CN103015957B - 导流压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的超高导流压裂方法，其中，通过不均匀射孔、以短脉冲方式加入支撑剂和设计压裂液，能够使支撑剂以墩柱的方式在裂缝中非均匀地置放，即在压开的裂缝中形成支撑剂墩柱来保持裂缝的张开，油气不再通过支撑剂填充体，而是流过由支撑剂墩柱形成的通道，这种墩柱结构可以产生无限导流能力，更有利于液体及聚合物的返排，而且对裂缝表面伤害更小。由于支撑剂墩柱压裂形成的裂缝导流能力不依赖于支撑剂的性能，因此没有必要选取高质量的支撑剂。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开采技术领域中的一种油气井压裂工艺方法，特别是低损害的油气藏压裂新方法。具体而言，本发明涉及一种依靠提高导流能力与有效裂缝半长从而实现更大的油气采收率的新型压裂方法，即在压开的裂缝中形成不均匀的支撑剂墩柱来保持裂缝的张开，油气不再通过支撑剂填充体，而是流过由支撑剂墩柱形成的通道，这种墩柱结构可以产生无限导流能力，更有利于液体及聚合物的返排，而且对裂缝表面伤害更小。
背景技术
我国低渗透油气资源量巨大，占已探明总储量的70%以上，是我国未来增储上产的主要潜力工区。这类油气资源具有三低的特点，即探明率低、自然投产率低、采收率低。水力压裂改造是提高该类油气藏产能和开发效果的重要技术手段。
水力压裂是用于通过将来自井眼的高传导性裂缝置入储层内或使所述高传导性裂缝延伸到所述储层内而提高井产能。传统的水力压裂处理基本上以多个不同阶段进行泵送。在通常被称为填塞的第一阶段期间，以高速度和高压力将流体注入通过井眼进入到地下岩层内。流体注入速率超过进入到地层内的过滤速率(也被称作漏失速率)，从而使得水压增加。当压力超过阈值时，地层破裂并断裂。当继续注入流体时，水力压裂裂缝产生并开始扩展到地层内。
在接下来阶段期间，将支撑剂混合到流体内，并且当水力压裂裂缝继续增长时，所述流体在整个所述水力压裂裂缝上被输送。前置液和压裂液可以相同或不同。支撑剂在所设计的长度上沉积在裂缝内，并且在注入停止并且压力减小之后，所述支撑剂以机械的方式防止裂缝闭合。在处理之后，并且一旦井投产，则储层流体流入到裂缝内并且通过可渗透支撑剂充填层渗透到井眼。
压裂效果主要取决于裂缝的导流能力和有效裂缝半长。常规水力压裂是在压开的裂缝中充填高性能的支撑剂来提高裂缝的导流能力，主要通过提高支撑剂强度和球度等性能，降低其破碎率和胶液附着，改善携砂液破胶性能等方法来实现高导流的流动通道，因此常规压裂施工的效果根本上依赖于所用支撑剂的质量。
已经有关于不均匀支撑剂充填的在先尝试。一些现有发明的目的在于通过将支撑剂不均匀地放置在地层的层内来增加裂缝的水力传导率。这些发明中的多个包括在分离层段内泵送不同类型的泥浆或流体泵送。这主张提供比由常规处理获得的传导性裂缝更高的传导性裂缝，并且通过利用不均匀支撑剂充填层替代均匀支撑剂充填层来增加裂缝传导性。称为支柱、凝块或柱的支撑剂结构放置在整个人工裂缝的层段处。这些支柱具有足够的强度以在闭合应力下保持裂缝部分张开。支柱之间的间隔形成可用于流动的相互连接的开口通道网。这使得显著增加整个裂缝的有效水力传导率。
专利文献CN101688443A提出了一种在水力压裂中形成不均匀支撑剂充填的方法，其中，通过在压裂层内形成多簇射孔并交替注入无支撑剂的流体和承载支撑剂的流体，从而在裂缝闭合时，所述承载支撑剂的流体段塞形成支撑剂的支柱。该文献提出将射孔簇的数量控制在2个与300个之间，射孔簇长度在0.15米与3.0米之间，射孔簇间距在0.30米到30米之间。
不过，这仍然难以保证支撑剂从泵注设备至裂缝的输送过程中，在裂缝中和在裂缝闭合中保持非均匀分布。最大的风险是支撑剂脉冲段在其输送过程中的分散，支撑剂段塞的分散将导致这项技术的失败，因为这会降低裂缝闭合前支撑剂段的浓度从而减少支撑剂柱的高度，这也会导致流动通道没有明显的分界。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种在压开的裂缝中形成支撑剂墩柱来保持裂缝的张开，形成高导流油气通道，改善压裂效果的新型压裂方法。
该压裂方法包括以下步骤：
1)采用非射孔井段隔离的由射孔簇组成的不均匀射孔；
2)周期性地以脉冲方式泵注支撑剂和净压裂液，以使支撑剂以支撑剂墩柱的方式在裂缝中非均匀地置放。
为了消除或最小化裂缝内支撑剂脉冲的沉降，压裂液应该具有合适的粘度。所使用的压裂液的粘度在井底温度条件及170s-1的剪切速率下不应低于100mPa·s(使用RS600ThermoHaake流变仪测量)。
如果压裂施工时间较长，所述压裂液在井底温度条件及170s-1的剪切速率下的粘度应大于300mPa·s。
优选的是，在支撑剂脉冲段和净液段匀速加入纤维，而在前置液段、顶替段和尾追段无需加入所述纤维。纤维可以改善支撑剂的输送和减少支撑剂脉冲过程中支撑剂的沉降。
压裂液中可加入各种添加剂，如破胶剂（例如胶囊破胶剂）、破乳剂和助排剂等。不过，由于本工艺是张开的通道，因此对于胶囊破胶剂的应用有特殊要求。优选的是，所使用的胶囊破胶剂在裂缝闭合后的张开通道中不破碎。
为了满足本发明对压裂液的要求，优选使用各组分的重量比如下的压裂液：100份淡水；0.4～0.6份瓜胶或超级瓜胶；0.5～8份氯化钾；0.02～0.03份柠檬酸；0.03～0.06份NaOH；0.08～0.15份Na2CO3；0.08～0.12份NaHCO3；0.08～0.12份甲醛；0.008～0.015份过硫酸铵；0.5～1份破乳剂；0.5～1份助排剂；0.3～0.8份有机硼交联剂；0.2～1.0份纤维。
另外，在射孔步骤中，射孔跨度设计为覆盖压裂段的大部分。而在射孔段内，一射孔簇长度优选为1.5～2米，非射孔段与射孔簇同等长度，这样射孔与非射孔间互覆盖大部分压裂段。
在泵注步骤中，支撑剂以短脉冲的方式加入，并泵注一个长支撑剂脉冲段作为尾追，以避免近井裂缝未被支撑，确保裂缝与井筒的有效联通。
通过上述手段，本发明的方法可以确保在压开的裂缝中形成不均匀的支撑剂墩柱来保持裂缝的张开，油气不再通过支撑剂填充体，而是流过由支撑剂墩柱形成的通道，这种墩柱结构可以产生无限导流能力，更有利于液体及聚合物的返排，而且对裂缝表面伤害更小。这种方法可以消除常规压裂由于支撑剂破碎、粘土侵入支撑带、携砂液破胶不彻底、多相流动和非达西效应等原因导致的支撑剂充填层导流能力的下降，从而实现产能的最大化。
附图说明
图1是支撑剂墩柱支撑裂缝的示意图；
图2描述了支撑剂墩柱压裂的射孔方案，左边是常规均匀射孔方案，右边是本发明采用的不均匀射孔方案；
图3是支撑剂墩柱压裂的泵注程序的示意图。
图4是压裂液的一个实例在170s-1的剪切速率下测得的粘度-温度-时间曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行说明。
为了消除裂缝导流能力对支撑剂性能的依赖，本发明采用特殊的工艺手段在裂缝内建造张开的通道，以形成更高的裂缝导流能力和更通畅的储层液体通道。该种工艺能够使支撑剂以墩柱的方式在裂缝中非均匀地置放（见图1）。此处支撑剂不再起导流介质作用，而是做为撑起通道周围裂缝壁的支撑体。裂缝中通道的形成是特殊的射孔方案、泵注程序和压裂液设计的联合作用。
为了使支撑剂以支撑剂墩柱的方式在裂缝中非均匀地置放，本发明采用了如下所述的压裂工序。
(1)射孔方案：采用非射孔井段隔离的由射孔簇组成的不均匀射孔（见图2）。根据本发明的优选实施方式，①射孔跨度设计为覆盖压裂段的较大部分；②在射孔段内：一射孔簇长度约1.5～2米，非射孔段与射孔簇同等长度，这样射孔与非射孔间互覆盖大部分压裂段。在图2所示的实施方式中，射孔簇和非射孔段长度均为1.5米，射孔密度为6孔/米。射孔密度也可进一步适当地调节。
(2)泵注程序：泵注程序基于常规的程序，其主要的区别在于支撑剂在施工中以短脉冲的方式加入。在每个给定的支撑剂浓度阶段内，可以有几个脉冲段（见图3）。有两种类型的脉冲：支撑剂脉冲和净液脉冲。两个相邻的支撑剂脉冲段和净液脉冲段构成一个周期，这些脉冲段由支撑剂（例如砂）的浓度（其所对应的阶段）和段长来表征。为了保证裂缝和井眼之间安全可靠的联结，通过注入一个较长的支撑剂脉冲段作为尾追，以避免近井裂缝未被支撑，确保裂缝与井筒的有效联通（见图3）。结合非均匀射孔，用以隔离支撑剂脉冲成为小段塞并在裂缝中促进形成墩柱置放与非均匀分布。
(3)压裂液设计：形成实现支撑剂墩柱压裂成功的一项关键因素是如何保证支撑剂从泵注设备至裂缝的输送过程中、在裂缝中和在裂缝闭合中保持支撑剂非均匀分布。最大的风险是支撑剂脉冲段在其输送过程中的分散，支撑剂段塞的分散将导致这项技术的失败，因为这会降低裂缝闭合前支撑剂段的浓度从而减少支撑剂柱墩的高度，这也会导致流动通道没有明显的分界。为了消除或最小化裂缝内支撑剂脉冲的沉降，压裂液应该具有合适的粘度。压裂液的粘度在井底温度条件及170s-1的剪切速率下不应低于100mPa·s（RS600ThermoHaake旋转流变仪测得）。而且，如果压裂施工时间较长，压裂液粘度应大于300mPa·s。相比于常规压裂，这需要增加聚合物加量。不过，由于改进的压裂返排工艺，在这种新的施工中，增加的聚合物加量不会影响到最终裂缝的性能。
根据本发明的一个优选实施方式，在所有包含支撑剂和不含支撑剂段的压裂液中加入纤维，不用纤维的阶段只有前置液、顶替液和尾追阶段。纤维可以改善压裂液对支撑剂的输送性能，减小支撑剂分散的风险，且能显著降低支撑剂沉降速度，故是一个重要的保障。除尾追段、前置液段和顶替段无需加入之外，纤维在所有支撑剂阶段的净液阶段和支撑剂脉冲阶段都要匀速加入。在加入纤维时，纤维浓度应与净液体积相关，而不是与混浆体积相关。纤维稳定支撑剂墩柱并减轻其在井眼和裂缝中输送时的分散，加入到净液阶段的纤维会影响携带液的流变性从而显著减缓支撑剂脉冲的沉降。
本发明的方法采用的压裂液中可加入各种添加剂，如破胶剂（优选胶囊破胶剂，特别是过硫酸铵）、破乳剂和助排剂等，只要不影响或者有助于支撑剂墩柱在裂缝中不均匀的置放即可。不过，由于本工艺是张开的通道，因此对于胶囊破胶剂的应用提出了特殊要求，胶囊破胶剂在裂缝闭合后的张开通道中不应该破碎。在使用单一胶囊破胶剂时，在净液脉冲中的破胶剂浓度应该足够高，以便从胶囊中通过扩散释放充分的破胶剂。另外，还可以结合使用粉末破胶剂。
根据本发明的一个特别优选的实施方式，可使用下述压裂液，其各组分的重量比如下：100份淡水；0.4～0.6份瓜胶或超级瓜胶；4～8份氯化钾；0.03～0.06份NaOH；0.08～0.15份Na2CO3；0.08～0.12份NaHCO3；0.08～0.12份甲醛；0.008～0.015份过硫酸铵；0.5～1份破乳剂；0.5～1份助排剂；0.3～0.8份有机硼交联剂；0.2～1.0份纤维。
通过采用上述组成的压裂液，可以确保支撑剂从泵注设备至裂缝的输送过程中、在裂缝中和在裂缝闭合中保持支撑剂非均匀分布。
作为此处采用的瓜胶，可以使用瓜胶原粉或如羟丙基瓜胶、羧甲基瓜胶和羧甲基羟丙基瓜胶等瓜胶衍生物。
超级瓜胶在制备上与瓜胶所用原材料是相同的，但是超级瓜胶在加工过程中采取了特殊的制粉工艺，可以有效地防止在高温和剪切过程对高分子结构的破坏。超级瓜胶与瓜胶原粉的化学结构基本相同，但是相对分子质量高于瓜胶原粉，在相同温度和相同剪切速率条件下，配置相同剪切粘度压裂液所需超级瓜胶用量比例如羟丙基瓜胶等瓜胶的用量低得多。而且，超级瓜胶配置的压裂液残渣含量更低，破胶更加彻底。因此，更优选使用超级瓜胶。
作为破乳剂，可使用烷基酚与环氧乙烷缩合物和阳离子表面活性剂。作为助排剂，可使用含氟表面活性剂。作为有机硼交联剂的实例，可使用YP-150有机硼交联剂（北京科麦仕油田化学剂技术有限公司商品）。作为纤维，可使用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚酰胺、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种的混合物。
作为非限制性实例，本发明所用的压裂液的配制和粘度测定程序如下所述。
1、基液配制
取500mL水倒入吴茵混调器中，调节电压使搅拌器转动，加入0.1g柠檬酸搅拌5min，直到旋涡底见到搅拌器浆叶中轴顶端为止，然后缓慢加入2.5g羟丙基瓜胶，后继续搅拌30min，形成均匀的溶液，再加入20g氯化钾，0.2g的NaOH，0.5g的Na2CO3；0.5g的NaHCO3；0.5g的甲醛，2.5g破乳剂，2.5g助排剂，继续搅拌5min，倒入塑料烧瓶中加盖，在室温下静置4h。
2、交联液的制备
取100ml配制好的基液，在搅拌条件下加入0.5ml有机硼交联剂，使之形成冻胶。
3、压裂液流变性测定
制备好的交联冻胶样品装入RS600ThermoHaake旋转流变仪中，对样品加热，控制升温速度（3.0±0.2）℃/min，同时以170s-1的剪切速率转动转子，并记录开始时间，温度达到压裂作业地层温度后保持剪切速率和温度不变，测量表观粘度。图4给出了136℃、170s-1剪切速率下测得的压裂液粘度。
通过采用上述组成的压裂液，可以在支撑剂从泵注设备至裂缝的输送过程中、在裂缝中和在裂缝闭合中保持支撑剂非均匀分布，从而形成不均匀的支撑剂墩柱。
另外，本发明对支撑剂选择没有限制（尾追段的支撑剂选择按常规压裂的选择原则选用即可）。支撑剂墩柱压裂形成的裂缝导流能力不依赖于支撑剂的性能，因此没有必要选取高质量的支撑剂，在经济上具有特别的有利之处。
本发明所采用的方法通过确保在压开的裂缝中形成不均匀的支撑剂墩柱来保持裂缝的张开，油气不再通过支撑剂填充体，而是流过由支撑剂墩柱形成的通道，这种墩柱结构可以产生无限导流能力，更有利于液体及聚合物的返排，而且对裂缝表面伤害更小。这种方法可以消除常规压裂由于支撑剂破碎、粘土侵入支撑带、携砂液破胶不彻底、多相流动和非达西效应等原因导致的支撑剂充填层导流能力的下降，从而实现产能的最大化。
本发明的低损害水力压裂方法可以用于碎屑岩、碳酸盐岩、火成岩、页岩等储层的水力压裂改造。而且，本发明不仅可以用于直井的压裂，还可以用于斜井、水平井压裂改造。
Claims (8)
1.一种导流压裂方法，所述导流压裂方法包括以下步骤：
1)采用非射孔井段隔离的由射孔簇组成的不均匀射孔；
2)周期性地以脉冲方式泵注支撑剂和净液，以使支撑剂以支撑剂墩柱的方式在裂缝中非均匀地置放；
其特征在于，所使用的压裂液在井底温度条件及170s-1的剪切速率下的粘度不低于100mPa·s，并且所述压裂液各组分的重量比如下：100份淡水；0.4～0.6份瓜胶；0.5～8份氯化钾；0.02～0.03份柠檬酸；0.03～0.06份NaOH；0.08～0.15份Na2CO3；0.08～0.12份NaHCO3；0.08～0.12份甲醛；0.008～0.015份过硫酸铵；0.5～1份破乳剂；0.5～1份助排剂；0.3～0.8份有机硼交联剂；0.2～1.0份纤维。
2.如权利要求1所述的导流压裂方法，其中，所述压裂液在井底温度条件及170s-1的剪切速率下的粘度大于300mPa·s。
3.如权利要求1所述的导流压裂方法，其中，在步骤2)中，支撑剂脉冲段和净液段匀速加入纤维。
4.如权利要求3所述的导流压裂方法，其中，前置液段、顶替段和尾追段不加入所述纤维。
5.如权利要求1所述的导流压裂方法，在步骤1)中，所述射孔的跨度覆盖压裂段的大部分。
6.如权利要求1或5所述的导流压裂方法，其中，在射孔段内，一射孔簇长度为1.5～2米，非射孔井段与射孔簇同等长度。
7.如权利要求1所述的导流压裂方法，所述方法包括：
3)泵注一个长支撑剂脉冲段作为尾追。
8.如权利要求1所述的导流压裂方法，其中，所述瓜胶是超级瓜胶。
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