強沖蝕不規則孔眼封堵規律實驗研究

王 博,古小龍,李文霞,張谷暢,葛 徽,周福建

(1.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區 石油學院,新疆 克拉瑪依 834000; 2.新疆克拉瑪依市燃氣有限責任公司,新疆 克拉瑪依 834000; 3.西部鉆探工程有限公司 吐哈井下作業公司,新疆 吐魯番 838000; 4.中國石油大學(北京) 非常規油氣科學技術研究院,北京 102249)

引言

瑪湖凹陷礫巖油藏探明儲量高、開發潛力大,但儲層致密、物性差、非均質性強、兩向應力差大,難以獲得縫網改造[1-3]。礦場試驗表明,水平井分段多簇壓裂技術表現出較大潛力,但段內多射孔簇改造不均衡嚴重制約了該技術的推廣應用[4-5]。產液剖面測試顯示只有1/2射孔簇對產量有貢獻[6]。段內多簇暫堵壓裂通過泵注暫堵劑,封堵優勢進液孔眼,提高井筒凈壓力,迫使液流進入劣勢吸液孔,實現段內簇間均勻分流[7-9]。

針對投球暫堵,Yuan等[10]基于可視化實驗和數值模擬研究了顆粒暫堵劑在井筒內運移及入孔規律,結果表明增大攜帶液黏度或炮眼分流比能夠顯著提高顆粒暫堵劑入孔效率。吳寶成等[11]搭建了大尺度可視化炮眼暫堵劑運移系統,對比研究了球形暫堵劑和繩結暫堵劑的運移規律,指出繩結暫堵劑的兩翼結構便于攜帶液泵送,對高邊孔眼封堵效果更好。方裕燕等[12]搭建了高承壓孔眼封堵模擬系統,研究了球形暫堵劑對圓形孔眼封堵規律,指出只有當球形暫堵劑的球徑不低于孔眼直徑時,才能形成有效封堵,即承受20 MPa以上壓力。

壓裂施工過程中,由于初始孔眼圓度不達標和儲層嚴重非均質性,高流速、高濃度支撐劑對孔眼造成非均勻沖蝕,產生了強沖蝕不規則孔眼。Roberts等[13]統計分析20 000多個射孔孔眼在壓裂前、后的孔徑與形狀變化,發現初始圓形孔沖蝕后形狀不規則,根部孔眼沖蝕更嚴重,高邊孔比低邊孔沖蝕更嚴重等現象。Yosefnejad等[14]通過室內加砂沖蝕實驗證實孔眼沖蝕存在圓度沖蝕和孔徑沖蝕兩個階段。Roberts等[15]通過監測支撐劑分布與孔眼沖蝕幅度,量化了單段支撐劑加量與孔眼沖蝕面積之間的關系。

綜上,國內外學者重點研究了暫堵劑在井筒內運移規律,初步探究了實現圓形孔眼封堵的暫堵球粒徑優選原則。然而,井下孔眼成像監測表明,加砂壓裂中孔眼沖蝕問題突出,易產生不規則孔眼,孔眼封堵難度顯著增大,不規則孔眼封堵效果主控因素及其影響規律缺乏必要研究。為此,本文制備了5種不同形狀的孔眼模型,搭建了孔眼封堵實驗系統,建立了孔眼封堵實驗方法,探究了不同形狀孔眼模型封堵規律。本文研究成果對優化不規則孔眼封堵方法,提高段內多簇壓裂均衡改造效果具有一定的指導意義。

1 段內多簇暫堵壓裂工藝原理

非常規油氣儲層普遍低孔低滲,自然狀態下一般無產能,水平井分段多簇壓裂是其獲得效益開發的關鍵技術之一。為降本增效,單個水平壓裂段長度幾乎不變,但射孔簇數由傳統的2～3簇增加至5～11簇,簇間距由25～30 m縮短至5～10 m,對儲層形成密切割效果。然而,如圖1(a)所示,由于射孔槍在重力作用下朝上和朝下射孔孔徑不一致,加砂壓裂中孔眼沖蝕不均勻以及水平段內簇間力學性質差異,段內多個射孔簇難以同步起裂及均衡擴展。如圖1(b)所示,段內多簇暫堵壓裂技術旨在泵注可降解暫堵劑,封堵優勢進液射孔簇對應的孔眼,提高井筒內流體壓力,迫使后續壓裂液進入欠改造射孔簇,從而使水平段內射孔簇獲得均衡改造。壓裂結束后,暫堵劑降解,隨流體返排至地面,孔眼恢復通道能力,該井開始投產。

2 高承壓粗糙迂曲裂縫封堵實驗設計

2.1 實驗裝置

如圖2所示,本文設計搭建了強沖蝕孔眼高壓封堵實驗裝置,包括泵注系統、數據采集系統以及孔眼夾持裝置。泵注系統采用ISCO泵供液,排量上限為70 mL/min,壓力可達70 MPa;采用8 L大容積中間容器,盛放含暫堵劑混合液,確保持續供液不間斷;管線采用內徑為12 mm的高壓橡膠管線,確保暫堵劑泵注過程中不會堵塞管線。數據采集系統可以實時獲取泵注排量、泵注壓力和出液體積。如圖3所示,考慮沖蝕程度和沖蝕的不對稱性,本文設計加工了5種不同形狀的孔眼模型:圓形孔眼、六邊形孔眼、橢圓性孔眼、正方形孔眼和三角形孔眼,其中圓形孔眼代表無沖蝕孔眼。為模擬不同孔徑的孔眼,孔眼模型設計為錐形孔眼,即從入口至出口孔徑線性減小。采用直徑為15 mm、18 mm、22 mm和25 mm暫堵球進行孔眼封堵,暫堵球提前預置在孔眼模型內,泵注含暫堵劑混合液推進暫堵球進行封堵?？紤]到暫堵球模量高,變形量小,暫堵球對孔眼形成等徑封堵,即15 mm暫堵球封堵15 mm孔眼,18 mm暫堵球封堵18 mm孔眼。

圖2 高承壓孔眼封堵實驗評價系統

圖3 不同形狀孔眼模型

2.2 實驗材料

(1)暫堵劑

基于現有實驗結果,封堵孔眼必須采用暫堵球,且暫堵球的直徑不得低于孔眼直徑[11]。本文設計的孔眼模型入孔直徑為32 mm,出口直徑為10 mm,選用球徑為15 mm、18 mm、22 mm和25 mm的暫堵球進行孔眼封堵,根據暫堵球卡封位置來模擬封堵不同孔徑孔眼。暫堵球封堵非圓形孔眼時,形成的孔隙采用顆粒+纖維進行封堵,纖維長度為6 mm,顆粒備選粒徑為1 mm、4 mm和5 mm。暫堵劑材質為聚乳酸,強度高、變形量小,確保暫堵球直徑與孔眼直徑相等,即等徑封堵,從而量化封堵規律。

(2)攜帶液

如圖4所示,本文采用HAAKE MarsIII旋轉流變儀測試了攜帶液黏度為412 mPa·s,確保其能較好地懸浮顆粒+纖維暫堵劑,避免暫堵劑在中間容器內或管線入口處堆積,減少實驗干擾。攜帶液配方為羥丙基胍膠(0.3%)+檸檬酸(0.02%)+調節劑(0.15%)+交聯劑(0.30%)。

圖4 攜帶液

2.3 實驗步驟

(1)配液:配置一定濃度和體積的含暫堵劑攜帶液8 L,倒入中間容器待用;

(2)預置暫堵球:將暫堵球預置在孔眼模型中,連接管線,測密封;

(3)泵注:啟動ISCO泵,定排量泵注,開啟數據采集系統,記錄驅替壓力及出液量(間隔6 s),當泵注壓力達到20 MPa時,停止泵注,改為20 MPa恒壓泵注,恒壓5 min。

(4)拍照記錄:實驗結束后,卸載壓力,取出孔眼模型和暫堵體,拍照記錄暫堵體形態。

(5)清理:清理設備。

2.4 實驗方案

實驗測試表明,孔眼封堵過程中,一旦起壓,暫堵球+顆粒+纖維形成的暫堵體可有效承壓50 MPa,為確保實驗人員安全,設計泵注壓力上限為20 MPa。定義泵注壓力陡升點為起壓點,陡升點越早,表明起壓時間越短。本文設計了5個實驗組,分別研究暫堵球直徑、架橋顆粒濃度、填充顆粒濃度、泵注速度和孔眼形狀對孔眼封堵的影響規律,見表1。泵注排量設置分別為50 mL/min、60 mL/min和70 mL/min,暫堵劑配方設置分別為1.2% F+1.0% P1+0.5% P4、1.2% F+1.0% P1+0.7% P4、1.2% F+1.0% P1+1.0% P4、1.2% F+0.4% P1+0.7% P4、1.2% F+0.7% P1+0.7% P4和純胍膠液。其中,F表示6 mm纖維,P1表示1 mm顆粒,P4表示4 mm顆粒。

表1 實驗設計方案

3 實驗結果

暫堵壓裂技術就封堵對象而言可細分為孔眼封堵和裂縫封堵。封堵孔眼通常采用球劑組合(暫堵球+顆粒+纖維),而封堵裂縫通常采用顆粒組合(顆粒+纖維)。壓裂施工過程中,泵注壓力易波動,縫寬動態變化,裂縫封堵難度較大,因此孔眼封堵是發展方向。針對孔眼封堵,暫堵球直徑決定能否封堵主流通道,架橋顆粒濃度決定能否封堵不規則孔眼邊部小通道,填充顆粒濃度決定孔眼封堵后堵劑壓實程度和滲透性,泵注排量決定封堵速度,而孔眼形狀代表不同程度孔眼沖蝕情況。因此,本文重點研究了暫堵球直徑、架橋顆粒濃度、填充顆粒濃度、泵注排量和孔眼形狀5個因素對孔眼封堵的影響規律。

3.1 暫堵球直徑

現場壓裂過程中,射孔槍引爆射孔彈打穿套管產生圓形孔眼,就單個孔眼而言,泵注支撐劑均勻沖蝕孔眼圓周,形成外徑逐漸增大的圓形孔眼。第1組實驗目的是研究暫堵球直徑對圓形孔眼的封堵規律。選用球徑為15 mm、18 mm、22 mm和25mm的暫堵球封堵圓形孔眼,其他參數見表1。如圖5所示泵注曲線,可以看出,封堵壓力達到20 MPa所需的泵注時間分別為1.88 min、1.83 min、1.92 min和1.89 min,對應消耗的顆粒暫堵劑量分別為184 g、180 g、187.2 g和186 g。泵注壓力達到20 MPa所需的泵注時間和顆粒暫堵劑的消耗量決定封堵速度。針對圓形孔眼,暫堵球通過卡封整個孔眼形成初步封堵,暫堵球與圓形孔眼貼合度高,只需少量顆粒暫堵劑即可完成有效封堵。因此,不同暫堵球直徑下,當暫堵球與孔眼匹配后,封堵速度基本一致。

圖5 不同暫堵球直徑下圓形孔眼封堵的泵注壓力曲線

3.2 架橋顆粒濃度

由于初始孔眼并非嚴格的圓形、孔眼流體流場復雜性以及孔眼外部回壓局部差異性,加砂過程中易產生非規則異形孔眼。當暫堵球封堵孔眼主通道后,邊部縫隙仍能進液進砂,造成孔眼邊部持續沖蝕增大,形成形狀更加不規則的孔眼。為此,暫堵球封堵主孔眼后,需要利用顆粒和纖維復合封堵邊部縫隙。礦場井下鷹眼監測表明,4 mm顆粒架橋、1 mm顆粒填充、纖維壓實能夠取得較好的效果。第2組實驗研究了4 mm架橋顆粒濃度對孔眼封堵的影響規律。如圖6所示,分別用15 mm和22 mm暫堵球封堵六邊形孔眼,架橋顆粒濃度越大,封堵壓力達到20 MPa所需泵注時間越短。以15 mm暫堵球為例,架橋顆粒質量分數分別為1.0%、0.7%和0.5%時,封堵壓力達到20 MPa所需的泵注時間分別為1.90 min、4.00 min和6.37 min,整體暫堵劑消耗量分別為193 g、396 g和594.8 g,架橋顆粒濃度加大后起壓速度提升約70.17%,節省暫堵劑約67.5%。

圖6 不同架橋顆粒濃度下六邊形孔眼封堵泵注曲線

3.3 填充顆粒濃度

第3組實驗研究了1 mm填充顆粒濃度對孔眼封堵的影響規律。如圖7所示,以18 mm和22 mm暫堵球封堵正邊形孔眼為例,填充顆粒濃度越大,封堵壓力達到20 MPa所需泵注時間越短。以18 mm暫堵球封堵為例,架橋顆粒質量分數分別為1.0%、0.7%和0.5%時,封堵壓力達到20 MPa所需的泵注時間分別為6.63 min、7.62 min和9.88 min,整體暫堵劑消耗量分別為432.2 g、551.2 g和763.4 g,填充顆粒濃度提高后起壓速度提升約32.89%,節省暫堵劑約43.38%?？籽鄯舛逻^程中,暫堵球首先封堵孔眼主通道,架橋顆粒封堵邊部通道,填充顆粒封堵暫堵球與架橋顆粒之間的孔隙,從而最大程度提高泵注壓力。填充顆粒濃度越高,越容易在球劑孔隙處形成架橋封堵,縮短封堵時間,降低暫堵劑用量。

圖7 不同填充顆粒濃度下正方形孔眼封堵泵注曲線

3.4 泵注排量

暫堵壓裂過程中,通常以較高排量(10～14 m3/min)造縫、攜砂,以較低排量(1～6 m3/min)泵送暫堵劑,泵注排量影響暫堵劑井筒內運移以及封孔效果。第4組實驗研究了泵注排量對堵劑封堵孔眼的效果,利用ISCO泵,設計泵注排量分別為50 mL/min、60 mL/min和70 mL/min。如圖8(a)所示,以22 mm暫堵球封堵六邊形孔眼為例,泵注排量分別為70 mL/min、60 mL/min和50 mL/min,封堵壓力達到20 MPa所需的泵注時間分別為7.05 min、7.96 min和9.62 min,整體暫堵劑消耗量分別為493.5 g、481 g、 501 g,泵注排量增大后起壓速度提高約26.72%,暫堵劑消耗量相差不大。因此,為縮短封堵時間,同時考慮避免超壓問題,泵注暫堵劑時盡可能提高泵注排量。

圖8 不同排量下孔眼封堵的泵注壓力曲線

3.5 孔眼形狀

如圖9所示,加砂壓裂過程中,由于初始孔眼非圓度和非均勻沖蝕程度的影響,易形成形態不規則的異形孔眼。本文加工了5種不同形狀的孔眼模型,就圓度而言,圓形>六邊形>橢圓形>正方形>三角形。針對5種形狀孔眼,采用不同直徑的堵球封堵主流通道后,其邊部棱角通道大小差異較大,為探究不同沖蝕程度下(孔徑大小不同)5種形狀孔眼封堵規律,該部分采用兩種不同直徑的暫堵球開展封堵實驗。第5組實驗研究了相同暫堵劑配方對不同形狀孔眼的封堵規律。如圖9所示,以15 mm暫堵球封堵5種形狀孔眼為例,封堵圓形、六邊形、橢圓形、正方形孔眼,封堵壓力達到20 MPa所用的封堵時間分別為1.55 min、3.38 min、3.90 min和4.48 min,整體暫堵劑消耗量分別為75 g、202.8 g、234 g和268.8 g,孔眼圓度增大后起壓速度提高65.40%,暫堵劑用量減少193.8 g。以22 mm暫堵球封堵5種形狀孔眼為例,封堵圓形、六邊形、橢圓形、正方形孔眼,封堵壓力達到20 MPa所用的封堵時間分別為1.63 min、3.97 min、6.82 min和15.38 min,整體暫堵劑消耗量分別為97.8 g、238.2 g、409.2 g和922.8 g,孔眼圓度增大后起壓速度提高89.40%,暫堵劑用量減少了825 g。此外,由于三角形孔眼非圓度高,暫堵球坐封后,暫堵球與孔眼之間剩余間隙大,架橋顆粒粒徑太小,無法封堵棱角空隙,泵注壓力難以提升。

4 討論與分析

4.1 暫堵劑形態分析

實驗結束后,從孔眼模型中取出暫堵體,烘干后拍照。如圖10所示,就圓球度而言,六邊形>正方形>三角形,暫堵球封堵六邊形孔眼后,邊部空隙小,顆粒+纖維能夠快速架橋封堵,對暫堵球包裹范圍小,所需暫堵劑用量少;暫堵球封堵三角形孔眼時,邊部空隙大,相同配方的顆粒+纖維無法快速架橋封堵,從而突破邊部空隙,對暫堵球形成全方位包裹,所需暫堵劑用量大。因此,對于圓度較高的孔眼,使用暫堵球+小粒徑暫堵劑即可形成有效封堵;對于異形孔眼,需使用暫堵球+大粒徑暫堵劑,方可形成有效封堵。由暫堵體形狀可知,泵注暫堵劑過程中,應先泵注暫堵球,封堵孔眼主通道,再泵注顆粒架橋封堵異形孔眼邊部空隙,最后泵注纖維,壓實暫堵體,形成有效封堵?，F場施工過程中,在加砂量一半后,可下入井下照相機,獲取孔眼形態,通過調整暫堵劑配方,實現目標孔眼高效封堵。

4.2 主控因素影響機理分析

水平井分段體積壓裂中,高排量、高砂比、高泵壓下孔眼沖蝕不可避免,引起孔眼孔徑和形狀發生變化。針對單一孔徑增大型孔眼,孔眼圓度較高,暫堵球坐封孔眼后,邊部空隙小,封堵效果好,因此不同直徑暫堵球坐封后起壓曲線基本一致。當孔眼形狀發生顯著變化后,暫堵球能夠封堵孔眼的主流通道,但混砂液仍可以從邊部空隙流過,孔眼形狀持續變化,封堵效果差。選擇粒徑合適的架橋顆粒在邊部空隙處架橋,架橋顆粒濃度越高,架橋成功率越大,顯著縮短封堵時間和暫堵劑用量。泵注填充顆粒的目的是封堵架橋顆粒之間的孔隙,提高封堵體壓實程度和承壓能力,填充顆粒濃度越高,越容易在架橋顆粒間孔隙處架橋封堵,明顯縮短封堵時間。在一定的暫堵劑濃度下,提高泵注排量,能夠顯著增大單位時間內到達待封堵通道處的暫堵劑數量,提高了架橋能力。因此,泵注排量越高,泵注壓力曲線抬升越快。針對不同形狀孔眼,暫堵球封堵主流通道后仍會留下一定的邊部空隙,邊部空隙越大,架橋顆粒封堵難度越大。若邊部空隙不能得到及時封堵,則混砂液將會進一步沖蝕增大邊部空隙,使其封堵難度更大。因此,孔眼封堵中,泵注暫堵球后,要及時泵注架橋顆粒和填充顆粒,從而確保邊部快速得到封堵。

5 結 論

本文設計搭建了高承壓孔眼暫堵實驗系統,加工制備了5種不同形狀的孔眼,研究了暫堵球直徑、架橋顆粒濃度、填充顆粒濃度、泵注排量和孔眼形狀對孔眼封堵的影響規律,主要結論如下:

(1)暫堵球+架橋顆粒+填充顆粒+纖維是封堵孔眼的有效配方,對于圓形孔眼,暫堵球與孔眼匹配度高,不同暫堵球直徑下,封堵速度差異小。

(2)針對異形孔眼(暫堵球與孔眼匹配后有空隙),提高架橋顆粒和填充顆粒濃度,能夠顯著提高封堵速度,分別提高約70%和30%。

(3)相同暫堵劑配方封堵同一個孔眼模型,提高泵注排量能夠顯著提高封堵速度,基于室內排量,排量由50 mL/min提高至70 mL/min,封堵速度提高約25%,建議現場施工過程中,盡量采用高排量泵注暫堵劑。

(4)針對異形孔眼,圓度越高,暫堵球與孔眼吻合度越高,邊部空隙越小,封堵難度越小,通過井下照相機獲取孔眼形態,封堵圓度高的孔眼采用暫堵球+小粒徑暫堵劑,封堵圓度低的孔眼采用暫堵球+大粒徑暫堵劑,確?？焖偌軜蚍舛逻叢靠障?。

(5)暫堵劑泵注順序應為暫堵球、顆粒暫堵劑、纖維,若改變泵注順序,孔眼無法形成有效封堵。