洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓裂工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

丁 咚 劉 林 李思洲

(1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.中國石化西南油氣分公司龍星公司)

0 引言

洛帶氣田上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)氣藏，其產(chǎn)層埋藏淺(400m～1600m)，已證實(shí)自上而下發(fā)育Jp1—Jp44個(gè)氣藏和12套含氣砂體[1]。該氣藏儲(chǔ)層巖石類型以巖屑石英砂巖為主，局部夾有薄層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。膠結(jié)物含量較高，成分以方解石為主，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)。氣藏平均孔隙度11.2%，平均滲透率2.173mD，平均含水飽和度40.39%，粘土含量10.3%，地層溫度23℃～48℃，地壓系數(shù)0.5～1.0，屬于低滲、低溫、低壓氣藏。由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)量豐度低、含氣砂體的展布規(guī)模較小、砂體連續(xù)性普遍較差，氣井初產(chǎn)量低。同時(shí)經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，隨著采出程度的逐年增加，氣藏地層壓力不斷下降，壓裂液返排率逐年降低，滯留地層的壓裂液給儲(chǔ)層帶來的傷害逐年增加，導(dǎo)致了無論是新井開發(fā)，還是老井挖潛，壓裂效果均不明顯，影響了氣藏產(chǎn)量的穩(wěn)定和采收率的提高，給壓裂工藝技術(shù)的針對性提出了更高的要求。

1 加砂壓裂關(guān)鍵工藝技術(shù)

1.1 液氮增能技術(shù)

目前洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏低壓、壓后壓裂液返排能力較差，滯留地層的壓裂液對儲(chǔ)層傷害大，而且，前置液及先期泵注的攜砂液在裂縫中暴露時(shí)間長，濾失量大，液氮能量在地層中會(huì)部分?jǐn)U散導(dǎo)致其增能作用下降，且實(shí)際有效的液氮量低于混注的液氮量。因此，應(yīng)采取大排量階梯式全程拌注液氮的施工工藝。根據(jù)施工過程中壓裂液在裂縫中的暴露時(shí)間的不同，將前置液及先期泵注的攜砂液的混氣量增大，同時(shí)通過加入性能優(yōu)良的起泡劑，使得注入壓裂液中的液氮能最大限度地形成泡沫以降低壓裂液濾失，提高液氮的使用效果，進(jìn)而降低儲(chǔ)層傷害。

泡沫質(zhì)量是液氮增能壓裂設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，在氣體的啟動(dòng)壓力規(guī)律的基礎(chǔ)上根據(jù)壓力平衡原理，得出壓裂液自噴返排的最小泡沫質(zhì)量計(jì)算公式：

(1)

式中：

ρl—壓裂液密度，g/cm3；

h—井深，m；

ρgm—在p、T條件下氮?dú)獾拿芏?，g/cm3；ρgm=pM/RT×10-3；

pe—地層壓力，MPa；

h—液柱高度，m；

δp—啟動(dòng)壓力、摩阻及氣體滑脫損失，MPa。

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏由于地層壓力較低，為了提高液氮的增能助排能力，選擇泡沫質(zhì)量最大在35%左右。此工藝在洛帶蓬萊鎮(zhèn)氣井進(jìn)行了成功的推廣應(yīng)用(表1)，使得大部分氣井壓后返排速度顯著加快，返排率明顯提高，見氣點(diǎn)火時(shí)間縮短至7小時(shí)內(nèi)，具有較好的針對性。

表1 液氮增能效果

1.2 全程纖維加砂技術(shù)

為了降低水基壓裂液殘?jiān)纬蔀V餅對儲(chǔ)層的傷害，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏常采用超低稠化劑濃度的壓裂液體系。然而，對超低濃度稠化劑壓裂液來說，要想在降低稠化劑濃度的時(shí)候，還能不影響壓裂液性能，通常依靠多種工藝方法來提高壓裂液性能，如纖維的加入可以彌補(bǔ)由于稠化劑濃度的降低所帶來的攜砂性能的降低[2]。因此，鑒于洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏使用的壓裂液稠化劑濃度相對較低，采用全程纖維加砂的方法以增強(qiáng)其攜砂性能。通過實(shí)驗(yàn)，以支撐裂縫導(dǎo)流能力和滲透率為目標(biāo)，對纖維的濃度進(jìn)行了優(yōu)化(圖1)，由圖1可見，當(dāng)纖維量為砂量的7‰時(shí)，對導(dǎo)流能力和滲透率的改善作用最好。

目前該技術(shù)主要應(yīng)用于蓬萊鎮(zhèn)組單層壓裂或多層分壓裂最上層的壓裂施工。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，避免纖維堵塞油管，施工時(shí)設(shè)計(jì)纖維濃度為4-5‰，從已成功實(shí)施的20口洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣井的應(yīng)用效果來看，配合采用全程液氮拌注，可彌補(bǔ)由于稠化劑濃度的降低而引起壓裂液攜砂性能的降低，進(jìn)而滿足洛帶蓬萊鎮(zhèn)氣藏壓裂施工的要求。

圖1 纖維濃度-導(dǎo)流能力、滲透率評價(jià)結(jié)果

1.3 快速返排技術(shù)

在水力壓裂設(shè)計(jì)施工中，為了盡量減少壓裂液破膠液在地層中滯留時(shí)間過長對儲(chǔ)層造成的傷害、提高支撐劑在儲(chǔ)層內(nèi)的支撐效率，往往采取裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)。裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)的目的在于壓裂后，不等裂縫自然閉合，就用一定尺寸的油嘴以高于壓裂液的自然濾失速度控制放噴，使支撐劑還未沉降或沉降不多時(shí)就被裂縫壁夾住，從而最大限度地保證支撐劑在產(chǎn)層里的有效支撐，并防止有效支撐縫長的縮短。

為達(dá)到這一目的，根據(jù)裂縫強(qiáng)制閉合理論[3]，計(jì)算出在洛帶蓬萊鎮(zhèn)組20MPa左右的閉合應(yīng)力下不出砂的臨界流速為20mm/s，根據(jù)各井的實(shí)際情況從而可最終確定返排油嘴的大小。

通過對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏的壓裂改造中實(shí)施該快速返排技術(shù)，液體的返排率比以前提高了5%，在避免出砂的同時(shí)縮短了排液周期，降低了液體對地層的傷害，改善了裂縫支撐剖面，從而提高了裂縫的導(dǎo)流能力。如果配合采用拌注纖維工藝，還可進(jìn)一步提高支撐劑移動(dòng)的臨界流速和縮短排液周期，進(jìn)一步降低儲(chǔ)層傷害。

1.4 多層分壓工藝技術(shù)

針對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏儲(chǔ)層縱向砂體多的特點(diǎn)，為提高氣井產(chǎn)量、促進(jìn)儲(chǔ)量的有效動(dòng)用，提高氣田整體開發(fā)效益，可以考慮采用多層分壓(裂)合采的方式。以氣井縱向地應(yīng)力剖面為基礎(chǔ)，針對不同的地層、井筒和應(yīng)力情況，自2009年以來形成的以Y241工具為主的不動(dòng)管柱的分壓工藝在洛帶氣田發(fā)揮了重要作用，該不動(dòng)管柱工藝采用封隔器和滑套組合，其施工工序是：從油管注入進(jìn)行分層壓裂，壓后從油管進(jìn)行合采。

在原有兩層分層壓裂工藝的基礎(chǔ)上，通過對各種多層壓裂工藝的適應(yīng)性評價(jià)和技術(shù)攻關(guān)，在洛帶氣田L(fēng)87D井成功開展了Y241封隔器不動(dòng)管柱分別壓裂三層的工藝試驗(yàn)，并獲得了成功，其壓裂管串結(jié)構(gòu)(由下至上)為：座封球座+接球座+Y241封隔器+噴砂滑套+接球座+Y241封隔器+噴砂滑套+油管至井口。

2009年以來，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組加砂壓裂改造中有15口井都采用該工藝進(jìn)行分層壓裂，一次性施工成功率達(dá)到100%，均取得了好的效果，使氣藏得到了高效開發(fā)。

1.5 施工參數(shù)優(yōu)化

通過對洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏工程地質(zhì)特征的研究，在分析前期壓裂施工參數(shù)和對儲(chǔ)層進(jìn)一步認(rèn)識的基礎(chǔ)上，對洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓裂施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了以Ellins目標(biāo)縫長標(biāo)準(zhǔn)(表2)為參考，并以控制裂縫高度為目的，形成了以“低砂量、低砂比、小排量、低前置、高效返排”為特色的壓裂設(shè)計(jì)思路。

表2 Ellins對致密油氣藏確定的壓裂規(guī)模及壓裂裂縫的縫長標(biāo)準(zhǔn)

儲(chǔ)層類型儲(chǔ)層滲透率(mD)改造方式裂縫半長(m)常規(guī)儲(chǔ)層>1.0常規(guī)壓裂<100非常規(guī)儲(chǔ)層低滲透層0.1^1.0中型壓裂100^250致密層0.05^-0.10大型壓裂>250很致密層0.001^0.050超級壓裂>600超致密層 <0.001超級壓裂>750

(1)加砂規(guī)模優(yōu)化

加砂規(guī)模的設(shè)計(jì)主要是以達(dá)到理想產(chǎn)量所需要的裂縫長度及導(dǎo)流能力為目的。目前，壓裂目標(biāo)縫長優(yōu)化主要參考Ellins標(biāo)準(zhǔn)，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏儲(chǔ)層的滲透率主要分布在0.6mD～6mD，多為Ⅱ類～Ⅲ類儲(chǔ)層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組Ⅱ類～Ⅲ類儲(chǔ)層的平均滲透率約為0.8mD，參考Ellins標(biāo)準(zhǔn)，壓裂所形成的人工裂縫長度在100m～250m為最佳。同時(shí)應(yīng)用FracproPT軟件對蓬萊鎮(zhèn)的不同加砂規(guī)模進(jìn)行模擬，得到單層施工的加砂強(qiáng)度以1.0m3/m～2.0m3/m為最佳。

(2)前置液量的確定

壓裂設(shè)計(jì)的前置液確定原則：保證施工正常進(jìn)行的前提下，應(yīng)盡量減小前置液量以降低儲(chǔ)層傷害。理論上最優(yōu)前置液百分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)是最后一批砂子進(jìn)入時(shí)，前置液正好濾失完。但在實(shí)際施工設(shè)計(jì)時(shí)為保險(xiǎn)起見，要求以支撐裂縫半長與動(dòng)態(tài)裂縫半長比值為85%～90%來確定前置液的百分?jǐn)?shù)為宜，據(jù)此，優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的前置液量與砂量之比在1︰1～1.2︰1。

(3)施工排量的優(yōu)化

施工排量是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù), 它會(huì)影響施工泵壓和裂縫的幾何尺寸。一方面由于洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏儲(chǔ)層較薄，采取小排量施工能夠更好控制縫高，增加裂縫的長度；另一方面考慮到與大排量液氮增能助排工藝相結(jié)合，壓裂設(shè)計(jì)的泵注排量以1.5m3/m～2.5m3/min為宜。

(4)砂比的優(yōu)化

砂比的設(shè)計(jì)主要應(yīng)根據(jù)壓裂區(qū)塊先前的壓裂經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)模條件下所需要達(dá)到的裂縫縫長來確定，前期洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣井壓后壓裂液返排困難，為了盡可能減少加入液體量，施工平均砂比較高，約在27%左右。洛帶蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層薄、壓裂規(guī)模較小，為了減少入地液量，降低壓裂液對儲(chǔ)層的傷害，需要減少攜砂液量而提高砂比。然而，在給定加砂規(guī)模的條件下，提高砂比可能會(huì)減小縫長而降低支撐裂縫的導(dǎo)流能力，因此，在設(shè)計(jì)壓裂施工砂比時(shí)，原則上應(yīng)以形成較長的人工裂縫為主要目標(biāo)而適當(dāng)降低砂比，故目前優(yōu)化選擇的洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓裂施工的平均砂比為20%左右。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2009年以來，通過以上壓裂工藝及配套技術(shù)的集成應(yīng)用，壓裂施工33井次50層次，措施成功率100%，增產(chǎn)有效率83.3%，壓后效果由壓前的無氣或產(chǎn)氣微量增加到壓后累計(jì)測試產(chǎn)量33.3447×104m3/d，增產(chǎn)倍比及投入產(chǎn)出比顯著，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該集成技術(shù)盤活了低品位儲(chǔ)量、挖掘發(fā)揮了小氣田的巨大潛力，為川西地區(qū)中淺層氣藏難動(dòng)用儲(chǔ)量的開發(fā)提供了新的壓裂改造技術(shù)思路和技術(shù)保障。

3 結(jié)論

(1)洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)量豐度低、含氣砂體的展布規(guī)模較小、砂體連續(xù)性普遍較差、氣井初產(chǎn)量低，壓裂時(shí)壓裂液返排率低，壓裂效果不明顯。

(2)結(jié)合氣藏工程地質(zhì)特征的研究，同時(shí)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用，在洛帶蓬萊鎮(zhèn)組形成了液氮增能、全程纖維、快速返排、分壓合采、優(yōu)化參數(shù)等關(guān)鍵壓裂技術(shù)。

(3)2009年以來壓裂井增產(chǎn)效果由壓前的無氣或產(chǎn)氣微量增加到壓后累計(jì)測試產(chǎn)量33.3447×104m3/d，增產(chǎn)倍比及投入產(chǎn)出比顯著，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組壓裂技術(shù)的應(yīng)用，為推動(dòng)川西中淺層氣藏難動(dòng)用儲(chǔ)量的開發(fā)，提高西南分公司資源動(dòng)用程度提供了新的技術(shù)支撐和改造工藝技術(shù)。

1 張曉莉,羅鋒.川西洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層特征[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(3): 33-37.

2 黃禹忠,任山.纖維網(wǎng)絡(luò)加砂壓裂工藝技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)[J],鉆采工藝,2008,31(1).

3 Ely J W，Arnold W T and Holditch S A．New Techniques and Quality Control Find Success in Enhancing Productivity and Minimizing Proppant Flowback.SPE 20708,1990.