崔國(guó)亮,賽福拉·地力木拉提,劉全剛,董長(zhǎng)銀,高 尚,劉洪剛,王宏申
(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 345000;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 300452)
渤海油田是中國(guó)海上油氣增產(chǎn)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一,也是中國(guó)海上化學(xué)驅(qū)提高采收率基地[1]。渤海油區(qū)儲(chǔ)層絕大部分為疏松砂巖,面臨防砂和增產(chǎn)問題及需求[2-4]。近年來,部分低產(chǎn)低效老井推廣實(shí)施過篩管壓裂增產(chǎn)技術(shù)[5-6],即對(duì)老井中的防砂篩管重新射孔后進(jìn)行壓裂充填防砂增產(chǎn)作業(yè),取得非常好的增產(chǎn)效果。但部分過篩管壓裂井投產(chǎn)后固體顆粒,包括壓裂支撐劑和地層砂,陸續(xù)產(chǎn)出,導(dǎo)致油井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。由于渤海油區(qū)不同儲(chǔ)層條件差異較大,老井井下及近井儲(chǔ)層條件復(fù)雜,渤海油田過篩管壓裂井固體顆粒產(chǎn)出的機(jī)制、原因不明確,也難以采取有效的固體顆粒返吐控制對(duì)策,嚴(yán)重困擾過篩管壓裂增產(chǎn)這一有效增產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用效果。針對(duì)上述問題,筆者從渤海油田儲(chǔ)層條件、壓裂施工特征出發(fā),分析地層在壓裂液高壓擠注條件下的破壞模式,揭示不同破壞模式下的固體顆粒產(chǎn)出機(jī)制及原因,提出固體顆粒產(chǎn)出治理與控制對(duì)策,旨在為過篩管壓裂技術(shù)參數(shù)優(yōu)化、顆粒產(chǎn)出控制提供理論支撐,同時(shí)為中國(guó)類似的中高滲儲(chǔ)層防砂井的二次壓裂增產(chǎn)的固體顆粒返吐控制提供借鑒。
渤海油田84%以上的探明儲(chǔ)量位于疏松砂巖儲(chǔ)層中,大部分主力儲(chǔ)層彈性模量小于1 000 MPa,孔隙度為20%~35%,孔喉大且連通性好,滲透率為(100~10 000)×10-3μm2,是典型的低強(qiáng)度、中高滲儲(chǔ)層,有較大的出砂風(fēng)險(xiǎn)?;瘜W(xué)驅(qū)是渤海油田主導(dǎo)提高采收率開發(fā)方式之一,但由于近井聚合物堵塞等問題存在大量低產(chǎn)低效井[7]。幾年來,在低產(chǎn)低效井中采用過砂管壓裂增產(chǎn)技術(shù),取得了很好的增產(chǎn)效果,但是壓裂后固體顆粒(壓裂支撐劑和地層砂)問題成為新的困擾。
過篩管壓裂增產(chǎn)技術(shù)是指在原有防砂井中建立篩管通道實(shí)施壓裂的增產(chǎn)技術(shù)。首先進(jìn)行沖砂作業(yè)(圖1(a));然后利用TCP射孔或水力噴砂射孔技術(shù)打通井底原有防砂篩管,建立井筒與儲(chǔ)層之間的壓裂輸砂通道(圖1(b));進(jìn)而進(jìn)行水力壓裂,形成短而寬的人工裂縫,裂縫內(nèi)前期充填普通陶粒,后期充填高強(qiáng)度樹脂陶粒封堵裂縫(圖1(c)和圖1(d));井下涂覆砂固結(jié)后,鉆塞清除井底殘留涂覆砂(圖1(e)),最終形成高滲透、高強(qiáng)度擋砂屏障,優(yōu)化儲(chǔ)層導(dǎo)流能力,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的。
圖1 渤海油田過篩管壓裂井施工流程
渤海油田過篩管壓裂應(yīng)用取得很好的增產(chǎn)效果,但出現(xiàn)普遍的固體顆粒產(chǎn)出問題,嚴(yán)重制約過篩管壓裂增產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用效果。所謂固體顆粒產(chǎn)出,就是過篩管壓裂井投產(chǎn)后,地層砂和支撐劑從儲(chǔ)層隨流體流入到井筒內(nèi),造成井筒堵塞、舉升設(shè)備嚴(yán)重磨損、砂卡,縮短檢泵周期。目前,過篩管壓裂增產(chǎn)井固體顆粒問題較為普遍,產(chǎn)出的固體顆粒大部分是壓裂支撐劑,粒徑為0.425~0.85 mm;少部分為地層砂細(xì)砂。固體顆粒產(chǎn)出問題大多在過篩管壓裂投產(chǎn)后2~8個(gè)月出現(xiàn),造成油井減產(chǎn)或停產(chǎn),嚴(yán)重影響正常安全生產(chǎn)。
水力壓裂是高壓擠注的過程。從常規(guī)壓裂改造常識(shí)的角度來講,儲(chǔ)層巖石脆性越好,人工裂縫越容易開裂,裂縫產(chǎn)狀越規(guī)則[8]。而渤海油田作為典型的中高滲、疏松砂巖儲(chǔ)層,相比低滲、高強(qiáng)度的壓裂改造油氣藏,其巖石脆性明顯差于后者。地層在高壓擠注下的破壞模式?jīng)Q定了破壞區(qū)域被支撐劑充填的形態(tài)和固體顆粒產(chǎn)出模式,所以渤海油田高壓擠注作業(yè)能否形成有效裂縫是關(guān)鍵問題。
中高滲、疏松砂巖儲(chǔ)層在壓裂液高壓擠注條件下存在兩種破壞模式,即裂縫開裂破壞和塑性擠壓破壞[9-10]。當(dāng)疏松砂巖地層巖石膠接強(qiáng)度較高時(shí),巖石表現(xiàn)出一定的脆性。在高壓擠注條件下,當(dāng)壓裂液排量遠(yuǎn)高于地層濾失量時(shí),井底逐步憋壓,當(dāng)井底壓力達(dá)到地層巖石破裂壓力時(shí),地層巖石在最小主應(yīng)力面上起裂并形成裂縫(圖2(a))。而對(duì)于膠結(jié)差的砂巖巖石,在高壓擠注條件下,當(dāng)井底壓力達(dá)到某一臨界值后,巖石不是發(fā)生開裂而是整體發(fā)生塑性壓縮變形,產(chǎn)生塑性壓實(shí)破壞,在井筒周圍形成類似環(huán)狀的破壞帶(圖2(b))。
渤海油田過篩管壓裂實(shí)施區(qū)塊儲(chǔ)層條件復(fù)雜,地層膠結(jié)程度有好有差,滲透率為(100~10 000)×10-3μm2(圖3)。高壓擠注條件下,該區(qū)塊膠結(jié)強(qiáng)度較好、滲透率較低的地層形成裂縫可能性大;如果儲(chǔ)層膠結(jié)程度極差、滲透率高,則礫石以塑性擠壓充填的方式進(jìn)入管外地層的可能性更大。此外,前期存在出砂背景下的中高滲透易出砂儲(chǔ)層或者裂縫雙線性流效應(yīng)不明顯,裂縫外區(qū)域的射孔孔眼存在明顯流體產(chǎn)出,如果井筒內(nèi)無擋砂屏障,地層砂便隨流體流入井筒。根據(jù)渤海油田過篩管壓裂區(qū)塊的高壓擠注破壞模式并結(jié)合儲(chǔ)層條件、施工特征,將過篩管壓裂井固體顆粒產(chǎn)出分為裂縫內(nèi)支撐劑和地層砂顆粒產(chǎn)出、塑性充填帶內(nèi)支撐劑與地層砂產(chǎn)出及非裂縫區(qū)域的地層砂粒產(chǎn)出3種模式(圖4)。
圖2 中高滲儲(chǔ)層兩種高壓擠注破壞模式
圖3 渤海油田過篩管壓裂典型井層組間滲透率對(duì)比
圖4 渤海油田過篩管壓裂井固體顆粒產(chǎn)出模式(區(qū)域)
從過篩管壓裂井固體顆粒產(chǎn)出模式出發(fā),系統(tǒng)分析每一種模式背后的產(chǎn)出機(jī)制,并結(jié)合渤海油田儲(chǔ)層條件及過篩管壓裂施工特征,提出固體顆粒產(chǎn)出的工程原因。
高壓擠注作業(yè)儲(chǔ)層形成裂縫充填并順利脫砂條件下,裂縫內(nèi)支撐劑和涂覆砂充填可以阻擋地層砂,裂縫出口位置的涂覆砂封口帶起到阻擋支撐劑返吐作用。當(dāng)脫砂封口效果不理想時(shí),生產(chǎn)條件或涂覆砂固結(jié)性能一旦發(fā)生變化便會(huì)導(dǎo)致涂覆砂封口帶失穩(wěn),被破壞而失效,促進(jìn)地層流體攜帶裂縫內(nèi)支撐劑或地層砂產(chǎn)出(圖5)。封口帶失效是造成過篩管壓裂井固體顆粒產(chǎn)生的誘發(fā)條件,高產(chǎn)量和高流速是其基礎(chǔ)條件。
圖5 裂縫封口帶失效而被流體攜帶的產(chǎn)出機(jī)制
根據(jù)渤海油田過篩管壓裂井儲(chǔ)層條件與施工特點(diǎn),滿足上述顆粒產(chǎn)出機(jī)制的原因如下:
(1)裂縫內(nèi)陶粒充填支撐體未達(dá)到密實(shí)充填,導(dǎo)致?lián)跎笆А2澈S吞锼羞^篩管壓裂井均未采用脫砂誘導(dǎo)措施,導(dǎo)致充填作業(yè)在裂縫封口帶很難脫砂。施工曲線也證實(shí)了這一點(diǎn):出現(xiàn)正常脫砂情況下,注入壓力曲線在加砂末端具有漸升趨勢(shì)(圖6(a));但多數(shù)過篩管壓裂井曲線反而表現(xiàn)出下降趨勢(shì)(圖6(b))。低效脫砂條件下裂縫閉合后,裂縫內(nèi)未形成密實(shí)充填體,對(duì)裂縫端部封口帶支撐劑層的穩(wěn)定性埋下隱患并留下空隙成為地層砂產(chǎn)出通道。長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)達(dá)到誘發(fā)條件,導(dǎo)致支撐劑和地層砂產(chǎn)出。
圖6 渤海油田過篩管壓裂典型井施工曲線對(duì)比
(2)涂覆陶粒固結(jié)性能長(zhǎng)周期生產(chǎn)后下降而失效,失去阻擋作用。渤海油田使用涂覆陶粒對(duì)過篩管壓裂充填帶進(jìn)行封口。涂覆陶粒是外部具有一層化學(xué)固結(jié)劑的陶粒,流入充填帶后通過固結(jié)劑在高溫條件下的膠結(jié)作用,與周圍充填顆粒膠結(jié)形成高強(qiáng)度多孔介質(zhì)[11],保持流通性的同時(shí)防止生產(chǎn)過程中支撐劑產(chǎn)出。然而,固結(jié)劑的有效期過短是涂覆陶粒封口作業(yè)的主要缺點(diǎn)。隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移,封口帶遇地層流體時(shí)間變長(zhǎng)。流體流動(dòng)過程中不斷沖刷膠結(jié)層降低固結(jié)劑濃度,導(dǎo)致涂覆陶粒膠結(jié)強(qiáng)度持續(xù)下降,最終造成封口帶失穩(wěn),地層砂和支撐劑則隨流體開始產(chǎn)出。此外,目前渤海油田使用海水基壓裂液,與淡水相比,該類壓裂液環(huán)境中樹脂涂覆砂固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低20%左右,這說明封口帶支撐劑層抗壓強(qiáng)度在投產(chǎn)前已經(jīng)有所下降。
(3)生產(chǎn)條件變化前提下應(yīng)力變化引起的支撐體失穩(wěn)導(dǎo)致?lián)跎笆?。閉合應(yīng)力對(duì)充填帶施加的力σV由支撐劑層骨架及其孔隙內(nèi)的液體承擔(dān)(圖7),油井生產(chǎn)期是這兩種應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化的過程。隨著投產(chǎn)時(shí)間的推進(jìn),總體上,空隙壓力逐漸變小,而骨架應(yīng)力逐漸增大。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可歸結(jié)為充填層帶的地層砂侵入堵塞導(dǎo)致生產(chǎn)壓差過大。過篩管壓裂井投產(chǎn)后地層出砂仍在持續(xù),充填層作為擋砂屏障,生產(chǎn)過程中自然存在“擋砂-堵塞同步”現(xiàn)象[12-14],即阻擋地層砂向井筒流入的同時(shí),地層砂也降低其滲透率,導(dǎo)致液體流入量降低生產(chǎn)壓差變高,最終造成空隙壓力變小,骨架應(yīng)力變大。當(dāng)骨架應(yīng)力突破支撐劑層強(qiáng)度上限時(shí),封口帶支撐劑層便會(huì)失穩(wěn)。雖然流體流量因裂縫堵塞降低,但在封口帶的流速依然很高,具有攜帶支撐劑與地層砂產(chǎn)出的可能性。
圖7 裂縫充填帶受力
渤海油區(qū)儲(chǔ)層為中高滲儲(chǔ)層,并且可能因出砂存在不同程度的虧空,加之部分井地層膠結(jié)程度差,實(shí)際施工未形成有效裂縫而是塑性擠壓充填帶,尤其在近井地帶(圖8)。相對(duì)于規(guī)則的裂縫,大尺度的虧空使用涂覆砂封口,充填剖面縱向尺度較大,難以形成有效涂覆封口帶,固結(jié)支撐劑層的抗破壞能力顯著降低;在高壓差、高流速生產(chǎn)條件下,支撐劑層失效造成支撐劑和地層砂返出。
圖8 塑性充填封口帶失效而被流體攜帶的產(chǎn)出機(jī)制
滿足上述顆粒產(chǎn)出機(jī)制的主要原因是:充填帶骨架應(yīng)力增加,封口帶失穩(wěn)失效導(dǎo)致?lián)跎笆?。即生產(chǎn)壓差較大,導(dǎo)致孔隙壓力降低,涂覆砂充填體承受應(yīng)力增加,突破強(qiáng)度后失穩(wěn)而失效。此外,產(chǎn)量和生產(chǎn)壓差較大,充填體內(nèi)外承受壓差較大和流體沖刷作用,失效后失去支撐作用。
從固體顆粒產(chǎn)出邏輯的角度來看,不管顆粒從裂縫產(chǎn)出還是塑性充填帶產(chǎn)出,脫砂封口帶的失穩(wěn)是顆粒產(chǎn)出的第一條件。因此,為驗(yàn)證渤海油田過篩管壓裂井是否存在封口帶失穩(wěn)情況,針對(duì)過篩管壓裂實(shí)施區(qū)塊的10口典型井進(jìn)行失穩(wěn)判別計(jì)算。
對(duì)于裂縫或塑性充填帶,地層閉合應(yīng)力由充填帶空隙壓力和支撐劑層骨架承擔(dān)(圖9)?;谏鲜隽W(xué)關(guān)系,充填帶失穩(wěn)指數(shù)S為
S=Pi(x)+σc+σV.
(1)
式中,S為支撐劑失穩(wěn)指數(shù),MPa;Pi(x)為封口帶的孔隙壓力可通過達(dá)西公式計(jì)算,MPa;σc為支撐劑抗壓強(qiáng)度,MPa;σV為地層上覆應(yīng)力,MPa。
圖9 兩種高壓擠注破壞模式下封口帶受力
S>0,充填帶穩(wěn)定;S=0,處于失穩(wěn)臨界狀態(tài);S<0,支撐劑失穩(wěn)。S越大,充填帶力學(xué)穩(wěn)定性越好。
如圖10所示,10口井裂縫形成條件下失穩(wěn)指數(shù)為-15.9~8.9 MPa,平均失穩(wěn)指數(shù)為-1.7 MPa;塑性擠壓條件下失穩(wěn)指數(shù)為-10.3~10.5 MPa,平均失穩(wěn)指數(shù)為-1 MPa。兩種條件下目標(biāo)井失穩(wěn)指數(shù)分布較廣泛,這是因?yàn)楦鲄^(qū)塊地層應(yīng)力非均質(zhì)性顯著,充填帶幾何參數(shù)相差較大。通過圖10可以發(fā)現(xiàn),裂縫形成和塑性擠壓條件下,5口井均存在充填帶封口區(qū)域失穩(wěn)可能性。
圖10 渤海油田10口過篩管壓裂井各防砂段封口帶失穩(wěn)判別結(jié)果統(tǒng)計(jì)
對(duì)于前期存在出砂背景下高滲透易出砂儲(chǔ)層或裂縫雙線性流效應(yīng)不明顯的情況,裂縫外區(qū)域的射孔孔眼存在明顯流體產(chǎn)出現(xiàn)象,井筒內(nèi)無擋砂屏障,導(dǎo)致出砂(圖11)。長(zhǎng)期出砂導(dǎo)致儲(chǔ)層形成地層砂產(chǎn)出優(yōu)勢(shì)通道[15-16],優(yōu)勢(shì)通道一旦接通非裂縫區(qū)域射孔點(diǎn),地層砂仍然可以從其流到井筒而產(chǎn)出。目前渤海油田過篩管壓裂井均為具有較長(zhǎng)出砂歷史的老井,其射孔相位角為60°或120°,螺旋式打孔,與裂縫延伸方向不一致的射孔點(diǎn)未有任何防砂措施,投產(chǎn)時(shí)地層砂很可能通過這些射孔點(diǎn)從非裂縫區(qū)域流入井筒。
圖11 非裂縫區(qū)地層砂被流體攜帶產(chǎn)出機(jī)制
渤海油田油井過篩管壓裂后的固體顆粒返吐產(chǎn)出涉及不同的儲(chǔ)層類型、壓裂充填模式、出砂機(jī)制,需要進(jìn)行專門的高壓擠注條件下的壓裂充填模式的判別,弄清近井充填模式,明確出砂機(jī)制和類型,進(jìn)而制定有針對(duì)性的技術(shù)措施。
封口帶失效是導(dǎo)致壓裂裂縫充填和塑性擠壓充填支撐劑返吐的關(guān)鍵原因,提高涂覆砂封口帶的厚度和強(qiáng)度有助于防止支撐劑返吐。提高涂覆砂封口帶的厚度的技術(shù)措施包括提高施工過程中涂覆砂的用量比例,裂縫充填模式涂覆砂用量比例提升到30%以上,塑性擠壓充填模式涂覆砂用量比例提升到50%以上。通過優(yōu)化涂覆砂化學(xué)劑配方,使之匹配井下高礦化度環(huán)境,提高初始膠結(jié)強(qiáng)度和對(duì)環(huán)境的耐受度。
目前過篩管壓裂工藝在施工結(jié)束前沒有人工脫砂程序,會(huì)造成裂縫內(nèi)支撐劑鋪砂濃度較低,充填不密實(shí)留下較大孔喉,使得地層細(xì)砂通過孔喉產(chǎn)出。優(yōu)化施工泵注程序,實(shí)現(xiàn)人工強(qiáng)制脫砂,加強(qiáng)充填密實(shí)度,有利于防止出砂。具體技術(shù)措施是在施工后期泵注涂覆砂支撐劑階段,提高排量的同時(shí)將砂比大幅度提高80%~100%,然后降低排量,緩慢頂替,促使脫砂,形成近井地帶和井筒內(nèi)的高密實(shí)充填。
渤海油田儲(chǔ)層本身為中高滲和高滲儲(chǔ)層,流通性較好。除了裂縫支撐帶作為流體主要產(chǎn)出通道外,非裂縫區(qū)域的原始地層也是流體產(chǎn)出通道,達(dá)到地層出砂條件后,地層砂通過過篩管通道產(chǎn)出到井筒。針對(duì)此原因的技術(shù)防控對(duì)策是使用化學(xué)固砂方法二次固結(jié)非充填區(qū)域的原始地層,提高固結(jié)強(qiáng)度,避免地層出砂。
過篩管壓裂井投產(chǎn)后,尤其是投產(chǎn)初期,生產(chǎn)壓差越大,井底和裂縫內(nèi)壓力越低,造成涂覆砂封口帶承受的骨架應(yīng)力越大,越容易失穩(wěn)破壞。同時(shí),產(chǎn)量越高,流體攜帶支撐劑和地層砂的能力越強(qiáng),越容易出砂??刂坪侠韷翰詈彤a(chǎn)量是減緩固體顆粒產(chǎn)出的重要措施。
過篩管壓裂作業(yè)在原篩管上打穿長(zhǎng)度約2 m的通道,作業(yè)完畢后該通道為開放狀態(tài),也是儲(chǔ)層固體顆粒的產(chǎn)出通道。對(duì)于出砂嚴(yán)重、采用其他措施均難以解決出砂問題的油井,需要在原篩管內(nèi)再次下入小直徑篩管封堵打開的通道。根據(jù)渤海油田儲(chǔ)層地層砂特征,推薦使用精密小篩管,擋砂精度控制為0.15~0.2 mm。
(1)渤海油田中高滲儲(chǔ)層過篩管壓裂后存在裂縫充填和塑性帶充填2種模式。固體顆粒返吐產(chǎn)出機(jī)制有3種,即裂縫封口帶失效后流體攜帶支撐劑產(chǎn)出機(jī)制、塑性充填封口帶失效后流體攜帶支撐劑產(chǎn)出機(jī)制、非裂縫充填區(qū)原始地層砂產(chǎn)出機(jī)制。
(2)導(dǎo)致裂縫或塑性充填帶的涂覆砂封口帶失效的主要原因有涂覆砂固結(jié)性能不足和逐漸衰減、油井生產(chǎn)壓差過大導(dǎo)致封口帶骨架增加誘發(fā)失穩(wěn)。產(chǎn)量過高使流體流速達(dá)到攜帶支撐劑和地層砂的臨界條件是固體顆粒返吐的基本原因,中高滲儲(chǔ)層非充填區(qū)存在流體產(chǎn)出造成地層出砂是過篩管壓裂后地層砂產(chǎn)出的主要原因。
(3)針對(duì)渤海油田10口典型的過篩管壓裂井進(jìn)行失穩(wěn)判別,10口井裂縫形成條件下失穩(wěn)指數(shù)為-15.9~8.9 MPa,平均失穩(wěn)指數(shù)為-1.7 MPa;塑性擠壓條件下失穩(wěn)指數(shù)為-10.3~10.5 MPa,平均失穩(wěn)指數(shù)為-1 MPa;裂縫形成和塑性擠壓條件下,5口井均存在充填帶封口區(qū)域失穩(wěn)可能性。
(4)固體顆粒返吐控制技術(shù)對(duì)策主要包括:改善涂覆砂固結(jié)性能提高封口強(qiáng)度、優(yōu)化砂比排量和泵注程序在施工結(jié)束時(shí)實(shí)施強(qiáng)制脫砂提高封口帶充填密實(shí)度、使用化學(xué)劑輔助固結(jié)地層砂、控制合理生產(chǎn)壓差和產(chǎn)量。對(duì)于固體顆粒產(chǎn)出嚴(yán)重的井,使用小尺寸篩管在原井篩管內(nèi)進(jìn)行二次機(jī)械防砂。