福山油田绳结暂堵转向压裂工艺.pdf

2024 年 4 月 第 33 卷 第 2 期 储层改造与完井技术 文章编号:1004-4388(2024)02-0044-07 2023-06-27 收稿,2023-11-12 修回,2024-02-17 接受,2024-04-20 网络版发表福山油田绳结暂堵转向压裂工艺张智勇1,邓校国2,付杰2,杜建洪2,李凯1,张大年11.北京斯迪莱铂油气技术有限公司 北京 1026002.中国石油南方石油勘探开发有限责任公司 海南海口 570216通讯作者:Email:zhiyongzhang 引用:张智勇,邓校国,付杰,等.福山油田绳结暂堵转向压裂工艺J.油气井测试,2024,33(2):44-50.Cite:ZHANG Zhiyong,DENG Xiaoguo,FU Jie,et al.Rope-knotting temporary plugging and diverting fracturing technique in Fushan oilfieldJ.2024,33(2):44-50.摘要 海南福山油田储层主要特点薄互层发育,油层厚度小,隔层泥质含量高,使用可溶球和颗粒暂堵剂实现层间暂堵转向,存在暂堵压力响应不明显,颗粒暂堵剂堵塞压裂泵车柱塞阀的问题。通过对暂堵材料、暂堵工艺的改进,使用新型绳结暂堵球,取代了以往的可溶球和颗粒暂堵剂;同时在室内开展了薄互层射孔优化、携砂液对孔眼冲蚀规律分析、绳结暂堵球直径大小和数量与射孔孔眼的匹配研究,形成了适应福山油田储层特征的绳结暂堵转向压裂工艺。经福山油田应用 17 口井 27 层,暂堵转向有效率 82%,单井平均日增油 4.28 t/d,取得较好增产效果。该工艺进一步提高了薄互层压裂改造效率,具有良好的推广应用价值。关键词 福山油田;薄互层;压裂;暂堵转向;暂堵剂;绳结暂堵球;封堵性能;优化设计中图分类号:TE357 文献标识码:B DOI:10.19680/ki.1004-4388.2024.02.008Rope-knotting temporary plugging and diverting fracturing technique in Fushan oilfieldZHANG Zhiyong1,DENG Xiaoguo2,FU Jie2,DU Jianhong2,LI Kai1,ZHANG Danian11.Beijing Stimlab Oil and Gas Technology Co.,Ltd.,Beijing 102600,China2.China Southern Petroleum Exploration and Development Co.,Ltd.,Haikou Hainan 570216,ChinaAbstract:The main characteristics of the reservoirs in Hainan Fushan Oilfield include the development of thin interlayers,small oil layer thickness,and high mud content in the interlayers.Temporary plugging and diverting between layers can be achieved by using soluble balls and granular temporary plugging agents.However,issues such as unclear response to plugging pressure and blockage of fracturing pump truck plunger valves by granular temporary plugging agents were encountered.Through improvements in plugging materials and techniques,a new type of rope-knotting temporary plugging ball was selected to replace the traditional soluble balls and granular temporary plugging agents.Additionally,indoor research,such as optimization of perforation in thin interlayers,analysis of erosion patterns of perforations by sand-carrying fluids,the matching of rope-knotting temporary plugging ball diameter and quantity with perforation holes,were performed,forming a rope-knotting temporary plugging and diverting fracturing technique adapted to the reservoir characteristics of the Fushan Oilfield.The technique was applied to 27 layers in 17 wells in Fushan Oilfield,achieving an effective diverting rate of 82%and an average daily oil production increase of 4.28 t/d per well,demonstrating significant production enhancement.This technique further improves the efficiency of fracturing in thin interlayers and holds considerable significance for widespread application.Keywords:Fushan oilfield;thin interlayers;fracturing;temporary plugging and diverting;temporary plugging agent;rope-knotting temporary plugging ball;sealing performance;optimization design 福山油田为复杂断块凝析油气藏,主要含油气层为下第三系流沙港组和涠洲组碎屑岩储层,主要岩性为岩屑砂岩和不等粒砂岩,粒径变化大,岩石含粗砂、中砂、细砂、粉砂等。储层以中孔低渗、低孔低渗透为主,储层物性垂向差异较大,且孔渗匹配性较差,部分储层致密,储层孔隙度 8.9%13.6%,渗透率 0.039.4 mD,有效储层平均孔隙度10.3%,平均渗透率 1.1 mD1。储层在纵向上表现出砂泥岩薄互层的特点,油气层层厚 0.75.8 m,平均层厚 1.7 m,且油气层纵向上跨度大、连续性差、第 33 卷 第 2 期张智勇等:福山油田绳结暂堵转向压裂工艺非均质性强2-3。福山油田自 1999 年开始实施压裂提产增效,针对薄互层压裂在 2021 年之前主要采取的是前置液投球分层压裂工艺,以及复合颗粒暂堵剂暂堵转向压裂工艺,鄢雪梅等4针对海南福山复杂断块储层压裂,提出来“前置液投球分层+变排量控缝高”组合压裂工艺技术,提高了压裂施工成功率和有效率。魏凯等5针对海南流沙港组致密砂岩体积压裂,提出了层间暂堵转向工艺,通过使用可膨胀颗粒暂堵剂封堵炮眼和近井裂缝,颗粒暂堵剂见水后不断膨胀,表面溶解增黏,起到封堵作用。在暂堵剂有效承压的基础上提高施工净压力从而压开新的裂缝,达到段内裂缝分流转向的目的,实现不同物性、不同地应力储层的均匀改造。吴国涛等6针对提高暂堵转向有效性问题,提出复合暂堵技术,介绍了三种不同尺寸大小的颗粒暂堵剂及其性能参数,提出了针对不同暂堵工艺类型的复合暂堵方式,并通过实验给出了不同尺寸暂堵剂的最优使用比例,最后选择东北某油田一口井进行暂堵转向压裂加以验证。王玉霞7针对炮眼暂堵转向压裂改造效果逐年变差的问题,采用复合暂堵转向压裂技术,探索了提高转向压裂效果的有效手段。金智荣等8针对暂堵转向压裂工艺中暂堵剂类型多,转向效果差异大等问题,在暂堵剂封堵机理分析基础上,利用自主设计的动态暂堵评价装置,测定多种暂堵剂封堵承压能力,优化暂堵剂类型及其组合,认为使用复合颗粒或颗粒/纤维组合,相比于单一颗粒能够得到更高的封堵承压能力。郭建春等9采用可视化水力裂缝内暂堵实验装置,开展了不同携带液排量、黏度条件下,不同粒径、不同浓度的暂堵颗粒在水力裂缝中的封堵实验,分析了暂堵颗粒在水力裂缝中的封堵行为特征与封堵层的形成条件。在现场实际应用过程中由于储层条件的差异、封堵材料性能的差异、暂堵转向工艺设计的差异,都会影响暂堵转向的有效性,并经常出现暂堵压力响应不明显,颗粒暂堵剂影响压裂泵车泵校,甚至堵塞压裂泵车柱塞阀的问题,祝道平等10 针对福山油田压裂施工井的砂堵情况分析,得出储集层泥质含量高,暂堵转向有效性差,近井筒地带易形成多裂缝,以及压裂目的层与上下隔层地应力差值小、缝高失控是导致福山油田复杂断块油气藏砂堵的主要原因。金智荣等11针对因井筒条件或隔层封挡能力达不到机械分层压裂要求的薄互层油藏,提出用暂堵转向分层压裂工艺来实现非均质油层逐层充分改造的难度,包括进行暂堵转向压裂施工排量选择时,要考虑暂堵球不仅能坐落射孔炮眼,还要保证暂堵球在施工过程中不脱落。压裂油层越厚,保证暂堵球有效封堵射孔炮眼所需排量越高,有效封堵的难度也越大。葛婧楠等12针对暂堵压裂工艺适用性分析及效果评价,认为暂堵分段工艺存在分段不明确、改造不彻底等缺点。段内暂堵转向工艺封堵裂缝系统存在一定的不可控性。刘彝等13 针对暂堵转向压裂中暂堵不明显,有效性低的问题,优化暂堵材料,引入有机硅单体,胶束聚合了一种强变形凝胶,通过剪切、造粒、烘干和粉碎后得到不同粒径强变形可膨胀缝口(缝内)暂堵剂,并通过缩合反应,粉末型缝内暂堵剂在高温下自动固化成滤饼,提高缝内暂堵的可行性。综合以往暂堵转向方面的研究成果,以往的投球暂堵转向、复合暂堵转向等工艺在现场实施过程中,还存在封堵有效性较低、暂堵起压不明显、可控性较差的问题,同时对孔眼磨蚀对封堵的影响考虑较少,因此为了进一步提高层间暂堵转向效果,探索开展了新型绳结暂堵转向压裂工艺研究,在暂堵剂材料和结构、封堵有效性、封堵可控性、考虑孔眼磨蚀等方面得到进一步改善,并在现场进行了试验应用。1 绳结暂堵转向作用机理 使用新型绳结暂堵球,取代以往的可溶球和颗粒暂堵剂,即采用高强度、柔性可降解纤维材料编织成包含结状、散状尾翼的内核,在外围包裹一层可溶解材料做成球状,现场应用时通过旁通、投球器等特定设备,随流体泵入井筒,泵入过程中,外包裹材料破裂溶解,暴露出绳结内核,并随流体进入射孔通道,通过绳结结状结构和散状尾翼的共同作用,封堵孔眼,进而实现暂堵分流的作用。施工结束后,绳结在要求的规定的时间内降解,射孔孔眼流通通道恢复。2 绳结暂堵球特点 绳结暂堵球的内核主要是高强度、柔性、可降解纤维材料,通过打结等方式编织成主体为结扣、末端为散状的“绳结”状,长度 510 cm,绳结大小可以根据射孔孔眼大小调节,常用的有 15 mm、18 mm、20 mm、22 mm、25 mm。542024 年 4 月绳结暂堵球的外壳主要是可溶材料石蜡,用于包裹住绳结,做成球状,注入过程中可迅速破裂、溶解从而释放绳结内核,便于泵送,具体实物见图 1。图 1 绳结暂堵球内核及外壳Fig.1 The core and shell of the rope knot temporary plugging ball绳结暂堵球主要优点是自适应高效暂堵,封堵可靠率高,封堵承压大,用量少,使用简单,低温可全降解,无污染。(1)“流苏状”两翼结构能够实现绳结在井筒内悬浮旋转运动,更容易封堵不同相位角的射孔孔眼。(2)绳结结构对射孔孔眼具有更好的附着力,可嵌入不同形状孔眼,尤其是支撑剂磨蚀后的不规则孔眼,且越压越实,解决了常规可溶球封堵不严和易脱落的难题。(3)根据射孔孔眼数量、孔眼磨蚀大小,可以优化设计绳结暂堵球的数量和大小,实现精准封堵,提高封堵可靠率。3 绳结暂堵转向压裂工艺 一个成功的暂堵转向压裂施工,除了需要性能优良的暂堵剂产品以外,科学合理的暂堵转向工艺设计也是至关重要的。3.1 薄互层射孔参数设计 薄互层压裂的重点就是要实现纵向各小层的均衡扩展和延伸,通过减少单簇射孔数的限流压裂,有利于提高各簇改造均匀性、降低各簇进液量的差异性,但容易产生较高的孔眼摩阻和地面施工压力。综合考虑福山油田主力油气层层间应力差异(2.14.4 MPa),为了确保所有射孔簇都能进液扩展,有效孔眼摩阻一般要求大于 5 MPa,根据孔眼数与摩阻关系图版(见图 2),为保证较好的限流效果,每段射孔孔眼数 3648 孔,因此针对射孔层厚度3 m 的井,优化射孔孔密 12 孔/m,相位角 60;针对射孔层厚度3 m 的井,优化射孔孔密16 孔/m,相位角 60。图 2 孔眼数与孔眼摩阻关系图版(139.7 mm 套管、孔径 10 mm)Fig.2 Diagram of the relationship between the number of holes and the friction resistance of holes(139.7 mm casing,10 mm diameter)3.2 绳结暂堵球用量设计 根据测井资料对压裂目标层进行地应力剖面分析,结合目标层内各射孔簇油层物性及地应力差异预测各簇压裂开启顺序,并根据各簇射孔孔眼数量进行绳结暂堵球用量优化设计,为保障暂堵转向效果,绳结暂堵球用量一般按照需要封堵的孔眼数量的 1.01.5 倍设计14-15。3.3 绳结暂堵球大小设计 通过其它油田现场试验和井下电视监测成果表明,加砂时支撑剂对射孔孔眼有很强的磨蚀作用,会导致孔眼尺寸变大,平均孔径由 10.5 mm 增大到 15.8 mm16,为了保证绳结暂堵球封堵成功率,通过携砂液对孔眼冲蚀规律分析,以及加砂规模与绳结暂堵球尺寸、孔眼尺寸的匹配研究17-18,冲蚀孔眼直径大小(,单位 mm)与加砂浓度(C,单位 kg/m3)、液体流速(,单位 m/s)、冲蚀时间(t,单位 s)、套管钢材密度(,单位 kg/m3)具有一定的经验相关式:=5.49 10-7 C 1.71 t/,考虑到福山 油 田 常 用 的 射 孔 弹 为 DK34RDX21-2 和DP43RDX45-2 型,射孔孔眼直径分别是 11.7 mm 和12.5 mm,按照平均施工排量 10 m3/min,平均加砂浓度 320 kg/m3,平均冲蚀时间 3 600 s 估算冲蚀后的孔眼直径大约 18.36 23.02 mm,因此现场实际采用三种尺寸(15 mm、20 mm、25 mm)的复合绳结暂堵球,三种尺寸绳结暂堵球的比例主要根据暂堵前过砂量确定,如果暂堵前过砂量较小(小于30 m3),就相应增加小尺寸绳结暂堵球的占比(221)。如果暂堵前过砂量较大(大于 30 m3),就相应增加大尺寸绳结暂堵球的占比(1 1 2),现场还可以根据实际的压力响应情况进行绳结暂堵球大小和投放比例的调整。64第 33 卷 第 2 期张智勇等:福山油田绳结暂堵转向压裂工艺3.4 绳结暂堵球现场投放流程 (1)施工前在地面高压管线上安装侧翼旁通(见图 3),作为绳结暂堵球预置使用。(2)待上一级施工结束井筒内支撑剂完全顶替进入地层后,停泵关井,地面管线泄压。(3)关闭旋塞阀 1、旋塞阀 2、旋塞阀 3,在旁通处投入相应数量的绳结暂堵球,然后井口打备压,开井口,恢复到施工状态。(4)打开旁通侧翼旋塞阀 2、旋塞阀 3,压裂车启泵,将排量提至1 m3/min,待绳结暂堵球进入井筒后,提排量至 45 m3/min,将绳结暂堵球送入井底,观察井口压力响应,待压力平稳后再进行后续的压裂施工。图 3 现场施工投放绳结暂堵球的管柱示意图Fig.3 Schematic Diagram of rope knot temporary plugging ball during on-site construction4 暂堵转向有效性的判断 暂堵转向有效性判断最直观的办法是通过微地震监测、光纤监测等手段,可以直观的看出暂堵前后裂缝开启和延伸情况,但是现场实际出于成本考虑,不能每口井都实施裂缝监测,更多的井还是需要通过井口压力响应来判断19,即通过暂堵转向压力差、暂堵前后施工压力差判断(见图 4)。图 4 暂堵转向压裂施工曲线示意图Fig.4 Schematic diagram of temporary plugging diversion to fracturing construction curve(1)在井筒中泵送绳结暂堵球过程中,当绳结暂堵球到达射孔孔眼位置时,井口压力会出现明显上升,此处的压力增加是暂堵形成的标志,是实现暂堵转向的必要条件。(2)在后一级压裂施工过程中,暂堵转向施工前后两级在同样的施工排量下,施工压力出现提升,暂堵后施工压力高于暂堵前施工压力是暂堵长期有效的典型特征。因此针对没有实施裂缝监测的压裂井,现场人员可根据暂堵压力响应与暂堵前后施工压力对比两项标准,对暂堵转向有效性进行判断,如果两处压力都得到了显著提升,可以判断暂堵转向有效;如果只有一处压力得到提升,可以判断暂堵转向基本有效;如果两处压力都没有得到有效提升,可以判断暂堵转向基本无效。5 现场应用 福山油田从 2021 年开始现场试验应用绳结暂堵转向压裂工艺,目前已累计实施 17 口井 27 层(见表 1),取得较好的暂堵转向效果和增产效果,暂堵转向有效率 82%,平均日增油 4.28 t/d。由于 H107-93X 井压裂时进行了光纤监测,因此以该井作为典型井进行阐述。H107-93X 井压裂井段 3 335.03 347.7 m,射孔 3.5 m/5 簇,射孔孔密 12 孔/m,相位角 60,射孔孔径 11.7 mm。压裂累计用液 535 m3,累计加砂 32.5 m3,施工排量 9.29.5 m3/min,施工压力 28.751.2 MPa,在第一级加砂 20 m3后投入绳结暂堵球 32 个(15 mm 绳结暂堵球 13 个,20 mm 绳结暂堵球 13 个,25 mm 绳结暂堵球 6 个),从压裂施工曲线(见图 5)可以看出,绳结暂堵球到位后,井口施工压力由 31.95 MPa 升高到37.42 MPa,压力升高 5.47 MPa,且暂堵前施工压力也由 41.23 MPa 升高到 49.29 MPa,压力升高 8.06MPa,压力响应明显,证明实现了很好的暂堵转向效果,同时该井压后统计生产 180 d,平均日产油5.8 t/d,最高日产油 11.5 t/d,累计产油 1 044 t,取得良好的增产效果。从光纤监测结果也直观的证明了很好的暂堵转向效果(见图6),主要原理是通过DAS 分布式声波光纤传感系统来识别不同射孔簇的进液情况。在暂堵前第 1、2、5 簇加砂进液响应较强,暂堵后第 3、4 簇进液响应开启,有效实现了簇间转向,相对而言第 4 簇整体进液响应较弱,第 1、2、3、5 簇改造效果较好。742024 年 4 月表 1 绳结暂堵转向压裂试验井统计表Table 1 Statistical table of rope knot temporary plugging diversion to fracturing test well井号压裂井段/m射孔厚度/簇数/m孔眼数/个绳结暂堵球用量/个暂堵球到位前后施工压力/MPa暂堵前后施工压力/MPa前后压力差前后压力差暂堵转向有效性判断压后日增油t/dH107-93XH107-96XH107-97XH107-103XH107-108XH107-112XH107-64XH107-94XH107-102XH107-106XY27XH30AXC17XH140XH7-11XH139XHD15X3 396.03 417.03.9 m/6 簇473532.7736.573.8038.7845.847.06有效3 362.03 382.85.0 m/6 簇604529.7741.7611.9940.7450.569.82有效3 335.03 347.73.5 m/5 簇423231.9537.425.4741.2349.298.06有效3 449.53 472.14.5 m/8 簇544335.0337.011.9836.8140.053.24基本有效3 425.03 441.24.0 m/4 簇484530.3560.0029.6538.1953.2615.07基本有效3 399.33 418.14.5 m/6 簇544333.8338.804.9739.1945.626.43有效3 379.03 393.64.5 m/5 簇544336.8340.213.3841.2149.408.19有效3 407.23 439.06.0 m/7 簇724833.9337.573.6440.6345.254.62有效3 485.93 518.24.5 m/5 簇544340.8360.0019.1741.1053.2612.16基本有效3 460.23 478.25.5 m/6 簇664034.3237.613.2943.1948.845.65有效3 658.83 678.94.5 m/5 簇543633.9037.063.1637.8348.2010.37有效3 730.33 761.64.5 m/6 簇544029.8730.810.9437.5941.804.21基本有效3 539.23 560.15.8 m/9 簇705231.3634.953.5935.9741.425.45有效3 490.03 505.04.5 m/4 簇545436.0539.153.1039.8747.307.43有效3 345.23 368.55.0 m/6 簇607235.5950.4114.8240.1648.758.59有效3 305.53 333.36.5 m/7 簇785631.7336.094.3636.1540.834.68有效3 475.63 490.55.0 m/5 簇604839.6260.0020.38/无效3 631.03 655.74.0 m/6 簇484533.7836.963.1840.7352.2711.54有效4 635.34 668.27.0 m/6 簇846362.662.910.3168.6470.571.93无效3 442.4m3 470.47.0 m/5 簇8410840.8960.0019.1141.2156.1814.97基本有效2 912.62 944.66.0 m/5 簇725427.3530.563.2131.1234.663.54有效3 660.83 697.68.1 m/5 簇1309643.2447.213.9744.1648.524.36有效4 125.64 145.05.7 m/4 簇685149.7050.500.8054.1258.424.30无效4 090.54 113.57.0 m/4 簇846342.8644.131.2745.5848.693.11基本有效4 060.44 079.67.0 m/4 簇846346.5847.030.4550.0752.672.60无效2 815.02 840.06.8 m/7 簇1088526.9730.573.6028.7733.134.36有效3 403.63 417.24.6 m/4 簇743728.5329.831.3037.8840.382.5无效5.804.434.053.613.931.485.084.511.612.910.503.807.6016.101.325.900.10图 5 H107-93X 井压裂施工曲线图Fig.5 Fracturing construction curve of H107-93X well84第 33 卷 第 2 期张智勇等:福山油田绳结暂堵转向压裂工艺图 6 H107-93X 井光纤监测结果图Fig.6 Optical fiber monitoring results of H107-93X well6 结论 (1)新型绳结暂堵球具有自适应高效暂堵,封堵可靠率高,封堵承压大,用量少,使用简单,低温可全降解,无污染的优点,为进一步提高层间暂堵转向效果提供了新的手段,在暂堵转向压裂中具有很好的推广应用价值。(2)现场使用绳结暂堵球进行暂堵转向压裂过程中,部分井也存在过度封堵,导致井口施工压力超压,甚至引发后续施工排量受限,说明在绳结暂堵球类型优选、绳结暂堵球大小和数量优化、绳结暂堵球投放时机等方面,还有进一步深化研究的空间。(3)暂堵转向有效性判断,除了直观的微地震监测、光纤监测等手段,现场根据暂堵压力响应与暂堵前后施工压力对比也是可信度比较高的方法。致谢:感谢中国石油勘探开发研究院压裂酸化技术服务中心杨战伟、王辽给予的指导和帮助,也感谢渤海钻探井下作业公司张伟辉对本研究的大力支持。参考文献1 王世磊.福山凹陷流沙港组低渗储层特征研究D.大庆:东北石油大学,2018:1-89.WANG Shilei.Research on 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