣資源豐富，其資源量達(dá)到325×108t油當(dāng)量，深層剩余油氣資源量占總剩余油氣資源量的48%，已經(jīng)成為油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。中國(guó)深層油氣藏具有埋藏深、高溫高壓、儲(chǔ)集層厚度大、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，以塔里木盆地某深層氣藏為例，鉆探的井深平均為6 800 m（最深井超過8 000 m）；井底壓力系數(shù)為1.53～1.82，井底壓力超過105 MPa，最高達(dá)到150 MPa；井底溫度150～170 ℃，最高191 ℃；儲(chǔ)集層厚度可達(dá)300 m，導(dǎo)致建井周期長(zhǎng)、成本高。同時(shí)儲(chǔ)集層基質(zhì)致密（孔隙度5%～11%，滲透率（0.07～1.11）×10-3μm2），自然產(chǎn)能低，儲(chǔ)集層增產(chǎn)改造難度大。近年來，技術(shù)人員進(jìn)行了大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及增產(chǎn)改造機(jī)理研究，開展了改造新技術(shù)工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取得一定進(jìn)展[1-4]，但尚未形成深層超深層油氣藏安全經(jīng)濟(jì)高效的增產(chǎn)改造技術(shù)。深層油氣藏增產(chǎn)改造的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①儲(chǔ)集層厚度大，天然裂縫分布不均勻，縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致籠統(tǒng)改造儲(chǔ)集層動(dòng)用程度有限，改造效果較差；②由于儲(chǔ)集層高溫高壓，在深井超深井中使用機(jī)械分段工具進(jìn)行分層分段改造操作復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)大，分層分段易失效，且施工成本高；③現(xiàn)有的暫堵材料與轉(zhuǎn)向改造工藝普遍存在不耐溫和暫堵壓力低的問題，無法滿足高溫高壓深井超深井暫堵轉(zhuǎn)向改造需求。

為了提高儲(chǔ)集層體積改造效果，解決高溫高壓深層油氣藏機(jī)械工具分層分段改造風(fēng)險(xiǎn)大、施工成本高的問題，本文提出化學(xué)暫堵分層分段改造思路，通過實(shí)驗(yàn)證明其可行性。研究耐高溫、高強(qiáng)度、可降解的系列暫堵材料和暫堵轉(zhuǎn)向分層分段改造工藝方法，最終形成基于化學(xué)方法的暫堵轉(zhuǎn)向高效改造增產(chǎn)技術(shù)，并分析其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 暫堵轉(zhuǎn)向高效改造增產(chǎn)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

本文提出通過化學(xué)暫堵轉(zhuǎn)向方法實(shí)現(xiàn)高溫高壓深層油氣藏高效改造增產(chǎn)的技術(shù)思路，即：縱向上，暫堵已壓開裂縫的進(jìn)液通道，使長(zhǎng)井段上形成更多裂縫，實(shí)現(xiàn)暫堵分層分段改造，提高儲(chǔ)集層縱向動(dòng)用程度（見圖1）；平面上，暫堵已壓開裂縫，使更多分支裂縫發(fā)育，擴(kuò)大儲(chǔ)集層平面改造范圍（見圖 2）；施工后暫堵材料完全降解，所有裂縫恢復(fù)導(dǎo)流能力。通過縱向暫堵分層分段形成多縫、平面暫堵轉(zhuǎn)向形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)深層超深層油氣藏安全經(jīng)濟(jì)高效增產(chǎn)改造。

圖1 縱向暫堵實(shí)現(xiàn)分層分段

圖2 平面暫堵轉(zhuǎn)向形成裂縫網(wǎng)絡(luò)

1.2 暫堵分層分段改造模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證化學(xué)暫堵分層分段改造的可行性，本文利用大型真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置開展了暫堵壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)巖樣選用塔里木盆地某深層氣藏儲(chǔ)集層露頭巖石，加工成762 mm×762 mm×914 mm巖樣。巖樣中心打孔并黏結(jié)25.4 mm（1 in）鋼管模擬套管完井，在鋼管不同位置割縫模擬實(shí)際井眼中的分段射孔，模型井身結(jié)構(gòu)如圖 3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照塔里木盆地某深層氣藏的走滑斷裂機(jī)制加載三軸應(yīng)力，即最大主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，垂向應(yīng)力大于最小主應(yīng)力。加載應(yīng)力大小分別為上覆壓力 10 MPa，最大主應(yīng)力 12 MPa，最小主應(yīng)力5 MPa。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途斫Y(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①注入壓裂基液壓開第1條裂縫，并使裂縫充分延伸；②注入混有暫堵劑的交聯(lián)壓裂液，暫堵第 1條裂縫，暫堵劑注入完畢后切換管線注入壓裂液基液。期間觀察壓力反應(yīng)，如果壓力迅速上升則說明暫堵成功，可繼續(xù)注入壓裂液基液壓開第 2條裂縫；③如果第 1次暫堵后無壓力上升，重復(fù)步驟②，直至?xí)憾鲁晒?；④整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程采用聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)觀察裂縫起裂與擴(kuò)展規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)過程中壓力曲線如圖4所示。AD段表示首次壓裂過程，AB段為致裂階段，壓力迅速上升至破裂壓力（B點(diǎn)），第 1條裂縫形成后壓力迅速下降。BC段以小排量繼續(xù)注入壓裂液使裂縫延伸一段距離。為獲取巖樣濾失參數(shù)及第 1條裂縫閉合壓力，進(jìn)行了壓降測(cè)試（CD段）。DE段為暫堵劑注入階段，EF段為暫堵形成后第 2次壓裂階段，從中可以明顯看出，暫堵劑注入完畢后切換至壓裂液基液注入時(shí)，壓力迅速上升，表明暫堵成功，同時(shí)壓開了第2條裂縫。FG段為第 2條裂縫延伸階段，此階段逐步增加排量，使第 2條裂縫充分延伸，方便實(shí)驗(yàn)后的裂縫識(shí)別。G點(diǎn)后為壓降測(cè)試階段。實(shí)驗(yàn)完成后，將巖樣沿最小主應(yīng)力方向（垂直于裂縫延伸方向）切開（見圖5），并通過激光掃描重構(gòu)巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖 6），均表明實(shí)驗(yàn)過程中形成了兩條裂縫，證實(shí)了暫堵分層分段改造的可行性。為了判斷裂縫開啟順序，暫堵前后在壓裂液中添加了不同顏色示蹤劑，根據(jù)示蹤劑判斷，下層割縫段先被壓開，然后壓開上層割縫段。

圖4 暫堵分層分段改造模擬實(shí)驗(yàn)壓力曲線

圖5 實(shí)驗(yàn)巖樣剖面圖

圖6 實(shí)驗(yàn)后兩條裂縫激光掃描構(gòu)建圖

1.3 耐高溫高強(qiáng)度可降解系列暫堵材料及性能評(píng)價(jià)

1.3.1 耐高溫高強(qiáng)度可降解系列暫堵材料

針對(duì)深井超深井，通過化學(xué)暫堵方法分層分段改造的關(guān)鍵在于耐高溫、高強(qiáng)度暫堵材料的開發(fā)，同時(shí)為保證改造后壓開裂縫恢復(fù)導(dǎo)流能力，暫堵材料需要完全降解，避免對(duì)地層及裂縫造成傷害?，F(xiàn)有的暫堵材料普遍存在耐溫低與承壓低的問題，例如：蠟球暫堵劑[5]耐溫 30～43 ℃，暫堵壓力只有 3～5 MPa；油溶性暫堵劑耐溫低[6-7]，不能用于氣藏；水溶性暫堵劑[8-10]高溫下溶解快，難以形成有效暫堵；泡沫暫堵工藝[11-13]暫堵強(qiáng)度有限，配液、施工復(fù)雜，摩阻大，難以用于深井；膠凝酸[14-15]和黏彈性表面活性劑轉(zhuǎn)向酸[16]耐溫性能差，無法用于高溫深井。因此需要研發(fā)適用于高溫高壓深井改造的新型暫堵材料。

暫堵要求材料既能封堵儲(chǔ)集層或裂縫又可自行解堵，因此新型暫堵材料應(yīng)具備可降解性能，一段時(shí)間內(nèi)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)意義上均可自動(dòng)降解、消失[17]，且降解產(chǎn)物不應(yīng)對(duì)儲(chǔ)集層及環(huán)境造成污染。生物可降解材料來源于可再生資源，對(duì)環(huán)境友好，近年來得到快速發(fā)展。目前常用的生物可降解材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚丁酸丁二酯等[18-19]，但聚乳酸機(jī)械強(qiáng)度不足，聚乙醇酸降解速度快，聚丁酸丁二酯降解速度慢且機(jī)械性能差，因此以上幾種材料都無法用于高溫高壓環(huán)境。由于酯鍵易進(jìn)行非酶性水解，降解過程對(duì)環(huán)境要求低，是比較合適的分層分段暫堵材料。為了提高生物可降解聚酯類材料的熱穩(wěn)定性，本文使用聚乙醇酸、聚乳酸、聚丁酸丁二酯等預(yù)聚體合成新型可降解聚酯類材料，通過改變各原料比例，可以調(diào)節(jié)材料的降解溫度，以適應(yīng)不同井底溫度的降解需求。為了提高材料的機(jī)械性能，合成過程中添加含活性基團(tuán)環(huán)氧基的擴(kuò)鏈劑，以增加材料的分子量，同時(shí)添加納米二氧化硅材料，進(jìn)一步提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。最終研發(fā)出耐高溫高強(qiáng)度全降解納米酯類暫堵材料，破解了暫堵材料承壓強(qiáng)度與降解程度的平衡難題。與傳統(tǒng)生物可降解材料相比，本文研發(fā)的可降解材料通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)和添加納米材料提高了耐溫性和機(jī)械強(qiáng)度。為了適應(yīng)不同的分層分段暫堵及轉(zhuǎn)向改造需要，本文研發(fā)出暫堵球（直徑3 mm以上）及大顆粒（直徑1～3 mm）、小顆粒（直徑1 mm左右）、粉末（直徑0.15～0.25 mm（100～60目））暫堵材料和暫堵片等系列耐高溫高強(qiáng)度暫堵轉(zhuǎn)向材料，如圖7所示。其中，暫堵球、大顆粒及小顆粒暫堵材料用于暫堵已壓開裂縫層段的射孔孔眼，迫使改造工作液進(jìn)入未壓開層段，實(shí)現(xiàn)縱向分層分段改造；小顆粒、粉末材料，用于暫堵已開啟的裂縫，迫使其轉(zhuǎn)向形成多分支裂縫，擴(kuò)大平面上的改造范圍。

圖7 耐高溫高強(qiáng)度可降解系列暫堵材料

1.3.2 暫堵材料承壓與降解性能評(píng)價(jià)

為了檢驗(yàn)暫堵材料的承壓能力，開展了暫堵炮眼大型礦場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用模擬炮眼球座及壓裂泵車進(jìn)行暫堵球暫堵強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果（見表1）表明，暫堵球封堵炮眼后，可承壓50～70 MPa，變形率不超過1.5%。同時(shí)，開展了室內(nèi)高溫暫堵強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明，150 ℃時(shí)暫堵球暫堵承壓可達(dá)到30 MPa以上（見圖8），粉末、大/小顆粒暫堵材料承壓可達(dá)20 MPa以上（見圖 9），均能形成有效暫堵（一般有效暫堵壓力在20 MPa以內(nèi)）。

表1 暫堵球承壓能力礦場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 室內(nèi)暫堵球承壓測(cè)試結(jié)果

降解實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，暫堵材料均可在高溫下實(shí)現(xiàn)完全降解。在150 ℃水中，暫堵材料可在2.5 h左右完全降解（見圖10）；酸液會(huì)加快暫堵球或暫堵顆粒的降解過程，150 ℃時(shí)暫堵球在酸液中只需要2 h左右即可完全降解（見圖11）。最終降解率都達(dá)到了99%以上，降解產(chǎn)物可以完全溶于攜帶液中，無配伍性問題。同時(shí)，降解產(chǎn)物中的納米材料由于加量小（小于0.5%）、尺寸小，易于隨液體返排，不會(huì)對(duì)地層和裂縫造成污染。

圖9 室內(nèi)暫堵顆粒及粉末承壓測(cè)試結(jié)果

圖10 暫堵材料水中降解曲線（150 ℃）

圖11 暫堵材料在15% HCl溶液中的降解曲線（150 ℃）

1.4 工藝方法

1.4.1 暫堵炮眼縱向分層分段改造工藝

對(duì)于套管完井的長(zhǎng)井段儲(chǔ)集層，先根據(jù)測(cè)井解釋對(duì)產(chǎn)層進(jìn)行分簇射孔。儲(chǔ)集層改造時(shí)，先對(duì)整個(gè)井筒實(shí)施一次籠統(tǒng)改造。第 1次改造后天然裂縫發(fā)育的薄弱層段會(huì)首先開啟裂縫，提高該層段吸液能力。隨后向改造液中投入暫堵球和大/小顆粒暫堵材料，改造液會(huì)優(yōu)先將暫堵材料帶入裂縫開啟層段的射孔孔眼內(nèi)，大/小顆粒將進(jìn)入孔眼內(nèi)部進(jìn)行橋堵，暫堵球?qū)⒆庥谔坠鼙谏系目籽廴肟谔帲瑥亩档鸵褖洪_層段射孔孔眼的進(jìn)液能力，迫使改造液轉(zhuǎn)向進(jìn)入其他未壓開的層段。重復(fù)該過程，可實(shí)現(xiàn)縱向上分層分段改造（見圖1）。改造完成后，封堵炮眼的暫堵材料在高溫作用下會(huì)完全降解以恢復(fù)油氣流動(dòng)通道，無需返排，且保持井筒完整，不會(huì)對(duì)后續(xù)作業(yè)帶來障礙。

1.4.2 縫內(nèi)暫堵平面轉(zhuǎn)向改造工藝

圖 2示意了縫內(nèi)暫堵平面轉(zhuǎn)向改造工藝流程。首先在地層中壓開 1條裂縫，繼續(xù)大排量注入壓裂液保持其張開狀態(tài)，隨后向改造液中加入小顆粒、粉末和纖維暫堵材料，改造液會(huì)優(yōu)先將暫堵材料帶入張開裂縫內(nèi)部。由于裂縫內(nèi)部壁面粗糙，小顆粒在向裂縫內(nèi)部運(yùn)移過程中會(huì)產(chǎn)生橋堵，進(jìn)而不斷聚積成堆，同時(shí)進(jìn)入裂縫的粉末及纖維會(huì)被小顆粒骨架阻擋并充填于小顆粒骨架孔隙中，形成高強(qiáng)度暫堵屏障，阻止改造液繼續(xù)流入開啟裂縫中。此時(shí)裂縫內(nèi)部液體壓力會(huì)快速上升，當(dāng)壓力超過了現(xiàn)有裂縫壁面的抗張強(qiáng)度之后，就會(huì)在新的位置開啟分支縫。這個(gè)暫堵—升壓—破裂過程在主裂縫不同位置甚至分支縫中重復(fù)產(chǎn)生，將原有的單一裂縫復(fù)雜化，形成多分支結(jié)構(gòu)，大幅度擴(kuò)大平面上的改造范圍。改造完成后，所有堆積于裂縫內(nèi)部的暫堵材料會(huì)在高溫下完全降解，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)集層及裂縫造成傷害。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2.1 總體應(yīng)用情況

該技術(shù)已在中國(guó)10個(gè)深層油氣田工業(yè)化應(yīng)用211井次，其中最大井深7 780 m、最高溫度191 ℃，施工成功率100%，改造有效率95.6%。根據(jù)塔里木盆地某區(qū)塊改造效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見圖12），采用本文技術(shù)改造后平均單井增產(chǎn)是常規(guī)籠統(tǒng)改造技術(shù)的3.5倍，增產(chǎn)效果顯著。該技術(shù)通過化學(xué)暫堵方法實(shí)現(xiàn)了深井超深井“縱向分層、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向”的高效改造，節(jié)省了大量的耐高溫高壓封隔工具費(fèi)用，規(guī)避了工具分層分段改造的巨大風(fēng)險(xiǎn)，為高溫高壓深層超深層油氣藏的安全經(jīng)濟(jì)高效增產(chǎn)改造提供了技術(shù)保障。

圖12 改造效果統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.2 典型實(shí)例

克深××井是塔里木盆地的一口開發(fā)井，設(shè)計(jì)井深7 095 m，目的層白堊系巴什基奇克組。該井地層溫度172 ℃，地層壓力122 MPa。產(chǎn)層段（6 968～7 060 m）分8段射孔，總跨度92 m。

該井由于產(chǎn)層厚度相對(duì)較小，改造施工按兩段設(shè)計(jì)。第1段壓開裂縫后，投入1 mm暫堵顆粒和粉末，進(jìn)行縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大平面改造范圍，暫堵顆粒及粉末到達(dá)井底后，地面施工壓力由73 MPa升高至83 MPa，縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓力達(dá)到10 MPa，說明實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向改造；第1段施工結(jié)束后，投入8 mm暫堵球+3 mm暫堵顆粒+1 mm暫堵顆粒，對(duì)已壓開層段的射孔孔眼進(jìn)行暫堵，當(dāng)暫堵球和暫堵顆粒到達(dá)井底后，地面施工壓力由83 MPa升高至99 MPa，暫堵分段壓力達(dá)到16 MPa，說明實(shí)現(xiàn)了分段改造（見圖13）。該井改造前油壓91.7 MPa，日產(chǎn)氣154 769 m3；暫堵分段與縫內(nèi)轉(zhuǎn)向改造后油壓92.34 MPa，日產(chǎn)氣651 356 m3，取得了良好的改造增產(chǎn)效果。

圖13 克深××井壓裂施工曲線

3 結(jié)論

本文針對(duì)中國(guó)深層油氣藏的特點(diǎn)，提出采用化學(xué)暫堵方法實(shí)現(xiàn)分層分段與縫內(nèi)轉(zhuǎn)向改造、提高儲(chǔ)集層改造體積的技術(shù)思路，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了技術(shù)的可行性和有效性。通過添加納米材料，改進(jìn)分子結(jié)構(gòu)，破解了暫堵材料承壓強(qiáng)度與降解程度的平衡難題，研發(fā)出耐高溫、高強(qiáng)度、可降解納米酯類系列暫堵材料。研究了縱向暫堵分層分段與平面暫堵轉(zhuǎn)向改造工藝方法，最終形成了暫堵轉(zhuǎn)向高效改造增產(chǎn)技術(shù)，解決了高溫高壓深層油氣藏機(jī)械工具分層分段改造風(fēng)險(xiǎn)大、施工成本高的問題。該技術(shù)已在中國(guó)10個(gè)深層油氣田工業(yè)化應(yīng)用211井次，增產(chǎn)效果顯著，為深層超深層油氣藏安全經(jīng)濟(jì)高效增產(chǎn)開辟了一條新的途徑。