編譯:鄒一鋒 (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

審校:郭建春 (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

改進Appalachian盆地Utica頁巖水力壓裂方法的研究

編譯:鄒一鋒 (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

審校:郭建春 (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

應(yīng)用于Utica頁巖油藏的很多增產(chǎn)措施都告失敗,失敗的原因歸咎于幾個因素,包括信息組成、排驅(qū)壓力、過早的前置液濾失等。研究中首先統(tǒng)計油藏的地質(zhì)數(shù)據(jù),然后使用實驗室數(shù)據(jù)來描述Utica頁巖的巖石礦物成分和力學性質(zhì)。高百分比的酸溶性碳酸鹽和白云巖表明有必要進行低注入壓力下的酸化處理。因為存在天然裂縫,酸處理是直井和水平井的主要增產(chǎn)措施,也可在稠化酸或加砂壓裂之前進行酸壓,或者用交聯(lián)壓裂液處理。實驗結(jié)果顯示了黏土、潛在生成的細小硅化物和有機物、低溫生物活性、潛在垢的產(chǎn)生、注入流體返排等的影響。通過酸強度隨時間變化關(guān)系來說明酸的溶解性。列出了頁巖氣體壓裂、基質(zhì)酸化、加砂壓裂的導流能力數(shù)據(jù)。在可供選擇的添加劑組合和表面活性劑類型下,對吸附性以及所得的氣體相對滲透率進行比較,這將優(yōu)化流體返排和氣體相對滲透率。研究中獲得的信息可以用于優(yōu)化Appalachian盆地Utica頁巖油藏的壓裂措施。

水力壓裂 頁巖 酸化處理返排

1 儲集層特征

有關(guān)Utica頁巖孔隙度和滲透率的數(shù)據(jù)較少。然而,通過一家商業(yè)實驗室分析少數(shù)Utica頁巖樣品,表明了這些巖石的致密性。4個樣本的孔隙度范圍為 3.7%～6.0%,而滲透率的范圍為0.000 080～0.003 583 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。Utica頁巖的致密性可以通過電子掃描顯微圖像觀察到,偶爾有大顆粒的石英分布在黏土顆粒骨架上。

結(jié)合Utica頁巖樣品吸附等溫線分析和計算含氣飽和度,結(jié)果顯示在 Utica頁巖孔隙中大約有25%的氣體。

2 流體遴選標準

選擇獲取天然氣的方法是非常重要的,并且要考慮每種增產(chǎn)方法的成本。力學性能表明水平井可能是一個可行的選擇。不管鉆的是直井還是接近直井,都有多種增產(chǎn)方法可供選擇,每種增產(chǎn)方法都要根據(jù)礦物成分來選擇流體和添加劑類型。

流體的選擇需要考慮到:儲層黏土含量高、潛在硅化物和有機質(zhì)微粒的產(chǎn)生、酸溶解度、低溫微生物活性、潛在水垢的產(chǎn)生、注入液的返排。

2.1 黏土和微粒的影響

因為黏土含量高需要使用 KCl來穩(wěn)定黏土。可以使用聚合物類的黏土穩(wěn)定劑來減輕黏土的運移。在此情況下,分子量較低的穩(wěn)定劑將黏土和有機物控制在原地,避免黏土和有機物堵塞支撐劑的注入,并不會損害脆性巖石骨架的滲透率,這些對氣體流動機理來說是首要的。如果是加砂壓裂,流動的微粒對產(chǎn)層導流能力會有影響。通常鋪砂濃度為1.0 lb/ft2(1 lb/ft2=4.886 kg/m2)的30/50目支撐劑填充層在5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)閉合壓力下的導流能力為900 mD·ft。增加的黏土微?？墒巩a(chǎn)層填充層的滲透率降到預(yù)期值的一半以下。

首先用混雜有未經(jīng)清洗的Utica頁巖碎片的20/40目石英砂塞滿1 ft(1 ft=30.48 cm)長的填充柱。水以80 mL/min的速度流過填充柱,測量滲透率與時間的關(guān)系。在測試中只用清水,滲透率將逐步降到原始值的50%以下。用2%KCl,滲透率下降情況與前者相似,滲透率略高是由于巖石膨脹減少。在這項測試中,如果巖石填充柱用2% HCl和5 gpt(gal/t,1 gal=3.785 L)的微粒穩(wěn)定劑處理,在流量測試過程中的清水滲透率保持在110 D以上。這標志著該微粒穩(wěn)定劑成功地將微?？刂圃诹嗽?從而防止巖石填充柱滲透率降低,也就大大地減少了微粒從巖石填充柱中分離出來。

2.2 酸溶解度測試

對粉碎Utica頁巖樣品進行酸溶解度測試,巖樣是從紐約州收集的巖石露頭。先用2%KCl溶液把粉碎頁巖上的微粒清洗掉,在測試前先放到溫度超過125℉的烤箱中烘干。每次測試放5.0 g干燥的Utica頁巖到燒杯中,然后和不同濃度的 HCl反應(yīng)一定時間。然后將每個樣本洗凈,烘干,并稱重,最后確定巖石的溶解百分比。在一定酸濃度和接觸時間作用下,測得巖樣的酸溶解度在30%至38%之間。5%HCl足以溶解巖石中的酸溶性物質(zhì)。在實際工作設(shè)計中,要適當控制酸的溶解度,確保酸能到達預(yù)期的穿透深度。

2.3 低溫微生物活性

在相對低溫80～125℉下,非常適合微生物活動。注入水中必須要有足夠的殺菌劑,以防止厭氧細菌生長。當井已經(jīng)完井或正在生產(chǎn),添加劑將要在長達數(shù)年的時間內(nèi)防止細菌生長。

2.4 阻垢劑

注入水在碳酸鹽巖/白云巖環(huán)境中有可能結(jié)垢并堵塞天然裂縫或支撐劑充填層,這可以通過在注入流體或支撐劑充填層中加少量的阻垢劑來預(yù)防。

2.5 注入液的返排

頁巖井返排率在15%至30%是很常見的,因此在地層中會留下大量的流體。這些滯留在地層中的流體降低了氣相相對滲透率。有很多方法可以減少流體入侵和滯留,包括氣體壓裂、泡沫壓裂和利用表面活性劑幫助流體返排的水力壓裂或酸壓。

3 裂縫性巖心實驗

如果巖石力學性能不容許進行壓裂,一種可以選擇的完井方式是用添加有水基液助排劑的酸液體系對天然裂縫進行基質(zhì)酸化。這種方法對水平井非常有效。一旦這些天然裂縫被壓開,就可注入支撐劑,以增加這些裂縫的導流能力。注入各種流體后,進行多次測試來確定裂縫導流能力:①注氮氣只能模擬氣體壓裂和測量對甲烷氣體的導流能力;②注3%的HCl溶液其后跟著注氮,并確定對甲烷氣的導流能力;③注3%HCl溶液其后跟著注支撐劑 (5/30目)濃度為 1lb/ft2稠化水/酸壓裂液。這些測試資料說明,最好用酸進行預(yù)處理確保裂縫破裂和起裂。多數(shù)壓裂應(yīng)該采用加有添加劑的水基壓裂或泡沫壓裂。

4 處理液優(yōu)化測試

4.1 頁巖填充柱吸附試驗

評價吸附的主要方法是測量注入流體的表面張力。數(shù)據(jù)的解釋是基于這樣一個前提:當含有表面活性物質(zhì)的流體通過填充柱時,一些表面活性劑被吸附到巖石介質(zhì)中去。因此,流體流到離注入點越遠的位置,流體的表面張力就越高。在這項研究中,表面張力活性的任何改變都被認定為表面活性劑被吸附到頁巖填充柱中的巖石骨架上了。

4.2 表面活性劑的選擇

測試選定的表面活性劑包括:含有12 mol環(huán)氧乙烷的非離子型C10直鏈醇 (AE)、含有11 mol環(huán)氧乙烷的醇醚支鏈非離子型微乳液 (ME)、含有15 mol環(huán)氧乙烷的陽離子型乙氧化胺 (CA)、含乙氧乙醇基的氟表面活性劑 (FS)。

4.3 吸附測試設(shè)備

吸附測試:向巖石填充柱注入測試流體使之通過圓柱。巖石填充柱長4 ft,內(nèi)徑1.50 in(1 in=

25.4 mm)。填充柱安裝在一個垂直的位置上。巖石填充柱每隔1 ft就有一個用來收集液體的分流孔。本巖石填充柱塞滿8/12目的粉碎Utica頁巖,使流體運移貫穿整個頁巖填充柱。然后把干燥的氮加壓裝置直接連到4.5 gal蓄電池上,利用加壓裝置將處理過的流體注入到頁巖填充柱中。這種裝置在30 psi下運行。

在注入各種表面活性劑之前,先用2%KCl鹽水溶液將頁巖填充柱飽和,以穩(wěn)定黏土。在每隔1 ft的間隔上收集樣品,并測量每個樣品的表面張力。因為表面活性劑溶液取代了2%KCl溶液,使表面張力下降。重復(fù)進行這些步驟,直至從整個4 ft長填充柱上的每個端口都收集了61倍孔隙體積的流體為止。

測試結(jié)果表明ME滯留量最少,而FS滯留量最多。以前的研究表明,在表面活性劑測試中,即使在濃度劇減的情況下,ME仍是最有效的。該三相微乳狀液的泰森多邊形結(jié)構(gòu)表明該表面活性劑性能對整個地區(qū)的頁巖具有很好的適用性,使之成為更有效的流體。據(jù)預(yù)測,頁巖基質(zhì)表面堆積較高的ME表面活性劑為返排過程提供了一些被俘獲的表面活性劑,從而更好地促進裂縫中液體的返排。

4.4 頁巖巖心的排液測試

Bannion等對巖心流動相吸收實驗進行了描述。在這個實驗中,低滲透巖心用2%KCl飽和,并用2 gpt AE和2 gpt ME處理。結(jié)果顯示,AE在1500 psi時返排率為10%,在3000 psi時返排率為20%。ME至少在100 psi時才開始返排,在1500 psi時返排率為30%,在4500 psi時返排率為80%。

相吸收實驗表明,改變毛細管壓力有利于液體在低壓下流動。但也有人觀察到,用ME處理過的巖心水飽和度小于10%,氣測相對滲透率是傳統(tǒng)方法的2倍。

5 現(xiàn)場實驗

初期在Utica地區(qū)進行了不同規(guī)模的壓裂。因為所有的頁巖都有不同程度的天然裂縫存在,研究表明大部分油藏增產(chǎn)措施是否成功與油藏體積有關(guān)。使這些含油體積較大的Appalachian頁巖層產(chǎn)量達到更大,初期的施工規(guī)模為25×104～50×104gal壓裂液和50×104lb(1 lb=0.454 kg)的支撐劑,現(xiàn)在的施工規(guī)模是近1×106gal壓裂液和1× 106lb的30/50目支撐劑。

為什么設(shè)計用量這么大?這取決于油層厚度。微地震表明,有更多的油藏體積成為可以增產(chǎn)的油藏體積。同時,該地區(qū)更大規(guī)模的增產(chǎn)措施可能增加油藏增產(chǎn)體積 (SRV)和最終估算的儲量(EUR)。施工規(guī)模的優(yōu)化需要微震信息。

從經(jīng)濟的角度來看,水力壓裂成本要相對低些。必要的添加劑包括用以降低60%的泵送壓力的降阻劑、殺菌劑和提高流體返排率的添加劑組合。支撐劑需要實驗室數(shù)據(jù)來支持其性能,以確保油藏壓力衰竭時裂縫的導流能力。有些Barnett施工人員通過增加壓裂液量和提高支撐劑密度獲得了良好的增產(chǎn)效果。有的加入等量的氮氣體積。正如上文所指出的那樣,其他添加劑可能是有益的,包括防垢劑和微粒穩(wěn)定劑。

隨著Barnett地區(qū)技術(shù)的進步,水平井鉆井活動日益增多。對于Utica頁巖油藏,也將有越來越多的水平井。一旦鉆井,完井技術(shù)就是個問題。因為不能進行多次壓裂,尤其是在泊松比低的地區(qū),所以加入穩(wěn)定劑酸洗交叉天然裂縫可能是有益的。

6 結(jié)論

(1)巖石充填柱吸附試驗表明,ME微乳液的吸附最少,而含氟表面活性劑和陽離子吸附最多。微乳配方將吸附降低到最小并允許表面活性劑滲入地層。

(2)酸溶解性實驗顯示,38%的Utica頁巖溶解于5%HCl,并且高濃度酸不能提高溶解度,除非酸液與巖石的比例較低。

(3)裂縫性巖心實驗表明:閉合應(yīng)力為500 psi時,氣體壓裂的導流能力為200 mD·ft;閉合壓力為2 500 psi時,幾乎沒有導流能力;在所有測試閉合壓力下,用3%HCl處理后,導流能力變?yōu)樵瓉淼?倍。

(4)50/30目支撐劑在鋪砂濃度為1 lb/ft2時,閉合壓力達到5 000 psi,導流能力保持為850 mD ·ft。在預(yù)處理液或前置液中使用酸有利于壓開裂縫并使支撐劑順利進入裂縫。

(5)Utica頁巖地層含有黏土和微粒,可以使用KCl和聚合物類的黏土穩(wěn)定劑來抑制這些黏土和微粒。如果微粒不能穩(wěn)定下來,那么它的運移可以使支撐劑的導流能力減半。

資料來源于美國《SPE 111063》

2009年世界主要國家石油產(chǎn)量 單位:108t

趙平供稿

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.010

2009-03-27)