鄺聃，李達(dá)，白建文

張春陽，朱更更 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西 西安710018）

蘇里格氣田為近年來長(zhǎng)慶油田勘探發(fā)現(xiàn)的典型的低孔低滲致密砂巖氣藏，開發(fā)區(qū)域已逐漸由中區(qū)向東西區(qū)擴(kuò)展。與中區(qū)相比，東區(qū)儲(chǔ)層物性更差、產(chǎn)量更低，體現(xiàn)在巖性變差 （泥質(zhì)含量升高）、壓力系數(shù)進(jìn)一步降低 （0．88→0．82）、層更薄、砂泥巖薄互層現(xiàn)象更嚴(yán)重等方面［1］。上述原因?qū)е绿K里格東區(qū)壓裂液返排更加困難，儲(chǔ)層與裂縫更易受到傷害，裂縫支撐剖面更為復(fù)雜等壓裂難點(diǎn)，大大制約了壓裂效果的提高［2］。為此，急需開發(fā)針對(duì)蘇里格氣田東區(qū)氣藏地質(zhì)特征的低傷害壓裂液體系，發(fā)展低傷害壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及配套工藝技術(shù)。

1 東區(qū)低滲儲(chǔ)層地質(zhì)特征

蘇里格氣田主要含氣層系為二疊系石盒子組八段 （Ph8）～山西組一段 （Ps1），氣藏埋深2900～3500m，主要受控于近南北向分布的大型河流、三角洲砂體帶，是典型的巖性圈閉氣藏［3］。東區(qū)儲(chǔ)層巖性以巖屑砂巖為主、石英砂巖次之，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)較高，為20%～30%。儲(chǔ)集空間以孔隙為主，孔隙結(jié)構(gòu)具有 “孔喉半徑小、分選程度差、排驅(qū)壓力高、連續(xù)相飽和度偏低和主貢獻(xiàn)喉道小”的特點(diǎn)。東區(qū)單井平均氣層厚度為7．7m，孔隙度主要分布在1．0%～15．9% （平均9．4%），滲透率范圍0．014～8．42mD（平均0．702mD），平均含氣飽和度57．7%，屬低孔、低滲、低豐度儲(chǔ)層。蘇里格氣田東區(qū)Ph8氣藏平均壓力系數(shù)為0．861，屬低壓氣藏。

2 壓裂改造難點(diǎn)分析

根據(jù)以上地質(zhì)特點(diǎn)分析，可以得出蘇里格氣田東區(qū)氣藏壓裂改造的特點(diǎn)及難點(diǎn)如下：①儲(chǔ)層物性更差，要求壓裂形成較中區(qū)更長(zhǎng)的人工裂縫，并與井網(wǎng)系統(tǒng)匹配；②儲(chǔ)層致密，黏土礦物總量較高，對(duì)傷害敏感，對(duì)外來流體低傷害的特點(diǎn)要求高；③東區(qū)儲(chǔ)層孔喉半徑小、排驅(qū)壓力大，儲(chǔ)層易受壓裂液傷害；地層能量有限，壓力系數(shù)低，壓裂液返排難度大；④東區(qū)儲(chǔ)層薄互層特征明顯，縱向應(yīng)力剖面復(fù)雜，有效遮擋條件差，縫高不易控制；⑤多數(shù)井通過工具分層壓裂，全部層施工結(jié)束后統(tǒng)一返排的施工方式，各層壓裂液在地層內(nèi)滯留時(shí)間不同。

3 低傷害壓裂液體系研究

針對(duì)東區(qū)儲(chǔ)層易受傷害的特點(diǎn)，開發(fā)了超低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液體系（CMHPG）。該體系采用超低濃度交聯(lián)技術(shù)，稠化劑濃度低，用量少，交聯(lián)效率高，具有耐溫抗剪切性能好、破膠徹底、同等濃度下殘膠和殘?jiān)鼈Φ偷韧怀鰞?yōu)勢(shì)。優(yōu)化后的壓裂液體系配方如下：①基液：在水中加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù) （溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為溶質(zhì)與溶劑的質(zhì)量之比）為0．28%羧甲基稠化劑＋0．5%助排劑＋0．5%黏土穩(wěn)定劑＋0．05%殺菌劑＋0．5%交聯(lián)促進(jìn)劑＋0．5%降濾失劑 （前置液含）。②交聯(lián)劑：低殘?jiān)喗宦?lián)劑 （交聯(lián)比為100∶0．3）。

模擬地層溫度和井筒流動(dòng)條件［4～6］，對(duì)該壓裂液體系進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試。

圖1 90℃、170s－1剪切90min下不加破膠劑的黏時(shí)曲線

圖2 90℃、170s－1剪切90min下加破膠劑的黏時(shí)曲線

3．1 耐溫抗剪切性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)了體系在90℃、170s－1連續(xù)剪切90min下，不加入破膠劑與加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3×10－4（溶劑為瓜膠基液）的破膠劑兩種情況下的耐溫抗剪切性能，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1中，交聯(lián)液初始黏度620mPa·s，溫度上升過程中黏度降幅較大，當(dāng)溫度達(dá)到90℃、170s－1連續(xù)剪切90min過程中黏度降幅減緩，最終黏度為396mPa·s，說明該體系具有良好的耐溫抗剪切性能，保證了體系在高溫下的攜砂能力。圖2為該體系在加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3×10－4過硫酸銨 （APS）后在相同試驗(yàn)條件下的黏時(shí)曲線。與圖1相比，早期黏度變化不大，但恒溫期由于破膠劑的影響，使得黏度下降較快，但最終黏度也有142mPa·s，說明即使加入破膠劑后也完全滿足施工時(shí)的攜砂要求。

圖3 90℃、高速剪切6min后的黏時(shí)曲線

3．2 高剪切后恢復(fù)性能評(píng)價(jià)

圖3 和圖4評(píng)價(jià)了體系經(jīng)高速剪切后的黏度恢復(fù)情況，試驗(yàn)條件是170s－1剪切2min，再1000s－1剪切6min，剪切速率恢復(fù)到170s－1繼續(xù)剪切82min。圖3是沒有加入破膠劑的體系，黏度從高剪切后的最低值緩慢恢復(fù)至最終黏度177．4mPa·s，恢復(fù)到常規(guī)剪切的45% （與圖1比較），說明在恒溫階段黏度恢復(fù)值大于受溫度影響的降低值。圖4是加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3×10－4APS的體系，黏度從高剪切后的最低值緩慢上升，大約在44min時(shí)出現(xiàn)峰值，說明之前黏度恢復(fù)占主導(dǎo)，之后溫度及破膠劑對(duì)黏度的降低占主導(dǎo)，最終黏度值124mPa·s，恢復(fù)率87% （與圖2比較）。試驗(yàn)結(jié)果充分說明羧甲基壓裂液體系在高剪切后有較強(qiáng)的恢復(fù)能力，充分保證了羧甲基壓裂液經(jīng)過射孔孔眼高速剪切進(jìn)入裂縫后的造縫及攜砂性能。

圖4 90℃、高速剪切6min、加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3×10－4 APS黏時(shí)曲線

3．3 破膠性能測(cè)試

在90℃下，向交聯(lián)凍膠體系中加入不同劑量的APS破膠劑，測(cè)試其在一定時(shí)間里的黏度及性狀變化，破膠時(shí)間及破膠液黏度如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5×10－4APS加量下0．5h即可破膠，表明其易破膠的特性，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求施工結(jié)束0．5h后返排的需求。

表1 羧甲基壓裂液破膠試驗(yàn)數(shù)據(jù) （90℃）

3．4 殘?jiān)皻埬z傷害試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在80℃的條件下，加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10－4APS破膠劑的羧甲基交聯(lián)液經(jīng)過4h后的殘?jiān)|(zhì)量濃度為103mg／L；在95℃下，加入溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5×10－4APS破膠劑的交聯(lián)液經(jīng)過4h后的殘?jiān)|(zhì)量濃度為88mg／L，比同等條件下的常規(guī)壓裂液殘?jiān)啃?，?duì)儲(chǔ)層傷害更小。

圖5 不同氣層厚度實(shí)現(xiàn)分層壓裂所需的最小隔層厚度

4 低傷害壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

4．1 可實(shí)現(xiàn)工具分層的隔層條件研究

蘇里格東區(qū)分層地應(yīng)力剖面解釋層間應(yīng)力差范圍3～12MPa，因此考察壓裂目的層厚度在5～15m，應(yīng)力差分別為6、8、10、12MPa共4種情況，采用三維壓裂分析軟件FRACPROPT研究不同目的層條件下裂縫垂向延伸規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)分層壓裂的條件。模擬結(jié)果如圖5所示。

研究表明，在相同施工規(guī)模下，應(yīng)力差越大，對(duì)隔層厚度要求越低；壓裂目的層段越厚對(duì)隔層的要求越?。?］。6MPa左右的應(yīng)力差，對(duì)于5～15m的壓裂目的層段，需要35～7m的隔層；8MPa左右的應(yīng)力差隔層厚度降低到22～3m；對(duì)于更強(qiáng)的應(yīng)力遮擋層，純泥巖隔層達(dá)到14～2m即可控制裂縫高度，實(shí)現(xiàn)分層壓裂。

4．2 針對(duì)井網(wǎng)的裂縫半長(zhǎng)和導(dǎo)流能力優(yōu)化

采用ECLIPSE氣藏?cái)?shù)值模擬軟件建立包含井網(wǎng)、氣層和水力裂縫計(jì)算單元在內(nèi)的氣藏?cái)?shù)值模型，模擬不同物性條件下合理的縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力等裂縫參數(shù)，得到如圖6所示的優(yōu)化圖版。由圖可知，儲(chǔ)層滲透率越小，優(yōu)化的裂縫半長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)導(dǎo)流能力的需求相對(duì)越低。這也符合 “低滲儲(chǔ)層造長(zhǎng)縫，高滲儲(chǔ)層造高導(dǎo)縫”的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。優(yōu)化后的圖版可作為區(qū)塊壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)模板，指導(dǎo)施工參數(shù)優(yōu)化和工藝調(diào)整。

圖6 蘇東區(qū)塊主體井網(wǎng)裂縫縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力優(yōu)化圖版

4．3 施工參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化的縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力，通過60多井次的施工參數(shù)及增產(chǎn)效果敏感性分析，綜合考慮蘇里格東區(qū)氣藏有效儲(chǔ)層展布規(guī)模，優(yōu)選確定東區(qū)氣層合理的施工參數(shù)范圍為：加砂量16～30m3，前置液所占比例38%～44%，排量2．2～3．0m3／min，平均砂比18%～24%，即 “中砂量、中前置液量、小排量、中砂比”的參數(shù)組合。

同時(shí)，由于羧甲基壓裂液具有低傷害的特點(diǎn)，在相對(duì)較低的鋪砂濃度下即可達(dá)到與常規(guī)羥丙基壓裂液相同的導(dǎo)流能力 （見表2）。據(jù)此可對(duì)單井進(jìn)行加砂程序優(yōu)化，適當(dāng)降低平均砂比和最高砂比，這在一定程度上可降低現(xiàn)場(chǎng)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

表2 羧甲基壓裂液與羥丙基壓裂液導(dǎo)流能力優(yōu)化對(duì)比

4．4 分層破膠控制技術(shù)

根據(jù)羧甲基壓裂液易破膠的特點(diǎn)，采用以微膠囊破膠劑為主體的破膠體系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分層壓裂施工的工序，提出分層破膠控制技術(shù)，即根據(jù)施工時(shí)間和溫度場(chǎng)的變化及施工順序優(yōu)化每層破膠劑的加量，一般第1層與第2層的施工間隔為40～60min，實(shí)際第1層壓后停泵到開井放噴的時(shí)間為2～3h。結(jié)合壓裂液體系破膠評(píng)價(jià)結(jié)果，第1層施工破膠劑的追加剖面為0．01%－0．015%－0．02% －0．025%－0．03%，且膠囊破膠劑的比例較高；第2層破膠劑的追加剖面為0．03%－0．04% －0．05%－0．06%，膠囊破膠劑的比例較低。

4．5 壓后強(qiáng)化返排措施

根據(jù)蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層壓力系數(shù)低的特點(diǎn)，壓裂設(shè)計(jì)中采用在注前置液階段以240L／min排量伴注液氮，注攜砂液前2～3個(gè)階段以120L／min排量伴注液氮，提高壓后返排能量。自噴排液停止后及時(shí)采用氣舉、抽汲等助排工藝強(qiáng)化返排。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用強(qiáng)化返排措施后，絕大部分井的返排率超過80%，平均返排率達(dá)到85%。

5 壓裂效果綜合評(píng)價(jià)

通過近年來針對(duì)蘇里格氣田東區(qū)的低傷害羧甲基壓裂液試驗(yàn)，形成了相應(yīng)的配套技術(shù)，取得了較好的試驗(yàn)效果。截止到2011年12月底，共完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)63口井／67井次，其中直井定向井62口井66井次，水平井1口井。通過對(duì)比 （表3），在地質(zhì)情況相當(dāng)?shù)臈l件下，采用羧甲基壓裂液的改造井返排時(shí)間更短，返排效率更高，平均無阻流量達(dá)7．5551×104m3／d，鄰近羥丙基壓裂井平均無阻流量4．5861×104m3／d，改造效果提高30%左右。

表3 羧甲基壓裂與鄰近羥丙基壓裂井試氣效果對(duì)比

從投產(chǎn)效果來看 （表4），截止到2011年底，羧甲基壓裂試驗(yàn)井共投產(chǎn)52口井，投產(chǎn)90d以上28口，投產(chǎn)300d以上8口。根據(jù)對(duì)生產(chǎn)情況的跟蹤，與地質(zhì)條件相當(dāng)?shù)泥従畬?duì)比，較羥丙基壓裂井生產(chǎn)效果好，進(jìn)一步證實(shí)該項(xiàng)技術(shù)具有對(duì)儲(chǔ)層傷害更小的優(yōu)點(diǎn)。

表4 羧甲基壓裂井與鄰近羥丙基壓裂井投產(chǎn)90d生產(chǎn)情況對(duì)比

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）根據(jù)蘇東地區(qū)的地質(zhì)特征，有針對(duì)性的優(yōu)選新型改性羧甲基瓜爾膠作為壓裂稠化劑，并對(duì)體系配方進(jìn)行優(yōu)化，初步形成適合蘇東低滲多層氣藏的低傷害羧甲基壓裂液體系 （CMHPG），該體系具有耐溫耐剪切性能好、低濃度、低傷害、易返排等優(yōu)點(diǎn)。

2）通過分層地應(yīng)力剖面解釋，采用裂縫模擬的方法，完成了可實(shí)現(xiàn)工具分層的隔層條件研究，給出了不同目的層厚在不同應(yīng)力差下所需要的隔層厚度值。

3）結(jié)合地質(zhì)研究結(jié)果，對(duì)壓裂施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了不同地層滲透率條件下的最佳裂縫長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力，以及不同層厚條件下的加砂量、砂比、排量等施工參數(shù)。

4）通過以上各項(xiàng)研究，形成了適合蘇里格東區(qū)氣藏的低傷害高效壓裂技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較好的應(yīng)用效果，為蘇里格氣田的快速高效開發(fā)提供了技術(shù)保障。

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