何 青　李 雷　徐兵威　張永春

(中石化華北分公司工程技術(shù)研究院， 鄭州 450006)

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大牛地氣田水平井同步破膠技術(shù)研究

何 青李 雷徐兵威張永春

(中石化華北分公司工程技術(shù)研究院， 鄭州 450006)

摘要：針對(duì)大牛地氣田水平井分段壓裂段數(shù)多、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、壓裂液滯留地層時(shí)間長(zhǎng)對(duì)地層傷害大等問(wèn)題，開(kāi)展膠囊破膠劑及過(guò)硫酸銨破膠機(jī)理研究，分析破膠劑加量比例與加入方式對(duì)水平井儲(chǔ)層改造效果的影響。根據(jù)儲(chǔ)層特征及壓裂施工情況，對(duì)不同溫度場(chǎng)下各段破膠劑比例進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果基本達(dá)到同步破膠的目的，返排率較前期明顯提高。

關(guān)鍵詞：大牛地氣田； 致密砂巖； 水平井； 同步破膠

目前大牛地氣田的開(kāi)發(fā)方式主要以水平井分段壓裂方式為主，水平井分段壓裂的段數(shù)較多，施工周期較長(zhǎng)，壓裂液滯留地層的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，導(dǎo)致濾失增加，排液時(shí)間加長(zhǎng)，儲(chǔ)層傷害加大，壓裂效果和見(jiàn)產(chǎn)速度受到影響[1]。針對(duì)此現(xiàn)象，在油田開(kāi)展了各項(xiàng)壓裂液同步破膠研究。本次研究主要對(duì)水平井各井段膠囊破膠劑和過(guò)硫酸銨破膠劑加入比例進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化各井段的破膠劑比例和加入方式，以達(dá)到分井段同步破膠及快速返排的目的。

1氣田基本概況

1.1主要儲(chǔ)層特征

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段上古生界致密砂巖儲(chǔ)層，自上而下發(fā)育有盒3、盒2、盒1、山2、山1、太2和太1等7套氣層，埋藏深度約為2 500 — 2 900 m，儲(chǔ)層以辯狀河流相沉積為主，縱向上呈交錯(cuò)疊合發(fā)育，平面上呈分片展布。總體上，氣田所在儲(chǔ)層的物性較差， 孔隙度主要分布于2.00%～10.00%，平均孔隙度約為7.45%；滲透率主要分布于(0.01～1.00)×10-3μm2，平均滲透率約為0.47×10-3μm2；非均質(zhì)性較強(qiáng)，壓力溫度屬常溫常壓系統(tǒng)，壓力系數(shù)介于0.87～1.00，地層溫度介于84～88 ℃。

1.2水平井分段壓裂現(xiàn)狀

依靠直井開(kāi)發(fā)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性開(kāi)發(fā)目標(biāo)，因此，自2002年開(kāi)始進(jìn)行水平井開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究。2012年在油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中大范圍推廣應(yīng)用，水平井分段壓裂工藝已日趨成熟，最終形成了以多級(jí)管外封隔器分段壓裂為主的水平井分段壓裂工藝。各水平段壓裂長(zhǎng)度一般為800 ～ 1 200 m，個(gè)別段長(zhǎng)度達(dá)到1 365 m，水平井單井平均壓裂段數(shù)為9.4段，最高達(dá)17段。

在實(shí)踐中不斷優(yōu)化完善，最終形成低傷害壓裂液體系，其配方和添加劑加量如下：

基液：0.45%HPG(一級(jí))+1%防膨劑+0.1%殺菌劑+1%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3。

破膠劑：膠囊破膠劑和過(guò)硫酸銨。

2破膠劑機(jī)理研究

2.1破膠機(jī)理研究

2.1.1過(guò)硫酸銨破膠機(jī)理

羥丙基瓜爾膠是在瓜爾膠分子中引入羥丙基的改性產(chǎn)物，以甘露吡喃糖為主鏈和半乳吡喃糖為支鏈組成，屬于非離子多鄰位羥基順式羥基聚糖。作為良好的破膠劑，過(guò)硫酸銨能引發(fā)羥丙基瓜爾膠凍膠破膠：一方面，過(guò)硫酸銨能分解生成硫酸，促使凍膠非氧化性降解；另一方面過(guò)硫酸銨的過(guò)硫酸根分解產(chǎn)生游離基，攻擊聚合物的主鏈?zhǔn)勾蠓肿渔溄到馄颇z，該破膠反應(yīng)為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，酸和游離基的作用保證了較高的破膠效率[2]。

過(guò)硫酸銨的分解溫度為48.9 ℃。中高溫條件下過(guò)硫酸銨在水溶液中溶解的化學(xué)反應(yīng)式如下:

2(NH4)2S2O8+ 2H2O → 2(NH4)2SO4+ 2H2SO4+ O2↑

過(guò)硫酸銨的分解反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，活化能取143.0 kJmol，半衰期tl/2與速率常數(shù)K的關(guān)系如式(1)所示 ：

tl/2=ln(2)/K=0.693 2/K

(1)

表1 為溫度對(duì)分解速率常數(shù)的影響。由表1 可知，溫度越低，過(guò)硫酸銨的半衰期越長(zhǎng)。當(dāng)溫度為 70 ℃時(shí)，半衰期超過(guò) 8 h ，滿足壓裂施工的需要；但是當(dāng)溫度下降到50 ℃時(shí)，半衰期為192 h左右，不能使壓裂液中的稠化劑有效降解，不利于壓裂液的返排。

表1　溫度對(duì)分解速率常數(shù)的影響

2.1.2膠囊破膠劑的破膠機(jī)理

為預(yù)防壓裂液過(guò)快破膠，需要盡快展開(kāi)過(guò)硫酸銨的膠囊延遲破膠技術(shù)研究。膠囊延遲破膠技術(shù)就是利用包囊技術(shù)在普通破膠劑外層覆蓋一層固體膜而制成膠囊破膠劑，其優(yōu)點(diǎn)在于破膠劑可暫時(shí)與交聯(lián)的壓裂液相隔離，不發(fā)生破膠。當(dāng)壓裂液黏度穩(wěn)定一段時(shí)間后，膠囊破膠劑釋放出破膠劑才能使壓裂液明顯破膠，黏度下降，從而達(dá)到延緩破膠的目的。使用膠囊延遲破膠劑可以增加壓裂液中破膠劑的用量，改善破膠效果，減少壓裂液殘留，同時(shí)不會(huì)因?yàn)槊黠@降低壓裂液起始黏度而影響攜砂能力。

控制膠囊延遲破膠劑釋放速度和延遲時(shí)間的方式主要由包裹膜的性質(zhì)所決定。主要延遲釋放方式分別為：膜的化學(xué)侵蝕和溶解；膜的應(yīng)力破裂；膜的擴(kuò)散滲透；膜的滲透及應(yīng)力破裂[3]。

2.2破膠影響因素分析

壓裂液水化液黏度直接影響到壓裂效果，壓裂液的破膠程度與破膠時(shí)間、儲(chǔ)層溫度、破膠劑濃度直接相關(guān)。

過(guò)硫酸銨因售價(jià)便宜而廣泛應(yīng)用于壓裂液的破膠過(guò)程中。但過(guò)硫酸銨對(duì)溫度的依賴性較強(qiáng)，在溫度低于 51.7 ℃ 時(shí)，過(guò)硫酸銨破膠會(huì)有大量的植物膠大分子殘留在胍膠液中，需要添加低溫激活劑以促進(jìn)破膠。同時(shí)，如果溫度過(guò)高導(dǎo)致破膠速度過(guò)快而難以控制，則持續(xù)破膠時(shí)間會(huì)較短。

表2為溫度對(duì)破膠時(shí)間的影響。壓裂液破膠時(shí)間越短，水化液黏度越低，則返排越徹底，對(duì)儲(chǔ)層的污染也越輕。在施工過(guò)程中，壓裂液攜砂時(shí)需較高的黏度，而壓后壓裂液卻需要快速破膠水化。針對(duì)這一施工矛盾，需要根據(jù)儲(chǔ)層條件對(duì)施工時(shí)的壓裂液在不同階段采取不同破膠劑濃度的破膠方式，根據(jù)施工時(shí)間逐步增加破膠劑的用量。采用階段性破膠方法可保證施工順利進(jìn)行，從而提高施工砂比和液體效率，縮短排液周期，減少儲(chǔ)層損害。

表2　溫度對(duì)破膠時(shí)間的影響

3水平井同步破膠技術(shù)優(yōu)化方法

3.1水平井壓裂儲(chǔ)層溫度變化模擬

水平井壓裂段數(shù)多，施工時(shí)間長(zhǎng)，壓裂過(guò)程中液體大量注入與地層熱交換的過(guò)程使得沿水平井筒的地層溫度不斷降低，破膠難度加大。此時(shí)，若按照同一模式加入破膠劑會(huì)使破膠時(shí)間參差不齊，甚至不破膠，因此首先需要了解壓裂過(guò)程中儲(chǔ)層溫度的變化情況。

泵注到地層中的壓裂液隨著時(shí)間的推移，液體溫度逐漸上升。按照儲(chǔ)層實(shí)際參數(shù)，用壓裂模擬軟件計(jì)算每段泵注到地層裂縫內(nèi)壓裂液的溫度，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化破膠劑的加入量，最終達(dá)到所有壓裂段完成施工后壓裂液同時(shí)破膠的目的。

圖1 — 圖4分別為壓裂目的層4種溫度下液體進(jìn)入地層后的溫度變化曲線，反映施工時(shí)長(zhǎng)達(dá)10 h時(shí)各加砂階段液體進(jìn)入地層的溫度變化情況。

圖1　目的層75 ℃下液體進(jìn)入地層的溫度變化曲線

圖2　目的層80 ℃下液體進(jìn)入地層的溫度變化曲線

圖3　目的層85 ℃下液體進(jìn)入地層的溫度變化

圖4　目的層90 ℃下液體進(jìn)入地層的溫度變化

3.2破膠劑加量?jī)?yōu)化

水平井分段壓裂施工時(shí)通常要求所有壓裂段施工結(jié)束后壓裂液統(tǒng)一返排，這就要求壓裂液具有良好的破膠性能，即各段的液體破膠時(shí)間可控，滿足最后一段施工結(jié)束后，所有液體同時(shí)破膠、返排。破膠原則為：降低壓裂液的濾失量，減輕地層傷害(尤其是水敏性地層)；提高有效裂縫支撐剖面，使裂縫支撐剖面更均勻；優(yōu)化破膠劑的加量。

根據(jù)大牛地氣田地溫梯度推算，地層溫度介于75～90 ℃，單一加入過(guò)硫酸銨無(wú)法滿足壓裂要求。設(shè)計(jì)采用 “膠囊破膠劑+常規(guī)過(guò)硫酸鹽”技術(shù)，可滿足多段裂縫內(nèi)液體分段破膠的目的，減輕壓裂液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

為了確定所優(yōu)化壓裂液體系適宜的破膠劑含量和破膠時(shí)間，將已配制好的壓裂液凍膠分別加入不同種類和不同含量的破膠劑，實(shí)施儲(chǔ)層溫度及溫度剖面的破膠實(shí)驗(yàn)。針對(duì)具體情況開(kāi)展了80，70，60，50 ℃條件下的破膠實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其黏度隨時(shí)間的變化量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究顯示：壓裂液體系具有良好的破膠性能，隨溫度場(chǎng)變化和溫度的降低去追加破膠劑，可以實(shí)現(xiàn)壓裂液凍膠快速?gòu)氐灼颇z，滿足壓后快速返排的要求，降低地層傷害。依據(jù)不同溫度破膠實(shí)驗(yàn)的結(jié)果、分段數(shù)和溫度剖面情況可優(yōu)化破膠劑追加剖面，實(shí)現(xiàn)多段施工后同時(shí)破膠[4-5]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其模擬結(jié)果，依照大牛地氣田分壓段數(shù)和溫度剖面，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)化出破膠劑追加剖面，采用“三變”(變破膠劑類型、變破膠劑濃度、變破膠劑加入方式)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多段壓裂施工后同時(shí)破膠。建立大牛地氣田水平井不同段壓裂液進(jìn)入地層的破膠時(shí)間表，以壓裂段數(shù)水平段12段、地層溫度80 ℃ 為例，單段壓裂施工時(shí)間為1.5 h，每4段壓裂設(shè)備檢修一次時(shí)間為0.5 h，壓裂施工完成后關(guān)井時(shí)間為0.5 h，計(jì)算各段的壓裂時(shí)間及破膠劑添加比例。圖5為優(yōu)化后水平井各段破膠劑優(yōu)化加入比例。為便于施工過(guò)程中添加破膠劑，建議將施工中的相鄰段進(jìn)行合并；同時(shí)為避免壓裂施工中最后幾段大量的APS加入所導(dǎo)致的壓裂液過(guò)早破膠，在前置液中適當(dāng)加入膠囊破膠劑，以延緩破膠過(guò)程[6]。

表4所示為水平井分段壓裂破膠劑加入優(yōu)化情況。破膠劑加入程序如下：

第1 — 第4段，加入0.01% ～ 0.03%的膠囊破膠劑和0.01% ～ 0.04%的過(guò)硫酸銨；

第5 — 第8段，加入0.02% ～ 0.05%的膠囊破膠劑和0.01% ～ 0.06%的過(guò)硫酸銨；

第9 — 第11段，加入0.01～0.05%的膠囊破膠劑和0.01～0.08%的過(guò)硫酸銨；

第12段，加入0.01% ～ 0.05%的膠囊破膠劑和0.01% ～ 0.12%的過(guò)硫酸銨。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

破膠劑加量?jī)?yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施水平井分段壓裂65口井，分壓643段，實(shí)際壓裂631段，工藝成功率98.2%。平均單井入地凈液量2 885.76 m3，最高單井入地凈液量為4 417.3 m3；無(wú)阻流量達(dá)10.04×104m3d，返排率為51.8%。對(duì)比優(yōu)化前返排率有明顯提高，破膠劑優(yōu)化后改造效果良好(表5)。

表3　HPG壓裂液在不同破膠劑加量下的破膠性能實(shí)驗(yàn)

圖5　優(yōu)化后水平井各段破膠劑加入比例

%

注：壓裂目的層溫度為80 ℃。

表5　優(yōu)化前后壓裂效果對(duì)比數(shù)據(jù)表

DPH-41井目的層為盒1段，斜深3 970 m，垂深2 503 m，水平段總長(zhǎng)度為1 200 m；鉆遇砂巖總長(zhǎng)度為1 189 m，占水平段總長(zhǎng)度的98.02%；鉆遇具有全烴顯示的砂巖總長(zhǎng)度為867 m，占水平段總長(zhǎng)度的71.48%。經(jīng)破膠劑加量?jī)?yōu)化后，壓裂改造取得良好的效果，DPH-41壓后4 h壓裂液黏度小于40.0 mPa·s，壓后8 h壓裂液黏度小于2.0 mPa·s，基本達(dá)到同步破膠的目的，油壓17.2 ～ 16.6 MPa，套壓16.4 ～ 16.6 MPa，累計(jì)排液量1 642.9 m3，返排率為51.6 %，Cl-含量為3 000 mgL，日產(chǎn)氣量為5.868×104m3d，無(wú)阻流量為25.492×104m3d。

5結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析，得到以下認(rèn)識(shí)：溫度越高，破膠劑比例越高，越有利于破膠，且破膠后水化黏度越?。缓侠硖砑悠颇z劑比例，可促進(jìn)壓裂液的快速返排，減少儲(chǔ)層損害。本次研究建立了不同溫度下膠囊破膠劑、過(guò)硫酸銨加入方式，促進(jìn)了壓裂液的同步破膠和返排，提高了施工成功率和返排率。壓裂液同步破膠技術(shù)可用于水平井降低地層濾失與傷害，提高裂縫有效支撐、返排率和效果，實(shí)現(xiàn)致密氣藏的有效開(kāi)發(fā)。

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Research on Synchronous Gel Breaking Technology in

Horizontal Well of Daniudi Gas Field

HEQingLILeiXUBingweiZHANGYongchun

(Engineering Technology Research Institute of SINOPEC, North China Company, Zhengzhou 450006, China)

Abstract:This thesis aims to solve the problems of fracturing segments, long working time, and severe formation damage by long retention time in reservoir, conducted on gel breaker capsule and ammonium persulfate gel breaking mechanism. The influential factor of different adding methods and proportions of gel breaker had been analyzed to stimulation effect on the horizontal well. Simultaneously the gel breaking ratio had been optimized and applied under different temperature fields between segments and inside segments. The result shows it has much better improved fracturing fluid backflow than that of previous.

Key words:Daniudi gas field; tight sandstone; horizontal well; Synchronous gel breaking

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2015)02-0042-06

中圖分類號(hào)：TE375

作者簡(jiǎn)介：何青(1968 — )，女，廣東高要人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛蜌馓锕こ獭?/p>

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大牛地致密低滲氣田特殊結(jié)構(gòu)井鉆完井及改造技術(shù)”(2011ZX05045)

收稿日期：2014-12-05