CN103835691A

CN103835691A - 一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法

Info

Publication number: CN103835691A
Application number: CN201410131260.2A
Authority: CN
Inventors: 曾斌
Original assignee: BEIJING GEPETTO OIL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Gepetto Oil Technology Co ltd; Jetbeton Petroleum Technology Group Co ltd
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: CN103835691B

Abstract

本发明公开了一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法，属于石油天然气增产技术领域。所述方法包括：根据预置的水平段长度上的原地应力大小和方向、水平井方位、长度、储层杨氏模量、泊松比和测井解释成果数据，获取储层应力剖面分布；根据储层应力剖面分布，确定水平井段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段；根据测井数据及地应力解释，分析得出可能的起裂位置，并根据压裂改造强度需要，确定每个目标段内的裂缝条数；在每个目标段内自然选择甜点压开多条裂缝，并在同一条裂缝内形成复杂网络裂缝。本发明适用水平井压裂、各类老井重复压裂改造，具有初期产量高、稳产期长、采收率高、下入井下工具量少及暂堵剂安全环保等特点。

Description

一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法

技术领域

本发明涉及石油天然气增产技术领域，特别涉及一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法。

背景技术

所谓“甜点”，是从国外油气勘探开发界“Sweet heart”的翻译而来，意指油气勘探开发过程中能够揭示大面积的含油气区及大段的含油气层段，其中部分在当前经济、技术条件下具有较好开发效益，它的分布在纵、横向上分布可能都不成片。同时，裂缝的优先起裂点总是物性好、断裂韧性低、闭合应力低、破裂压力低、抗张强度低的位置，这些位置通常被称之为地质“甜点”区域。

目前水平井增产改造的普遍做法是：将水平井水平段平均分段后实施段内压缝，每段均注入基本相同的液剂。传统水平井分段压裂有四个明显的弱点：

1)压裂液体效率较低。结合低渗致密油气、页岩气等非常规气藏的特点分析，以及水平井生产动态监测发现：一口水平井80％以上的产量大约为来自30％的层段，也就是说采用传统方法实施低渗透水平段体积压裂，大约有60％的液体被注入了没有产能贡献的储层。

2)裂缝波及体积较小。传统压裂改造所压开的每条常规裂缝形成面域，面域所波及体积不够大，产量和采出程度低，且稳产期短。故而所得改造的体积和力度均相差甚远，能够实现动用的体积也很少，尤其在低渗透致密油气、页岩气藏体积改造中，凡是裂缝没有波及到之处，难以动用该部分的油气储量。

3)下入井下的封隔器数量较多，容易引发井下复杂情况，导致井下事故。

4)各类老井重复压裂效率低下，原因是重复压裂大多是压开之前压裂已经形成的老裂缝，难以动用新的油气储量。尤其是水平井重复压裂，目前几乎没有有效手段。

发明内容

为了解决传统水平井分段压裂技术中存在的压裂液利用率低、裂缝波及体积小、封隔器使用数量多和重复压裂效率低等问题，本发明提供了一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法，包括：

根据预置的水平段长度上的原地应力大小和方向、水平井方位、长度、储层杨氏模量、泊松比和测井解释成果数据，获取储层应力剖面分布；

根据所述储层应力剖面分布，确定水平井段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段；

根据测井数据及地应力解释，分析得出可能的起裂位置，并根据压裂改造强度需要，确定每个目标段内的裂缝条数；

在每个目标段内自然选择甜点压开多条裂缝，并在同一条裂缝内形成复杂网络裂缝。

所述根据所述储层应力剖面分布，确定水平井段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段的步骤具体包括：

根据所述储层应力剖面分布，将连续区域内最大破裂压力与最小破裂压力的差值的绝对值不大于预设值的层段划分为同一水平段；

根据划分的层段，将连续不同的水平段两端作为封隔器下放位置，将封隔器下放到所述位置，完成封隔器坐封，实现机械封隔。

所述预设值的大小为5～8MPa。

所述在每个目标段内自然选择甜点压开多条裂缝的步骤具体为：在每个目标段内按照起裂压力由小到大的顺序，依次通过压力自然选择起裂压力对应的部位，压开一条裂缝，并在裂缝压开完成后，加入高强度水溶性颗粒暂堵剂，封堵裂缝的缝口，直到完成目标段内预设压裂裂缝条数。

所述在同一条裂缝内形成复杂网络裂缝的步骤具体为：在同一条裂缝内，加入高强度水溶性粉末暂堵剂实现裂缝转向，形成复杂网络裂缝。

本发明提供的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，适用于水平井压裂、大斜度井压裂、巨厚层直井压裂、各类老井重复压裂改造，能够大幅度提高压裂液利用效率和裂缝波及率，使压裂液更多地进入有效储层，沟通周围裂缝和甜点区域，增大压裂体积、减少井下工具使用量，有效增加泄油面积，动用更大油气储量，提高单井初期产量、增加稳产周期、提高最终采收率，暂堵剂安全环保，降低油气开发投入与产出比。另外，在提高油气井改造的完善程度和压裂施工效果，提高非常规储层的压后产能、单井产量和最终采出产率的同时，减少机械封隔，降低了井下工具下入作业风险，是目前高效开发致密油、致密气、页岩气等难动用非常规储量的有效技术，非常值得试验和推广。

附图说明

图1是本发明实施例的储层应力剖面分布的说明示意图；

图2是本发明实施例的储层应力剖面分布的数据带曲线图；

图3是本发明实施例的机械封隔结构的说明示意图；

图4至图6是本发明实施例的压裂过程自然选择甜点暂堵体积压裂示意图；

图7是本发明实施例提供的自然选择甜点暂堵体积压裂方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。

参见图7，本发明实施例提供了一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法，包括如下步骤：

步骤101、根据油气井水平段储层物性，进行储层地应力分布研究。

根据预置的水平段长度上的原地应力大小和方向、水平井方位、长度、储层杨氏模量、泊松比和测井解释成果数据，获取储层应力剖面分布。储层应力剖面分布的图形可通过分层地应力剖面分析软件生成，该软件中包含相关的计算公式，将原地应力大小和方向、水平井方位、长度、储层杨氏模量、泊松比、测井解释成果数据等信息输入到该软件中，就可以获得如图2所示的储层应力剖面分布的数据带曲线图。

步骤102、根据储层应力剖面分布，确定水平段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段。

为了实现自然选择甜点，需要确定水平段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段，具体是：根据储层应力剖面分布，将连续区域内最大破裂压力p_max与最小破裂压力p_min相差不大的层段划分为同一水平段；判断最大破裂压力p_max和最小破裂压力p_min相差不大的标准是|P_max-p_min|≤5～8MPa；根据划分的层段，将连续不同的水平段两端作为封隔器下放位置，将封隔器5(如图3所示)下放到该位置后，完成封隔器坐封，实现机械封隔；在具体生产实践中，判断最大破裂压力p_max和最小破裂压力p_min相差不大的标准的设定值可根据储层的特征来确定，本实施例设定为5～8MPa。

步骤103、根据测井数据及地应力解释，分析得出可能的起裂位置，并根据压裂改造强度需要，确定每个目标段内的裂缝条数。

根据连续两个封隔器间水平井段内水平层位测井数据，计算出地层力学数据；根据李志明在石油工业出版社出版的《地应力与油气勘探开发》中涉及的计算公式，计算如下：

(1)动态弹性参数的计算

泊松比：

v = \frac{0.5 v_{p}^{2} - v_{s}^{2}}{v_{p}^{2} - v_{s}^{2}} = \frac{Δ t_{s}^{2} - 2 Δ t_{p}^{2}}{2 (Δ t_{s}^{2} - Δ t_{p}^{2})}

体积弹性模量：

K = ρ [v_{p}^{2} - \frac{4}{3} v_{s}^{2}] = 1.34 \times 10^{10} ρ (\frac{3 Δ t_{s}^{2} - 4 t_{p}^{2}}{3 Δ t_{s}^{2} Δ t_{p}^{2})})

杨氏模量：

E = \frac{9 Kρ v_{s}^{2}}{3 K + ρ v_{s}^{2}} = 1.34 \times 10^{10} \frac{ρ}{t_{s}^{2}} (\frac{3 Δ t_{s}^{2} - 4 t_{p}^{2}}{Δ t_{s}^{2} - Δ t_{p}^{2})})

切变模量：

G = ρ v_{s}^{2} = 1.34 \times 10^{10} \frac{ρ}{Δ t_{s}^{2}}

拉梅系数：

R = ρ (v_{p}^{2} - 2 v_{s}^{2}) = 1.34 \times 10^{10} ρ (\frac{1}{Δ t_{p}^{2}} - \frac{2}{Δ t_{s}^{2}})

单轴抗压强度：S_c=E[0.008V_sh+0.0045(1-V_sh)]

固有抗剪强度：C=0.25S_c／k

岩石抗张强度：S_t=S_c／12

上式中：v_p，v_s分别为纵横波速度；Δt_p，Δt_s分别为纵横波时差；ρ为地层体积密度；k为体积压缩系数。

地应力场分析：利用测井信息，根据地应力场分布规律和对影响它的诸多因素的分析，建立地应力计算的半经验公式模型，确定模式中的各参数，计算地层的应力数据，得到沿深度连续分布的地应力剖面，再用实测或其他方法确定的数据检验、校正应力计算结果。

(2)地应力计算模式：

σ_{v} = {&Integral;}_{0}^{H} ρ (h) gdh

σ_{h} = \frac{v}{1 - v} (σ_{v} - α p_{p}) + k_{h} \frac{EH}{1 + v} + \frac{α_{T} EΔT}{1 - v} + α p_{p} + Δ σ_{h}

σ_{H} = \frac{v}{1 - v} (σ_{v} - α p_{p}) + k_{H} \frac{EH}{1 + v} + \frac{α_{T} EΔT}{1 - v} + α p_{p} + Δ σ_{H}

式中：σ_v，σ_h，σ_H分别为垂向应力、最小水平主应力和最大水平主应力；v，E，α_T，α分别为地层岩石的泊松比、弹性模量、线膨胀系数和有效应力系数；H，p_p，ΔT分别为地层深度、计算深度处的地层孔隙压力和地层温度的变化；k_h，k_H分别为最小和最大水平主应力方向的构造应力系数，在同一区块内可视为常数；Δσ_h，Δσ_H分别为考虑地层剥蚀的最小和最大水平地应力附加量，在同一区块内可视为常数。

(3)地层孔隙压力的计算

地层孔隙压力是指地层孔隙中所含流体的压力，其计算公式为p_p=DH(D为孔隙压力梯度，H为地层深度)。

(4)地层破裂压力的计算

地层破裂压力是地层中现今的最小主应力与岩石强度之和，具体计算式为：

p_f=3σ_h-σ_H-p_p+S_t

当S_t=0时，即为自然破裂压力p_f0=p_m=3σ_h-σ_H-p_p。

需要注意的是：水平井穿越储层的距离一般在200-500米，不易过长。原因在于地面泵送设备施工排量的要求与限制。水平井同一水平长段过长时，在压裂过程中需要的施工排量相当大，而目前地面泵送条件无法完成如此大段的排量要求。相比于传统体积压裂方法，本发明实施例设置同一水平长段在200-500米，这样会减少封隔器的使用数量。另外，为了提高采收率通常需要沿水平井段压开多条裂缝，因此应根据采收要求合理设计裂缝条数；每条裂缝代表甜点位置，要保证裂缝间距不能太小，如果裂缝间距太小，不仅不能实现增产，而且还会导致压裂施工失败。

通过已获取到的某一段内的所有点预测破裂压力的大小分布情况确定压裂缝条数，该具体的预测结果直接决定在施工过程中压裂暂堵的次数，即：如果设计压开四条缝，那么需要进行缝口暂堵的次数为三次。

步骤104、在每个目标段内自然选择甜点压开多条裂缝。

1)通过压力自然选择该目标段内物性最好(起裂压力最低)的部位，首先压裂该目标段内的第一条裂缝，这一条裂缝是这一段内物性最好的储层；本步骤的这种通过压力自然选择裂缝起裂点位置，不同于现有的人为指定裂缝起裂点的工艺技术；

2)第一条裂缝压裂完成后，加入高强度水溶性颗粒暂堵剂，封堵缝口；

3)重新蹩压，在相对于第一条裂缝起裂点物性稍差(起裂压力比第一条裂缝的起裂压力有所增加，但其是除第一条裂缝的起裂部位外起裂压力最小的)的部位，压开第二条裂缝；之后重复前面的封堵缝口操作，各部位起裂压力依次增加，压裂开各条裂缝；本步骤的这种压裂方法，不同于通常的水平井人工分段每段只能压裂一条裂缝的工艺技术。

本步骤中所使用的高强度水溶性颗粒暂堵剂是一种承压能力达到70MPa以上的水溶性暂堵剂，该水溶性暂堵剂以丙烯酰胺为主要成分，通过自由基溶液共聚合成。

步骤105、在同一条裂缝内形成复杂网络裂缝。

在每条裂缝改造过程中，在压裂液中添加高强度水溶性粉末暂堵剂，这种粉末暂堵剂能够在裂缝的端部不断形成瞬时暂堵，迫使裂缝不断转向，裂缝一旦转向，主缝的端部暂堵消失，主缝继续向前延伸，延伸中又不断形成瞬时暂堵，又不断转向。同时，每一条新生成的转向缝也是发生连续的暂堵、转向、暂堵消失、裂缝延伸、再暂堵、转向的循环过程。这种裂缝形成的机理，就会不断形成复杂的网络裂缝，最终形成裂缝形状是一个网络状的体积裂缝。本步骤的这种压裂方法，解决了常规压裂裂缝难以形成复杂网络裂缝的工艺技术难点。

本实施例中使用的高强度水溶性暂堵剂是确保本发明得以实现的材料保障，其具有如下特点：

1)具有较高的承压能力，颗粒暂堵剂不低于70MPa，粉末暂堵剂不低于50MPa。暂堵封堵效果和封堵效率好，原因在于水溶性暂堵剂颗粒在进入井眼或裂缝后，在压差的作用下，与压裂液等流体发生交联反应，继而在井筒周围形成性能良好的滤饼；

2)在高压条件下的一段时间内，水溶性暂堵剂可完全溶解于压裂液中，这样既能自动解除封堵恢复油气生产通道，又不会对地层造成伤害。

为了更加清楚地阐述本发明实施例的技术方案，下面给出一个典型的应用实施例，具体如下：

1)根据水平段长度DLx(x=1、2、3…n-2、n-1、n(n∈R，n≥1))上的原地应力大小和方向、水平井方位、长度、储层杨氏模量、泊松比、测井解释成果数据等信息，如图1所示，计算出储层应力剖面分布。储层应力剖面分布是每个DLx(长度可设定为0.1米)上的地应力大小的数据集合，该数据集合形成的是一条数据带曲线图，如图2所示。

2)假设图1中任意DLx=0.1m，根据储层应力剖面分布，连续mDLx(m∈R，m≥1)区域内，其原地层最大破裂压力和最小破裂压力相差较小，则划分该长度区域的层段为同一水平段，如图3所示，所显示区域的水平井段依据以上原理被划分为三层水平段，分别为L1、L2、L3。

假设：L1水平段长度为200-300m，L2水平段长度为100-200m，L3水平段长度为200-300m，根据划分层段位置可确定出如图3所示水平井管柱4的封隔器5位置。施工操作完成封隔器坐封，即实现机械封隔，通过投球打开压裂滑套6，连通水平井筒2与水平井筒周围地层1(储层空间)，如图1和图3所示。

3)根据L1水平段、L2水平段、L3水平段段内水平层位测井及地应力解释，分析得出可能的起裂位置。如图4-6所示，根据压裂改造需要的强度，设计压裂2条裂缝。

4)压裂作业时，如图4所示，先自然选择压开段内第一条裂缝，所形成裂缝为纵切缝7；再向水平井中投注高强度水溶性颗粒暂堵剂，高强度水溶性颗粒暂堵剂进入段内水平井筒环空3在缝口处实现缝口暂堵，接着继续压裂作业，在段内自然选择压开第二条纵切缝7，如图5所示，依照原设计完成段内自然选择2个甜点过程；然后，继续向水平井中投注高强度水溶性粉末暂堵剂，高强度水溶性粉末暂堵剂进入裂缝实现缝内暂堵，再进行压裂作业，在高强度水溶性粉末暂堵剂的影响下，缝内静压力升高，裂缝发生转向实现缝内自然选择过程，形成如图6所示的横切缝和复杂缝8，最终完成体积压裂作业。

本发明实施例所述的体积压裂是指在水力压裂过程中，实现对储层全方位的改造，从而增加水力裂缝波及体积，提高初始产量和最终采收率。广义的体积压裂包括以下3种模式：

1)使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，将可以渗流的有效储层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大。适用储层条件：岩石的脆性指数不低于50，裂缝起裂与扩展不仅是张性破坏，还存在剪切、滑移、错断等复杂的力学行为，压裂形成剪切裂缝或张性裂缝和剪切裂缝的组合裂缝。

2)采用多种方法在有限的井段内增加水力裂缝条数和密度(天然裂缝也可能开启)，这些裂缝累积控制的泄流面积随裂缝的条数、缝长、缝宽、缝高等因素变化而变化。适用储层条件：岩石为张性破坏，压裂形成张性缝。

3)利用储层水平两向应力差与裂缝延伸净压力的关系，实现裂缝延伸净压力大于两个水平主应力的差值与岩石抗张强度之和，形成以主缝和分支裂缝相组合的枝状裂缝。适用储层条件：储层水平两向应力差不超过6MPa。

上述三种体积压裂模式均适合于实施裸眼水平井自然选择甜点体积压裂，极大地提高了压裂改造体积，实现了对储层的有效动用程度。

本发明实施例提供的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，能够大幅度提高压裂液利用效率和裂缝波及率，使压裂液更多地进入有效储层，沟通周围裂缝和甜点区域，自然选择打开储层一个或多个地质甜点，并在裸眼水平井中通过一次或多次向各段封隔水平段内投送裂缝导向控制剂实现裂缝暂堵、转向效果，最大限度动用更大油气储量，提高压后产能和完井作业效率，降低施工成本，从而解决储量动用不均衡、采出程度低等难题。

本发明实施例提供的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，提高了油气井改造的完善程度和压裂施工效果，增加了非常规储层的泄油、气面积，增大了压裂体积、减少井下工具使用量，增加稳产周期、提高最终采收率，降低了油气开发投入与产出比。另外，本发明实施例还在提高非常规储层的压后产能、单井产量和最终采出产率的同时，减少机械封隔，降低了井下工具下入作业风险，是目前高效开发致密油、致密气、页岩气等难动用非常规储量的有效技术，非常值得试验和推广。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自然选择甜点暂堵体积压裂方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，其特征在于，所述根据所述储层应力剖面分布，确定水平井段分段方案，并通过封隔器对水平井段进行分段的步骤具体包括：

3.如权利要求2所述的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，其特征在于，所述预设值的大小为5～8MPa。

4.如权利要求1所述的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，其特征在于，所述在每个目标段内自然选择甜点压开多条裂缝的步骤具体为：在每个目标段内按照起裂压力由小到大的顺序，依次通过压力自然选择起裂压力对应的部位，压开一条裂缝，并在裂缝压开完成后，加入高强度水溶性颗粒暂堵剂，封堵裂缝的缝口，直到完成目标段内预设压裂裂缝条数。

5.如权利要求1所述的自然选择甜点暂堵体积压裂方法，其特征在于，所述在同一条裂缝内形成复杂网络裂缝的步骤具体为：在同一条裂缝内，加入高强度水溶性粉末暂堵剂实现裂缝转向，形成复杂网络裂缝。