新型可降解纤维暂堵转向压裂技术研究及应用

王艳林， 方正魁， 刘林泉, 刘 娜

(1中石油新疆油田公司石西油田作业区 2中石油新疆油田公司实验检测研究院)

0 引言

对于低孔、低渗等非常规储层的开发，往往需要采用水力压裂措施进行储层改造，但常规水力压裂工艺容易在储层中形成单一的对称裂缝，不能有效动用油藏储量，压裂改造效果有限[1-3]。可降解纤维暂堵转向压裂技术作为一种新型的压裂施工措施，近年来受到越来越多的关注，其施工原理是将作为暂堵剂的可降解纤维伴随压裂液注入储层裂缝，对主裂缝进行有效的封堵，随着后续压裂液的泵入，产生一定的暂堵压力，诱导裂缝发生转向形成分支裂缝，从而在储层中形成新的裂缝网络，增大储层渗流面积[4-7]。施工措施后，纤维在地层温度下逐渐降解，随着压裂返排液排出储层，不会影响压裂后的裂缝导流能力[8]。

可降解纤维与其他类型的暂堵剂不同，除了具有较强的封堵能力外，纤维的加入还能提高压裂液的悬砂性能，并能有效防止压裂支撑剂的回流[9-11]。因此，本文通过大量室内实验对可降解纤维参数进行了优化，并评价了其分散性能、悬砂性能、封堵性能、降解性能以及对裂缝导流能力的影响，并在此基础之上，将研究的新型可降解纤维暂堵转向压裂技术应用于矿场试验，为非常规储层的高效压裂开发提供一种新思路。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

实验材料：新型可降解纤维(长度分别为2 mm、4 mm、6 mm和8 mm，直径为15 μm)、HPG羟丙基胍胶、20～40目陶粒支撑剂、交联剂、模拟地层水(矿化度为8 750 mg/L)。

实验仪器：高温高压驱替实验装置、封堵性能评价实验装置、FCES-100型裂缝导流能力测试仪、YD881型恒温干燥箱、HH-601型恒温水浴锅、AE523型电子分析天平、量筒、烧杯、过滤网等。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维参数优化实验

采用高温高压驱替实验装置评价纤维长度和加量对破裂压力和破裂流量的影响，具体实验方法为：①连接实验装置的管柱，在出口端装上筛网；②配制质量分数为0.5%的胍胶压裂液，加入支撑剂陶粒和纤维进行驱替，最后留下支撑剂和纤维作为砂体；③继续使用清水驱替砂体，并增大驱替流速直至砂体破裂，记录破裂压力和流量。

1.2.2 分散性能评价实验

在清水和胍胶压裂液基液中加入纤维，搅拌使其分散均匀，然后静置3 h后，观察纤维在不同溶液中分散情况。

1.2.3 悬砂性能评价实验

取一定量的胍胶压裂液基液，加入不同质量分数的纤维搅拌分散均匀，然后加入交联剂和支撑剂(20～40目陶粒)，搅拌使体系交联，将体系置于水浴锅中，在不同温度下测定一段时间内支撑剂的沉降高度，并计算沉降速度。

1.2.4 封堵性能评价实验

使用自主研制的封堵性能评价装置对加入纤维后的压裂液体系的封堵性能进行了评价，实验装置的模拟缝宽为1 mm，驱替压力为0.5 MPa，测定压裂液体系在不同时间下的滤失量。

1.2.5 降解性能评价实验

将纤维加入地层水或胍胶压裂液中，在不同温度下恒温静置不同时间后，取出未降解纤维，使用清水反复冲洗，然后将未降解纤维置于50℃恒温烘箱中干燥24 h，称其重量，计算降解率。

1.2.6 可降解纤维对裂缝导流能力的影响

参照石油天然气行业标准SY/T 6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》，使用FCES-100型裂缝导流能力测试仪评价可降解纤维对裂缝导流能力的影响。

图1 纤维长度优选实验结果

2 结果与讨论

2.1 纤维参数的优化

2.1.1 纤维长度的优选

参照纤维参数优化实验中的方法，选择长度为2 mm、4 mm、6 mm和8 mm的纤维进行砂体稳定性实验，纤维的直径均为15 μm，纤维加量均为质量分数0.5%，实验温度为常温(25℃)，实验结果见图1所示。

由图1结果可知，随着纤维长度的逐渐增大，砂体的破裂压力和破裂流量均逐渐升高，说明纤维越长，砂体的稳定性越好。而另一方面，纤维长度过长会影响其与支撑剂的混合均匀程度，且不易泵入地层，因此，综合考虑各种因素的影响，选择纤维长度为6 mm为宜。

2.1.2 纤维加量的优选

参照纤维参数优化实验中的方法，选择纤维加量为质量分数0、0.5%、1.0%和1.5%进行砂体稳定性实验，纤维的长度均为6 mm，直径均为15 μm，实验温度为常温(25℃)，实验结果见图2。

图2 纤维加量优选实验结果

由图2结果可知，随着纤维质量分数的逐渐增大，砂体的破裂压力和破裂流量均逐渐升高，说明纤维质量分数越大，砂体的稳定性越好，暂堵性能越好。但在现场实际应用中，如果纤维的质量分数大于1.5%时，纤维自身容易纠缠成团，不易分散，因此，为方便现场施工，选择纤维的加量为1.0%。

2.2 分散性能

参照分散性能评价实验中的方法，评价了纤维的分散性能，纤维长度为6 mm，直径为15 μm，加量为质量分数1.0%，实验温度为常温(25℃)，从实验结果可以看出，纤维在清水中放置24 h后略有沉降，而在胍胶压裂液基液中放置24 h后并无明显沉降，这是由于胍胶压裂液基液的黏度较高，使得纤维在其中的分散程度比较稳定，具有良好的分散悬浮性能。

2.3 悬砂性能

参照悬砂性能评价实验中的方法，评价了不同质量分数纤维在不同实验温度下对压裂液悬砂性能的影响，纤维长度为6 mm，直径为15 μm，实验结果见图3。

由图3实验结果可以看出，随着纤维质量分数的增加，支撑剂沉降速度逐渐下降，随着实验温度的升高，支撑剂沉降速度逐渐增大。这是由于在一定温度范围内，纤维加量的增大使压裂液体系形成的交叉网络结构更加稳定，从而延长了支撑剂在压裂液中的悬浮时间，使悬砂性能增强；而随着温度的进一步增大，纤维的降解程度增大，从而造成悬砂性能的下降。

图3 悬砂性能评价实验结果

2.4 封堵性能

参照封堵性能评价实验中的方法，评价了纤维对压裂液体系的封堵效果，纤维长度为6 mm，直径为15 μm，纤维质量分数为1.0%,实验温度为常温(25℃)。

由实验结果可知，随着纤维质量分数的增大，滤失量逐渐下降，而随着实验时间的延长，滤失量逐渐增大。60 min滤失量为32.5 mL，说明此时纤维已经形成了有效的暂堵层，能够有效降低滤失量，再继续增大纤维质量分数，滤失量降低程度不明显。说明纤维质量分数为1.0%时能使压裂液体系具有良好的封堵性能，能够满足暂堵转向压裂施工过程中对压裂液封堵性能的要求。

2.5 降解性能

参照降解性能评价实验中的方法，评价了纤维的降解性能，纤维长度为6 mm，直径为15 μm，实验结果见表1。由表1可以看出，随着温度的升高和实验时间的延长，纤维在地层水和胍胶压裂液中的降解率均呈现出逐渐增大的趋势。当实验温度为90℃时，纤维在地层水中12 h的降解率能够达到100%，而在胍胶压裂液中12 h的降解率也能达到95%以上。这说明在温度较低时(小于50℃)，纤维降解率较小，能够保证压裂液体系的悬砂和封堵能力，而在温度较高时(大于70℃)，纤维降解率迅速增大，具有良好的降解性能。

2.6 可降解纤维对裂缝导流能力的影响

参照可降解纤维对裂缝导流能力实验中的方法评价了不同温度条件下可降解纤维对裂缝导流能力的影响，纤维长度为6 mm，直径为15 μm，纤维质量分数为1.0%，实验用流体为3%KCl溶液，实验用支撑剂为20～40目陶粒，闭合压力为40 MPa，铺砂浓度为5 kg/m2，实验结果见表2。

表1 纤维降解性能实验结果

表2 可降解纤维对裂缝导流能力的影响实验结果

由表2结果可以看出，在实验温度小于50℃时，加入1.0%纤维后的裂缝导流能力比不加纤维时有所下降，导流能力降低率均大于10%；而在实验温度大于70℃时，加入纤维的裂缝导流能力降低率小于5%。当温度达到90℃时，加入纤维的裂缝导流能力与不加纤维基本相当，说明可降解纤维能够在高温下有效降解，从而避免暂堵压裂施工对储层的伤害，不影响压裂施工后的裂缝导流能力。

3 矿场试验

新型可降解纤维暂堵转向压裂技术在陆上某油田共计施工3井次，施工成功率100%。以X井为例，该井压裂施工井段为3 181～3 206 m，储层平均孔隙度为11.6%，平均渗透率为9.7 mD，属于低孔、低渗砂岩储层。压裂施工时使用长度为6 mm，直径为15 μm的纤维，共计加入纤维850 kg，在第一阶段主裂缝形成后，先以低排量0.8～1.0 m3/min注入纤维暂堵液，然后再提高排量2.5～2.8 m3/min将纤维泵入缝内，进行封堵，使裂缝转向形成分支裂缝。加入纤维后，施工压力上升明显，最高压力达到51.6 MPa，起到了良好的裂缝暂堵转向效果。

压裂施工作业后,X井初期日产液量为59.5 m3，日产油量为50.7 m3，稳定日产液量为41.6 m3，日产油量为37.9 m3；可以看出，新型可降解纤维暂堵转向压裂技术的增产效果明显好于常规压裂，能够较大幅度的提高低孔、低渗砂岩储层的油井产量。

4 结论

1)通过室内实验优选出新型可降解纤维长度为6 mm、直径为15 μm，纤维质量分数为1.0%时暂堵性能较好，并且具有良好的分散性能和悬砂性能。

2)随着温度的升高，纤维的降解率逐渐增大，当实验温度达到90℃时，新型可降解纤维在地层水和胍胶压裂液中的降解率分别能够达到100%和95%以上。另外，随着温度的升高，纤维对裂缝导流能力的影响逐渐减小。这能够确保在低温下压裂液具有良好的悬砂和暂堵性能，而在高温下纤维能迅速降解，不影响压裂施工后裂缝的导流能力。

3)矿场试验结果表明，X井采用新型可降解纤维暂堵转向压裂措施后，施工压力明显上升，说明达到了良好的暂堵转向效果。X井压裂后的日产液量和日产油量均明显得到了提高，起到了良好的压裂增产效果。