水力裂縫的壓開并保持開啟狀態(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。在這個過程中，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，壓力也會隨之增加。最終將到達一個壓力極限，在這個極限點，巖石會因承受不住施加在其上面的壓力而裂開。
在長的射孔井段或斜井中，只要是流體所產(chǎn)生的壓力梯度超過壓裂梯度，就會導(dǎo)致新裂縫的產(chǎn)生或使天然裂縫重新開啟，因為任何地方都可能產(chǎn)生裂縫。一般來說，巖石會在其最薄弱的地方斷裂，因此裂縫會在那里產(chǎn)生。但是，如果壓力持續(xù)增加，就會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。每一個所射的孔都可能是裂縫開啟的所在地。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產(chǎn)生少數(shù)幾條大裂縫。因為裂縫面周圍壓力不斷增大，各個小裂縫一般難以結(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，因為有井筒及孔眼周圍的復(fù)合應(yīng)力，裂縫可能會在某點結(jié)合，它們通過狹窄的小徑相連，有時會有伸向主要大裂縫的彎道。因此，處理液必須通過含有許多細小裂縫的區(qū)域，然后流入具有少數(shù)大裂縫的區(qū)域。在流經(jīng)這一通道的過程中，流體必須通過一系列迂回曲折、狹窄的裂縫(曲折通道)。這種迂回曲折會產(chǎn)生很大的壓力損失，導(dǎo)致所壓開的裂縫規(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，因為巖石中的通道不夠?qū)挘蝿┩ú贿^而聚集在一起而搭起橋來，進一步阻止后面的支撐劑通過。
水力壓裂中的曲折“玄機”
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導(dǎo)致井筒附近壓力的損失。重要的是，壓力損失是真實存在的，并且占據(jù)實測凈壓力——所用來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)動的。因此，由曲折度所導(dǎo)致的壓力損失會增加井底施工壓力，因而增加地面壓力。地面觀測者可能會得到一個假象，那就是：凈壓力比主裂縫中的實際值要高，特別是當井底施工壓力是由地面測量而計算出，而不是在井底直接測量時。
識別曲折度 識別曲折度的最常用的方法是跳臺法測試。這種技術(shù)能夠識別出與射孔孔眼摩擦或裂縫摩擦有關(guān)的井筒附近的問題，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施之前檢測出曲折度，那么彎曲問題有時可以通過泵入支撐劑段塞，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于狹窄，無法應(yīng)用這些方法。
傳統(tǒng)處理方法 曲折度可以通過改變射孔方案以減少射孔的長度、改變其分布、定位及定相，或通過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))或有機酸前置液。每一項技術(shù)都可能有一個成功度或成功概率問題，但是，在大多數(shù)情況下，在應(yīng)用了上述的一項或多項補救措施后，彎曲問題仍然存在。
在巴西東北部的一個案例中，對上述所提到的所有可用方法都進行了嘗試，但是還是沒有解決彎曲問題。最后提出了對砂巖地層應(yīng)用無酸預(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，以下簡稱SAS酸。這種酸有5個氫原子，在不同化學(xué)計量條件下，它們將游離開來。
SAS酸的Ph值較高，大約為2，具有很多其它有益屬性。無需使用酸性前置液或用酸進行后沖洗。在有酸存在的情況下，碳酸鹽礦物會溶解并釋放鈣離子，鈣離子反過來與氟離子發(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潛在來源。因此，使用土酸對砂巖油層進行基巖處理時,都要首先使用前置液進行預(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險。
活性非常強的前置液可以通過溶解碳酸鹽以打開通過巖石的優(yōu)先流動路徑，并有可能繞過其它被破壞區(qū)域。既而，主要氫氟酸處理過程可以按照相同的流通路徑進行，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)。這些處理過程非常復(fù)雜，涉及到許多重復(fù)的預(yù)沖洗步驟、主要氫氟酸處理階段、后置液以及轉(zhuǎn)向劑，很難確保酸能夠在正確的階段進入到適當?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、甚至會由于酸與巖石的不相容而對油層產(chǎn)生意外傷害，并最終造成增產(chǎn)效果不好。
應(yīng)用SAS酸則避免了這一問題的產(chǎn)生并改變了酸化技術(shù)。膦酸的組成部分是一個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，使用SAS酸，就有可能省去了前置液的使用，并將與儲集巖層產(chǎn)生有害反應(yīng)的風險降低至最小水平。這種方法大大簡化了砂巖儲層的基巖酸化步驟，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。當泵入氫氟酸時，因為形成了可溶解的氟高鐵酸復(fù)合物，因此，鐵并不一定會構(gòu)成問題;但是當泵入作為常用前置液的HCl時，它可是個大問題。最好是在對油層進行任何酸處理措施之前，將油井管材用適當?shù)某P劑(例如稀酸)進行浸泡處理，將管柱的成份改變。即使是使用已被稀酸浸泡過的管材，在每升礦物酸前置液中的鐵含量也會高達數(shù)千毫克，因而需要使用高含量的鐵控制劑而防止沉淀。在單個階段上用SAS進行處理可以省去使用礦物酸前置液的必要性，如此以來，大大降低了鐵溶解以及之后的沉淀問題。
典型例證：預(yù)處理
在巴西東北部，在進行一項兩口井多級工程時，遇到了嚴重的彎曲問題。在第一口井上，在進行SAS酸試驗前，應(yīng)用了很多技術(shù)以處理彎曲問題，這些技術(shù)包括支撐劑段塞、粘性液、補孔以及噴砂技術(shù)。但是，所有處理措施都沒能奏效。進行SAS酸處理時，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，然后再進行10個階段的替代，每個階段使用12桶KCl，相鄰兩個階段間關(guān)井一小時。
在每一次將酸泵入地層之前，都要進行一次超過壓裂梯度的注入井吸入能力測試，以便評價每次酸注入前后的吸入能力。在SAS措施完成后，還要進行另外一次注入井吸入能力測試，隨之進行降壓測試以測定所取得的效果。經(jīng)過SAS處理，對于相同的注入速度，壓力降有了顯著改善：注入速度為12bbl/min時，壓降減少700psi;注入速度為16 bbl/min時，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。在第一口井上每個階段所觀測到的泵送壓力都很高。在第一次注入井吸入能力測試后，工作人員意識到按照設(shè)計進行壓裂增產(chǎn)措施幾乎是不可能的，這是因為井口壓力要求高，并且井口及井身結(jié)構(gòu)有一定的限制。盡管已經(jīng)有了一個執(zhí)行工作的計劃，該計劃要求最低泵排量為20bbl/min，但是在壓力為12,100psi時，所能達到的最大泵排量不超過15.6bbl/min。井口所允許的最高壓力為 12,500psi。經(jīng)過SAS處理，觀測到了顯著的壓降，使得泵排量能夠升到設(shè)計水平，同時又能使壓力保持在SAS處理前的水平。
實驗證明，在壓裂條件下，SAS方法能夠有效的處理曲折問題，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個階段中，有21個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)未檢測到任何問題。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題。原文作者為《JPT》高級技術(shù)編輯Dennis Denney。
發(fā)布信息
