多级暂堵转向重复压裂技术探索及在河南油田的应用

孙彬峰，刘洪涛，刘 欣，冯兴武，张 坤

（中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳，473132）

压裂技术是河南油田开发后期增产稳产、有效开发难采储量的重要措施。随着生产时间的推进，一次压裂裂缝陆续失效，通过试井和压后产量拟合分析，压裂两年后人工裂缝平均导流能力仅为20.76×10-3μm2·cm，需要重复压裂改善开发效果。河南油田已进入开发后期，受理论及现场施工工艺条件限制，以重张旧缝为原则进行重复压裂，但重复压裂技术只能使裂缝沿着老裂缝延伸，在老裂缝采出程度较高情况下，达不到理想的压裂效果[1–2]。针对这种现状，必须研究裂缝转向重复压裂技术，为提高重复压裂效果开辟新的途径。裂缝强制转向工艺实施过程中，控制裂缝延伸轨迹的决定因素是哪些，河南油田当前的地应力条件是否满足该工艺的应用，工程技术因素是否可以保证裂缝强制转向成功。本文针对这些问题通过水力压裂室内物理模拟实验进行了研究。

1 压裂井开发阶段地应力预测结果

国内外大量定性研究认为，油气田长期生产过程中，受生产注入活动、人工裂缝等各种因素影响，地应力场能逐渐改变，地应力场变化是使裂缝转向的主要原因[3–4]。本文基于储层岩石为线弹性体作为假设条件，以河南稀油老区主要压裂目的层为输入参数，叠加水力裂缝诱导应力场和孔隙压力变化的诱导应力，获得主要压裂目的层开发阶段的应力差值。计算结果见表 1。

表1 单井地应力计算结果

由表1可以看出，单井压裂后经过长期生产，地应力差值有不同程度减小，但没有出现应力反转，河南油田重复压裂裂缝自然转向的可能性较小，需要研究堵老缝压新缝工艺实现裂缝强制转向。

2 裂缝暂堵转向机理实验研究

2.1 裂缝暂堵转向的地应力差界限研究

对于垂向地应力为最大主应力的储层，水平最大地应力与水平最小地应力的差值是最重要的控制参数之一[5–6]。本文主要针对河南油田 60°方位射孔条件，通过物理模拟研究了裂缝转向的地应力差界限。模拟压裂实验系统由真三轴实验架、MTS伺服增压泵及其他辅助装置组成，最大供液压力可达到50 MPa。

针对60°相位角射孔完井方式，假定其中1/3射孔孔眼方位与水平最大地应力方向平行，剩余的2/3射孔孔眼方位与水平最大地应力方向的夹角均为60°；如果对射孔孔眼方位与水平最大地应力方向平行的1/3射孔孔眼实现有效封堵，那么，剩余的2/3射孔孔眼具有相同的破裂压力及扩展规律。因此只需要知道其中一个射孔孔眼的破裂压力及扩展规律即可。根据以上假定，加工1个方位与水平最大地应力方向的夹角为60°的射孔孔眼，加载水平应力差值分别为10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa，工作液为染色煤油。

图1给出了应力差值分别为10 MPa、8 MPa、6 MPa和4 MPa时的裂缝形态，可以看出随着水平地应力差值逐渐减小，裂缝转向角度逐渐增加。实验表明，通过有效封堵初次压裂人工裂缝，可以实现裂缝强制转向的地应力差界限为 8 MPa。根据当前地应力计算结果，双河、安棚、赵凹油田主力压裂层适合进行堵老缝压新缝转向压裂工艺。

图1 水平应力差值4～10 MPa转向裂缝延伸轨迹

2.2 缝内裂缝暂堵转向轨迹探讨

由图2、图3可以看出，转向压裂在射孔孔眼处产生偏离水平最大地应力方位的新裂缝；随着裂缝的扩展，新裂缝在缝内逐渐转向，最终与水平最大地应力方位相互一致，形成明显的曲面裂缝。

由以上物模实验结果可知，地应力差值仍然是控制裂缝延伸轨迹的决定因素，只有在一定的地应力差条件下，通过转向压裂工艺条件的控制，如进行定方位射孔、增加压裂液黏度、加大施工排量、加入裂缝转向剂等增加了缝内净压力，间接改变了地应力差，从而使裂缝延伸轨迹发生偏转，形成沿最小主应力方向延伸的转向裂缝。由于受远场应力状态的制约，裂缝最终仍然转向于最大主应力方向[7–8]。理论上，对于河南油田地应力差小于8 MPa的油井，通过应用封堵剂等一系列措施，可以形成不同于原来裂缝延伸方向的转向新裂缝，提高裂缝改造效果。

图3 缝内转向曲面裂缝

3 裂缝暂堵材料优选

根据各压裂目的层的具体状况及后续油藏工程的需要，暂堵材料的选择既要考虑永久封堵转向压裂工艺，也要考虑暂堵转向压裂工艺[9]。据此，研制了适合河南油田储层转向压裂要求的高强度、易溶解、低伤害裂缝转向封堵材料。

3.1 暂堵剂溶解性能

针对目前暂堵剂对转向压裂的局限性及转向压裂对暂堵剂的要求，研究评选了二次交联型暂堵剂。该暂堵剂在压裂液中1.5 h的溶解率为20%，4 h可全部溶解（见图4）。

图4 暂堵剂溶解率实验

3.2 暂堵剂的承压及地层伤害性能

暂堵剂在转向压裂过程中起着关键的作用，其强度关系着转向压裂施工的成败。采用流动实验仪测定封堵率及突破压力来确定暂堵剂的强度，优选耐高温、承压力能力强的暂堵剂。评选出的暂堵剂耐温达到130℃，在一定的用量下，耐压可达到40 MPa以上（见表 2）。同时岩心伤害实验结果显示，该暂堵剂渗透率恢复率达到89.7%（见表3）。

表2 暂堵剂不同厚度封堵性能实验

表3 岩心伤害实验

4 多级暂堵转向压裂现场先导试验

针对常规重复压裂效果差的问题，为探讨转向压裂在河南油田的适应性，2017年在双河油田双H9–145井进行了多级暂堵重复压裂先导试验，取得较好增油效果。双H9–145井是双河油田Ⅴ油组上层系的一口采油井，射开层位Ⅴ6–7两个小层，砂厚5.8 m，有效厚2.4 m。2011年8月进行初次压裂， 2017年7月10日进行多级暂堵转向压裂现场试验，压力分析表明，压裂后有新的裂缝开启，缝内暂堵转向重复压裂工艺取得了一定成功。以往压裂实践证明，河南油田双江油区水平最大地应力方位为北东65°。测试H9–145井裂缝方位为北东30.17°，转向角度35°，主加砂裂缝拟合转向距离20～25 m。与压前比较，压后日增油5.5 t，累计增油845 t，取得了较好压裂效果。说明转向压裂工艺在河南油田具有一定适应性。

5 结论

（1）压裂井的地应力变化预测分析结果表明，压裂井地应力差值随开发时间有不同程度减小，但没有出现应力反转，应该研究堵老缝压新缝工艺实现裂缝强制转向。

（2）物模实验表明，通过有效封堵初次压裂人工裂缝，实现裂缝强制转向的地应力差界限为8 MPa。根据当前地应力计算结果，双河、安棚、赵凹油田适合进行堵老缝压新缝转向压裂工艺实验。

（3）评选出的高强度、耐高温、易溶解、低伤害裂缝转向剂，能够满足河南油田储层转向压裂的需要，且转向压裂技术现场应用效果较好。