新型低傷害壓裂改造技術(shù)的研究與試驗——在松遼盆地南部深層復(fù)雜氣藏中的應(yīng)用

摘 要

摘要：松遼盆地南部深層致密氣藏具有巖性多變、低孔、特低滲、埋藏深、楊氏模量高、壓力高、溫度高等特點，壓裂改造加砂規(guī)模小、施工砂液比低且易發(fā)生早期脫砂現(xiàn)象。為此，研究了
摘要：松遼盆地南部深層致密氣藏具有巖性多變、低孔、特低滲、埋藏深、楊氏模量高、壓力高、溫度高等特點，壓裂改造加砂規(guī)模小、施工砂液比低且易發(fā)生早期脫砂現(xiàn)象。為此，研究了一種新的低傷害壓裂技術(shù)，力求實現(xiàn)低傷害、深穿透、高導(dǎo)流的目標(biāo)。其要點包括壓前儲層精細(xì)評價、耐高溫耐剪切的低傷害壓裂液體系、小粒徑為主的高強度組合粒徑支撐劑、壓裂多級優(yōu)化設(shè)計、螺旋式及段塞式加砂程序設(shè)計、新型壓裂施工配套技術(shù)(如CO2增能助排、三變壓裂液技術(shù)、多級高強度支撐劑段塞技術(shù)、前置階段兩次瞬時停泵壓力測試、支撐剖面優(yōu)化及控制、考慮應(yīng)力敏感和循環(huán)應(yīng)力載荷條件下的壓后返排控制方法)等。經(jīng)過兩年來9井次的現(xiàn)場試驗，成功率與有效率大幅提高，加砂規(guī)模及施工砂液比等也屢創(chuàng)歷史新高，打開了松遼盆地南部深層致密氣藏的勘探局面，為經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)該區(qū)塊提供了重要的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：松遼盆地；深層；致密層；氣藏；低傷害；深穿透；導(dǎo)流能力；壓裂
0 引言
    松遼盆地南部由于儲層的復(fù)雜性，水力壓裂技術(shù)一直沒有取得突破性進(jìn)展。為此，新型壓裂技術(shù)研究從儲層特性出發(fā)，借助于新型實驗技術(shù)(如恒速壓汞及核磁可動流體測試技術(shù)等)，注重儲層宏觀、微觀及動態(tài)、靜態(tài)資料的綜合分析，精細(xì)評價巖性、電性、物性、含氣性、就地條件下的巖石力學(xué)特性與彈塑性，可動流體分析、巖石微觀孔喉結(jié)構(gòu)分析、壓前地層測試資料分析等，在掌握好儲層特性的基礎(chǔ)上，研制針對性強的低傷害壓裂液體系、優(yōu)選合適高效的支撐劑體系、優(yōu)化最佳的縫長與導(dǎo)流能力、優(yōu)選最佳的施工參數(shù)組合體系、采用針對性的壓裂施工配套技術(shù)體系，力求實現(xiàn)低傷害、深穿透、高導(dǎo)流的目標(biāo)，以達(dá)到既能徹底改造儲層又能最大限度地挖掘儲層潛力的目的。
1 壓前儲層綜合評價研究
    主要評價方法是兩個結(jié)合和一個比對。兩個結(jié)合是宏觀、微觀的結(jié)合以及靜態(tài)、動態(tài)的結(jié)合；一個比對是儲層橫向的比對，包括巖性、電性、物性、含氣性、地應(yīng)力特性、巖石力學(xué)特性、微觀喉道及可動流體等。
    表1是按上述方法獲得的9井次試驗井層的基本情況。由表可見，9井次致密氣藏壓裂中，有4井次是火成巖，5井次是粉砂巖。其中，火成巖中的天然裂縫都較為發(fā)育?？傮w上看，巖心滲透率大部分小于0.01×10-3μm2，孔隙度大部分在5%以下，厚度大部分在1Om以下，就地條件下的楊氏模量大部分高于40000MPa，大部分地應(yīng)力高于60MPa，大部分儲層溫度高于120℃，儲層巖石的喉道直徑大部分小于0.1μm。
由此可見，壓裂改造的難度相當(dāng)大。
表1 松遼盆地南部9井次儲層基本參數(shù)表
井號
巖性
深度(m)
射孔厚度(m)
孔隙度(%)
巖心滲透率(10-3μm2)
孔隙壓力(MPa)
地應(yīng)力(MPa)
楊氏模量(MPa)
儲層溫度(℃)
喉道直徑(μm)
儲集類型
A
凝灰?guī)r
2460.0
55.0
3.1
0.002
9.4
53.0
40670
80
0.10
裂縫型
B
輝綠巖
4000.0
35.0
10.7
0.003
48.0
76.0
58850
141
0.03
裂縫型
C
流紋巖
3080.0
11.2
13.0
0.070
21.9
65.0
16430
113
0.02
裂縫型
D
粉砂巖
4268.0
7.0
3.5
0.002
59.0
94.0
43480
150
0.10
基質(zhì)型
E
粉砂巖
4302.0
4.5
4.6
0.003
59.5
91.0
43000
151
0.10
基質(zhì)型
F
粉砂巖
4267.5
7.0
3.5
0.002
59.0
98.2
43480
150
0.10
基質(zhì)型
G
粉砂巖
3577.0
12.5
4.6
0.022
35.8
54.0
29500
131
0.30
基質(zhì)型
H
粉砂巖
3366.0
6.0
3.7
0.005
33.7
51.0
21440
124
0.30
基質(zhì)型
I
凝灰?guī)r
3703.0
39.0
5.2
0.060
44.4
70.0
49980
137
0.10
裂縫型
2 壓裂改造難點及對策
2.1 針對基質(zhì)低孔、特低滲，對外來液體的傷害異常敏感應(yīng)采取的對策
    采用低傷害稠化劑GHPG；采用前置液兩次瞬時停泵技術(shù)測試地應(yīng)力與濾失情況，現(xiàn)場調(diào)節(jié)前置液量；針對天然裂縫發(fā)育的火成巖儲層，合理優(yōu)化粉陶用量，在降濾的同時嚴(yán)防對主裂縫導(dǎo)流能力的堵塞。
2.2 火成巖儲層天然裂縫發(fā)育，難以形成主裂縫
    施工開始時采用低排量與高黏度壓裂液組合，主要以降濾為目的。然后，快速提升裂縫凈壓力，以力爭形成主裂縫。之后，加適量粉陶降濾與打磨。施工后期用高排量與低黏度壓裂液組合。
2.3 粉砂巖儲層無天然裂縫，基質(zhì)向裂縫供氣能力差，使壓后產(chǎn)量遞減快、有效期短
    綜合采用低傷害、深穿透和高導(dǎo)流技術(shù)，如低傷害材料、高強度小粒徑組合支撐劑體系組合、多級變排量控縫高技術(shù)、多級加砂技術(shù)等。
2.4 大部分井層深度大、溫度高、地應(yīng)力高、楊氏模量高，壓裂裂縫窄，加砂規(guī)模受限，且易發(fā)生早期砂堵
  采用具有延遲交聯(lián)功能的耐高溫壓裂液體系、小粒徑高強度陶粒支撐劑組合體系、Ø88.9mm的注入管柱、多級高強度支撐劑段塞技術(shù)、低起步砂液比設(shè)計、有砂堵征兆設(shè)計采用螺旋式或段塞式加砂程序技術(shù)、加砂期間兩級提排量技術(shù)等。
2.5 火成巖或粉砂巖因低孔、特低滲，大多具應(yīng)力敏感特性，如何防止壓裂施工中及排液期間的縫壁壓實效應(yīng)，以及循環(huán)應(yīng)力載荷對支撐劑導(dǎo)流能力的破壞，難度很大
合理優(yōu)化及控制自噴期間的油嘴大小及抽汲期間的動液面高低，防止裂縫吐砂和快抽快排現(xiàn)象的出現(xiàn)。
3 低傷害壓裂液優(yōu)選
    研究中共采用兩種壓裂液配方：一是中溫壓裂液體系，二是高溫壓裂液體系。
3.1 中溫壓裂液
    流變參數(shù)：60min，n=0.5638，k=1.7126Pa·sn。該壓裂液配方的殘渣含量僅為127mg/L，比常規(guī)壓裂液體系低得多。該壓裂液配方在70℃，170s-1剪切速率下，剪切90min后，壓裂液黏度仍保持在200mPa·s之上且?guī)缀醣３趾愣?，完全能夠滿足施工需要。
3.2 高溫壓裂液
    流變參數(shù)：60min，n=0.5224，k=1.2661Pa·sn。該壓裂液配方的殘渣含量僅為206mg/L，也比常規(guī)壓裂液體系低得多。該壓裂液配方在130℃，170s-1剪切速率下，剪切120min后，壓裂液黏度仍保持在150mPa·s之上，也能滿足施工需要。
4 小粒徑高強度支撐劑優(yōu)選
    對異常高應(yīng)力(＞60MPa)致密氣藏而言，可選擇全程小粒徑支撐劑體系。原因有：①高應(yīng)力條件下，小粒徑與常規(guī)粒徑支撐劑在相同鋪置濃度下提供的導(dǎo)流能力相當(dāng)；②而實際施工時，小粒徑支撐劑可加入更多，鋪置濃度也會更高。
    為了提高近井筒裂縫導(dǎo)流能力，可以尾追不同比例的常規(guī)粒徑陶粒支撐劑。尾追的比例，可通過氣藏模擬實現(xiàn)。
5 縫長、導(dǎo)流能力優(yōu)化及相應(yīng)的施工參數(shù)的優(yōu)化
    縫長與導(dǎo)流能力的優(yōu)化，主要基于氣藏數(shù)值模擬的結(jié)果。由于本研究的井層都是評價井，可以不同縫長與導(dǎo)流能力下的壓后產(chǎn)量(一般以1年為準(zhǔn))作為目標(biāo)函數(shù)，以此可優(yōu)選最佳的縫長與導(dǎo)流能力。但由于儲層橫向參數(shù)變化頻繁，因此，可綜合根據(jù)測井、巖心及地層測試等結(jié)果，判斷儲層參數(shù)尤其是滲透率的變化范圍，為簡便起見，可假設(shè)每個參數(shù)出現(xiàn)的頻率相同。則最終的優(yōu)化縫長與導(dǎo)流能力為上述不同滲透率下優(yōu)化值的算術(shù)平均值[1～4]。
6 壓裂施工配套措施
    在低傷害壓裂液(超級瓜膠及優(yōu)級瓜膠)及變粒徑高強度支撐劑的前提下，綜合應(yīng)用了CO2增能助排技術(shù)、天然裂縫條件下的主裂縫控制技術(shù)(含火山巖裂縫延伸機理的分析)、綜合降濾失技術(shù)、綜合控縫高及提高壓開程度技術(shù)、變排量壓裂技術(shù)、支撐劑段塞技術(shù)、螺旋式加砂模式、段塞式加砂模式、支撐剖面優(yōu)化及控制技術(shù)，以及壓后返排與抽汲的動態(tài)優(yōu)化及控制等技術(shù)，使火成巖儲層在低傷害的前提下，加砂規(guī)模得以大幅度提高，進(jìn)一步提高了壓裂效果與加深了對儲層的認(rèn)識程度。
7 現(xiàn)場實施及效果概況
    在上述設(shè)計思路的指導(dǎo)下，進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計及施工，其施工參數(shù)見表2。
表2 松遼盆地南部致密氣藏低傷害大型壓裂施工參數(shù)表
井號
總液量(m3)
前置液(%)
排量(m3/min)
支撐劑量(m3)
平均砂液比(%)
瞬時停泵壓力1)(MPa)
返排率(%)
A
310
51.2
3.5～6.3
48.0
19.8
28.6
51.5
B
550
50.0
2.0～4.0
18.5
7.0
71.6
100.0
C
535
53.1
3.5～5.4
60.0
23.9
27.0
98.4
D
252
45.6
2.0～2.6
28.0
21.0
54.6
100.0
E
249
45.4
2.0～2.8
22.0
20.1
50.9
100.0
F
466
74.3
1.5～2.1
15.5
13.2
55.7
75.1
G
645
50.5
2.5～4.6
87.0
32.4
34.5
55.0
H
306
36.9
2.5～3.6
40.0
24.3
19.8
53.7
I
846
46.1
3.0～4.8
90.0
23.0
39.8
100.0
注：1)指井口壓力值。
    需要指出的是，上述9井次壓裂施工中，壓裂液以無傷害超級瓜膠為主，支撐劑以30～50目或40～60目小粒徑高強度陶粒為主，部分井較淺時采用了尾追一定比例常規(guī)粒徑陶粒。
    9口井的最低產(chǎn)量為10000m3/d，最高為70000m3/d，平均產(chǎn)量為37000m3/d，但上述9口井存在壓后初產(chǎn)量較高，但遞減仍然較快的問題，值得今后繼續(xù)深入研究。
8 結(jié)論與建議
    1) 松遼盆地南部致密氣藏壓裂改造的主要難點是：基質(zhì)低孔、特低滲，對外來液體的傷害異常敏感；巖性以火成巖和粉砂巖為主，天然裂縫發(fā)育狀況復(fù)雜多變，裂縫起裂與延伸難度較大；井深，摩阻高，排量受限；絕大部分井高溫高壓，壓裂液易降解和引發(fā)早期脫砂；巖石一般較硬，即就地條件下的楊氏模量較高，造成壓開縫寬有限，使施工砂液比和導(dǎo)流能力受限；一般具有應(yīng)力敏感特征，易造成縫壁壓實效應(yīng)而嚴(yán)重制約地下天然氣的產(chǎn)出。
    2)在上述壓裂難點的基礎(chǔ)上，有針對性開展有關(guān)研究，初步提出了適合松遼盆地南部致密氣藏的低傷害大型壓裂技術(shù)。其要點包括：精細(xì)的壓前儲層評價、無傷害耐高溫的壓裂液體系、小粒徑支撐劑及其組合、壓裂施工參數(shù)的多級優(yōu)化、多種加砂程序設(shè)計(多級漸近式、螺旋式、段塞式)、新型工藝配套技術(shù)(CO2增能助排、多級支撐劑段塞、現(xiàn)場簡易測試、主裂縫延伸方法、綜合降濾、綜合控縫高、多級變排量技術(shù)、支撐剖面優(yōu)化及控制：考慮應(yīng)力敏感及循環(huán)應(yīng)力載荷因素的返排與抽汲優(yōu)化方法)等。
    3) 經(jīng)現(xiàn)場試驗研究，上述針對致密氣藏的低傷害大型壓裂技術(shù)是適合松遼盆地南部儲層特點的，與以往相比，在施工成功率、壓裂液返排率和壓后初產(chǎn)等方面，較以往有較大幅度提高，可在松遼盆地南部推廣應(yīng)用。
    4) 但壓后產(chǎn)量遞減快的現(xiàn)象仍然存在，因此，建議加強壓后產(chǎn)氣遞減的影響因素及敏感性分析，為進(jìn)一步提高致密氣藏的壓裂改造效果提供技術(shù)基礎(chǔ)。
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(本文作者：蔣廷學(xué)1 才博2 翁定為2 1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)