導流壓裂方法

2023-05-29 11:25:36 8

專利名稱：導流壓裂方法
技術領域：
本發明涉及石油天然氣開採技術領域中的一種油氣井壓裂工藝方法，特別是低損 害的油氣藏壓裂新方法。具體而言，本發明涉及一種依靠提高導流能力與有效裂縫半長從 而實現更大的油氣採收率的新型壓裂方法，即在壓開的裂縫中形成不均勻的支撐劑墩柱來 保持裂縫的張開，油氣不再通過支撐劑填充體，而是流過由支撐劑墩柱形成的通道，這種墩 柱結構可以產生無限導流能力，更有利於液體及聚合物的返排，而且對裂縫表面傷害更小。
背景技術：
我國低滲透油氣資源量巨大，佔已探明總儲量的70%以上，是我國未來增儲上產 的主要潛力工區。這類油氣資源具有三低的特點，即探明率低、自然投產率低、採收率低。水 力壓裂改造是提高該類油氣藏產能和開發效果的重要技術手段。
水力壓裂是用於通過將來自井眼的高傳導性裂縫置入儲層內或使所述高傳導性 裂縫延伸到所述儲層內而提高井產能。傳統的水力壓裂處理基本上以多個不同階段進行泵 送。在通常被稱為填塞的第一階段期間，以高速度和高壓力將流體注入通過井眼進入到地 下巖層內。流體注入速率超過進入到地層內的過濾速率(也被稱作漏失速率)，從而使得水 壓增加。當壓力超過閾值時，地層破裂並斷裂。當繼續注入流體時，水力壓裂裂縫產生並開 始擴展到地層內。
在接下來階段期間，將支撐劑混合到流體內，並且當水力壓裂裂縫繼續增長時，所 述流體在整個所述水力壓裂裂縫上被輸送。前置液和壓裂液可以相同或不同。支撐劑在所 設計的長度上沉積在裂縫內，並且在注入停止並且壓力減小之後，所述支撐劑以機械的方 式防止裂縫閉合。在處理之後，並且一旦井投產，則儲層流體流入到裂縫內並且通過可滲透 支撐劑充填層滲透到井眼。
壓裂效果主要取決於裂縫的導流能力和有效裂縫半長。常規水力壓裂是在壓開的 裂縫中充填高性能的支撐劑來提高裂縫的導流能力，主要通過提高支撐劑強度和球度等性 能，降低其破碎率和膠液附著，改善攜砂液破膠性能等方法來實現高導流的流動通道，因此 常規壓裂施工的效果根本上依賴於所用支撐劑的質量。
已經有關於不均勻支撐劑充填的在先嘗試。一些現有發明的目的在於通過將支撐 劑不均勻地放置在地層的層內來增加裂縫的水力傳導率。這些發明中的多個包括在分離層 段內泵送不同類型的泥漿或流體泵送。這主張提供比由常規處理獲得的傳導性裂縫更高 的傳導性裂縫，並且通過利用不均勻支撐劑充填層替代均勻支撐劑充填層來增加裂縫傳導 性。稱為支柱、凝塊或柱的支撐劑結構放置在整個人工裂縫的層段處。這些支柱具有足夠 的強度以在閉合應力下保持裂縫部分張開。支柱之間的間隔形成可用於流動的相互連接的 開口通道網。這使得顯著增加整個裂縫的有效水力傳導率。
專利文獻CN101688443A提出了一種在水力壓裂中形成不均勻支撐劑充填的方 法，其中，通過在壓裂層內形成多簇射孔並交替注入無支撐劑的流體和承載支撐劑的流體， 從而在裂縫閉合時，所述承載支撐劑的流體段塞形成支撐劑的支柱。該文獻提出將射孔簇的數量控制在2個與300個之間，射孔簇長度在O. 15米與3. O米之間，射孔簇間距在O. 30 米到30米之間。
不過，這仍然難以保證支撐劑從泵注設備至裂縫的輸送過程中，在裂縫中和在裂 縫閉合中保持非均勻分布。最大的風險是支撐劑脈衝段在其輸送過程中的分散，支撐劑段 塞的分散將導致這項技術的失敗，因為這會降低裂縫閉合前支撐劑段的濃度從而減少支撐 劑柱的高度，這也會導致流動通道沒有明顯的分界。發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種在壓開的裂縫中形成支撐劑墩柱來保持裂 縫的張開，形成高導流油氣通道，改善壓裂效果的新型壓裂方法。
該壓裂方法包括以下步驟
I)採用非射孔井段隔離的由射孔簇組成的不均勻射孔；
2)周期性地以脈衝方式泵注支撐劑和淨壓裂液，以使支撐劑以支撐劑墩柱的方式 在裂縫中非均勻地置放。
為了消除或最小化裂縫內支撐劑脈衝的沉降，壓裂液應該具有合適的粘度。所使 用的壓裂液的粘度在井底溫度條件及170s—1的剪切速率下不應低於IOOmPa *s (使用RS600 ThermoHaake流變儀測量)。
如果壓裂施工時間較長，所述壓裂液在井底溫度條件及170s—1的剪切速率下的粘 度應大於300mPa · S。
優選的是，在支撐劑脈衝段和淨液段勻速加入纖維，而在前置液段、頂替段和尾追 段無需加入所述纖維。纖維可以改善支撐劑的輸送和減少支撐劑脈衝過程中支撐劑的沉 降。
壓裂液中可加入各種添加劑，如破膠劑(例如膠囊破膠劑)、破乳劑和助排劑等。不 過，由於本工藝是張開的通道，因此對於膠囊破膠劑的應用有特殊要求。優選的是，所使用 的膠囊破膠劑在裂縫閉合後的張開通道中不破碎。
為了滿足本發明對壓裂液的要求，優選使用各組分的重量比如下的壓裂液100 份淡水；O. 4 O. 6份瓜膠或超級瓜膠；0. 5 8份氯化鉀；0. 02 O. 03份檸檬酸；0. 03 O. 06 份 NaOH ；0. 08 O. 15 份 Na2CO3 ；0. 08 O. 12 份NaHCO3 ；0. 08 O. 12 份甲醛；0. 008 O. 015份過硫酸銨；0. 5 I份破乳劑；0. 5 I份助排劑；0. 3 O. 8份有機硼交聯劑； O. 2 1.0份纖維。
另外，在射孔步驟中，射孔跨度設計為覆蓋壓裂段的大部分。而在射孔段內，一射 孔簇長度優選為1. 5 2米，非射孔段與射孔簇同等長度，這樣射孔與非射孔間互覆蓋大部 分壓裂段。
在泵注步驟中，支撐劑以短脈衝的方式加入，並泵注一個長支撐劑脈衝段作為尾 追，以避免近井裂縫未被支撐，確保裂縫與井筒的有效聯通。
通過上述手段，本發明的方法可以確保在壓開的裂縫中形成不均勻的支撐劑墩柱 來保持裂縫的張開，油氣不再通過支撐劑填充體，而是流過由支撐劑墩柱形成的通道，這種 墩柱結構可以產生無限導流能力，更有利於液體及聚合物的返排，而且對裂縫表面傷害更 小。這種方法可以消除常規壓裂由於支撐劑破碎、粘土侵入支撐帶、攜砂液破膠不徹底、多相流動和非達西效應等原因導致的支撐劑充填層導流能力的下降，從而實現產能的最大 化。


圖1是支撐劑墩柱支撐裂縫的示意圖2描述了支撐劑墩柱壓裂的射孔方案，左邊是常規均勻射孔方案，右邊是本發 明採用的不均勻射孔方案；
圖3是支撐劑墩柱壓裂的泵注程序的示意圖。
圖4是壓裂液的一個實例在170s—1的剪切速率下測得的粘度-溫度-時間曲線。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的實施方式進行說明。
為了消除裂縫導流能力對支撐劑性能的依賴，本發明採用特殊的工藝手段在裂縫 內建造張開的通道，以形成更高的裂縫導流能力和更通暢的儲層液體通道。該種工藝能夠 使支撐劑以墩柱的方式在裂縫中非均勻地置放(見圖1)。此處支撐劑不再起導流介質作用， 而是做為撐起通道周圍裂縫壁的支撐體。裂縫中通道的形成是特殊的射孔方案、泵注程序 和壓裂液設計的聯合作用。
為了使支撐劑以支撐劑墩柱的方式在裂縫中非均勻地置放，本發明採用了如下所 述的壓裂工序。
(I)射孔方案採用非射孔井段隔離的由射孔簇組成的不均勻射孔(見圖2)。根 據本發明的優選實施方式，①射孔跨度設計為覆蓋壓裂段的較大部分；②在射孔段內一 射孔簇長度約1. 5 2米，非射孔段與射孔簇同等長度，這樣射孔與非射孔間互覆蓋大部分 壓裂段。在圖2所示的實施方式中，射孔簇和非射孔段長度均為1. 5米，射孔密度為6孔/ 米。射孔密度也可進一步適當地調節。
(2)泵注程序泵注程序基於常規的程序，其主要的區別在於支撐劑在施工中以 短脈衝的方式加入。在每個給定的支撐劑濃度階段內，可以有幾個脈衝段(見圖3)。有兩種 類型的脈衝支撐劑脈衝和淨液脈衝。兩個相鄰的支撐劑脈衝段和淨液脈衝段構成一個周 期，這些脈衝段由支撐劑(例如砂)的濃度(其所對應的階段)和段長來表徵。為了保證裂縫 和井眼之間安全可靠的聯結，通過注入一個較長的支撐劑脈衝段作為尾追，以避免近井裂 縫未被支撐，確保裂縫與井筒的有效聯通(見圖3)。結合非均勻射孔，用以隔離支撐劑脈衝 成為小段塞並在裂縫中促進形成墩柱置放與非均勻分布。
(3)壓裂液設計形成實現支撐劑墩柱壓裂成功的一項關鍵因素是如何保證支撐 劑從泵注設備至裂縫的輸送過程中、在裂縫中和在裂縫閉合中保持支撐劑非均勻分布。最 大的風險是支撐劑脈衝段在其輸送過程中的分散，支撐劑段塞的分散將導致這項技術的失 敗，因為這會降低裂縫閉合前支撐劑段的濃度從而減少支撐劑柱墩的高度，這也會導致流 動通道沒有明顯的分界。為了消除或最小化裂縫內支撐劑脈衝的沉降，壓裂液應該具有 合適的粘度。壓裂液的粘度在井底溫度條件及170s—1的剪切速率下不應低於IOOmPa · s (RS600 ThermoHaake旋轉流變儀測得)。而且，如果壓裂施工時間較長，壓裂液粘度應大於 300mPa*s。相比於常規壓裂，這需要增加聚合物加量。不過，由於改進的壓裂返排工藝，在這種新的施工中，增加的聚合物加量不會影響到最終裂縫的性能。
根據本發明的一個優選實施方式，在所有包含支撐劑和不含支撐劑段的壓裂液中加入纖維，不用纖維的階段只有前置液、頂替液和尾追階段。纖維可以改善壓裂液對支撐齊 的輸送性能，減小支撐劑分散的風險，且能顯著降低支撐劑沉降速度，故是一個重要的保障。除尾追段、前置液段和頂替段無需加入之外，纖維在所有支撐劑階段的淨液階段和支撐劑脈衝階段都要勻速加入。在加入纖維時，纖維濃度應與淨液體積相關，而不是與混漿體積相關。纖維穩定支撐劑墩柱並減輕其在井眼和裂縫中輸送時的分散，加入到淨液階段的纖維會影響攜帶液的流變性從而顯著減緩支撐劑脈衝的沉降。
本發明的方法採用的壓裂液中可加入各種添加劑，如破膠劑(優選膠囊破膠劑，特別是過硫酸銨)、破乳劑和助排劑等，只要不影響或者有助於支撐劑墩柱在裂縫中不均勻的置放即可。不過，由於本工藝是張開的通道，因此對於膠囊破膠劑的應用提出了特殊要求， 膠囊破膠劑在裂縫閉合後的張開通道中不應該破碎。在使用單一膠囊破膠劑時，在淨液脈衝中的破膠劑濃度應該足夠高，以便從膠囊中通過擴散釋放充分的破膠劑。另外，還可以結合使用粉末破膠劑。
根據本發明的一個特別優選的實施方式，可使用下述壓裂液，其各組分的重量比如下100份淡水；0. 4 O. 6份瓜膠或超級瓜膠；4 8份氯化鉀；0. 03 O. 06份NaOH ； O. 08 O. 15 份 Na2CO3 ；0. 08 O. 12 份 NaHCO3 ；0. 08 O. 12 份甲醛；0. 008 O. 015 份過硫酸銨；0. 5 I份破乳劑；0. 5 I份助排劑；0. 3 O. 8份有機硼交聯劑；0. 2 1. O份纖維。
通過採用上述組成的壓裂液，可以確保支撐劑從泵注設備至裂縫的輸送過程中、 在裂縫中和在 裂縫閉合中保持支撐劑非均勻分布。
作為此處採用的瓜膠，可以使用瓜膠原粉或如羥丙基瓜膠、羧甲基瓜膠和羧甲基羥丙基瓜膠等瓜膠衍生物。
超級瓜膠在製備上與瓜膠所用原材料是相同的，但是超級瓜膠在加工過程中採取了特殊的制粉工藝，可以有效地防止在高溫和剪切過程對高分子結構的破壞。超級瓜膠與瓜膠原粉的化學結構基本相同，但是相對分子質量高於瓜膠原粉，在相同溫度和相同剪切速率條件下，配置相同剪切粘度壓裂液所需超級瓜膠用量比例如羥丙基瓜膠等瓜膠的用量低得多。而且，超級瓜膠配置的壓裂液殘渣含量更低，破膠更加徹底。因此，更優選使用超級瓜膠。
作為破乳劑，可使用烷基酚與環氧乙烷縮合物和陽離子表面活性劑。作為助排劑， 可使用含氟表面活性劑。作為有機硼交聯劑的實例，可使用YP-150有機硼交聯劑(北京科麥仕油田化學劑技術有限公司商品)。作為纖維，可使用聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚氨基甲酸酯纖維、聚醯胺、聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維、聚對苯撐苯並雙噁唑纖維中的一種或多種的混合物。
作為非限制性實例，本發明所用的壓裂液的配製和粘度測定程序如下所述。
1、基液配製
取500mL水倒入吳茵混調器中，調節電壓使攪拌器轉動，加入O.1g檸檬酸攪拌 5min，直到旋渦底見到攪拌器漿葉中軸頂端為止，然後緩慢加入2. 5g羥丙基瓜膠，後繼續攪拌30min，形成均勻的溶液，再加入20g氯化鉀，O. 2g的Na0H，0. 5g的Na2CO3 ；0. 5g的NaHCO3 ；0. 5g的甲醛，2. 5g破乳劑，2. 5g助排劑，繼續攪拌5min，倒入塑料燒瓶中加蓋，在室 溫下靜置4h。
2、交聯液的製備
取IOOml配製好的基液，在攪拌條件下加入O. 5ml有機硼交聯劑，使之形成凍膠。
3、壓裂液流變性測定
製備好的交聯凍膠樣品裝入RS600 ThermoHaake旋轉流變儀中，對樣品加熱,控 制升溫速度(3. 0±0. 2) 0C /min,同時以170s—1的剪切速率轉動轉子，並記錄開始時間，溫 度達到壓裂作業地層溫度後保持剪切速率和溫度不變，測量表觀粘度。圖4給出了 136°C、 170s—1剪切速率下測得的壓裂液粘度。
通過採用上述組成的壓裂液，可以在支撐劑從泵注設備至裂縫的輸送過程中、在 裂縫中和在裂縫閉合中保持支撐劑非均勻分布，從而形成不均勻的支撐劑墩柱。
另外，本發明對支撐劑選擇沒有限制(尾追段的支撐劑選擇按常規壓裂的選擇原 則選用即可)。支撐劑墩柱壓裂形成的裂縫導流能力不依賴於支撐劑的性能，因此沒有必要 選取高質量的支撐劑，在經濟上具有特別的有利之處。
本發明所採用的方法通過確保在壓開的裂縫中形成不均勻的支撐劑墩柱來保持 裂縫的張開，油氣不再通過支撐劑填充體，而是流過由支撐劑墩柱形成的通道，這種墩柱結 構可以產生無限導流能力，更有利於液體及聚合物的返排，而且對裂縫表面傷害更小。這種 方法可以消除常規壓裂由於支撐劑破碎、粘土侵入支撐帶、攜砂液破膠不徹底、多相流動和 非達西效應等原因導致的支撐劑充填層導流能力的下降，從而實現產能的最大化。
本發明的低損害水力壓裂方法可以用於碎屑巖、碳酸鹽巖、火成巖、頁巖等儲層的 水力壓裂改造。而且，本發明不僅可以用於直井的壓裂，還可以用於斜井、水平井壓裂改造。
權利要求
1.一種導流壓裂方法，所述導流壓裂方法包括以下步驟 1)採用非射孔井段隔離的由射孔簇組成的不均勻射孔； 2)周期性地以脈衝方式泵注支撐劑和淨液，以使支撐劑以支撐劑墩柱的方式在裂縫中非均勻地置放； 其特徵在於，所使用的壓裂液在井底溫度條件及170s—1的剪切速率下的粘度不低於IOOmPa S。
2.如權利要求1所述的導流壓裂方法，其中，所述壓裂液在井底溫度條件及170s—1的剪切速率下的粘度大於300mPa S。
3.如權利要求1所述的導流壓裂方法，其中，在步驟2)中，支撐劑脈衝段和淨液段勻速加入纖維。
4.如權利要求3所述的導流壓裂方法，其中，前置液段、頂替段和尾追段不加入所述纖維。
5.如權利要求1所述的導流壓裂方法，其中，所述壓裂液包含膠囊破膠劑，所述膠囊破膠劑在裂縫閉合後的張開通道中不破碎。
6.如權利要求1所述的導流壓裂方法，其中，所述壓裂液各組分的重量比如下100份淡水；0. 4 0. 6份瓜膠或超級瓜膠；0. 5 8份氯化鉀；0. 02 0. 03份檸檬酸；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份過硫酸銨；0. 5 I份破乳劑；0. 5 I份助排劑；0. 3 0. 8份有機硼交聯劑；0.2 1.0份纖維。
7.如權利要求1所述的導流壓裂方法，在步驟I)中，所述射孔的跨度覆蓋壓裂段的大部分。
8.如權利要求1或7所述的導流壓裂方法，其中，在射孔段內，一射孔簇長度為1.5 2米，非射孔段與射孔簇同等長度。
9.如權利要求1所述的導流壓裂方法，所述方法包括 3)泵注一個長支撐劑脈衝段作為尾追。
全文摘要
本發明涉及一種新型的超高導流壓裂方法，其中，通過不均勻射孔、以短脈衝方式加入支撐劑和設計壓裂液，能夠使支撐劑以墩柱的方式在裂縫中非均勻地置放，即在壓開的裂縫中形成支撐劑墩柱來保持裂縫的張開，油氣不再通過支撐劑填充體，而是流過由支撐劑墩柱形成的通道，這種墩柱結構可以產生無限導流能力，更有利於液體及聚合物的返排，而且對裂縫表面傷害更小。由於支撐劑墩柱壓裂形成的裂縫導流能力不依賴於支撐劑的性能，因此沒有必要選取高質量的支撐劑。
文檔編號E21B43/267GK103015957SQ20121039278
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者周福建, 劉玉章, 丁雲宏, 盧擁軍, 劉雄飛, 楊賢友, 石陽, 張建國, 張福祥, 熊春明, 楊向同, 車明光 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 北京科麥仕油田化學劑技術有限公司