尕斯油田薄互层控缝高压裂技术研究

许超兰 谭 鹏

中国石油大学(北京)石油工程学院， 北京 102249



尕斯油田薄互层控缝高压裂技术研究

许超兰 谭 鹏

中国石油大学(北京)石油工程学院， 北京 102249

薄互层油藏具有储层物性差、有效厚度薄、天然裂缝发育、储隔层应力差小等特点，压裂改造是这类储层投产或增产的重要手段。压裂改造的技术难点在于压裂目的层薄，隔层遮挡能力差，压裂施工容易压窜，缝高难以控制，加剧层间矛盾。以青海尕斯油田为例，通过对人工裂缝高的影响因素进行研究，对各种控缝高技术适应性进行分析，选出合适的控缝高技术。对尕斯油田的X井进行人工隔层技术优化设计试验，模拟结果表明，缝高得到有效控制，由常规压裂的18.0m变为12.9m，其上下隔层都不会被压窜，保证了压裂施工的成功，同时缝长得到增加。该方法可应用于现场控缝高压裂设计。

薄互层；压裂；裂缝高度；人工隔层；控缝高压裂

0 前言

薄互层油藏具有油层夹层相互交错且都相对较薄的特点，油层物性差，开采难度较大[1-3]。尕斯油田为深层油藏，其压裂选井、选层及各小层间隔层统计结果表明，尕斯油田拟压裂储层平均单层有效厚度仅3.6m，隔层平均厚度仅5.6m，且隔层遮挡能力差，压裂改造效果差，主要由于油层隔层薄，设计液量小，同时要求适当提高砂比，与现有压裂工艺不适应，不能满足油藏对裂缝长度及导流能力的要求；控制裂缝纵向延伸难度大，压开后油层内裂缝的有效支撑差，设计与施工难度大；近井筒裂缝扭曲，裂缝宽度小，缝中摩阻大，施工压力高，极易造成砂堵；由于隔层薄，压裂井与水淹层相距较近，对遮挡作用估计过高，使裂缝垂向延伸至高含水层，造成目的层水淹，加剧层间矛盾，乃至因滤失增加造成压裂施工失败。

1 影响缝高延伸的因素

影响水力压裂人工裂缝高度(以下简称“缝高”)的因素较复杂，可归纳为三类[4-5]：一是岩石力学及地应力参数对每个区块而言是不可改变的；二是压裂液的性能，如压裂液的黏度、滤失系数等；三是施工参数如施工排量、施工规模等。尕斯油田储层平均单层有效厚度为3.6m、隔层平均厚度为5.6m，施工排量为3.5m3/m，针对该地区薄互层压裂的特点，模拟研究不同地应力差、不同施工排量、不同压裂液黏度及不同隔层厚度下缝高的变化情况。

1.1 地应力差对缝高延伸的影响

根据尕斯油田深层储层实际情况，利用三维压裂软件对不同储、隔层地应力差下缝高进行模拟，结果见图1。

图1 地应力差与缝高延伸的关系

从地应力差与缝高的关系可以看出，随地应力差的减小，缝高和支撑缝高快速增加，当地应力差小于 8MPa时，缝高延伸严重，裂缝容易失控。尕斯油田储、隔层应力差仅6MPa左右，对缝高延伸的控制能力差。

1.2 施工排量对缝高延伸的影响

根据尕斯油田深层储层条件，对不同施工排量下缝高进行模拟，结果见图2。

图2 施工排量与缝高延伸的关系

从图2可知，施工排量对缝高有一定影响，但对支撑缝高影响不大，排量每增加1m3/min，缝高增加1～2m，说明缝高延伸对排量的变化不太敏感。尕斯油田深层储层最佳施工排量约为3.5m3/min。

1.3 压裂液黏度对缝高延伸的影响

根据尕斯油田深层储层条件，对不同压裂液黏度下缝高的模拟，结果见图3。

图3 压裂液黏度与缝高延伸的关系

模拟计算结果表明，压裂液黏度越大，压裂液造缝能力越强，且滤失相对较小，使得裂缝的高度高且宽度大，但压裂液黏度对裂缝尺寸的影响是有限的。因此，在保证压裂液正常携砂的前提下，尽可能降低胍胶用量和压裂液黏度，对裂缝的纵向延伸起一定的控制作用。

1.4 隔层厚度对缝高延伸的影响

根据尕斯油田深层储层条件，对不同隔层厚度下缝高进行模拟，结果见图4。

从隔层厚度对缝高的影响分析可以看出，目前在尕斯油田深层储、隔层地应力差的条件下，只有当隔层厚度大于9.0m时才能有效遮挡裂缝的纵向延伸，但由于实际隔层厚度平均仅5.6m，因此无法有效阻止裂缝在纵向上的延伸。

图4 隔层厚度与缝高延伸的关系

从储、隔层地应力差、施工排量、压裂液黏度及隔层厚度对裂缝纵向延伸敏感性分析可以看出，储、隔层地应力差和隔层厚度对缝高延伸影响占主导，压裂施工排量和压裂液黏度对其的影响较弱。目前在尕斯油田深层储、隔层地应力条件下薄隔层厚度难以对压裂缝高进行有效控制，有必要对此进行深入研究。

2 控缝高技术

常用的压裂缝控缝高技术有人工隔层技术[6-8]、变排量技术[9]、调整压裂液密度技术及冷却地层技术[10]等。

2.1 人工隔层技术

2.1.1 人工隔层技术原理及步骤

人工隔层技术是国内常用的控缝高技术。该技术是在压裂施工的前置液中加入暂堵剂，阻止需进行高度控制方向压裂液的流动，其原理见图5。使用密度比压裂液小的暂堵剂控制裂缝向上延伸，阻止压裂液和支撑剂向上流动；加入密度比压裂液大的暂堵剂控制压裂向下延伸，暂堵剂的沉降使压裂液和支撑剂无法向下流动，从而阻止裂缝向下延伸。根据国内胜利、吐哈、中原等油田的应用情况，人工隔层能将储、隔层间应力差增加3～5MPa。

图5 人工隔层技术原理与净应力分布图

其主要步骤如下：

1)分析原始储、隔层条件下裂缝纵向延伸，确定裂缝纵向延伸需控制的方向，如上、下或同时控制。

2)使用预前置液造缝，使地层破裂，并使裂缝延伸达到一定规模。

3)使用黏度较低的液体，低排量泵入控制剂，并将其全部顶替进地层。

4)关井10～20min，使转向剂上浮和下沉，形成渗透性较差的人工隔层。

5)最后按常规压裂施工进行施工，完成压裂施工作业。

2.1.2 尕斯油田人工隔层技术适应性

根据尕斯油田深层储层条件对不同隔层厚度对缝高的影响进行模拟，结果见图6。

图6 人工隔层适应性分析结果

从人工隔层对缝高的影响分析可以看出，在实施人工隔层控缝高技术后，隔层对裂缝在纵向上的延伸起到了较好的遮挡作用，当隔层厚度大于4.6m时能有效遮挡裂缝的纵向延伸，而尕斯油田深层实际隔层平均厚度为5.6m，故人工隔层控缝高技术能有效防止该油藏人工裂缝在纵向上的过度延伸。

2.2 变排量技术

压裂上下隔层地应力差值小的薄层时，裂缝容易使上下层沟通，为限制缝高过度延伸，通过排量的瞬间跃变，可在控制裂缝缝口高度向下延伸的同时将支撑剂输送至裂缝更深处，增大支撑缝长，增加裂缝内支撑剂铺置浓度，提高裂缝的导流能力，改善增产效果。但对于薄互层储层来说，缝高在上下隔层都有延伸，变排量压裂技术主要适用于具有一定厚度的底水油藏，防止底水上窜。

2.3 调整压裂液密度技术

利用压裂液密度控制裂缝高度，是通过控制压裂液中垂向压力分布来实现的。若要控制裂缝向上延伸，应采用密度较高的压裂液；若要控制裂缝向下延伸，则应采用密度较低的压裂液。因此，通过调整压裂液密度来控缝高是一种单向方式，只能控制裂缝在一个方向的延伸，并不适用于控制薄互层储层压裂裂缝高度。

2.4 冷却地层技术

采用控制排量和压力的方法，先以低排量注入低温液体冷却地层，降低地层应力，当冷却地层的范围和应力

条件达到一定要求时，再以高排量注入高浓度降滤剂的低温前置液压开裂缝，冷却一定时间后再将注液压力提高到地层破裂压力进行造缝。这种方法主要用于胶结性较差的地层和不存在清水伤害问题的油气层。

3 实例应用

X井是尕斯油田深层的一口油井，根据压裂选井、选层结果可对Ⅲ-7小层进行压裂改造，达到提高单井产量的目的。故以该井为例进行人工隔层技术优化设计。

3.1 储层基本参数

X井拟压裂井段储层基本参数见表1。

表1 X井拟压裂井段储层基本参数

3.2 缝高延伸分析

从表2可见Ⅲ-7小层上隔层厚度8.0m，下隔层厚度6.0m，均无法达到正常阻挡裂缝延伸的厚度，如不采取措施可能压窜Ⅲ-5小层和Ⅳ-1小层，可能造成压裂后油井水淹，且有早期砂堵的风险，为此采用人工隔层技术进行压裂。

3.2.1 压裂施工泵注程序优化结果

X井压裂施工泵注程序优化结果见表2。

3.2.2 控缝高结果分析

在相同压裂施工参数和施工规模下，采用常规压裂和人工隔层压裂的裂缝形态模拟计算，结果见图7～8。

图7 X井常规压裂裂缝形态示意图

图8 X井人工隔层压裂裂缝形态示意图

表2 X井压裂施工泵注程序优化结果

对比图7、8结果可见，常规压裂总裂缝高度为 18.0m，既压开了Ⅲ-7号层以上的Ⅲ-5层，也压开了Ⅲ-7号层以下的Ⅳ-1号层，而采用人工隔层压裂后总裂缝高度为12.9m，缝高得到有效控制，上下隔层都不会被压窜，保证了压裂施工的成功，同时也增加了裂缝长度。

4 结论

1)裂缝纵向延伸敏感性分析表明，尕斯油田深层储、隔层地应力差和隔层厚度对裂缝高度的影响占主导，施工排量和压裂液黏度对其的影响较弱。

2)控缝高压裂技术主要是通过人工隔层技术、变排量技术、调整压裂液密度及冷却地层技术等使地层的物质特性、应力差及裂缝韧度在纵向裂缝方向上不同程度地受到遏制，可有效阻碍裂缝在纵向上的延伸。

3)人工隔层技术能够很好地控制缝高的延伸，同时增加裂缝的长度。

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2015-06-30

中国石油大学(北京)科研项目“砂煤互夹层水力裂缝造缝机制研究”(2462015YQ0203)

许超兰(1992-)，女，湖北潜江人，硕士研究生，主要从事油气田开发研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.012