蘇里格氣田細(xì)分粒徑支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)及試驗(yàn)

摘 要

摘要：蘇里格氣田主力氣層必須要進(jìn)行壓裂才能獲得有效的井口產(chǎn)能，而獲得較高的壓裂裂縫導(dǎo)流能力則是其關(guān)鍵所在，然而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)用的支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中支撐劑的粒徑劃分范圍
摘要：蘇里格氣田主力氣層必須要進(jìn)行壓裂才能獲得有效的井口產(chǎn)能，而獲得較高的壓裂裂縫導(dǎo)流能力則是其關(guān)鍵所在，然而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)用的支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中支撐劑的粒徑劃分范圍較大，只有針對(duì)不同類(lèi)型氣層采用合理粒徑支撐劑進(jìn)行壓裂改造，才能有助于提高改造效果，進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量。為此，以蘇里格氣田現(xiàn)用的多家陶粒支撐劑性能評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，通過(guò)新的支撐劑粒徑劃分和篩選，對(duì)符合蘇里格氣田壓裂用支撐劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了不同組合方式下的裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)，優(yōu)化適合該區(qū)域不同儲(chǔ)層條件的支撐劑及粒徑，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好效果，為提高儲(chǔ)層改造針對(duì)性、改善壓裂改造效果提供了新的方法。
關(guān)鍵詞：裂縫導(dǎo)流能力；支撐劑；粒徑；室內(nèi)評(píng)價(jià)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；蘇里格氣田
   長(zhǎng)慶蘇里格氣田是一個(gè)典型的“三低”氣田，儲(chǔ)層不經(jīng)過(guò)壓裂就無(wú)法獲得井口產(chǎn)能。蘇里格氣田東區(qū)主力含氣層位以二疊系下石盒子組8段、下二疊統(tǒng)山西組1段為主，地層厚度100～120m，主要儲(chǔ)集巖有灰色、灰白色細(xì)礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖。按照蘇里格氣田開(kāi)發(fā)方案要求，氣井投入生產(chǎn)后需要穩(wěn)產(chǎn)3年，對(duì)壓裂支撐裂縫的導(dǎo)流能力提出了更高的要求。為保證壓裂裂縫有較好的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，有必要對(duì)目前常用的支撐劑進(jìn)行細(xì)分，并進(jìn)行室內(nèi)支撐裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)，以有效地指導(dǎo)現(xiàn)行的壓裂作業(yè)設(shè)計(jì)，保證獲得壓后較穩(wěn)定的有效支撐裂縫導(dǎo)流能力，提高氣井單井產(chǎn)量和累積采收率，降低壓裂作業(yè)成本。
1 導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)
   1978年辛科(Cinco)提出了一個(gè)選擇支撐劑判斷準(zhǔn)則，即
    Cr=(KW)f/KXf
   為了保證壓裂效果，Cr值要大于10。目前常用的無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力(FCD)對(duì)于壓裂作業(yè)有效的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：
    FCD=(KW)f/KXf
    對(duì)于垂直裂縫，當(dāng)FCD＞30時(shí)壓裂改造才會(huì)有效果；對(duì)于水平裂縫，當(dāng)FCD＞10時(shí)壓裂改造有效[1～2]。
    一般室內(nèi)評(píng)價(jià)影響裂縫導(dǎo)流能力的主要因素包括[3～5]：①原始地應(yīng)力與地層孔隙壓力；②支撐劑物理性能；③支撐劑縫內(nèi)鋪設(shè)濃度；④支撐劑物理性能與原始地層巖石物性參數(shù)的適配度；⑤壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害；⑥裂縫閉合后地應(yīng)力作用時(shí)間及油氣田開(kāi)采狀態(tài)下原始地應(yīng)力變化對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。
    因素①、⑥和因素④中的原始地層物性參數(shù)是先天性不可改變的。因素②、③、④、⑤等可以事先在設(shè)計(jì)時(shí)加以改進(jìn)[6]。為了進(jìn)一步提高有效支撐條件下裂縫的導(dǎo)流能力，有必要對(duì)因素②、③進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)評(píng)價(jià)并進(jìn)行改進(jìn)，確保壓裂改造效果。因素⑤評(píng)價(jià)的主要是壓裂液體體系性能，筆者暫不涉及。
    對(duì)20/40目壓裂支撐劑再進(jìn)行不同粒徑細(xì)分，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)條件下的室內(nèi)物理性能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)其裂縫導(dǎo)流能力變化是很重要的。將現(xiàn)用20/40目的支撐劑(陶粒、石英砂)按照新的物理分類(lèi)進(jìn)行不同方式的組合，結(jié)合蘇里格氣田壓裂所獲得的地層原始裂縫閉合應(yīng)力，通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)，優(yōu)化支撐裂縫導(dǎo)流能力，可提高氣井單井產(chǎn)量。
2 研究方案及評(píng)價(jià)
2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    長(zhǎng)慶氣區(qū)蘇里格氣田壓裂用支撐劑的粒徑規(guī)格主要為20/40目。室內(nèi)評(píng)價(jià)時(shí)先將現(xiàn)用各廠家的壓裂陶粒按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定粒徑組合下的性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)模擬閉合應(yīng)力采用52MPa和69MPa[7]。選取評(píng)價(jià)合格的陶粒，進(jìn)行不同分類(lèi)組合，室內(nèi)評(píng)價(jià)組合充填層裂縫的導(dǎo)流能力。
2.2 支撐劑性能評(píng)價(jià)
    依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法》相關(guān)規(guī)定，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)抽取的9家(種)支撐劑樣品進(jìn)行了分類(lèi)性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。

    評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，目前在用的15種中密度陶?；緣驖M足蘇里格氣田尤其是東區(qū)儲(chǔ)層的壓裂要求(裂縫閉合壓力小于52MPa)。對(duì)于中區(qū)氣井裂縫閉合應(yīng)力大于52MPa時(shí)，部分廠家的陶粒破碎率增大，可能無(wú)法獲得設(shè)計(jì)的裂縫導(dǎo)流能力，在破碎率指標(biāo)評(píng)價(jià)上以B廠的中密度陶粒最高，達(dá)7.42%(52MPa)和16.18%(69MPa)；A廠的陶粒破碎率最低(分別為1.86%和8.57%)。故評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力時(shí)采用了A廠產(chǎn)品進(jìn)行不同組合。
2.3 支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)
2.3.1短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)
    支撐劑短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)主要依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302—1997((壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》。對(duì)比評(píng)價(jià)不同粒徑陶粒和復(fù)合支撐劑的短期導(dǎo)流能力，在設(shè)計(jì)上優(yōu)化蘇里格氣田支撐劑粒徑選擇及降低施工成本，室內(nèi)選取性能較為穩(wěn)定的常用的中密度陶粒進(jìn)行短期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。從圖1可以看出，支撐劑粒徑越大，短期導(dǎo)流能力越好。復(fù)合組合支撐劑，大粒徑所占比例越高，短期導(dǎo)流能力越好[5]。通過(guò)圖1還可以看出，10/20目和20/40目的組合支撐陶粒，其導(dǎo)流能力明顯高于20/30目、20/40目等單一陶粒的導(dǎo)流能力。對(duì)于10/20目和20/40目的組合支撐陶粒，隨著10/20目陶粒所占比例的下降，導(dǎo)流能力下降；在下降幅度方面，10/20目與20/40目陶粒所占比例為1：1與2：1的導(dǎo)流能力差異較小，尤其是在閉合壓力大于45MPa后，二者的導(dǎo)流能力接近。

2.3.2長(zhǎng)期充填裂縫的導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)
    室內(nèi)取閉合壓力52MPa，以蒸餾水為驅(qū)替介質(zhì)，按照10.0kg/m2濃度鋪設(shè)支撐劑，室溫下評(píng)價(jià)了幾種不同規(guī)格陶粒和復(fù)合組合支撐劑的長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

    20/40目陶粒與20/40目石英砂按2：1(體積比)混合后，在52MPa下導(dǎo)流能力較低，主要是石英砂抗壓強(qiáng)度不夠，在52MPa下破碎率過(guò)高造成。
    30/40目、20/40目和20/30目3種不同規(guī)格陶粒72h后導(dǎo)流能力分別為73.16μm2·cm、102.5μm2·cm和118.3μm2·cm，粒徑較大，導(dǎo)流能力較好?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的推移，粒徑增大，導(dǎo)流能力下降速度較快，但其末期導(dǎo)流能力仍高于較小粒徑支撐劑。
   在單規(guī)格陶粒組合上，長(zhǎng)期導(dǎo)流能力的評(píng)價(jià)結(jié)果表明閉合應(yīng)力為52MPa下，20/30目陶粒從開(kāi)始到后期都能夠保持較高且較穩(wěn)定的裂縫導(dǎo)流能力。
3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用
   為了評(píng)價(jià)粒徑細(xì)分后20/30目支撐劑對(duì)蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層的適應(yīng)性，2010年分別在蘇東X、蘇東Y井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)，2口井試氣結(jié)果證明，使用20/30目支撐劑取得了很好的改造效果。
3.1 蘇里格氣田東區(qū)閉合應(yīng)力情況
   蘇里格氣田中東區(qū)主力氣層為盒8段和山1段。中區(qū)41口井54次壓裂資料統(tǒng)計(jì)分析解釋結(jié)果得出，盒8段平均裂縫閉合應(yīng)力為46.8MPa，30口井39次壓裂資料處理結(jié)果得出壓裂后山1段平均裂縫閉合應(yīng)力為52.8MPa。東區(qū)64口井81次壓裂資料的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果得出該區(qū)盒8段平均裂縫閉合應(yīng)力為45～47.8MPa，52口井66次壓裂資料處理結(jié)果得出該區(qū)山1段壓后平均裂縫閉合壓力為48.6～50.1MPa。儲(chǔ)層巖石楊氏彈性模量一般介于2×104～3.6×104MPa，泊松比為0.26～0.28，儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.86MPa/100m左右。
3.2 試驗(yàn)井地質(zhì)情況
   根據(jù)蘇東儲(chǔ)層地質(zhì)狀況選擇2口試驗(yàn)井X、Y。根據(jù)測(cè)井解釋結(jié)果，蘇東X井為蘇里格氣田東區(qū)典型的Ⅱ類(lèi)井，共鉆遇山1、山2段氣層、含氣層3段，其中山11氣層有效厚度為4.0m，山12含氣層有效厚度為2.0m，山2段氣層有效厚度為2.9m；蘇東Y井為蘇里格氣田東區(qū)典型的工類(lèi)井，共鉆遇盒8、山1段氣層、含氣層5段，其中盒8下1氣層的2段氣層有效厚度分別為3.5m和5.1m，盒8下2氣層有效厚度為6.4m，山12含氣層有效厚度4.4m。
3.3 試驗(yàn)井設(shè)計(jì)及施工情況
    蘇東X井儲(chǔ)層壓裂裂縫閉合應(yīng)力在48.0MPa左右，可以選用20/30目陶粒。根據(jù)該井山12氣層上下隔層應(yīng)力遮擋好、砂體較厚，因此設(shè)計(jì)排量應(yīng)適當(dāng)高些，以滿足對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行有效改造，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為33.6μm2·cm；山11氣層上下隔層應(yīng)力遮擋好，但砂體較厚達(dá)到5.0m，因此設(shè)計(jì)砂量和砂比綜合考慮滿足儲(chǔ)層物性對(duì)導(dǎo)流能力的需求即可，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為23.7μm2·cm；山2段有效氣層厚度只有2.9m，但砂體厚度較大，達(dá)28.5m，加大施工規(guī)模以增強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)層砂體的改造程度，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為27.1μm2·cm。
    蘇東Y井儲(chǔ)層壓裂裂縫閉合應(yīng)力預(yù)計(jì)在50.0MPa左右，選用20/30目陶粒。該井盒8下1層上下隔層應(yīng)力遮擋好，砂體較厚并有小隔層，因此設(shè)計(jì)排量應(yīng)適當(dāng)加大，以滿足對(duì)儲(chǔ)層兩個(gè)段都進(jìn)行有效改造，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為25μm2·cm；盒8下2層上下隔層應(yīng)力遮擋好，且砂體較厚有12.2m，因此設(shè)計(jì)砂量和砂比綜合考慮滿足儲(chǔ)層物性對(duì)導(dǎo)流能力的需求就可，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為28μm2·cm；山1段有效氣層厚度為12.5m，砂體厚度相對(duì)較大，適當(dāng)加大施工規(guī)模以增強(qiáng)氣層段裂縫的有效支撐，設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力為35μm2·cm。
2口試驗(yàn)井主要設(shè)計(jì)及施工參數(shù)見(jiàn)表2。
3.4 試驗(yàn)井試氣排液情況
    蘇東X、蘇東Y井排液順利，全部實(shí)現(xiàn)一次排通，返排率在80%以上，蘇東X井壓裂后試氣無(wú)阻流量為4.1705×104m3/d，蘇東Y井試氣無(wú)阻流量為51.6361×104m3/d，效果非常明顯，相比地質(zhì)條件接近的鄰井，試氣產(chǎn)量提高20%～30%，20/30目陶粒在2口試驗(yàn)井中取得了非常好的應(yīng)用效果。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論
    1) 采用10/20目和20/40目復(fù)合型陶粒支撐劑能夠達(dá)到較大程度增加導(dǎo)流能力的目的，根據(jù)不同比例下的導(dǎo)流能力增加幅度，建議10/20目陶粒體積比例至少選擇50%。
    2) 在蘇里格東區(qū)盒8段采用20/30目的陶粒作為壓裂用支撐劑，可以獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力，2口試驗(yàn)井均獲得了較高的工業(yè)氣流。建議對(duì)于閉合壓力低于52MPa的蘇東地區(qū)儲(chǔ)層，可以進(jìn)一步試驗(yàn)推廣20/30目陶粒。
    3) 室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示A廠家的20/30目陶粒性能評(píng)價(jià)結(jié)果最好(破碎率最低)。
    4) 在52MPa的閉合應(yīng)力下，石英砂+陶粒組合型支撐劑形成較低裂縫導(dǎo)流能力，其在蘇里格地區(qū)的壓裂適應(yīng)性需要進(jìn)一步研究。
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(本文作者：趙勇1 李新英2 李達(dá)1 1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司蘇里格氣田研究中心；2.川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)