转向剂对岩石破裂压力及裂缝扩展效果影响试验

俞然刚, 张 尹, 李建峰,2, 田 勇

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛 266580; 2.威海华府置业有限公司,山东威海 264200)

水力压裂是油气井增产的重要技术手段。在水力压裂形成垂向裂缝时,裂缝在高度和水平方向均有扩展,若在高度方向延伸过度,突破到隔层或附近的含水层,引起透水,则会导致压裂失败[1-2]。因此压裂施工时,需要控制水力裂缝在高度方向的扩展,以取得更好的压裂效果[3-5]。垂向裂缝高度的增长主要取决于产隔层应力差、岩石材料属性以及裂缝尖端阻抗等,且产隔层应力差和岩石材料属性由地层条件决定,不易改变,因此可以通过泵入转向剂对裂缝上下尖端进行封堵,以增大尖端阻抗,提高裂缝尖端的破裂压力,从而抑制裂缝在高度方向的过度延伸[2,6-7]。近年来,国内外专家学者深入研究,提出了许多控制裂缝高度的方法[6,8-11]。压裂效果受转向剂质量分数及施工排量的影响显著[12-16],然而目前相关研究仅局限于定性分析,基于此,笔者通过物模试验,分析围压、转向剂质量分数、施工排量与岩心破裂压力的关系,以及转向剂对破裂压力及裂缝扩展效果的影响。

1 试验装置及方案

1.1 试验准备及装置

1.1.1 岩心制作

由于从现场采集岩心难度大,岩心不均匀且离散性高,试验采用水泥砂浆制作人工岩心。使用32.5复合硅酸盐水泥和建筑用中砂,配比为水泥∶砂=1∶2.5,水∶水泥=0.5,聚羧酸减水剂∶水泥=0.004。岩心为直径50 mm,高100 mm的圆柱,渗透率为84×10-3μm2。在人工岩心平面几何中心制作深度为40 mm的裂缝,结合转向剂上浮与下沉的特性,分别将其制作成半(上、下)缝与全缝的形式,人工岩心及裂缝形状尺寸如图1(单位为mm)所示。

图1 人工岩心及裂缝形状尺寸Fig.1 Shapes and sizes of artificial cores and cracks

1.1.2 压裂液与转向剂

根据相关工程经验,试验选用质量分数为0.2%的烃丙基瓜尔胶溶液作为压裂液,黏度约为100 mPa·s。上浮转向剂为有机油溶性材料,视密度为640 kg/m3,平均粒径为140 μm;下沉转向剂为无机膨胀材料,视密度为1 250 kg/m3,平均粒径为450 μm。为便于观察转向剂的充填效果,在压裂液中添加了蓝色染色剂。

1.1.3 试验装置

图2、3所示的试验装置由加压系统(高压釜、油压稳压源)、转向剂注入系统(平流泵)、数据采集及控制系统(传感器、计算机、伺服控制器)以及其他辅助系统(控温仪、磁力搅拌机等)组成。该装置可对压裂过程进行监测,并实时输出压力-时间曲线、排量-时间曲线。其中，高压釜围压最大为80 MPa;平流泵流量范围为0.01～20.00 mL/min,工作压力为40 MPa;磁力搅拌机调速范围为50～2 500 r/min,注液容器容积为1 000 mL;控温仪温度范围为0～200 ℃,误差为±1 ℃。

图2 试验装置示意图Fig.2 Diagram of test equipment

图3 试验装置Fig.3 Test equipment

1.2 试验方案

不考虑水平主应力差对试验结果的影响,设置试验围压分别为5、10、20 MPa,转向剂质量分数分别为2.50%、5.00%、7.50%、10.00%,泵注排量分别为2～6 mL/min(小排量)和6～10 mL/min(大排量)。试验时,先通过加压系统对岩心施加围压,并通过数据采集系统实时监控,当围压稳定后,再通过转向剂注入系统进行岩心压裂,并通过数据采集系统得到压裂曲线。压裂时,首先采用2或6 mL/min的排量,然后为使转向剂在裂缝尖端的填充尽可能充分,恒压2 min,再采用6或10 mL/min的排量继续压裂,直至试验结束。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

压裂后的岩心如图4所示,试验参数及结果如表1所示,部分压裂曲线如图5所示。由表1和图5可知,岩心破裂压力、裂缝扩展次数因试验参数不同而产生了很大差异。

图4 岩心压裂后实物Fig.4 Artificial cores after tests

表1 试验参数及结果

2.2 围压对破裂压力影响

清水压裂用以验证围压对岩心破裂压力的影响,并作为转向剂压裂的对照。由表1中1#～3#岩心以及图6可知,采用清水压裂时,破裂压力约为围压与原有裂缝扩展所需应力之和,与围压呈近似一次函数关系。

图6 破裂压力-围压曲线Fig.6 Fracture pressure-confining pressure curve

2.3 转向剂质量分数与施工排量对破裂压力(增量)影响

表1中5#～20#半缝岩心是采用上浮或下沉转向剂以不同质量分数和排量进行的压裂试验。由于转向剂的上浮或下沉封堵了原有裂缝尖端,改变其应力强度因子,且压裂液黏度对流体的滤失有一定的抑制作用,使破裂压力较清水压裂显著提升。图7、8为破裂压力较同条件下清水压裂(小排量时5.22 MPa,大排量时6.88 MPa)的增量与转向剂质量分数的关系。

图7 破裂压力增量-转向剂质量分数曲线Fig.7 Increment of fracture pressure-mass fraction of diverting agents curves

2.3.1 转向剂质量分数对破裂压力(增量)影响

(1)当转向剂质量分数较低时,随压裂液流入裂缝尖端的转向颗粒较少,不能形成致密遮挡层,使得部分压裂液通过裂缝壁面向岩心内滤失,抑制憋压,破裂压力增量较小;增大转向剂质量分数后,遮挡层随之致密,减少了压裂液的滤失,改善封堵效果,提升了破裂压力增量(图7、8)。

(2)随着转向剂质量分数继续增大,破裂压力增量迅速增长,随后曲线出现拐点(7.5%),此时较清水压裂的破裂压力增量分别为1.05、1.19、4.05和6.43 MPa,增幅达17.30%～93.46%,之后趋于稳定(图7)。说明增大质量分数有助于提高岩心的破裂压力增量;但转向剂质量分数大于最佳质量分数(7.5%)后,通过进一步增大质量分数提高破裂压力增量的效果不佳。

图8 转向剂单独作用下的破裂压力增量Fig.8 Increment of fracture pressure under single diverting agent

(3)相比于上浮转向剂,下沉转向剂作用下岩心的破裂压力增量更易受转向剂质量分数变化的影响(图7)。

2.3.2 施工排量对破裂压力(增量)影响

(1)由1#和4#岩心破裂压力可知,清水压裂的破裂压力在大排量时更大,主要是由于单位时间泵入裂缝的流体增加,裂缝内更易憋压;转向剂大排量压裂时(表1中9#～12#,17#～20#岩心),裂缝尖端更容易被转向颗粒填充从而形成致密的遮挡层,减少压裂液滤失,形成憋压,因此破裂压力及增量也增大(图7)。

(2)相比于上浮转向剂,下沉转向剂作用下的破裂压力增量更易受施工排量变化的影响(图7)。

(3)上浮转向剂在小排量时破裂压力增量最大为1.13 MPa(增幅21.65%),在大排量时为1.28 MPa(增幅18.60%);下沉转向剂在小排量时破裂压力增量为4.22 MPa(增幅80.84%),在大排量时为6.89 MPa(增幅100.15%)。

2.4 上浮与下沉转向剂共同作用对破裂压力影响

将最佳质量分数(7.5%)的上浮与下沉转向剂混合,分别在小排量和大排量下进行全缝压裂试验。如表1中21#和22#岩心、图5及图9所示,当上浮与下沉转向剂共同作用时,原有裂缝上下尖端均被转向颗粒填充钝化,抑制了裂缝沿高度方向的扩展,破裂压力提高更为明显,分别达到17.46和26.83 MPa,为同条件清水压裂(5.22和6.88 MPa)的3.34和3.90倍,为上浮或下沉转向剂在单独作用时最佳质量分数破裂压力的1.88～3.32倍。

图9 破裂压力对比Fig.9 Fracture pressure

2.5 转向剂对裂缝扩展效果影响

压裂曲线的变化可反映裂缝起裂与扩展的过程。分析清水压裂曲线可知,岩心开裂前,压力随排量增大而迅速增大,达到峰值后快速下降,随即压裂结束(图5(a),(b)),说明岩心沿人工裂缝继续开裂形成明显主缝,清水沿主缝迅速滤失,造缝能力受限,裂缝形式单一。分析转向剂作用下的压裂曲线可知,由于转向剂封堵裂缝尖端形成憋压,压力随之上升,当裂缝被压开后,压力迅速下降,但随着转向剂继续泵入,压裂曲线呈锯齿状频繁波动,出现多个峰值点(图5),说明转向剂提高了流体的造缝能力,岩心在人工裂缝内继续扩展或在微裂隙处产生新缝,裂缝形式复杂,压裂效果得到显著改善。

3 讨 论

(1)增大转向剂质量分数与施工排量可改善压裂效果。分析其机制,一方面由于单位时间泵入的转向剂增多,填充在裂缝尖端的遮挡层更加致密;另一方面由于转向剂聚集,增大与压裂液的密度差,加速其上浮或沉降,从而阻止压裂液滤失,增大了阻抗值,人为增大隔层与产层之间的应力差。

(2)对于滤失能力较强的储层,压裂液更易滤失,增大转向剂质量分数或施工排量有助于改善压裂效果并缩短压裂时间。

(3)压裂液需通过其“有效黏度”将转向剂携带至指定位置,当黏度过小或过大时,转向剂的堆积过早或过晚,不易充分发挥其封堵能力,此时增大转向剂质量分数或施工排量难以达到预期压裂效果。

4 结 论

(1)岩心在清水压裂条件下,由于滤失作用,破裂压力约为围压与其原有裂缝扩展所需应力之和,且与围压呈近似一次函数关系。

(2)提高转向剂的质量分数可改善封堵效果,提高破裂压力。当转向剂质量分数小于7.5%时,随着质量分数的不断增大,岩心的破裂压力迅速增大;质量分数大于7.5%以后,通过进一步增大质量分数来提高破裂压力的效果不佳。考虑经济性要求,施工时该转向剂质量分数可取7.5%。

(3)转向剂质量分数一定时,增大施工排量可使得裂缝尖端更容易被转向剂填充,形成致密的人工遮挡,阻碍压裂液滤失,从而提高破裂压力,尤其对于高渗储层有更明显的效果。

(4)下沉转向剂作用下,岩心的破裂压力受转向剂质量分数和施工排量的影响更加明显。

(5)上浮与下沉转向剂共同作用时,可更充分地钝化裂缝尖端,且随施工排量的增大破裂压力明显提高,可达单独作用时的1.88～3.32倍。

(6)岩心开裂效果与压裂液的组成有直接关系。转向剂压裂较清水压裂更易形成复杂裂缝,从而改善压裂效果。