賈 光 亮

(中石化華北石油工程有限公司， 鄭州 450000)

東勝氣田地處鄂爾多斯盆地北部，其構(gòu)造位于伊蒙北部隆起與伊陜斜坡交接部分，面積約9 805 km2，為一條向西南傾斜的單斜構(gòu)造。地震和測(cè)井資料表明，杭錦旗地區(qū)主要發(fā)育構(gòu)造 — 巖性圈閉，以小型、中型規(guī)模為主[1]。東勝氣田發(fā)育的油氣圈閉主要受構(gòu)造斷裂控制，圈閉形成時(shí)間早于天然氣主要運(yùn)移聚集期，有利于天然氣聚集成藏[2]。

圖1 東勝氣田上古生界儲(chǔ)層成藏模式

東勝氣田十里加汗目標(biāo)區(qū)主要目的層為二疊系下石盒子組，主要含氣層系為盒3段和盒1段，儲(chǔ)層深3 010 m左右，地層溫度為89～95 ℃，地層壓力系數(shù)一般為8.3～9.3 kPam,總體屬于低孔低滲、特低孔低滲儲(chǔ)層。針對(duì)此類致密氣藏，儲(chǔ)層深度壓裂改造是實(shí)現(xiàn)前期勘探、開發(fā)的主要措施，是正確認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層、保證油氣井順利投產(chǎn)的重要技術(shù)手段[3-5]。為此，華北分公司在東勝氣田十里加汗目標(biāo)區(qū)進(jìn)行了超臨界CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)實(shí)踐，并取得了成功。

1 超臨界CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)

該技術(shù)的機(jī)理是，以純度90%以上的液態(tài)CO2作為前置液，以液態(tài)CO2雙極性壓裂液的混合復(fù)合液作為攜砂液，利用超臨界CO2超強(qiáng)的破巖能力，使極低的黏度和表面張力能夠克服水平應(yīng)力差導(dǎo)向，并且易于進(jìn)入微小孔隙，有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。該技術(shù)比常規(guī)的壓裂液體系更具明顯優(yōu)勢(shì)：破巖能力強(qiáng)、壓后易返排、儲(chǔ)層傷害較?。辉擉w系中CO2不易隨溫度增加及相態(tài)變化而從流體中逸出，CO2能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定[6-8]。

1.1 復(fù)合干法壓裂液體系

(1) 液態(tài)CO2，配方純度為90%以上；前置造縫主流體體系，加砂混注(提供動(dòng)態(tài)排量和返排蓄能)。

(2) 雙極性壓裂液，基液為“0.45%雙極性稠化劑+0.04%極性調(diào)節(jié)劑+清水”。

(3) 交聯(lián)劑為雙極性交聯(lián)劑，推薦交聯(lián)比為1 000 ∶8(最佳交聯(lián)比以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為準(zhǔn))。

(4) Ⅰ型破膠劑，添加量為0.03%～0.04%(按泵注程序楔形添加)；Ⅱ型破膠劑，添加量為0.000 5%～0.001 0%(按泵注程序楔形添加)。

(5) 加砂采用主流體體系，用作頂替液。非極性基團(tuán)溶于CO2并可交聯(lián)，極性基團(tuán)溶于水并可交聯(lián)，交聯(lián)凍膠在80～120 ℃條件下穩(wěn)定剪切黏度不低于125 mPa·s，滿足地面攜砂要求。與CO2混合交聯(lián)后，80～120 ℃條件下穩(wěn)定剪切黏度不低于105 mPa·s。添加I、Ⅱ型破膠劑，80 ℃條件下破膠時(shí)間為5 h，破膠液黏度為1 mPa·s，無殘?jiān)?/p>

(6) 防凍液，配方為“30%工業(yè)清水+30%二甘醇+20%異丙醇+20%特種樹脂”；降低CO2早期低溫效應(yīng)以保護(hù)井口套管，隔離送球滑溜水與CO2防止井下凍堵。

1.2 壓裂工藝核實(shí)

(1) 壓裂縫長(zhǎng)優(yōu)化。采用FracPro軟件對(duì)不同已知縫長(zhǎng)下的日產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，壓裂縫長(zhǎng)超過240 m后，產(chǎn)量增加幅度較小。優(yōu)化結(jié)果為，主通道方向上縫長(zhǎng)設(shè)為240 m。

(2) CO2規(guī)模優(yōu)化。采用CO2擴(kuò)展有限元軟件，針對(duì)不同體積液態(tài)CO2注入地下時(shí)的縫長(zhǎng)、縫高波及范圍進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化液態(tài)CO2用量為550 m3左右。液態(tài)CO2規(guī)模優(yōu)化模擬輸入?yún)?shù)如下：地層溫度，92.6 ℃；上覆地層應(yīng)力梯度，0.023 2 MPam；最大水平主應(yīng)力梯度,0.019 8 MPam;最小水平主應(yīng)力梯度, 0.016 4 MPam;儲(chǔ)層頂深, 3 097.8 m;儲(chǔ)層底深, 3 110.9 m;地層壓力, 29.99 MPa;體積彈性模量, 13 295 MPa;楊氏模量, 18 000 MPa;泊松比, 0.200;孔隙度, 0.118;滲透率, 3.247×10-3μm2。圖2所示為CO2地下三維波及范圍優(yōu)化情況。

(3) CO2排量?jī)?yōu)化。在同等規(guī)模下，模擬不同CO2排量下，縫長(zhǎng)、裂縫波及寬度(裂縫復(fù)雜程度)、縫高變化情況。表1所示為液態(tài)CO2泵注排量?jī)?yōu)化模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖2 CO2地下三維波及范圍優(yōu)化情況表1 液態(tài)CO2泵注排量?jī)?yōu)化模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

排量∕(m3·min-1)橫向波及帶寬∕m半縫長(zhǎng)∕m縫高∕m備注2．04229313．5裂縫復(fù)雜形態(tài)不理想3．05927313．8裂縫形態(tài)較復(fù)雜4．08224114．2大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)5．08621819．0大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)，縫高易失控

由產(chǎn)能與縫長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，240 m為最優(yōu)縫長(zhǎng)。經(jīng)過CO2排量?jī)?yōu)化，可使裂縫主延伸方向達(dá)到最優(yōu)縫長(zhǎng)，并使橫向波及帶寬達(dá)到最優(yōu)化(即提高排量波及帶寬增幅不明顯)，在縱向上避免了縫高失控[9-12]。綜合考慮，優(yōu)化后CO2施工排量為4.0 m3min。圖3所示為液態(tài)CO2泵注排量?jī)?yōu)化模擬情況。

(4) CO2超臨界相態(tài)控制。在超臨界CO2噴射壓裂過程中，CO2流體能否進(jìn)入超臨界態(tài)的關(guān)鍵在于其溫度水平。影響CO2流體溫度的因素很多，其中地層溫度具有決定性的作用。研究表明：超臨界CO2噴射壓裂過程中，隨著井深增加，井筒壓力逐漸增高，井筒溫度先增高后在接近壓裂層位處開始降低[13-16]。該區(qū)塊目的層深約3 100 m，地溫梯度為2.98 ℃hm，折算井底溫度為92.6 ℃。

利用CO2有限元模擬器，輸入以下參數(shù)：儲(chǔ)層深度，3 108 m;地溫梯度，2.98 ℃hm；施工壓力,60.0 MPa;施工排量,4.0 m3min;CO2注入溫度,-20 ℃;油管內(nèi)壁粗糙度,24.5 mm;油管外徑,88.9 mm;套管外徑,139.7 mm;環(huán)空流體比熱,4 186.8 J(kg·K);水泥環(huán)比熱,879.2 J(kg·K);油管比熱,460.5 J(kg·K);套管比熱,460.5 J(kg·K);地層比熱,1 040 J(kg·K)；油管導(dǎo)熱系數(shù)，44.7W(m·K);套管導(dǎo)熱系數(shù),44.7 W(m·K);地層導(dǎo)熱系數(shù),2.0 W(m·K)。模擬4 m3min排量下，井筒溫度、壓力和相態(tài)的變化關(guān)系(見圖4)。由圖4可知，CO2在進(jìn)入地層前就可達(dá)到超臨界態(tài)。

圖3 液態(tài)CO2泵注排量?jī)?yōu)化模擬結(jié)果

圖4 4 m3min排量下井筒溫度、壓力和相態(tài)變化關(guān)系

綜合考慮，排量配比范圍為2 ∶1～ 4 ∶1。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

東勝氣田某井位于十里加汗西部探區(qū)。從目前盒3段的井控程度來看，河道規(guī)模變小，變化快，且盒3段屬于低孔低滲儲(chǔ)層，要想獲得較高產(chǎn)能，必須形成大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)，溝通遠(yuǎn)端富集區(qū)。目的層深度為3101～3108m，地溫梯度為2.98℃hm，折算井底溫度為92.6 ℃。資料顯示，該區(qū)塊盒3層最大水平主應(yīng)力梯度、最小水平主應(yīng)力梯度分別為0.019 8、0.016 4 MPam。通過計(jì)算可知，該井水平主應(yīng)力差值為10.6 MPa，常規(guī)水基壓裂液在裂縫遠(yuǎn)端凈壓力維持率低，難以克服應(yīng)力差，不利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。該井目的層壓力系數(shù)為0.91～1.02，采用CO2復(fù)合干法壓裂可有效補(bǔ)充地層能量，促進(jìn)返排，減少水敏及水鎖效應(yīng)。鑒于此，在該井開展了超臨界CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)，并取得了成功。

表2 液態(tài)CO2與雙極性壓裂液不同體積配比條件下的剪切黏度

圖5 液態(tài)CO2與雙極性壓裂液不同體積配比條件下的剪切黏度曲線

該井共壓裂注入CO2580.23 m3，雙極性壓裂液490.0 m3，砂60.07 m3，施工順利。壓裂后通過油嘴控制放噴，進(jìn)行返排試氣，已累計(jì)排液262.5 m3，返排率達(dá)49.6%；期間點(diǎn)火成功，焰高0.5～0.8 m，焰色呈橘黃色。目前正在排液中。

3 結(jié) 語(yǔ)

超臨界CO2超強(qiáng)的破巖能力、極低的黏度和表面張力，能夠克服水平應(yīng)力差導(dǎo)向，易于進(jìn)入微小孔隙，有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。超臨界CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)在東勝氣田的先導(dǎo)試驗(yàn)實(shí)施成功，證明了該工藝的適應(yīng)性，為該氣田同類儲(chǔ)層的壓裂改造提供了經(jīng)驗(yàn)。

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