水力裂縫的壓開(kāi)并保持開(kāi)啟狀態(tài)要靠壓力。壓力由泵送液體所傳輸，因此，隨著泵排量的增加，壓力也增加。在這個(gè)過(guò)程中，壓力被傳導(dǎo)至井筒周圍的巖石上。如果泵排量持續(xù)增加，壓力也會(huì)隨之增加。最終將到達(dá)一個(gè)壓力極限，在這個(gè)極限點(diǎn)，巖石會(huì)因承受不住施加在其上面的壓力而裂開(kāi)。
在長(zhǎng)的射孔井段或斜井中，只要是流體所產(chǎn)生的壓力梯度超過(guò)壓裂梯度，就會(huì)導(dǎo)致新裂縫的產(chǎn)生或使天然裂縫重新開(kāi)啟，因?yàn)槿魏蔚胤蕉伎赡墚a(chǎn)生裂縫。一般來(lái)說(shuō)，巖石會(huì)在其最薄弱的地方斷裂，因此裂縫會(huì)在那里產(chǎn)生。但是，如果壓力持續(xù)增加，就會(huì)因井筒附近壓力的變化而產(chǎn)生更多的裂縫。之后，裂縫將根據(jù)地層的應(yīng)力方向而向其自然方向所沿伸。每一個(gè)所射的孔都可能是裂縫開(kāi)啟的所在地。有一些裂縫很小，但有些大到足以攜帶很大一部分的工作液。
盡管在井筒周圍產(chǎn)生了人工應(yīng)力環(huán)境，但是水力壓裂常常只會(huì)產(chǎn)生少數(shù)幾條大裂縫。因?yàn)榱芽p面周圍壓力不斷增大，各個(gè)小裂縫一般難以結(jié)合到一起。裂縫面周圍的應(yīng)力結(jié)構(gòu)使得裂縫之間互相排斥。但是，因?yàn)橛芯布翱籽壑車膹?fù)合應(yīng)力，裂縫可能會(huì)在某點(diǎn)結(jié)合，它們通過(guò)狹窄的小徑相連，有時(shí)會(huì)有伸向主要大裂縫的彎道。因此，處理液必須通過(guò)含有許多細(xì)小裂縫的區(qū)域，然后流入具有少數(shù)大裂縫的區(qū)域。在流經(jīng)這一通道的過(guò)程中，流體必須通過(guò)一系列迂回曲折、狹窄的裂縫(曲折通道)。這種迂回曲折會(huì)產(chǎn)生很大的壓力損失，導(dǎo)致所壓開(kāi)的裂縫規(guī)模比預(yù)期的要小，或者導(dǎo)致早期砂堵。這種砂堵可能是因曲折所直接導(dǎo)致，因?yàn)閹r石中的通道不夠?qū)挘蝿┩ú贿^(guò)而聚集在一起而搭起橋來(lái)，進(jìn)一步阻止后面的支撐劑通過(guò)。
水力壓裂中的曲折“玄機(jī)”
曲折度 曲折度表現(xiàn)為井筒區(qū)域附近的壓降。射孔質(zhì)量差或水泥隔離也會(huì)導(dǎo)致井筒附近壓力的損失。重要的是，壓力損失是真實(shí)存在的，并且占據(jù)實(shí)測(cè)凈壓力——所用來(lái)傳遞裂縫的可用總凈能量的很大份額。裂縫表面的壓力是由其內(nèi)部的壓力所驅(qū)動(dòng)的。因此，由曲折度所導(dǎo)致的壓力損失會(huì)增加井底施工壓力，因而增加地面壓力。地面觀測(cè)者可能會(huì)得到一個(gè)假象，那就是：凈壓力比主裂縫中的實(shí)際值要高，特別是當(dāng)井底施工壓力是由地面測(cè)量而計(jì)算出，而不是在井底直接測(cè)量時(shí)。
識(shí)別曲折度 識(shí)別曲折度的最常用的方法是跳臺(tái)法測(cè)試。這種技術(shù)能夠識(shí)別出與射孔孔眼摩擦或裂縫摩擦有關(guān)的井筒附近的問(wèn)題，這些摩擦是由于井筒附近區(qū)域的有限寬度所致。如果我們能夠在主要處理措施實(shí)施之前檢測(cè)出曲折度，那么彎曲問(wèn)題有時(shí)可以通過(guò)泵入支撐劑段塞，或粘性液段塞而得到解決。在某些極端情況下，由于措施壓力上的限制以及操作窗口過(guò)于狹窄，無(wú)法應(yīng)用這些方法。
傳統(tǒng)處理方法 曲折度可以通過(guò)改變射孔方案以減少射孔的長(zhǎng)度、改變其分布、定位及定相，或通過(guò)聚集射孔而得到緩解。其它技術(shù)包括采用粘性液、提高泵排量以開(kāi)啟裂縫;使用噴砂射孔、泵入支撐劑段塞(在主要處理措施的分析階段)以及泵入鹽酸(HCl))或有機(jī)酸前置液。每一項(xiàng)技術(shù)都可能有一個(gè)成功度或成功概率問(wèn)題，但是，在大多數(shù)情況下，在應(yīng)用了上述的一項(xiàng)或多項(xiàng)補(bǔ)救措施后，彎曲問(wèn)題仍然存在。
在巴西東北部的一個(gè)案例中，對(duì)上述所提到的所有可用方法都進(jìn)行了嘗試，但是還是沒(méi)有解決彎曲問(wèn)題。最后提出了對(duì)砂巖地層應(yīng)用無(wú)酸預(yù)沖洗或后沖洗的單步酸化技術(shù)。
銨膦酸鹽和氟化氫(SAS)概述
膦酸與氟化氫銨的混合物產(chǎn)生一種銨膦酸鹽和氟化氫，以下簡(jiǎn)稱SAS酸。這種酸有5個(gè)氫原子，在不同化學(xué)計(jì)量條件下，它們將游離開(kāi)來(lái)。
SAS酸的Ph值較高，大約為2，具有很多其它有益屬性。無(wú)需使用酸性前置液或用酸進(jìn)行后沖洗。在有酸存在的情況下，碳酸鹽礦物會(huì)溶解并釋放鈣離子，鈣離子反過(guò)來(lái)與氟離子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不溶解的氟化鈣，這種物質(zhì)能迅速沉淀，是造成油層損害的一個(gè)潛在來(lái)源。因此，使用土酸對(duì)砂巖油層進(jìn)行基巖處理時(shí),都要首先使用前置液進(jìn)行預(yù)沖洗，以便溶解碳酸鹽，前置液一般為鹽酸或其它非氟酸。將足夠多的前置液泵入油層，理論上這些前置液可以將距井筒2～3英尺范圍內(nèi)的所有碳酸鹽清除掉，以降低在主要處理階段氫氟酸(HF)接觸到任何碳酸鹽礦物的風(fēng)險(xiǎn)。
活性非常強(qiáng)的前置液可以通過(guò)溶解碳酸鹽以打開(kāi)通過(guò)巖石的優(yōu)先流動(dòng)路徑，并有可能繞過(guò)其它被破壞區(qū)域。既而，主要?dú)浞崽幚磉^(guò)程可以按照相同的流通路徑進(jìn)行，可能不必接觸能夠產(chǎn)生堵塞的粘土及其它硅酸鹽礦物質(zhì)。這些處理過(guò)程非常復(fù)雜，涉及到許多重復(fù)的預(yù)沖洗步驟、主要?dú)浞崽幚黼A段、后置液以及轉(zhuǎn)向劑，很難確保酸能夠在正確的階段進(jìn)入到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，并遇上合適的礦物質(zhì)。因此，這種酸處理的結(jié)果可能是區(qū)域分布不均、傷害處理不佳、甚至?xí)捎谒崤c巖石的不相容而對(duì)油層產(chǎn)生意外傷害，并最終造成增產(chǎn)效果不好。
應(yīng)用SAS酸則避免了這一問(wèn)題的產(chǎn)生并改變了酸化技術(shù)。膦酸的組成部分是一個(gè)有效的鈣離子螯合劑，它將防止隨后氟化鈣沉淀的形成。另外，SAS酸是高Ph 值的緩沖酸溶液，而其它酸的Ph值則非常低。由于其Ph值高，SAS酸與碳酸鈣反應(yīng)較慢(與傳統(tǒng)方式所應(yīng)用的酸相比)，因此，它更不容易釋放導(dǎo)致氟化鈣沉淀形成的鈣離子。這樣以來(lái)，使用SAS酸，就有可能省去了前置液的使用，并將與儲(chǔ)集巖層產(chǎn)生有害反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低至最小水平。這種方法大大簡(jiǎn)化了砂巖儲(chǔ)層的基巖酸化步驟，省去了按照精心安排的順序泵入多種液體的必要。
鐵在油田中普遍存在。當(dāng)泵入氫氟酸時(shí)，因?yàn)樾纬闪丝扇芙獾姆哞F酸復(fù)合物，因此，鐵并不一定會(huì)構(gòu)成問(wèn)題;但是當(dāng)泵入作為常用前置液的HCl時(shí)，它可是個(gè)大問(wèn)題。最好是在對(duì)油層進(jìn)行任何酸處理措施之前，將油井管材用適當(dāng)?shù)某P劑(例如稀酸)進(jìn)行浸泡處理，將管柱的成份改變。即使是使用已被稀酸浸泡過(guò)的管材，在每升礦物酸前置液中的鐵含量也會(huì)高達(dá)數(shù)千毫克，因而需要使用高含量的鐵控制劑而防止沉淀。在單個(gè)階段上用SAS進(jìn)行處理可以省去使用礦物酸前置液的必要性，如此以來(lái)，大大降低了鐵溶解以及之后的沉淀問(wèn)題。
典型例證：預(yù)處理
在巴西東北部，在進(jìn)行一項(xiàng)兩口井多級(jí)工程時(shí)，遇到了嚴(yán)重的彎曲問(wèn)題。在第一口井上，在進(jìn)行SAS酸試驗(yàn)前，應(yīng)用了很多技術(shù)以處理彎曲問(wèn)題，這些技術(shù)包括支撐劑段塞、粘性液、補(bǔ)孔以及噴砂技術(shù)。但是，所有處理措施都沒(méi)能奏效。進(jìn)行SAS酸處理時(shí)，先要注入一塊隔離片，它主要由3%的氯化銨溶液組成，之后加入 120bbl的濃度為5%的SAS，緊接著是另外一塊含3%氯化銨溶液的隔離片。之后用2%的氯化鉀替代到孔的頂部，關(guān)井一小時(shí)，然后再進(jìn)行10個(gè)階段的替代，每個(gè)階段使用12桶KCl，相鄰兩個(gè)階段間關(guān)井一小時(shí)。
在每一次將酸泵入地層之前，都要進(jìn)行一次超過(guò)壓裂梯度的注入井吸入能力測(cè)試，以便評(píng)價(jià)每次酸注入前后的吸入能力。在SAS措施完成后，還要進(jìn)行另外一次注入井吸入能力測(cè)試，隨之進(jìn)行降壓測(cè)試以測(cè)定所取得的效果。經(jīng)過(guò)SAS處理，對(duì)于相同的注入速度，壓力降有了顯著改善：注入速度為12bbl/min時(shí)，壓降減少700psi;注入速度為16 bbl/min時(shí)，壓降減少600psi。
這是一塊孔隙度低、楊氏模量高、壓裂梯度高的特低滲透油氣藏。在第一口井上每個(gè)階段所觀測(cè)到的泵送壓力都很高。在第一次注入井吸入能力測(cè)試后，工作人員意識(shí)到按照設(shè)計(jì)進(jìn)行壓裂增產(chǎn)措施幾乎是不可能的，這是因?yàn)榫趬毫σ蟾撸⑶揖诩熬斫Y(jié)構(gòu)有一定的限制。盡管已經(jīng)有了一個(gè)執(zhí)行工作的計(jì)劃，該計(jì)劃要求最低泵排量為20bbl/min，但是在壓力為12,100psi時(shí)，所能達(dá)到的最大泵排量不超過(guò)15.6bbl/min。井口所允許的最高壓力為 12,500psi。經(jīng)過(guò)SAS處理，觀測(cè)到了顯著的壓降，使得泵排量能夠升到設(shè)計(jì)水平，同時(shí)又能使壓力保持在SAS處理前的水平。
實(shí)驗(yàn)證明，在壓裂條件下，SAS方法能夠有效的處理曲折問(wèn)題，并能大大降低處理壓力。在應(yīng)用了SAS預(yù)處理技術(shù)后，壓裂措施22個(gè)階段中，有21個(gè)階段壓力有了很大改善。在本文所研究的油井中，其油層礦物學(xué)未檢測(cè)到任何問(wèn)題。SAS預(yù)處理技術(shù)是一種很有應(yīng)用前景的方法，它能夠改善致密油氣藏或非常規(guī)氣藏水力壓裂中的彎曲問(wèn)題。原文作者為《JPT》高級(jí)技術(shù)編輯Dennis Denney。
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