迫使碳酸盐岩油气藏裂缝向下延伸的酸压技术.pdf

第 3 4卷 第 6期 2 0 1 2年 1 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L L I NG P RODUC TI ON T ECHNOL OGY Vo 1 ． 3 4 No ． 6 NO V．2 O1 2 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 6 0 0 6 5 0 4 迫使碳酸盐岩油气藏裂缝 向下延伸 的酸压技术 周 福 建 汪 道兵 伊向 艺 刘雄 飞 张 福 祥 石 阳 1 ． 中石油勘探开发研究院廊坊分院， 河北廊坊0 6 5 0 0 7 ；2 ． 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 成都理工大学， 四 l 1 戍都6 1 0 0 5 9 ； 3 ． 中国石 油塔 里木 油田分公司 ， 新疆库 尔勒8 4 1 0 0 0 引用格式周福建， 汪道兵， 伊向艺， 等 ． 迫使碳酸盐岩油气藏裂缝向下延伸的酸压技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 6 6 5 6 8 ． 摘要碳酸盐岩油气藏非均质性强， 受钻井5 - ． 艺和地质条件的限制， 井眼距下部储集体较远时， 常规酸压工艺难以沟通下 方的储集体。从人工隔层控制裂缝延伸方向机理 出发， 提 出上浮转向剂形成人工高阻隔层迫使酸压裂缝在纵向上向下延伸的 思路 ， 研发 了一种超低密度耐高温高承压的特殊上浮转向剂 T B A， 其密度为 0 ． 3 7 g ／ c m ， 承压 1 4 0 MP a ， 2 6 0 o C高温下稳定， 并对 上浮转向剂 T B A进行 了上浮规律研究， 使用数模的方法对上浮转向剂 T B A的上浮时间、 用量进行优化， 获取了有效迫使裂缝 向下定向酸压控制参数， 使裂缝尽可能向下延伸沟通储集体。该技术已在塔里木盆地碳酸盐岩油气藏进行了4口井酸压试验， 取得 了很好 的效果。 关键词碳酸盐岩油气藏；上浮剂 ；迫使裂缝向下延伸i酸压 中图分类号 T E 3 5 7 文献标识码 A Ac i d f r a c t ur i ng t e c h no l o g y f o r c i n g f r a c t ur e t o pr o pa g a t e d o wn wa r d i n c a r b o na t e r e s e r vo i r s Z H O U F u j ia n ， W A N G D a 0 b in g ， Y I X ia n g y i ， L IU X i0 n g f e i ， Z H A N G F u x i a n g 3 ， S H I y a n g 1 ． P e t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E x p l o r a t i o nDe v e l o p me n t ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 7 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo fO i l a n dG a s Re s e r v o i r G e o l o g y a n dE x p l o i t a t i o n‘ C h e n g d u U n iv e r s R yo fT e c h n o l o gy C h e n g d u 6 1 0 0 5 9 ， C h i n a ； 3 ． P e t r o C h i n aT a r i mlfi e l dC o m p a n y , Ko r l a8 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Co n s i d e rin g t h e s t r o n g h e t e r o g e n e i t y o f c a r b o n a t e r e s e r v o i r s ， i t i s v e r y d i ffic u l t t o r e a c h t h e r e s e r v o i r a t the l o we r p a r t b y c o n v e n t i o n a l a c i d fra c t u r i n g d u e t o r e s t r i c t i o n s o f d ril l i n g t e c h n o l o g y a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i f t h e b o r e h o l e i s r e l a t i v e l y f ar a wa y f r o m t h e r e s e r v o i r ． T h i s p a p e r , b a s e d o n t h e me c h a n i s m o f a r t i fi c i a l i n t e r l a y e r c o n t r o l l i n g fra c t u r e p r o p a g a t i o n p a t h ， p u t s f o r wa r d a n i d e a wh e r e fl o a t i n g t y p e o f d i v e r t i n g a g e n t f o r ms h i g h a r t i fi c i a l b a r r i e r l a y e r b e f o r e f o r c i n g l o n g i t u d i n a l d o wn ward p r o p a g a t i o n o f a c i d fra c ‘ t u r e ． A s p e c i a l flo a t i n g t y p e o f d i v e r t i n g a g e n t TB A o f u l tra l o w d e n s i t y a n d h i g h t e mp e r a tur e and h i g h p r e s s u r e r e s i s t anc e i s d e v e l o p e d ， wh i c h h a s a d e n s i ty o f O ． 3 7 g ／ c m ， p r e s s u r e - b e a r i n g c a p a c i ty o f 1 4 0 MP a a n d k e e p s s t a b l e a t 2 6 0 o C． T h e flo a t i n g t y p e o f d i v e rti n g a g e n t TBA i s s tud i e d wi t h r e s p e c t t o t h e fl o a t i n g l a w, a n d d i g i t a l mo d e l i n g i s u s e d t o o p t i m i z e t h e t i me o f fl o a t i n g an d d o s a g e o f T BA t o o b t a i n t h e c o n t r o l p a r a me t e r s o f a c i d fra c t u ri n g t h a t e ff e c t i v e l y f o r c e s the fra c t u r e t o p r o p a g a t e d o wn ward a s f a r a s p o s s i b l e u n t i l r e a c h i n g t h e r e s e rvo i r ． T h i s a c i d f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y h a s b e e n t e s t e d i n 4 we l l s i n c arb o n ate r e s e r v o i r s i n T a ri m b a s i n wi t h e x c e l l e n t e f f e c t ． Ke y wo r d s c arb o n a t e r e s e rvo i r ； fl o a t i n g t y pe o f d i v e rti n g a g e n t ； f o r c i n g fra c t u r e t o p r o p a g a t e d o wn ward ； a c i d f r a c t u r i n g 国内碳酸盐岩油气藏分布广， 资源量大， 储层非 均质性强， 埋藏深 4 0 0 0 ～ 7 4 0 0 r n ’ 。酸压技术 是碳酸盐岩储层油气井增产的有效方法之一， 碳酸 盐岩储层酸压成败主要取决于高导流能力的酸蚀裂 缝能否沟通储集体 l 3 ]。由于钻井工艺和地质条件的 限制， 钻井井眼 如一些侧钻井 经常在储集体上方， 基金项 目国家9 7 3项目 “ 中 低丰度天然气藏大面积成藏机理与有效开发基础研究” 编号2 0 0 7 C B 2 0 9 5 0 0 。 作者简介周福建， 1 9 6 7 年生。】 9 9 0年毕业于石油大学 华东 钻井工程专业， 主要从事油气藏增产措施 、 油气井防砂及储层保护技术研 究工作， 教授级高级工程师。电话0 1 0 8 3 5 9 7 6 0 8 。E ma i l z h o u t j p e t r o c h i n a ． c o m．c a 。 石油钻采工艺2 0 1 2 年 1 1 月 第3 4 卷 第6 期 且与储集体距离较远 一般 5 0 - 7 0 m ， 常规酸压技 术压开的裂缝高度一般在 5 0 ～ 6 0 IT I ， 裂缝向下延伸也 只有 2 0 ～ 3 0 r n ， 无法沟通井眼下方远距离的储集体。 有效储层 与上部可疑水层较近时 ， 采用 常规酸压工 艺易沟通上面的水层 ， 导致酸压改造失败。为 了提 高碳酸盐岩的酸压改造效果需要研究裂缝向下延伸 酸压技术。 1 人工高阻隔层迫使酸压裂缝 向下延伸 的 思路 在酸压过程中， 裂缝同时在长、 宽、 高 3 个方向 上延伸， 影响裂缝的垂向扩展的因素主要可分 3 类 岩石物质特性 、 施工参数和地层应力 ， 施工参数可 以 人为控制。迫使裂缝向下延伸文献较少， 但在控制 水力压裂裂缝高度方面有相关研究 ， Ha n s o n 通过 交替增大和减小注入排量和砂比， 采用可变形、 接近 于压裂液密度的固体颗粒封堵部分压裂液通道而控 制缝高；N g u y e n 等研究提出缝高方向上 1 ． 4 - 4 ． 8 MP a 的应力障碍可减缓或停止裂缝高度的增加， 首 次提出利用转向剂使其沉积在裂缝下部端点以阻止 一 部分压裂液滤失， 即人为增大隔挡层压力值， 从而 实现人工隔层控制裂缝高度增加。卢修峰 使用二 次加砂工艺控制人工裂缝高度。借鉴 N g u y e n 等的 研究成果， 在酸压施工过程中， 使用低密度、 高强度、 超细上浮剂， 通过前置液和酸液携带注入， 上浮聚集 在新生裂缝顶部 ， 形成压实的低渗区 ， 这种人工隔层 可以阻挡缝内流体压力向上部地层传递， 阻止裂缝 向上延伸 见图 1 。 裂 缝 界 ，尢 遮 挡 ， 确保 向下足够延伸 图 l 上浮转向剂在缝顶形成遮挡层的示意图 使用上浮剂后， 裂缝顶部的净压力p 。 和裂 缝顶部的净压力 。 。 卜 仉 。 分别为 P T 。 t P f 一 一t d 1 P B 。 t t P w f 一 2 式中，P ， 为井底压力， MP a ；盯 为地层最小水平主 应力， MP a ；t d 表 示 隔层剂 的阻抗值， MP a ；d为 上 浮 剂 隔层 厚 度 ， m；t 为 上 浮 剂 隔层 阻抗 梯 度 ， MP a ／ m。显然 ， p 。 B ～ 由于上浮剂产生 了阻 抗 ， 使得裂缝顶部净压力减小， 因而迫使酸压裂缝 向下延伸。因此， 上浮剂形成的上浮隔层越厚， 隔层 渗透性越低， 阻抗越大。 2 上浮转向剂的研制和性能评价 2 ． 1 上浮转向剂的设计 1 上浮转向剂密度小于压裂液密度， 上浮剂密 度小于 0 ． 5 g ／ c m ； 2 上浮转向剂在 1 2 0 MP a 高净压 力酸压裂缝中破碎率低， 耐压 1 2 0 MP a ； 3 上浮转向 剂在地层温度环境下稳定， 耐温 1 5 0℃ ； 4 形成遮 挡层后， 能产生较大压降， 上浮转向剂的粒径不大于 1 2 5 g m； 5 对裂缝导流能力影响小。 2 ． 2 上浮转向剂的研制 使用硅质材料， 以二氧化硅、 三氧化二铝为主要 原料， 添加一些特殊辅剂， 在 2 1 0 0。 c 高温下， 经特殊 工艺制备成粒径 5 0 ～ 2 5 0 g m的空心微珠作为T B A 上浮转 向剂 图 2 。 一 a 放大不意 图 b 微观照片 图 2 T B A上浮转向剂 2 ． 3 上浮转向剂的稳定性能 使用激光粒度仪、 填砂管驱替、 带刻度的玻璃 管、 高压罐和高温烘箱等仪器对 T B A 一 1 2 0 进行的 粒径、 密度 、 上浮速率、 耐静水压力、 2 6 0℃稳定性 进行测定。T B A粒径主要分布在 9 0 ～ 2 2 1 ． 8 g m， 粒 径分布合理， 可以形成较致密的隔挡层 ；T B A密度 为 O ． 3 7 g ／ c m ， 在密度为 1 ． 2 g ／ c m 、 黏度为 1 m P a S 酸液 中 的平均上 浮速率 为 0 ． 3 9 6 m／ mi n， 能够在 裂 缝中在较短时间内上浮到裂缝上部形成隔挡层； T BA在 1 2 5 MP a静水 压力 下 破碎 率 为 6 ． 6 2 ％， 经 2 6 0 ℃高温罐 中老化 8 h ， 1 2 6 MP a 静水压力下破 碎率仅为 6 ． 9 1 ％， 与高温老化前相当， 说明 T B A耐 1 4 0 MP a的静水压力和 2 6 0℃的高温 。 2 ． 4 上浮转向剂的暂堵性能 使用美国岩心公司生产的岩心流动试验仪对 T B A 一 1 2 0 上浮转 向剂暂堵裂缝的性能进行实验评 价。使用天然岩心模拟地下运动剪切造缝， 将岩一 t2 , 沿轴向剪切剖开， 在岩心裂缝壁面使用高强度的钢 制微珠 3 8 0 g m 多点支撑， 使用铝合金管对其进行 固定， 使之形成具有楔形裂缝的岩心。在模拟地层 酸压施工的情况下， 将 2 ％ T B A ． 1 2 0 滑溜水携带液 层一要 一 尺 V 周福建等迫使碳酸盐岩油气藏裂缝向下延伸的酸压技术 6 7 注人人造岩心裂缝， 测定岩心两端压力， 两端压力差 与时间的关 系见图 3 ， 可以看出 ， T B A进入缝端后压 力急剧上升了近 6 ．5 MP a ， 表明T B A ． 1 2 0 具有较好 的暂堵裂缝的效果。 图 3 上 浮转 向剂 T B A 暂堵性能 曲线 3 人工隔层控制缝高酸压工艺参数设计 3 ． 1 T B A上浮转向剂上浮速度优化 对 T B A上浮转向剂在携带液中的受力分析， 直 径为D的T B A小球在黏度为 的流体向上运动时 受到重力 G 、 摩擦阻力．厂 和浮力 浮 3 个力的共同作 用 ， 得到 T B A的上浮速率 v 二 兰 3 1 ， 一 l j J 1 8 “ 式中， 1 ， 为 T B A上浮转 向剂上浮速率， n m i n ； P 、 P 分别为携带液和 T B A上浮转向剂密度， g ／ c m ； D为 T B A上浮转向剂直径， mm ； g为重力加速度， m ／ s ； 为携带液黏度 ， mP a S 。 根据式 3 可以模拟计算携带液密度、 携带液黏 度、 T B A粒径、 T B A密度对 T B A上浮速率的影响， 图 4给出了 T B A粒径对 其上浮速率 的影 响。可 以 根据施工井具体情况， 选择合适 T B A转向剂及携带 液参数， 以满足施工工艺要求。 粒径／ u m 图4 不同粒径小球的上浮速度曲线 3 ． 2 上浮转 向剂的用量优化 当裂缝中心在产层内部， 由线弹性断裂力学理 论， 裂缝壁面上张开应力在裂缝上下两端所产生的 应力强度因子 分别为 K 一 4 p J 5 式中， a 为裂缝半高度， m； P 为裂缝内部净压力， MP a ；K 。 。 m 分别为裂缝顶部、 底部应力强度因 子 ， MP a m“ 。 结合人工隔层条件下的张开裂缝净应力分布， 并考 虑 I 型裂缝延伸判据， 即K t。 。 ， K b 。 ∞ K 。 取裂缝 中心为坐标原 点 ， 水平 向右为 X轴正方 向， 水平向上为Y 轴正方向， 令 口 h h 十 ／ 2 ， 裂 缝内净压力分布如下 当 一 口 ≤ ≤ 一a h x 时， P Y P 、v f 一 3 ； 当 一 口 h x ． ≤口一 时，P Y P f 一 1 ； 当 ah s ≤ 一d 时， P Y P f 一 2； 当 a - b y a时 ， P f 一 a 2 t d 厂 c r 2 一 t d 。 根据定积分理论 ， 对于任意Y∈ ， 】 ， 有 厂 √ [ arcsin ／ g √ in 式 6 、 7 相加 、 相减得到一 f g sin ㈡ 一2 厢 对式 4 、 式 5 在相应压力 区间上积分 ， 将它 们分别相加、 相减， 并结合上述定积分结果， 令 6 h - h 。 ／ 2 ， c h - h ／ 2由此可以导出 一 2 讲一 一 一 if 2 i O -1 一 in -- 0“I一 in ㈡ csin ] x／ a K i c 3 --Kic 2 一 x ／h x 2 a - h x 一 0 “1 8 式中 h 、 h 分别为产层厚度、 裂缝进入盖层和底层 的距离， m；d 为上浮剂隔层厚度， m；f 为上浮剂隔 层阻抗梯度 ， MP a ／ m； 、 t7 2 、 0 “3 分别为产层、 盖层和 底层水平最小主应力， MP a ； 、 分别为盖层 、 底层岩石的断裂韧性 ， MP a m“ 。 式 8 是关于 h 和 h 的二元非线性方程组 ， 用 7 6 5 4 3 2 l O B d 罨 6 8 石油钻采工艺2 0 1 2 年 1 1 月 第3 4卷 第 6 期 Ma t l a b 7 ．0 编程可以求其数值解。使用上述方程组 可 以作 出关于上浮剂 隔层厚度 d与上穿层 厚度 。 的关系式图， 从而可 以优化 T B A的用量 。 图 5 为轮古油田 s 井的上浮剂隔层厚度 与 上穿层厚度 h 的关系 ， 从图 5中看出 ， 当隔层厚度增 加时 ， 裂缝越难向上穿越 ， 当隔层厚度为 0 ． 7 5 1T I 左右 时， 上穿层厚度基本保持不变， 因此最优隔层厚度为 0 ．7 5 1T I ， 从而计算得到T B A的最优加量为 1 ～ 1 ．5 1T I 。 { 啮 酞 ．叵 隔层厚度／ m 图 5 隔层厚度 与向上穿层厚度 h 关系 4 现场应用 在塔里木轮古油田碳酸盐岩油气藏开展了4口 井迫使裂缝向下延伸的酸压试验， 参数见表 3 。 表 3 迫使碳酸盐岩油气藏裂缝向下延伸的酸压的 施工参数及效果 井号 A 井 B井 C井 D 井 井底垂深 ／ m 井底距 下部储 集体距 离 ／ m 裂缝延伸压力 ／ MP a 储层 温度 ／ ℃ T B A粒径 中值 ／ I x m T B A密度 ／ g c m。 T B A平均上浮速率／ m mi n 。 T B A耐静水压力 ／ MP a 携 带液密度 ／ g c m。 携 带液黏 度 ／ mP a S T B A 用量 ／ m TBA 转 向 压 力 ／ MP a 酸 压 前 油 压 ／ MPa 酸压前 日产油量 ／ m 酸压前 日产气 ／ m d - 酸 压 后 油压 ／ MPa 酸压后 日产油量 ／ m d 。 酸压后 日产气 ／ r n d 5 3 8 2 ． 8 5 4 5 0 ． 2 5 6 7 9 ． 2 6 0 1 2 ， 5 6 8 ． 6 6 3 - 3 5 0 ． 2 4 3 ． 0 4 9 6 ． 5 9 8 ． 1 1 0 2 ． 2 1 0 9 ． 8 1 2 9 ． 1 1 3 0 ． 8 1 3 6 ． 3 1 4 6 ． 4 l 68 1 8 0 1 50 1 21 0 - 3 5 0 ． 3 4 0 - 3 6 0 ．3 7 0 ． 6 3 0 ．7 2 0 ． 5 0 0 ．4l 1 0 5 1 0 5 1 0 5 1 2 6 1 ． 2 1 - 2 1 ． 2 1 ． 2 1 ． 25 1 ． 25 1 ．25 1 ．25 1 ． 5 0 1 ．4 0 1 ．2 O 1 ． 1 0 1 2． 1 9． 3 7． 5 7． 1 1 ． 2 2_ 3 2 0 00 3 5 ． 0 1 2 ． 1 1 5 ． 5 9 ． 5 5 7 ． 6 2 6 ． 0 31 ． 0 71 ． 0 1 40 0 00 A井 的 酸 压 井 段 为 5 5 1 0 ． 4 ～ 5 5 8 9 ． 0 r n 垂 深 5 3 2 2 ．6 - 5 3 8 2 ．8 m ；位于岩溶坡地的溶丘洼地， 处 于背斜较高部位， 附近 I I I 级断裂较发育；由实钻井 眼看， 本井酸压层段处于强振幅反射区 优势储集体 顶部 距离 6 8 ． 6m 。 由于井底距离下方储集体较远， 且为井眼较长 的斜井， 采用常规酸压工艺难以沟通下方储集体。 使用 T B A转向剂迫使裂缝向下延伸的酸压工艺， 使 用第 2 部分中的设计方法， 确定 T B A的参数和携带 液性能， T B A的上浮速率 0 ．6 3 r r d min ， T B A的用量 1 5 0 0 k g ， 转向压力 l 2 ．2 MP a ， 说明人工隔层效果较 好 ， 阻止了裂缝继续 向上延伸 ， T B A酸压后 日产油量 5 7． 6m 3 ，日产气 1 4 1 0 1T I ， 效果良好。 5 结论 设计研制出了一种超低密度 密度 0 ．4 g ／ c r n 、 耐高温 2 6 0 o C 和耐高静水压力 1 4 0 MP a 下破 碎率 1 0 ％ 的上浮转向剂 T B A， 室内裂缝性岩心实 验转向压力大于 6 MP a ；使用数学方法研究了包括 T B A的上浮 速率和 T B A最优 用量 的 T B A上浮转 向剂迫使裂缝向下延伸的酸压工艺参数， 试验表明， T B A具有较好遮挡功能， 可迫使酸压裂缝向下延伸 沟通下部储集体。 参考文献 l 1 j Z H OUF J ， L I UYZ ， Z H A NG SL ， e t a 1 ． An o v e l d i v e r t i n g a c i d s t i mul a t i o n t r e a t m e n t t e c h n i q u e f o r c a r bo na t e r e s e r v o i r s i n C h i n a j R J ． S P E 1 2 3 1 7 1 ， 2 0 0 9 ． 1 2 J Z HO U F J ， L I U Y Z ， L I U X e t a 1 ． C a s e s t u d y YM2 0 4 o b t a i n e d hi g h p e t r o l e u m p r o d u c t i o n b y a c i d f r a c t u r e t r e a t m e n t c o m b i n i n g flui d d i v e r s i o n a nd f r a c t ur e r e o r i e n t a t i o n[ R]． S P E 1 2 1 8 2 7 ， 2 0 0 9 ． 1 3 J Z HO U F ， L I U Z H AN G F ， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n a n d s t u d y o f a c i d f r a c tur e t e c h n i q u e u s i n g n o v e l t e mp e r a t u r e c o n t r o l v i s c o s i t y a c i d i n c a r b o n a t e r e s e r v o i r , T AR I M [ R]． S P E 1 0 4 4 4 6 ． 2 0 0 6 ． 1 4 I HANS 0N Al d e n W． Pl a s t i c a l l y d e f o r ma b l e s o l i d s i n t r e a t i n g s u b t e r r a n e a n f o r ma t i o n s l P j． US 3 1 5 9 2 1 7 ， 1 9 6 4 ． 1 5 j NGUYE N H X，L ARS ON D B．F r a c t u r e h e i g h t c o n t a i n m e n t b y c r e a t i n g a n a rti fi c i a l b a r r i e r wi t h a n e w a d d i t i v e l R 1 ． S P E 1 2 0 6 1 ． 1 9 8 3 [ 6] 卢修峰 ， 王杏尊， 吉鸿波， 等 ． 二次加砂压裂工艺研究与 应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 4 ， 2 6 4 5 7 6 0 ． [ 7 ] 胡永全， 谢朝阳， 赵金洲， 等 ． 海拉 尔盆地人工隔层控缝 高压裂技术研 J ] ． 西南石油大学学报自然科学版， 2 0 0 9， 3 1 1 7 0 ． 7 2． [ 8 ] 伊向艺， 汪道兵 ， 侯艳红， 等 ． 一种确定控制缝高的人工 隔层剂最优 用量方法 [ J ] ． 石油天然气学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 6 1 4 5 一 l 4 7 ． 收稿 日期2 0 1 2 0 6 2 1 [ 编辑景暖 ]