束鹿泥灰?guī)r致密油水平井體積壓裂技術(shù)研究

唐邦忠 沈 華 才 博 吳 剛 趙安軍 盧 昊

1.中國(guó)石油華北油田公司，河北 任丘 062550；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007

0 前言

束鹿泥灰?guī)r-礫巖致密油氣藏的勘探始于20 世紀(jì)70 年代，目前該地區(qū)已鉆探40 余口井，已有8 口井獲工業(yè)油氣流，但因泥灰?guī)r致密油儲(chǔ)層連通性極差，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)。 近年來(lái)，水平井體積壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外致密油氣藏勘探開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了可喜成果［1-5］。故針對(duì)泥灰?guī)r-礫巖致密油儲(chǔ)層鉆探了束探1 H 及束探2 x 兩口水平井， 力爭(zhēng)通過(guò)開(kāi)展水平井體積壓裂技術(shù)的實(shí)驗(yàn)獲得突出效果。

1 儲(chǔ)層研究及壓前實(shí)驗(yàn)分析

1.1 巖石學(xué)特征

束鹿地區(qū)下第三系沙三段主要發(fā)育深湖相泥灰?guī)r與礫巖， 根據(jù)成分和結(jié)構(gòu)特征可分為泥晶灰?guī)r和泥屑灰（云）巖兩種類(lèi)型。泥晶灰?guī)r的主要礦物成分與泥屑灰（云）巖相似，由方解石、白云石及黏土組成，極細(xì)結(jié)構(gòu)，多呈隱晶質(zhì)或結(jié)晶狀態(tài)［6］。 泥晶灰?guī)r在鏡下有三種狀態(tài)：充填于泥屑灰?guī)r生物擾動(dòng)痕跡；作為鈣質(zhì)頁(yè)巖的紋層存在；呈塊狀形式產(chǎn)出，結(jié)構(gòu)及成分較簡(jiǎn)單，其中生物化石（如介殼、魚(yú)化石等）較常見(jiàn)。 泥屑灰?guī)r及泥晶灰?guī)r空間分布靠近物源，泥屑灰?guī)r含量高于泥晶灰?guī)r。

1.2 全巖實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)40 余塊巖心的全巖實(shí)驗(yàn)分析表明：儲(chǔ)層中碳酸巖含量64%～85%， 黏土含量15%～25%， 石英含量15%～20%，不同井或同井不同層之間差異較大。 黏土礦物中伊利石占45%～60%，伊/蒙間層占40%～50%。

1.3 壓汞實(shí)驗(yàn)分析

束探1 H 井巖心壓汞實(shí)驗(yàn)表明：退汞效率只有26%，相對(duì)較低，喉道半徑主要在0.1 μm 左右，分析認(rèn)為碳酸鹽地層為特低滲透儲(chǔ)層。

1.4 物性實(shí)驗(yàn)分析

沙三下段泥灰?guī)r主要為孔隙-裂縫型儲(chǔ)層， 以層間縫及構(gòu)造微裂縫為主，呈網(wǎng)格狀分布，溶蝕孔、洞不發(fā)育，物性較差。 通過(guò)對(duì)束鹿地區(qū)幾口井的巖心核磁共振分析（見(jiàn)表1）可知：儲(chǔ)層孔隙度和滲透性極差，可動(dòng)流體飽和度為2.18%～15.69%，按照可動(dòng)流體飽和度劃分儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2），束鹿泥灰?guī)r-礫巖屬于V 類(lèi)儲(chǔ)層，但束縛水飽和度極高，為84%～97%，基質(zhì)儲(chǔ)滲能力極差，無(wú)儲(chǔ)油能力，裂縫既是儲(chǔ)集空間，又是滲流通道。

表1 束探1H 井核磁共振結(jié)果

表2 可動(dòng)流體飽和度劃分儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)

1.5 巖石力學(xué)參數(shù)的研究

對(duì)束探1 H 井、 晉98 x 井巖心及束探2 x 井井壁取心的三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知（見(jiàn)表3），該區(qū)巖石的楊氏模量較高，一般在40 000 MPa 以上。 同時(shí)根據(jù)測(cè)井資料，該區(qū)巖石的楊氏模量為45 000～74 400 MPa，徑向應(yīng)力為50～60 MPa。

1.6 巖石脆性研究

根據(jù)測(cè)井資料解釋?zhuān)?該區(qū)巖石脆性指數(shù)為32.98%～89.52%，一般在70%～80%，說(shuō)明地層適應(yīng)改造，但破裂壓力較高。

2 酸液配方研究

2.1 酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為提高酸液對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕能力和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力， 優(yōu)化與束鹿泥灰?guī)r匹配的酸液類(lèi)型和配方體系，對(duì)束探1 H 井巖心與束探2 x 井井壁取心進(jìn)行了酸溶蝕能力實(shí)驗(yàn)，同一深度的巖心分別與5%、10%、12%、15%、20%的鹽酸在90 ℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果表明：從酸蝕反應(yīng)看，溶蝕率差異較大，在60%～95.24%，但對(duì)于同一巖樣，在不同濃度的酸液中其溶蝕率差別不大。

2.2 酸液體系優(yōu)選

分別對(duì)8%、12%、16%、20%四種濃度下普通鹽酸、交聯(lián)酸、膠凝酸、清潔酸四種等酸液在130 ℃，510 r/min，反應(yīng)2 min 的條件下進(jìn)行酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)， 得出其反應(yīng)速率分別為：普通鹽酸（6.454～7.473）×10-6mol/s·cm2、交聯(lián)酸（5.774～7.813）×10-6mol/s·cm2、 膠凝酸（2.718～6.454）×10-6mol/s·cm2、清潔酸（2.083～1.291）×10-6mol/s·cm2。由于清潔酸具有變黏性，在巖心表面形成高黏區(qū)，改變了巖心壁面的酸液流態(tài)， 能大幅降低酸巖反應(yīng)速率，提高酸液有效作用距離。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選酸巖反應(yīng)速率較低的清潔酸作為束鹿泥灰?guī)r-礫巖致密油氣藏儲(chǔ)層的主體酸液體系。

2.3 工作酸液配方評(píng)價(jià)

通過(guò)酸巖反應(yīng)及體系優(yōu)選，優(yōu)選了以清潔酸為主體酸的酸液體系， 通過(guò)對(duì)清潔酸的黏度變化及黏溫性能、濾失性能、傷害性能、酸蝕裂縫導(dǎo)流能力與酸巖反應(yīng)評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)表明：

a）15%的鹽酸與地層配合性達(dá)到最好時(shí)， 清潔酸濃度越高， 體系黏度越低；12% HCL+3% HF+4% VES+1%HSJ+0.5%鐵離子穩(wěn)定劑配方的黏度最大，能很快與原油反應(yīng)面破膠，但與地層水結(jié)合后破膠不徹底，需壓后加入破膠劑進(jìn)行破膠。

表3 三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表

b） 清潔酸具有較強(qiáng)的控制酸液濾失能力，清潔酸液體系對(duì)儲(chǔ)層傷害率小。

c） 在相同條件下， 清潔酸液體體系隨著排量的增加，降阻性能增強(qiáng)。

d）pH﹤5 條件下，鐵離子穩(wěn)定劑在清潔酸中穩(wěn)定性能良好。

e） 經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的配方實(shí)驗(yàn)研究確定適合束鹿地區(qū)儲(chǔ)層改造的配方方案為15%HCl+3% 緩蝕劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑+5%SVES。

3 體積壓裂方案優(yōu)化

3.1 體積壓裂原則

優(yōu)化支撐剖面， 最大限度提高裂縫有效支撐長(zhǎng)度，保持有效的導(dǎo)流能力，減少對(duì)儲(chǔ)層與裂縫的傷害，滿(mǎn)足HSE 要求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裂縫的改造效果。

3.2 體積壓裂難點(diǎn)

a）巖性復(fù)雜，為泥灰?guī)r-礫巖，體積壓裂無(wú)可借鑒先例。

b）儲(chǔ)層埋藏深度大（垂深達(dá)4 100 m）。

c）儲(chǔ)層致密，地層破裂壓力高達(dá)80～90MPa，加砂困難。

d）措施液量大，難以連續(xù)進(jìn)行體積壓裂。因此，束鹿泥灰?guī)r-礫巖致密油氣藏體積壓裂屬于國(guó)際難題， 處于探索階段。

3.3 體積壓裂對(duì)策

目前水平井分段體積壓裂技術(shù)主要有多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂、多級(jí)滑套封隔器分段壓裂、裸眼可膨脹封隔器分段壓裂、水力噴砂分段壓裂、多井同步壓裂五種［7-9］。根據(jù)五種改造方式的特點(diǎn)與束鹿地區(qū)的儲(chǔ)層的適應(yīng)性，結(jié)合改造致密油儲(chǔ)層改造體積最大化的技術(shù)需求及大規(guī)模、大排量的施工要求，設(shè)計(jì)采用多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術(shù)。

束鹿地區(qū)的儲(chǔ)層特點(diǎn)及各段顯示情況，選用國(guó)內(nèi)外成熟的多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術(shù)，結(jié)合華北多年潛山改造經(jīng)驗(yàn)，探索“以加砂壓裂為主、酸壓為輔”和“以酸壓為主、加砂壓裂為輔”的“加砂與酸壓”相結(jié)合的復(fù)合改造思路。 充分發(fā)揮兩種技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高裂縫溝通體積及導(dǎo)流能力。 同時(shí)根據(jù)套管情況，要求采取措施時(shí)控制施工壓力為85 MPa，盡量提高注入排量。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及效果分析

采用上述體積壓裂技術(shù)對(duì)2 口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，其中束探1H 井采用大規(guī)模“測(cè)試壓裂+多級(jí)酸壓+通道壓裂”的測(cè)、酸、壓體積壓裂方式施工三段，壓裂液3 560 m3、清潔酸1 060 m3，施工排量10.0～11.93 m3/min, 施工最高壓力55.10 MPa，陶粒128.9 m3。 束探2 x 井采用酸壓+大通道體積加砂壓裂方案共施工7 段，共注入液體8 229 m3，施工排量5.0～8.3 m3/min, 施工最高壓力84.4 MPa， 加砂69.3 m3。 兩口井壓裂后均獲得工業(yè)油流，束探1 H 井4 620～4 953 m 井段，9 mm 油嘴放噴，41.275 孔板測(cè)氣，產(chǎn)原油243.6 m3/d，產(chǎn)氣74 121 m3/d,為高產(chǎn)工業(yè)油氣流；束探2 x 井壓后求產(chǎn)，5 mm 油嘴、12.7 mm 孔板放噴，產(chǎn)原油21.12 m3/d，產(chǎn)氣1 093 m3/d。

5 結(jié)論

a）體積壓裂技術(shù)可有效提高束鹿泥灰?guī)r-礫巖水平井的改造效果，但由于巖性及成份的不同，改造效果差異較大，對(duì)于泥質(zhì)含量較高的泥灰?guī)r，基本無(wú)法改造，如束探1 H 井的第二段及束探2 x 井的第四段。

b） 由于泥灰?guī)r-礫巖特殊的巖性， 雖然改造效果較好，但主要還需要有縫洞的溝通，同時(shí)由于泥灰?guī)r中泥質(zhì)的原因，可能影響措施液的返排，達(dá)不到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的，束探2 x 井尚需要繼續(xù)進(jìn)行工作，弄清改造真實(shí)情況。

c） 水平井體積壓裂技術(shù)在華北致密油氣勘探應(yīng)用中，尚處于探索階段，特別是針對(duì)泥灰?guī)r這一世界難題，還須進(jìn)一步研究。

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