延長(zhǎng)油田上古生界氣藏壓裂改造工藝技術(shù)分析

王香增 高瑞民 吳金橋 申 峰 汶鋒剛

延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 研究院 （陜西 西安 710075）

延長(zhǎng)油田上古生界氣藏壓裂改造工藝技術(shù)分析

王香增 高瑞民 吳金橋 申 峰 汶鋒剛

延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 研究院 （陜西 西安 710075）

延長(zhǎng)油田上古生界氣藏儲(chǔ)層連續(xù)性較差、含氣砂體變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)，具有典型的低孔、低滲、低壓、低豐度、低產(chǎn)的特點(diǎn)，儲(chǔ)層壓裂改造工藝難度較大。在近幾年的天然氣勘探過程中，通過不斷的研究、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，總結(jié)出一套基本適應(yīng)于本區(qū)上古生界氣藏石盒子組、山西組、本溪組等儲(chǔ)層的壓裂改造工藝，現(xiàn)場(chǎng)施工后取得了較好的效果。為此，從射孔工藝、加砂壓裂工藝特別是壓裂液體系、支撐劑、施工主要參數(shù)的確定、壓裂配套工藝等多個(gè)方面進(jìn)行了闡述，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況和室內(nèi)的研究結(jié)果加以分析和佐證，最后對(duì)延長(zhǎng)油田上古生界氣藏的下一步壓裂改造工作提出了建議。

延長(zhǎng)氣田 鄂爾多斯盆地 上古生界氣藏 特低滲透 壓裂工藝

延長(zhǎng)油田地理位于陜西省北部，構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部，面積約1.07×104km2。自1907年在我國(guó)大陸完鉆第一口油井并獲工業(yè)油流以來，延長(zhǎng)油田對(duì)中生界的石油勘探開發(fā)已有上百年的歷史，但對(duì)古生界的天然氣勘探起步很晚，到2006年僅完鉆了3口天然氣探井。2006年以后，延長(zhǎng)油田加大了天然氣的勘探步伐，到2008年底，共完鉆天然氣探井72口，試氣49口/67層。試氣結(jié)果顯示，除個(gè)別井層外，氣井基本無自然產(chǎn)能，必須通過儲(chǔ)層改造才具有工業(yè)開采價(jià)值。

延長(zhǎng)油田通過在上古生界氣藏開展水力加砂壓裂，先后在本溪組、太原組、山西組、石盒子組和石千峰組等多個(gè)層位獲得工業(yè)氣流或低產(chǎn)氣流，特別是在山西組、石盒子組及本溪組獲得了高產(chǎn)天然氣流（y1井本溪組無阻流量15.3×104m3/d、y2井石盒子組無阻流量4.0×104m3/d、y3井山西組無阻流量大于120×104m3/d），顯示出較好的壓裂改造效果和良好的天然氣勘探開發(fā)前景。

儲(chǔ)層地質(zhì)特征

延長(zhǎng)油田含氣層系縱向分布在下古生界下奧陶統(tǒng)馬家溝組、上古生界上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組、中二疊統(tǒng)石盒子組以及上二疊統(tǒng)石千峰組，其中主力氣層為上古生界本溪組、山西組、石盒子組，氣藏主要受控于近南北向分布的河道砂體帶及三角洲砂體帶，系典型的巖性圈閉氣藏。氣藏巖性主要為碎屑砂巖，分選多以中偏好；儲(chǔ)層埋深2 200～3 000m，溫度在76～100℃之間，滲透率0.01～3.16mD（平均0.18mD），孔隙度0.71%～21.84%（平均7.77%），含氣飽和度4.37%～99.37%（平均65.25%），屬于典型的低孔、低滲、致密砂巖氣藏。儲(chǔ)層敏感性特征表現(xiàn)為較強(qiáng)水敏、中等堿敏、無-弱酸敏、無-弱速敏、無-中等偏弱鹽敏。

壓裂改造工藝及分析

1 射孔工藝

延長(zhǎng)油田上古生界氣藏具有典型的低滲、低壓特點(diǎn)，在鉆井過程基本未見直接明顯的油氣顯示。鉆井普遍設(shè)計(jì)為直井，井身結(jié)構(gòu)采用Φ244.5mm表層套管和Φ139.7mm的油層套管，射孔方式完井。

（1）射孔方式

本區(qū)石千峰組、石盒子組、山西組氣層的壓力系數(shù)為0.61～0.96，低于清水靜液柱壓力，射孔后井口普遍無顯示，主要采用電纜傳輸射孔方式。

本區(qū)本溪組氣層壓力系數(shù)在0.98～1.19之間，屬正常壓力系統(tǒng)，部分井射孔后出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。考慮到電纜傳輸射孔存在一定的危險(xiǎn)性，本區(qū)本溪組采用油管傳輸射孔與壓裂聯(lián)作方式。

（2）射孔完井液

本區(qū)射孔液基本配方為清水+0.5%氣井黏土穩(wěn)定劑+0.5%氣井助排劑。射孔液與儲(chǔ)層巖石、流體配伍，對(duì)地層傷害小，同時(shí)滿足射孔施工要求，成本低且配制方便。

（3）主要射孔參數(shù)

普遍使用102型射孔槍、裝127彈，布孔方式為60°相位螺旋布孔，孔密16孔/m。本區(qū)的射孔參數(shù)不僅能保證穿透泥漿侵入帶，而且孔眼摩阻低，滿足壓裂時(shí)輸送中高濃度支撐劑的需求。

（4）射開程度

本區(qū)單層壓裂時(shí)，氣層射開程度為1/3～2/3（有效厚度≤5m，射開2m）；多層壓裂時(shí)調(diào)整各層的射開程度，以達(dá)到均衡改造的目的。國(guó)內(nèi)外研究成果表明[1]，過長(zhǎng)的射孔段或多的射孔段有可能導(dǎo)致多裂縫，多裂縫限制了裂縫長(zhǎng)度的進(jìn)一步延伸，從而減少泄氣面積，影響最終的增產(chǎn)效果。

2 水力加砂壓裂工藝

（1）壓裂液體系

延長(zhǎng)油田上古生界氣藏（石千峰組、石盒子組、山西組、本溪組）采用的壓裂液體系為有機(jī)硼延遲交聯(lián)羥丙基胍膠壓裂液，基本配方為0.45%～0.50%羥丙基胍膠+0.5%氣井助排劑+0.5%起泡劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.1%殺菌劑+0.12%～0.20%Na2CO3，交聯(lián)劑為有機(jī)硼，破膠劑為過硫酸銨與膠囊破膠劑。

壓裂液的主要性能為：壓裂液基液黏度大于48 mPa·s,pH值9.0～11.0,延遲交聯(lián)時(shí)間60～90s;90℃、170s-1下連續(xù)剪切120min,黏度保持在140mPa·s以上（圖1）；70℃下，過硫酸銨加量0.01%，60min內(nèi)完全破膠，破膠液黏度小于5.0mPa·s；破膠液表面張力24.5mN/m，殘?jiān)啃∮?00mg/L，對(duì)本區(qū)石盒子組的巖心傷害率小于30.0%。

該壓裂液體系耐溫抗剪切性能好，能夠滿足76～100℃儲(chǔ)層壓裂施工的要求；具有60～90s的延遲交聯(lián)時(shí)間，可以減小施工過程中沿程摩阻，降低地面施工泵壓；壓裂液破膠徹底，破膠液表面張力低，有利于壓后快速返排，降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度。總的來說，該有機(jī)硼延遲交聯(lián)羥丙基胍膠壓裂液體系基本能夠滿足本區(qū)上古生界氣藏壓裂改造的需要。

（2）支撐劑

延長(zhǎng)油田使用粒徑0.425～0.85mm、體積密度1.72g/cm3、強(qiáng)度52MPa的中低密度高強(qiáng)度陶粒作為上古生界氣藏壓裂用支撐劑。

根據(jù)本區(qū)石千峰組、石盒子組、山西組3次小型測(cè)試壓裂的解釋結(jié)果，本區(qū)上古生界儲(chǔ)層的閉合應(yīng)力在34.55～44.97MPa之間。采用API標(biāo)準(zhǔn)，鋪砂濃度10kg/m2，考查了不同閉合壓力下中低密度高強(qiáng)度陶粒在清水和胍膠壓裂液破膠液介質(zhì)中的導(dǎo)流能力，如圖2所示。

從圖 2中可以看出，在模擬地層閉合壓力（40MPa）下，中低密度高強(qiáng)度陶粒在清水和胍膠壓裂液破膠液兩種介質(zhì)中的導(dǎo)流能力都保持在100μm2.cm以上。另外，從壓裂排液情況看，出砂情況不嚴(yán)重，說明人工支撐裂縫對(duì)支撐劑的夾持能力較強(qiáng)。因此，在本區(qū)上古生界氣藏選用強(qiáng)度52MPa的中低密度高強(qiáng)度陶粒能夠滿足壓裂改造及裂縫導(dǎo)流能力的要求。

（3）壓裂工藝

①單（合）層壓裂。采用Y344封隔器結(jié)合平衡壓力保護(hù)套管、Φ73.0mm油管注入進(jìn)行單（合）加砂壓裂，是延長(zhǎng)油田天然氣勘探區(qū)應(yīng)用最多的一種壓裂工藝，技術(shù)成熟，施工成功率高。加砂規(guī)模較大時(shí)，下Φ88.9mm油管進(jìn)行壓裂；②分層壓裂。對(duì)于兩個(gè)相距較遠(yuǎn)、中間有較好遮擋層的氣層，采用不動(dòng)管柱機(jī)械封隔器連續(xù)分層壓裂工藝，壓裂管柱結(jié)構(gòu)一般（自上而下）為油管掛+外加厚油管+水力錨+Y344封隔器+滑套導(dǎo)壓閥+Y344封隔器+外加厚油管+節(jié)流器+喇叭口。目前，本區(qū)已開展了十幾次不動(dòng)管柱機(jī)械分層（兩層）壓裂作業(yè)，全部獲得成功，為本區(qū)進(jìn)一步開展分層（兩層及兩層以上）壓裂合層開采創(chuàng)造了有利條件。

（4）壓裂施工主要參數(shù)

通過軟件模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加砂壓裂施工實(shí)踐，本區(qū)上古生界石盒子組、山西組、本溪組主力氣層的壓裂施工主要參數(shù)總結(jié)如表1所示。

①前置液比例。前置液比例是壓裂設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，前置液比例過大，濾失到地層的壓裂液量大，對(duì)地層傷害加大，對(duì)低滲-特低滲儲(chǔ)層尤為不利；前置液比例過小，前期造縫不充分，可能造成后期施工壓力過高甚至砂堵。本區(qū)上古生界主力氣層壓裂施工的前置液比例控制在25.0%～35.0%，既能保證施工安全，又不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成較大的傷害；②施工排量。施工排量是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，它會(huì)影響施工泵壓和支撐裂縫的幾何尺寸[2]。本區(qū)上古生界儲(chǔ)層壓裂施工的排量為2.6～3.4m3/min。一方面要確保加砂順利進(jìn)行，另一方面要合理控制支撐裂縫縫高。由于本區(qū)主要采用Φ73.0mm油管注入壓裂方式，施工排量一般不超過3.5m3/min，要進(jìn)行較大規(guī)模的加砂壓裂，為提高施工排量，須采用Φ88.9mm油管注入，如 y3井山西組加砂 71m3，排量達(dá)到4.5m3/min；③加砂規(guī)模。本區(qū)對(duì)上古生界氣藏壓裂以適度加砂規(guī)模為主，加砂規(guī)模在25.0～45.0m3之間，對(duì)石盒子組、山西組等主力氣層逐步開展大規(guī)模加砂試驗(yàn)，從目前的試氣結(jié)果看，除y3井，均未見到與加砂規(guī)模對(duì)等的產(chǎn)氣量。本區(qū)本溪組儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育，壓裂施工過程中，壓裂液濾失量大，極易砂堵，加砂規(guī)?？刂圃?0.0～35.0m3之間。對(duì)于低滲-特低滲砂巖氣藏而言，造長(zhǎng)縫是提高壓裂改造效果的關(guān)鍵因素[2,3]，而增大加砂規(guī)模是造長(zhǎng)縫的主要措施。由于本區(qū)上古生界儲(chǔ)層呈現(xiàn)整體橫向的非均質(zhì)性，砂體變化較快，因此，具體的加砂規(guī)模要綜合考慮待施工井的產(chǎn)層物性及各種可能的具體影響因素后再最終確定；④平均砂比。本區(qū)石盒子組、山西組等儲(chǔ)層，平均砂比為20.0%～25.0%；本溪組由于壓裂施工過程中砂堵較為嚴(yán)重，一般控制砂比在22.0%以下。適當(dāng)采用低砂比壓裂工藝，以造長(zhǎng)縫為主，能夠降低施工難度，確保致密砂巖儲(chǔ)層壓裂改造的順利進(jìn)行。

（5）壓裂配套工藝

①液氮伴注助排工藝。本區(qū)采取全程液氮伴注（頂替過程除外），提高壓裂液的返排率，液氮伴注比例6.0%～9.0%，排量150～250L/min。延長(zhǎng)油田上古生界氣藏壓力系數(shù)低，屬于低壓氣藏，加砂壓裂后僅靠?jī)?chǔ)層自身能量難以實(shí)現(xiàn)快速?gòu)氐椎嘏懦銎颇z殘液，采用液氮伴注助排工藝，可使壓裂液的平均返排率達(dá)到80%以上，減小壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害；②強(qiáng)制裂縫閉合快速返排工藝。壓裂車停泵后20～50min內(nèi)開井，采用3mm油嘴放噴排液，當(dāng)井口壓力低于8MPa后，適當(dāng)放大油嘴尺寸或用針形閥控制放噴，確保排液連續(xù)。在裂縫完全閉合前，返排液量不超過300L/min；裂縫閉合后，排量不超過600L/min。當(dāng)停止自噴后，及時(shí)采用抽汲的方式繼續(xù)進(jìn)行誘噴，誘噴成功后用油管控制放噴排液，盡量減少壓裂液在儲(chǔ)層中的滯留時(shí)間。本區(qū)上古生界儲(chǔ)層孔隙度低、滲透率低、壓力低，具有較強(qiáng)的水鎖傷害傾向[4]，壓裂后采取強(qiáng)制裂縫閉合快速返排工藝，可以降低壓裂液對(duì)地層的傷害和最大限度維持支撐裂縫導(dǎo)流能力；③支撐劑段塞工藝。支撐劑段塞工藝是指在泵注前置液的過程中[5]，以較低砂比的形式泵入一段或幾段支撐劑，其目的是打磨裂縫、降低近井簡(jiǎn)效應(yīng)。在本區(qū)上古生界部分儲(chǔ)層壓裂施工中，加入0.5～1.0m3中低密度陶粒，沖刷孔眼，降低孔眼摩阻。應(yīng)用支撐劑段塞工藝，能夠有效降低多裂縫等近井筒效應(yīng)的影響，平滑裂縫，在一定程度上保證了順利加砂的實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)識(shí)與建議

（1）加砂壓裂工藝是延長(zhǎng)油田上古生界氣藏儲(chǔ)層改造、增產(chǎn)上儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。從2006年以來，延長(zhǎng)油田對(duì)上古生界氣藏開展了近百井次的壓裂改造，通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，已形成一套儲(chǔ)層壓裂改造工藝，該工藝基本能滿足延長(zhǎng)油田上古生界氣藏低成本勘探開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

（2）通過對(duì)壓裂液體系的評(píng)價(jià)和分析，該有機(jī)硼延遲交聯(lián)羥丙基胍膠壓裂液體系能夠滿足延長(zhǎng)油田上古生界氣藏壓裂改造的需要，但仍有改進(jìn)的余地，建議優(yōu)化壓裂液添加劑種類，進(jìn)一步降低壓裂液的殘?jiān)浚唤ㄗh采用高效氣井助排劑（如氟碳表面活性劑），進(jìn)一步降低破膠液的表面張力，提高壓裂液的助排性能；大部分地層水水型為CaCl2，對(duì)Ca2++ Mg2+含量較高的井層壓裂時(shí)，建議換用其他類型的pH值調(diào)節(jié)劑（如NaOH），解決壓裂液與地層水的配伍性問題。另外，建議根據(jù)不同儲(chǔ)層巖石、流體的性質(zhì)，優(yōu)化出與之配伍的壓裂液配方系列，進(jìn)一步提高壓裂液的效能。

（3）延長(zhǎng)油田上古生界氣藏本溪組壓裂施工砂堵幾率較高，建議根據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)特征，分析可能的砂堵原因，并采取有針對(duì)性的措施，如優(yōu)化射孔段、前置液粉陶降濾、支撐劑段塞打磨裂縫、適當(dāng)控制砂比、優(yōu)化施工參數(shù)等，降低壓裂砂堵風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高本溪組壓裂改造效果。

（4）延長(zhǎng)油田上古生界氣藏縱向上氣層段多，且薄厚不均，建議完善、推廣應(yīng)用一體化的分層壓裂工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次施工壓開多層，縮短作業(yè)時(shí)間、降低儲(chǔ)層傷害、提高單井產(chǎn)量。

（5）延長(zhǎng)油田上古生界氣藏具有低孔、低滲、致密的特點(diǎn)，儲(chǔ)層連續(xù)性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，建議開展小區(qū)域壓裂效果與施工參數(shù)的類比分析、大規(guī)模加砂試驗(yàn)、支撐裂縫高度監(jiān)測(cè)等措施，進(jìn)一步優(yōu)化壓裂施工參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)施工參數(shù)與儲(chǔ)層匹配，達(dá)到高效改造儲(chǔ)層的目的。

[1]?？酥Z米德斯 米卡爾J，諾爾特肯尼斯G.油藏增產(chǎn)措施[M].3版.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2]劉兆江.低滲致密氣藏壓裂增產(chǎn)技術(shù)[J].斷塊油氣田，2008，15（5）：103-105.

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The upper paleozoic gas reservoirs in Yanchang Oilfields are characterized by the poor continuity,the rapid change of gasbearing sand-bodies,and the strong uneven property,and possess the typical features of low holes,low permeability,low pressure,low degree of richness and low production,so it is very difficult to apply the fracturing reform technology to the gas reservoirs.In recent years of natural gas exploration,after the continuous researches,tests and field uses,a series of fracturing reform technologies are summarized,which are adaptable to the upper paleozoic gas reservoirs of Shihezi group,Shanxi group,Benxi group and so on in Yanchang region,and thus getting the better effect after the field construction.Therefore,an explanation of fracturing reform technology is conducted from the following aspects like perforation technology,fracturing technology with sand,especially the confirmation of fracturing liquid system,supporting agent and construction main parameters,and fracturing collocation technology.Then,this reform technology has been analyzed and proved by the field construction state and the result of research in the room.Finally,some suggestions are presented aiming at the next step of fracturing reform work about the upper paleozoic gas reservoirs of Yanchang oilfields.

Yanchang gas fields;Ordos Basin;upper paleozoic gas reservoirs;lowest permeability;fracturing technology

王香增（1968-），男，高級(jí)工程師，博士后，目前主要負(fù)責(zé)延長(zhǎng)石油(集團(tuán))公司所屬資源（煤、石油、天然氣、鹽）的勘探、開發(fā)及能源的高效利用等方面的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)應(yīng)用及管理工作。

2010-05-21