一种提高多薄层纵向改造程度的压裂方法及其应用与流程

1.本发明属于油气田开发增产领域，具体涉及一种提高多薄层纵向改造程度的压裂方法及其应用。


背景技术：

2.随着低渗透油田进入开发中后期，开发层系也从初期的大厚层、厚层逐渐过渡到薄层、多薄层。该类多薄层储层具有厚度小、层数多、隔层薄、跨度较大等特点，难以满足机械封隔分层压裂所需的储层条件和井筒条件，如果采用机械封隔还有可能因压裂时缝高失控而造成支撑剂的串层，最终导致支撑剂进入油套环空和封隔器位置处，造成井下作业事故。如果对每个小层单独进行压裂作业，则作业周期长，成本高，纵向动用程度低，导致储量难以控制，产量难以提高，成为制约该类储层的主要因素。
3.目前该类储层往往采用前置液投球压裂技术或者压后采用投球封堵技术进行分层。具体的，中国专利公开文献cn103470240a公开了一种分簇射孔与前置投球相结合的水力压裂方法，属于前置液投球压裂技术，其通过前置液投球封堵先压开地层，然后继续注入前置液压开较高应力储层，然后再投球封堵后注入前置液压裂第三层，以此类推压开所有地层。前置液结束后停泵使得封堵球从封堵炮眼掉落井底。在必要的时候可以打开放喷闸门排液2-3方，保证所有封堵球掉落。继续开泵向所有地层内注入携砂液完成整个压裂施工。该方法可以有效提高前置液阶段储层的压开程度，但是携砂液阶段仍然为笼统注入，难以保证所有已压开地层都进入携砂液，因此难以保证前置液阶段压开裂缝的导流能力，进而影响到压后的产量。
4.中国专利公开文献cn107605449a公开了一种用于非均质储层的投球暂堵分层压裂方法，属于压后投球分层压裂技术，其根据储层起裂顺序将储层编号，并且判断是否需要封隔器等机械封隔方式辅助；首先对第一层压裂，压裂结束后投入计算后的球封堵射孔孔眼，使得液体进入下一目的层。以此类推完成所有层系的压裂施工。该方法压裂结束后进行封堵导致对支撑剂过顶替，使得裂缝口处的支撑剂铺置显著降低甚至裂缝闭合，影响了产量；无射孔数量控制，射孔数量过多是则需要桥塞或者封隔器辅助，增加了作业时间和井筒内复杂程度，增加了作业风险；投球方式为间歇式投球2-4s，使得整个投球时间过长，先到达的球封堵部分孔眼后孔眼部分摩阻增加，进而液流转向，有可能封堵到了其它层段。
5.但是上述专利仅限于前置液阶段投球和压裂结束后投球分层压裂，未见到在压裂施工顶替液阶段投球进行的多薄层的改造技术的专利及文献。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种提高多薄层纵向改造程度的压裂方法及其应用，在降低过顶替的同时投球封堵已经压开层段，从而实现多个薄储层的分层压裂，从而将纵向上多个薄储层一次有效动用。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的第一个方面，提供了一种提高多薄层纵向改造程度的压裂方法，所述方法利用多薄层中的各个压裂目的层段的破裂压力值，对压裂目的层段进行排序，并优化各个压裂目的层段的射孔数量、封堵球数量和封堵球直径，进而按照破裂压力值从小到大的顺序，利用一次压裂施工作业依次压裂各个压裂目的层段。
9.本发明的进一步改进在于：
10.所述方法包括：
11.第一步：获取多薄层中各个压裂目的层段的破裂压力值，并根据破裂压力值将压裂目的层段进行排序；
12.第二步：根据破裂压力值优化射孔数量；
13.第三步：根据射孔数量优化投球数量；
14.第四步：确定封堵球的直径；
15.第五步：注入前置液和注入携砂液；
16.第六步：交联液顶替液注入、基液顶替注入和投球顶替；
17.第七步：重复第五步到第六步，完成各个压裂目的层段的压裂施工；
18.第八步：施工结束。
19.本发明的进一步改进在于：
20.所述第一步中的根据破裂压力值将压裂目的层段进行排序的操作包括：
21.多薄层的总压裂层数为m；
22.根据破裂压力值从低到高将各个压裂目的层段从1～m进行排序，第1层的破裂压力值最低，第m层的破裂压力值最高。
23.本发明的进一步改进在于：
24.所述第二步的操作包括：
25.利用下式获得第1层的射孔数量：
[0026][0027]
其中，q为排量，ρ为液体密度，cd为孔眼流量系数，d为孔眼直径，n
p(i)
为第i层的射孔数量；
[0028]
第2层的孔眼数量比第1层的孔眼数量少25-30％，第3层的孔眼数量比第2层的孔眼数量少25-30％，依此类推。
[0029]
本发明的进一步改进在于：
[0030]
所述第二步的操作包括：
[0031]
利用下式获得第1层的射孔数量：
[0032][0033]
利用下式获得第2层的射孔数量：
[0034]
[0035]
利用下式获得第3层的射孔数量：
[0036][0037]
其中，δp
ef(2)
＝δp
ef(1)
+3
[0038]
δp
ef(3)
＝δp
ef(2)
+3
[0039]
依此类推，获得其它各层的射孔数量。
[0040]
其中，δp
ef
为孔眼摩阻，q为排量，ρ为液体密度，cd为孔眼流量系数，d为孔眼直径，n
p(i)
为第i层的射孔数量。
[0041]
本发明的进一步改进在于：
[0042]
所述cd的取值范围为0.80-0.85。
[0043]
本发明的进一步改进在于：
[0044]
所述第三步的操作包括：
[0045]
利用下式获得每层的投球数量：
[0046]
ni＝αn
p(i)
，(i＝1，2，3...，m-1)
[0047]
式中，ni为第i层的投球数量，α为封堵球封堵系数。
[0048]
本发明的进一步改进在于：
[0049]
所述堵球封堵系数α的取值范围为：1.1～1.2。
[0050]
所述第四步的操作包括：
[0051]
利用下式计算获得封堵球的直径：
[0052]dp
≥βd
[0053]
其中，d
p
为封堵球直径；
[0054]
β为封堵球选择系数，当射孔时采用的是大孔径射孔弹时，β取值为1.2，当射孔时采用的是普通射孔弹时，β取值为1.3。
[0055]
本发明的进一步改进在于：
[0056]
所述第六步中的所述交联液顶替液注入的操作包括：
[0057]
加砂完成后，停止加砂，不停止交联，继续顶替正常交联液0.5m3，继续加入破胶剂。
[0058]
本发明的进一步改进在于：
[0059]
所述第六步中的所述基液顶替注入的操作包括：
[0060]
降低排量至1～1.5m3/min，停止交联，开始泵注基液。
[0061]
所述第六步中的所述投球顶替的操作包括：
[0062]
利用井口投球器投入封堵球，所有封堵球在30秒内投入完毕；
[0063]
投球完毕后恢复至顶替排量继续顶替vc，vc为从混砂车到压裂目的层段中部的井筒加上管汇的总容积量。
[0064]
所述第六步进一步包括：
[0065]
如果所有封堵球到达后，井口压力明显上升，则进入第七步对下一个压裂目的层段进行压裂；如果压力没有变化，则继续泵入顶替液，直至井口压力明显上升时进入第七步对下一个压裂目的层段进行压裂；如果继续泵入顶替液的量达到井筒容积的10％，不管井
口压力是否有变化均进入第七步对下一个压裂目的层段进行压裂。
[0066]
本发明的第二个方面，提供了一种提高多薄层纵向改造程度的压裂方法在油气田开发中的应用。
[0067]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0068]
本发明利用地层破裂压力差异和射孔数量控制，通过准确计算顶替过程中的顶替时间，在降低过顶替的同时投球封堵已经压开层段，从而实现多个薄储层的分层压裂，从而将纵向上多个薄储层一次有效动用，克服了该类储层以往压裂机械方式难以封隔，多个储层压开难度大，薄层储量难以有效动用的难题。
附图说明
[0069]
图1本发明方法的步骤框图。
具体实施方式
[0070]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0071]
本发明提供了一种多薄层的多层压裂改造工艺方法，适用于低渗透油气藏中具有多薄层储层的压裂改造，可以有效提高多薄层纵向上多个薄层的动用程度，从而增加储量、产量。
[0072]
本发明针对低渗透油藏多薄层储层难以利用机械封隔压裂改造的难点，通过精确计算各薄储层(即压裂目的层段)破裂压力、优化射孔数量和每层压裂施工排量，优选封堵球数量和封堵球规格，在压裂施工泵注顶替液阶段末期根据计算结果进行快速投球，在顶替液刚顶替完时所有封堵球到位封堵射孔孔眼，迫使流体转入第二层段并开始压裂施工作业，按照设计完成前置液、携砂液泵注后，在顶替液阶段按照计算量再次进行投球封堵第二层。重复上述步骤完成第三层的压裂施工。压裂施工结束后正常停泵关井测压降后开始放喷，放喷时封堵球随着返排液一同返排到地面。最终完成多薄层的压裂施工作业。
[0073]
本发明方法的实施例如下：
[0074]
【实施例一】
[0075]
如图1所示，本发明方法包括：
[0076]
第一步：获取多薄层中各个压裂目的层段的破裂压力值，并根据破裂压力值将压裂目的层段进行排序；
[0077]
采用现有技术可获得破裂压力值，一般采用两种方式获得各个薄层的破裂压力值，分别如下：
[0078]
(1)对于新的地层或者新的区块，地层破裂压力值有成熟理论公式，在石油工程教材中就可以查到，比如“黄荣樽法”；
[0079]
(2)在压裂井比较多的区域，通过以往压裂井的统计数据回归出破裂压力梯度，然后与井深度相乘即可得到破裂压力值。
[0080]
多薄层的总压裂层数为m，根据破裂压力值从低到高将各个压裂目的层段从1～m进行排序，第1层的破裂压力值最低，第m层的破裂压力值最高，在该序列中相邻的两层在实际地层中并不一定是相邻的两层。
[0081]
第二步：根据破裂压力值优化射孔数量：
[0082]
每个压裂目的层段的射孔数量遵循的原则为从破裂压力值由低到高逐渐减小，目的是通过孔眼节流压差控制进入液量，每层节流压差相差2-3mpa，射孔孔眼数量根据该压差值相应减少。下面公式中为便于计算，选择节流压差为3mpa。
[0083]
根据最低破裂压力值对应得射孔层位的孔眼总摩阻小于0.5mpa来确定该层的射孔数量，此处为计算方便选择最低孔眼摩阻值为0.5mpa，即可以将最低破裂压力值层段因孔眼产生的摩阻足够小到忽略。
[0084]
射孔数量需要通过注入排量、孔眼摩阻等优化得到。在某一排量下的有效孔眼总摩阻(节流压差)最大不超过8mpa。当节流摩阻超过8mpa，通过调整排量或者增加射孔数量等方法进行调整。某一排量下的射孔孔眼的节流压差通过已有的孔眼摩阻计算公式得到。
[0085]
射孔数量计算公式如下：
[0086][0087]
第1层的射孔数确定标准如下：
[0088][0089]
上式中第1层中孔眼摩阻取0.5mpa，变换上式，得到第1层的射孔数量：
[0090][0091]
破裂压力值最低的层段采用上述公式计算孔眼数量，后续层在上述基础上按照25-30％的比例减小即可，即第二层的孔眼数量比第一层少25-30％，第三层比第二层少25-30％，依此类推。
[0092]
也可以利用下面的公式计算获得各层的射孔数量：
[0093]
利用下式获得第2层的射孔数量：
[0094][0095]
利用下式获得第3层的射孔数量：
[0096][0097]
δp
ef(2)
＝δp
ef(1)
+3
[0098]
δp
ef(3)
＝δp
ef(2)
+3
[0099]
依此类推，可以获得其它各层的射孔数量。
[0100]
式中：δp
ef
为孔眼摩阻，mpa，q为排量m3/min；ρ为液体密度kg/m3；n
p
为射孔数量；cd为孔眼流量系数，取0.80-0.85；d为孔眼直径，mm；n
p(i)
：第i层的射孔数量。一般一次射孔都会采用相同规格的射孔枪，所以其射孔孔眼的直径等参数也相同。
[0101]
利用破裂压力大小差异结合每个层射孔孔眼节流压差进一步保证了各个层之间
的进液量及压开顺序。破裂压力值低的目的层段先压开，因为破裂压力低且射孔数量较多，因此同一排量和压力下进液较多，所以先压开。例如，第一层，由于破裂压力从低到高，射孔数量从多到少，破裂压力值越高，射孔数量越少，此时造成的节流压差迫使流体转向进入第一层，等第1层压裂目的层段压开以后，投入封堵球，因为第一层进入液量大，所以封堵球首先进入该层射孔孔眼封堵；此后提高排量，第一层由于被封堵，所以液体被迫转向进入第二层，但又没有达到第三层的破裂压力，所以仅压开第二层。依次类推完成多层的压裂。
[0102]
第三步：确定各层投球的数量及投球顺序
[0103]
根据先后压开地层顺序确定每层投球数量：
[0104]
ni＝αn
p(i)
，(i＝1，2，3...，m-1)
[0105]
式中，ni为第i层所需投球的数量，α为封堵球封堵系数，取值在1.1～1.2之间，如果破裂压力值序列中的相邻两层破裂压力值的差值较小(如果破裂压力差值小于等于上述节流压差(2～3mpa)就判定为“差异较小”，如果破裂压力值得差值大于上述节流压差，则判定为“差异较大”，该节流压差大小是根据地层破裂压力差异值确定的)，则α取1.2，如果破裂压力差异较大，则α取1.1。当计算得到的ni为小数时，向下取整，比如计算结果是2.8，则取值2。最后一层压裂开后不再需要投入封堵球了，因此，i取值为1到m-1。
[0106]
第四步：确定封堵投球大小(直径)。为了保证封堵球能够有效封堵住射孔孔眼，又不容易在孔眼处卡死，封堵球直径大小依据以以下公式计算为：
[0107]dp
≥βd
[0108]
式中，d
p
为选择的封堵球直径，mm。β为封堵球选择系数，当射孔时采用的是大孔径射孔弹时，β取1.2，当射孔时采用的是普通射孔弹时，β取1.3。
[0109]
如果射孔孔眼大，封堵球小，则封堵球容易穿过孔眼，如果封堵球太大，由于此封堵是靠压差将封堵球堵在孔眼上，因此如果封堵球直径太大，容易掉落。一旦射孔参数d固定，则该封堵球在每层的参数都是一样。
[0110]
第五步：压裂施工：注入前置液和注入携砂液，根据压裂施工方案利用低粘度弹性压裂液进行压裂，该液体体系具有高携砂能力，较低表观粘度特性，在保证携砂的基础上控制裂缝高度。此步骤为现有常规工艺，在此不再赘述。
[0111]
第六步：压裂施工：交联液顶替液注入、基液顶替注入和投球顶替
[0112]
所述交联液顶替液注入的操作包括：设计砂量加砂完成后停止加砂(携砂液注入完毕后要注入顶替液，顶替液阶段是投球暂堵过程，常规技术，在此不再赘述。)，不停止交联，继续顶替正常交联液0.5m3，继续加入破胶剂；
[0113]
所述基液顶替注入的操作包括：降低排量至1～1.5m3/min，停止交联，开始泵注基液；
[0114]
所述投球顶替的操作包括：利用井口投球器投入封堵球，所有封堵球需在30秒内投入完毕，投球完毕后恢复至顶替排量继续顶替vc，vc为从混砂车到压裂目的层段中部的井筒加上管汇的总容积量，m3(泵注的液体在混砂车开始精确计量，在泵注时，液体从混砂车出来后通过地面管线进入井筒中再到达压力目的层段的中部，因此计算容积时需要将地面的容积和井筒容积相加，取压裂目的层段的中部就是取第i射孔段的中部)。
[0115]
常规工艺中顶替阶段不需要降排量，且全程采用不交联的基液，本发明中在顶替阶段顶入0.5m3交联液，然后降低排量，再投球，然后利用不交联基液顶替。这样，通过前期
采用交联液体保证了井筒中上一个阶段的携砂液被全部顶替干净，后续采用降排量措施保证了所有的投球相对集中，而不会过于分散进而降低封堵效果。
[0116]
计算最后球全部到达射孔位置的时间(常规算法，简介如下：时间t＝到射孔孔眼中部的井筒容积/(排量
×
时间))，如果球到达后(从全部球投入井筒开始计算液体泵注量，直到该液体泵注量达到射孔段中部的容积，以此推算球到达射孔层段，此时因为部分孔眼被封堵，产生节流压差，井口压力上升)井口压力明显上升(一般如果压力上升＞1mpa，则判定为明显上升)，判定封堵球封堵有效，则转入下一层段压裂施工工序；如果压力没有变化，则继续泵入顶替液，直至井口压力明显上升时开始转入下一个层段压裂施工工序；继续泵入量达到井筒容积10％后不管井口压力是否有变化则开始转入下一层段压裂施工工序(此时无法判断是否封堵成功，因施工开始后无法停止，因此，持续施工)。
[0117]
第七步：顶替(投球)(投球必须在顶替阶段进行，也就是封堵球随着顶替液进入)结束后继续按照第二层压裂施工方案进行施工，即返回第五步，并重复第五步、第六步，完成第二层压裂施工后投球封堵，然后重复第五步和第六步进行第三层施工，直至所有压裂目的层段的压裂施工结束。
[0118]
第八步：施工结束后关井30～60min，然后控制油嘴放喷，封堵球自然掉落至井底，常规工艺，在此不再赘述。
[0119]
本发明的关键点：
[0120]
(1)储层破裂压力差异特征和射孔孔眼数量控制相结合提高了投球封堵效率进而确保了多个薄层先后压开顺序。
[0121]
(2)在顶替液阶段计算好投入球的时机(射孔层位固定后，则井筒容积固定，该投球时机根据顶替时间计算，而顶替时间根据排量、注入井筒容积计算获得，均为现有算法，在此不再赘述。)，保证投球既能封堵压开射孔孔眼又不产生过顶替。
[0122]
(3)利用一次压裂施工作业将多个薄储层压开(此处一次压裂施工作业是指设备连续运转不停工，占用一次井场，一次射孔三层，不用再动用作业管柱条件下三层都压开。如果三层分压，则每层压完后需要停泵，重新动井口，重新射孔，
……
，这样三次作业，所以本发明方法一次施工就可以压开三层)，提高了多薄层储层纵向动用程度。
[0123]
应用本发明方法的实施例如下：
[0124]
【实施例二】
[0125]
以某井为例，具体实施步骤如下：
[0126]
(1)确定目标井层，收集储层基础资料，包括地质、油藏、钻完井以及储层岩石力学参数，确定已有资料，补充相关所需实验及解释资料。
[0127]
(2)解释地应力剖面，计算储层破裂压力值，根据破裂压力值从低到高将各个压裂目的层段从1～m排序。本实施例中一共有三层目的层段，即m取3。
[0128]
(3)根据储层破裂压力值优化射孔数量，每层段的射孔数量遵循的原则为从破裂压力值由低到高逐渐减小，目的是通过孔眼节流压差控制进入液量，每层节流压差相差2-3mpa，为计算方便此处层与层之间的节流压差选择3mpa：
[0129][0130]
式中：n
p
是射孔数量，δp
ef
为孔眼摩阻，mpa；q为排量m3/min；ρ为液体密度kg/m3；cd为孔眼流量系数，取0.80-0.85；d为孔眼直径，mm。
[0131]
根据最低破裂压力值对应的射孔层位的孔眼总摩阻小于0.5mpa来确定该层的射孔数量，即第1层射孔数量。
[0132]
第i＝1层的射孔数量：
[0133]
δp
ef(1)
＝0.5
[0134][0135]
第i＝2层的射孔数量：
[0136][0137]
第i＝3层的射孔数量：
[0138][0139]
(4)在(3)的基础上根据如下计算公式确定各层投球数量：
[0140]
ni＝αn
p(i)
(i＝1，2，3...，m-1)m为总压裂层数
[0141]
式中，ni为第i压裂层所需投球的数量，α为封堵球封堵系数，取值在1.1～1.2之间，如果各层破裂压力差异较小α取1.2，如果破裂压力差异较大则α取1.1。因该井各小层之间破裂压力值较大，因此α取1.1。上式就变成了：
[0142]
ni＝1.1n
p(i)
(i＝1，2，3)
[0143]
(5)在(4)的基础上确定封堵投球的直径：
[0144]dp
≥βd，
[0145]
式中d
p
为选择的封堵球直径，m。β为封堵球选择系数，因该层为常规射孔弹，因此β取1.3。上式就变成了：
[0146]dp
≥1.3d
[0147]
(6)开展相关的压裂液评价及优选实验和模拟优化计算，最终确定压裂工作液体系、所需的液量、预测压裂施工参数等，结合(1)和(4)、(5)计算结果，最终形成多薄层压裂施工工艺方案，并以此为依据进行现场施工。
[0148]
(7)按照施工方案开始第1层压裂施工。携砂液末期完成第一层设计砂量后停止加砂，不停止交联，继续顶替正常交联液0.5m3，继续加入破胶剂；然后降低排量至1～1.5m3/min，停止交联，开始投入封堵球，所有封堵球需在30秒内投入完毕，投球完毕后恢复至顶替排量继续顶替vc，vc为从混砂车到压裂目的层段中部的井筒加上管汇的总容积量，单位m3。
[0149]
(8)根据计算得到的全部封堵球达射孔位置的时间，如果球到达后井口压力明显上升(＞1mpa)，判定封堵球封堵有效，则转入第2层段压裂施工工序；如果压力没有变化，则继续泵入顶替液，直至井口压力明显上升时开始转入第2层段压裂施工工序；继续泵入量达到井筒容积10％后不管井口压力是否有变化则开始转入下一层段压裂施工工序。
[0150]
(9)顶替(投球)结束后提升排量至第2层压裂施工方案所要求的排量，开始泵注第2层前置液。然后按照第二层压裂施工方案进行施工。在第2层压裂携砂液末期重复(7)和
(8)的步骤完成第2层的压裂施工方案。
[0151]
(10)重复上述(7)(8)(9)完成第3层的压裂施工。
[0152]
(11)完成第3层压裂加砂后开始顶替，直至将全部支撑剂进入地层。
[0153]
(12)停泵测压降30-60min，整个压裂施工结束。
[0154]
本发明通过计算多薄层储层纵向上地层破裂压力差异，控制每层段的射孔数量，从破裂压力值由低到高逐渐减小，孔眼数量减小比例依次为25-30％为宜；据此优选封堵球规格及封堵球数量；准确计算顶替过程中的暂堵球投入时机，每秒投入2-4个球，每层投球所需时间小于30s；通过井口压力和注入量判断封堵效果，以此类推压开多薄层储层纵向上的多个单一薄储层，最终实现一次压裂作业动用纵向多个博储层的目的。该方法克服了该类储层以往压裂机械方式难以封隔，多个储层压开难度大，薄层储量难以有效动用的难题。
[0155]
本发明适用于多薄层、薄互层的压裂改造。本发明通过控制压裂射孔数量，结合纵向多个层系的破裂压力差异，利用优化计算后的封堵球和压裂工艺，准确选择投球时机，将纵向上多个薄层在无法用机械分层的基础上进行分层压裂，有效提高了纵向上多个储层的动用程度。该压裂工艺方法对于类似多薄层、薄互层的压裂改造，国内类似储层分布很多，因此具有很高的推广应用前景。
[0156]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。