低滲透高溫氣藏清潔壓裂液研究與應(yīng)用——以吐哈盆地K22氣井為例

摘 要

摘要：吐哈盆地K22氣井儲(chǔ)層埋藏深度3720m，地層溫度110℃，壓力系數(shù)1.01，具有低孔隙度、低滲透率特性。鄰井巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)為強(qiáng)水敏、強(qiáng)-極強(qiáng)水鎖；所在區(qū)域平均應(yīng)力梯度為0.025 7MPa/m
摘要：吐哈盆地K22氣井儲(chǔ)層埋藏深度3720m，地層溫度110℃，壓力系數(shù)1.01，具有低孔隙度、低滲透率特性。鄰井巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)為強(qiáng)水敏、強(qiáng)-極強(qiáng)水鎖；所在區(qū)域平均應(yīng)力梯度為0.025 7MPa/m。因此，基于新型表面活性劑研究了一種新型清潔壓裂液，并做了有關(guān)的測(cè)試分析。RS600流變儀評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果表明，該壓裂液黏溫性能穩(wěn)定、黏度可達(dá)60mPa·s；采用控制應(yīng)力流變儀測(cè)試的該壓裂液彈性模量遠(yuǎn)大于黏性模量，因而具有優(yōu)良的黏彈性、流變性和攜砂性能；Fann35黏度計(jì)測(cè)試結(jié)果表明，在輔劑作用下易于破膠，對(duì)儲(chǔ)層傷害?。画h(huán)路實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果表明，該壓裂液流動(dòng)摩阻低?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：摩阻僅為清水摩阻的1/3，成功加砂44.1m3，平均砂比20.6%；施工過(guò)程液體性能穩(wěn)定，壓后破膠徹底、返排率達(dá)到79.26%；能夠滿足中等加砂規(guī)模的要求。該清潔壓裂液成本相對(duì)較低且配制簡(jiǎn)單，有效地解決了在高溫氣井難以破膠的問(wèn)題，對(duì)低滲透高溫氣藏壓裂改造提供了技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：低滲透率；高溫氣藏；氣井；水力壓裂；清潔壓裂液；敏感性；黏彈性；成本；吐哈盆地
1 K22井概況
   K22井儲(chǔ)層為灰色粗砂巖，埋藏深度3710～3730m，地層溫度110℃，壓力系數(shù)1.01。測(cè)井孔隙度主要分布在6%～10%，滲透率0.14～4mD；巖心分析孔隙度小于8%，滲透率0.07～1.1mD。核磁分析孔隙度平均值為4.91%；自由流體的流動(dòng)滲透率為0.12mD；薄片分析孔隙度平均值為5.03%，滲透率基本小于0.05mD。測(cè)井綜合解釋為差氣層。
   該井沒(méi)有全巖分析和黏土礦物分析資料，鄰井黏土礦物一般含量5%～8%，不含蒙脫石，伊利石含量高達(dá)90%；巖心流動(dòng)分析均為強(qiáng)水敏，強(qiáng)-極強(qiáng)水鎖。采用胍膠壓裂液體系易傷害儲(chǔ)層。
   鄰井三軸應(yīng)力巖石楊氏模量32.98～34.61GPa，泊松比0.27～0.31，孔隙彈性系數(shù)0.50～0.74。所在區(qū)塊各井施工壓力較高，最小水平主應(yīng)力梯度平均0.0257MPa/m，普遍高于測(cè)井解釋結(jié)果。個(gè)別井因施工壓力高而無(wú)法加砂。例如，K20預(yù)探井3488.0～3505.0m層段為灰色細(xì)砂巖含水氣層。第一、二次酸化基本不進(jìn)酸，隨后小型壓裂排量0.9～1m3/min時(shí)泵壓達(dá)到83.1MPa，入井液量?jī)H7.5m3。
2 高溫清潔壓裂液配方優(yōu)化
    自20世紀(jì)90年代Schlumberger推出黏彈性表面活性劑(VES)壓裂液以來(lái)，因其獨(dú)特的清潔性能而得到廣泛研究應(yīng)用[1～4]。研究最多的VES壓裂液主要由長(zhǎng)鏈烷基季銨鹽和長(zhǎng)鏈烷基鹵化吡啶與鹵化物、硝酸鹽及有機(jī)鹽(如水楊酸鈉、對(duì)甲基苯磺酸鹽)等按一定比例混合形成；BJ SERVICES公司開(kāi)發(fā)的AquaClear和ElastraFrac黏彈性表面活性劑壓裂液耐溫最高可達(dá)121℃。國(guó)內(nèi)基本上沿用國(guó)外的思路，研制開(kāi)發(fā)多種清潔壓裂液(如FRAC-1、VES-Ⅰ、VES-Ⅱ、VES-70、VES-80、VES-SL、NTX-100等)，主要在低-中溫油井獲得成功應(yīng)用[5～9]；但壓裂加砂規(guī)模小、用于氣井難以徹底破膠、壓裂液成本高[10～11]。西南石油大學(xué)根據(jù)高分子溶液流變學(xué)理論、高分子溶液黏彈性理論、結(jié)構(gòu)流體流變學(xué)理論，研制出具有特殊流變特性的結(jié)構(gòu)流體[12～13]，有效解決了高溫、氣井壓裂的適應(yīng)性問(wèn)題。
    針對(duì)K22井儲(chǔ)層強(qiáng)水敏和水鎖傷害、高應(yīng)力、高溫的特點(diǎn)，基于新型表面活性劑[12]研究了清潔壓裂液配方，采用有機(jī)物、水稀釋、氧化等多種破膠機(jī)理，確保該壓裂液體系在復(fù)雜條件下的破膠性能。有效解決了在高溫、氣井條件下的成膠、破膠與傷害等問(wèn)題。該體系與其他清潔壓裂液不同，在低溫下(只要不結(jié)凍)仍然具有良好的水合溶解性能，既可以連續(xù)混合也可以批配，配制工藝比較簡(jiǎn)單可靠，不會(huì)產(chǎn)生魚(yú)眼和稠化劑顆粒下沉，可用胍膠壓裂液配制流程在井場(chǎng)配制。其配方為：GRF-1H主劑0.6%(w/v)+GRF-2輔劑(A：B-1：1)0.5%～0.6%(v/v)+1%KCl(w/v)。
2.1 增稠性能與流變性
    采用RS600流變儀實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，該壓裂液體系濃度在0.3%～1.0%就可形成黏彈性良好的凝膠，使用濃度低，壓裂液在110℃下具有良好的流變性能(圖1)。
 

2.2 黏彈性與抗剪切穩(wěn)定性
采用控制應(yīng)力流變儀測(cè)試該清潔壓裂液的彈性模量(G′)、黏性模量(G″)及復(fù)合模量(G*)情況如圖2所示，具有頻率敏感性。當(dāng)剪切速率和溫度恒定時(shí)，壓裂液的G′、G″、G*以及表觀黏度均保持恒定；在不同的頻率下，體系的儲(chǔ)能模量始終大于損耗模量，屬?gòu)楏w流體?？梢?jiàn)該體系具有良好黏彈性、抗剪切穩(wěn)定性、攜砂性能。
 

2.3 破膠性能
采用Fann50黏度計(jì)測(cè)試破膠液性能如表1所示，該清潔壓裂液在90℃、2～4h內(nèi)破膠徹底。
 
2.4 對(duì)支撐裂縫傷害評(píng)價(jià)
    采用巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)該壓裂液對(duì)巖心的傷害，其狀況如圖3所示。胍膠壓裂液破膠液在通過(guò)API導(dǎo)流槽時(shí)，由于破膠液中存在殘?jiān)估塾?jì)體積隨時(shí)間的增長(zhǎng)越來(lái)越慢，最后漸漸地趨向于零，傷害嚴(yán)重。而所研制的VES壓裂液破膠液通過(guò)API導(dǎo)流槽時(shí)，表現(xiàn)出了與2%KCl溶液相似的流動(dòng)特性，該壓裂液對(duì)支撐裂縫帶的傷害非常小。

2.5 低摩阻性能
    這種新型的溶液的結(jié)構(gòu)具有良好的可逆性，當(dāng)高剪切時(shí)，結(jié)構(gòu)解體；剪切速率降低后，結(jié)構(gòu)又重新恢復(fù)。采用自研環(huán)路實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定的流動(dòng)摩阻如圖4所示：在同等條件下VES壓裂液摩阻系數(shù)比胍膠壓裂液低，有利于降低施工摩阻減小施工壓力。
 

3 現(xiàn)場(chǎng)施工分析
   為確保壓裂液質(zhì)量，分別取配液站配制和現(xiàn)場(chǎng)配制壓裂液采用HAAKE-VT550流變儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)(圖5、6)。由圖可見(jiàn)，采用配液站罐內(nèi)水配制的清潔壓裂液黏度比配液站清水配制的清潔壓裂液黏度低50%(從60mPa·s下降至30mPa·s)，說(shuō)明水質(zhì)對(duì)清潔壓裂液黏度影響很大，但仍能滿足壓裂要求。
 

3.1 測(cè)試壓裂分析
    考慮該地區(qū)壓裂施工壓力普遍較高，故首先進(jìn)行測(cè)試壓裂。測(cè)試壓裂實(shí)際入井液量55m3。測(cè)試壓裂G函數(shù)分析曲線見(jiàn)圖7。對(duì)測(cè)試壓力分別進(jìn)行停泵壓力分析、壓降G函數(shù)分析和壓降雙對(duì)數(shù)分析以及平方根分析，井底閉合應(yīng)力梯度14.3kPa/m，閉合時(shí)間25.6min，凈壓力4.6MPa。施工排量5.Om3/min時(shí)清潔壓裂液體系摩阻僅為清水摩阻的1/3，說(shuō)明清潔壓裂體系摩阻比常規(guī)胍膠體系要小。
 

3.2 主壓裂分析
    主壓裂實(shí)際入井液量385.0m3，加入粉陶4.4m3、30～50目陶粒30.4m3、20～40目陶粒9.3m3，最高砂比35%，平均砂比20.6%。主壓裂G函數(shù)分析曲線如圖8所示。
 

    對(duì)主壓裂分別進(jìn)行停泵壓力分析、壓降G函數(shù)分析和壓降雙對(duì)數(shù)分析以及平方根分析，井底閉合應(yīng)力梯度為16.9kPa/m，地面閉合壓力為26.2MPa，閉合時(shí)間為6.5min(表2)。
 

    由主壓裂施工凈壓力擬合分析可得：①施工初期凈壓力不高，隨后一直較平穩(wěn)增大，裂縫基本正常延伸，測(cè)試壓裂與主壓裂解釋的閉合壓力、裂縫閉合時(shí)間有較大差異，說(shuō)明儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性；②停泵后壓降慢，壓后基本無(wú)流體產(chǎn)出，反映該地層物性條件不好；③動(dòng)態(tài)縫長(zhǎng)144.5m，動(dòng)態(tài)縫高57.61m，平均縫寬1.773cm，支撐縫長(zhǎng)143.2m，支撐縫高57.2m，平均支撐縫寬0.347cm，平均裂縫導(dǎo)流能力128.8mD·m。
    壓后破膠好，壓裂液返排順暢。自噴返排48.06%，累積排液達(dá)到了79.26%。
4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    1) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明：清潔壓裂液彈性性能好、攜砂性能和破膠性能優(yōu)良，具有低摩阻和低傷害、易返排的特點(diǎn)。
    2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：清潔壓裂液在施工過(guò)程中液體性能穩(wěn)定，施工順利，能滿足中等加砂規(guī)模的要求；在水敏水鎖地層且沒(méi)有地層水和烴類物質(zhì)條件下，壓后返排率高達(dá)79.26%，表明清潔壓裂液破膠徹底、易于返排。有效解決了中高溫氣井的清潔壓裂液破膠問(wèn)題。
    3) 新型清潔壓裂液在高溫氣井成功應(yīng)用，對(duì)于低滲透高溫氣藏壓裂改造具有重大意義。
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(本文作者：胡永全1 劉通義1 楊俊年2 趙金洲1 莊維禮2 1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石油吐哈油田公司勘探事業(yè)部)