改善查干凹陷壓裂效果技術(shù)研究與應(yīng)用

聶建華，魏美濤，耿智強

（1.中原油田分公司內(nèi)蒙探區(qū)勘探開發(fā)指揮部，河南濮陽 457001；2.中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；3.西南石油大學化學化工學院，四川成都 610500）

隨著中原油田在內(nèi)蒙探區(qū)勘探工作的推進，在內(nèi)蒙探區(qū)查干凹陷發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模的非常規(guī)火成巖儲層，該火成巖儲層具有巖性變化大，地應(yīng)力分布復雜，成藏條件差，破裂壓力高，地層溫度高，壓裂施工難度大，采用常規(guī)的壓裂工藝技術(shù)難以達到理想的效果。為解決查干儲層壓裂技術(shù)難題，在通過對國內(nèi)外火成巖儲層壓裂技術(shù)調(diào)研和前期壓裂資料總結(jié)的基礎(chǔ)上，依托中國石油大學（北京）加大室內(nèi)基礎(chǔ)研究，開展儲層地應(yīng)力敏感性實驗評價和傷害評價、查干凹陷火成巖前期壓裂效果分析及儲層壓裂的滲流特征研究、油藏應(yīng)力場分布特征研究、壓裂液體系配方開發(fā)研制和降濾失實驗評價、加砂支撐劑攜砂能力研究、壓后返排制度優(yōu)化研究、工程設(shè)計方案的優(yōu)化設(shè)計及現(xiàn)場施工應(yīng)用，全面、深入地分析火山巖油氣藏的儲層特征，研究起裂壓力、滲流機理、裂縫延伸機理和儲層的傷害特征[1]，將研究成果應(yīng)用現(xiàn)場取得了較好的效果，豐富和完善了中原油田內(nèi)蒙探區(qū)壓裂工藝技術(shù)體系，對該類儲層下步勘探開發(fā)的突破具有重大意義。

1 油藏概況

查干凹陷位于銀根-額濟納旗盆地中央隆起東北部查干德勒蘇拗陷，南為本巴圖隆起，東南緊靠狼山，東北部與白云查干凹陷相鄰，西臨西尼特凸起，呈不規(guī)則菱形，長約60 km，寬約32 km，面積約2 000 km2，凹陷的基底最大埋深為6 400 m。凹陷內(nèi)鉆井資料揭示，蘇一段、蘇二段火山巖厚達379 m～642 m，占地層厚度的50 %以上，主要為玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r，它們發(fā)育有氣孔構(gòu)造、裂縫等儲集空間，是良好儲層。儲集空間是原生孔隙和原生裂縫，局部為由于后期溶蝕作用產(chǎn)生的溶蝕孔隙和構(gòu)造作用產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫。儲層平均孔隙度為10 %左右，滲透率為0.101×10-3μm2～16.4×10-3μm2。

2 基礎(chǔ)研究及室內(nèi)評價

2.1 儲層敏感性評價

通過對蘇一段和巴二段兩個儲層的鉆井所取的28 塊巖心，經(jīng)過反復實驗探索，采用小流量和定壓的方法，分別開展了水敏、酸敏、堿敏、速敏、鹽敏和壓力敏感性實驗結(jié)果（見表1），對儲層敏感特征進行了總體評價。蘇一段速敏傷害程度弱，水敏性不強，對酸敏、堿敏和應(yīng)力敏感性都較弱。巴二段速敏傷害程度屬于中等偏弱，水敏損害程度中等偏弱，酸敏感性強，堿敏感性中等偏強，應(yīng)力敏感性也較弱。

表1 巖心敏感性實驗結(jié)果匯總表

結(jié)合蘇一段和巴二段儲層黏土礦物進行分析，探尋了導致其儲層傷害的主要因素，同時制定了相應(yīng)的對策。通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)蘇一段和巴二段儲層的敏感性差異較大；巴二段的酸敏和堿敏損害較強主要是由于巖中含有較多的綠泥石和方解石膠結(jié)物；蘇一段的速敏、水敏和鹽敏較強的直接原因是巖中高嶺石膠結(jié)物的含量較高；蘇一段主要損害因素是外來固相顆粒損害，其次是儲層敏感性因素；巴二段主要損害因素是外來固相顆粒損害和堿敏、速敏和酸敏。因此在施工措施中入井液體可以考慮精細過濾和防膨處理，以減少固相顆粒對裂縫和溶蝕孔隙的堵塞；該區(qū)塊破裂壓力較高，但巴二段不易進行采用前置酸處理進行降低破壓的工藝，可以探索其他的降低破壓的工藝；壓力敏感性屬于中等偏弱，為防止地層應(yīng)力敏感性引起的不可逆性地層傷害，應(yīng)盡量控制壓差在合理的范圍內(nèi)。

2.2 前期壓裂效果評價

通過對查干凹陷前期11 口井25 井次的壓裂井資料的收集整理，應(yīng)用“灰色關(guān)聯(lián)度分析”開展地質(zhì)效果評價和工藝效果評價，得出影響壓后產(chǎn)能和施工的主次因素。地質(zhì)因素選取了厚度、孔隙度、滲透率、含油飽和度與壓后產(chǎn)能進行灰色關(guān)聯(lián)度的分析，分別得出了蘇一段和巴二段4 種地質(zhì)因素與壓后日產(chǎn)油的灰色關(guān)聯(lián)度和排序情況（見表2、表3）。工藝參數(shù)選取了前置液百分數(shù)、施工排量、加砂強度、平均砂比與壓后產(chǎn)能進行灰色關(guān)聯(lián)度的分析，分別得出了蘇一段和巴二段4 種施工因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度和排序情況（見表4、表5）。

表2 地質(zhì)因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度（蘇一段）

表3 地質(zhì)因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度（巴二段）

表4 施工因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度（蘇一段）

表5 施工因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度（巴二段）

對比地質(zhì)因素和施工因素與產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度較施工因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度略大，突出了選井選層的重要性。施工因素與壓后產(chǎn)能的灰色關(guān)聯(lián)度說明了施工過程中排量和砂比的重要性。

2.3 儲層滲流特征分析

通過對蘇一段與巴二段的儲層巖石學特征進行研究，表明蘇一段儲集空間類型以粒間溶孔為主，少量裂縫和粒內(nèi)溶孔，顆粒表面微裂縫發(fā)育，沿微裂縫方向發(fā)育溶孔，但孔隙連通不太好；而巴二段以碎屑巖為主，主要的儲集空間類型粒間溶孔為主，其次為粒內(nèi)溶孔和構(gòu)造縫，微裂縫不發(fā)育（見圖1）。通過對蘇一段173塊巖心的孔滲關(guān)系與巴二段的188 塊巖心的孔滲關(guān)系統(tǒng)計分析研究，表明巴二段的巖心孔滲關(guān)系相比蘇一段的相關(guān)性好，孔隙度與滲透率在半對數(shù)坐標上具有較好的線性關(guān)系（見圖2、圖3）。

通過對巴二段的壓力敏感效應(yīng)實驗結(jié)果的分析（見圖4），得出該段隨著凈應(yīng)力的增加，表現(xiàn)出較強的應(yīng)力敏感性，并且當壓力恢復時，滲透率不能恢復到初始狀態(tài)，說明發(fā)生了一定的塑性變形，且其應(yīng)力敏感程度屬于中等程度。通過常規(guī)壓汞實驗研究，結(jié)果表明蘇一段和巴二段儲層孔喉半徑分布以雙峰為主，孔隙結(jié)構(gòu)較為復雜，次生孔隙發(fā)育。對滲透率貢獻最大的孔喉卻占據(jù)較小體積，而主要的孔喉空間為中、小孔喉，其對滲透率貢獻很小，非有效孔喉體積較大。

圖1 蘇一段與巴二段孔隙類型圖

圖2 蘇一段碎屑巖孔、滲關(guān)系圖

圖3 巴二段碎屑巖孔、滲關(guān)系圖

2.4 儲層壓裂特征分析

為充分了解蘇一段、巴二段地應(yīng)力的分布，分別對所取的巖心進行取芯進行三軸壓縮實驗，得到了巖心的楊氏模量、泊松比和抗壓強度，為進一步壓裂改造設(shè)計提供了科學依據(jù)。對應(yīng)于巖心實驗結(jié)果，蘇一段、巴二段各選取了2 口井進行儲層井段的地應(yīng)力剖面處理解釋。得出以下結(jié)論：巖石抗拉強度比較大，解釋的結(jié)果同室內(nèi)實驗的結(jié)果較為吻合。誤差率為：σh，14.6 %，泊松比，30.9 %，楊氏模量，12.9 %。地應(yīng)力分布規(guī)律為垂向主應(yīng)力σv＞最大水平主應(yīng)力σH＞最小主應(yīng)力σh，應(yīng)產(chǎn)生垂直縫。從直井解釋的地應(yīng)力剖面來看，縱向地應(yīng)力分布復雜，有的隨井深的增加而緩慢增加，有的成S型分布，也有高地應(yīng)力層段存在。在壓裂施工設(shè)計和優(yōu)化時應(yīng)結(jié)合具體井的地應(yīng)力剖面[2-5]，采用控制縫高向上或向下延伸的工藝技術(shù)。根據(jù)室內(nèi)巖心實驗解釋結(jié)果，所取巖心泊松比相差較大，楊氏模量普遍較高，儲隔層地應(yīng)力差值較小，縫高易過度延伸，應(yīng)采取控縫高的壓裂技術(shù)。

圖4 巴二段碎屑巖孔、滲關(guān)系圖

2.5 壓裂液體系優(yōu)化

針對儲層特征，優(yōu)化出查干凹陷地區(qū)的壓裂液體系，分別對篩選的壓裂液開展室內(nèi)評價和降阻劑配方優(yōu)化室內(nèi)評價（見表6），篩選出適用于查干凹溫度范圍（80 ℃、90 ℃、100 ℃），具有配方簡單、溶解速度快、配制方便、成本低及對儲層傷害低與儲層配伍性良好特點的Gemini 雙子表面活性劑體系。并通過降阻劑配伍性與巖心傷害評價表明[6]，防膨劑JS-7、助排劑DL-8 和殺菌劑甲醛與PJZJ-6 降阻劑配伍性良好，不產(chǎn)生絮凝或者沉淀物質(zhì)，根據(jù)巖心流動試驗表明添加降阻劑后對巖心所測滲透率傷害增幅平均為14.43 %。

表6 壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率傷害的實驗結(jié)果

2.6 壓后返排優(yōu)化設(shè)計

為了優(yōu)選合適的放噴模式，分別進行裂縫自然閉合模式和強制閉合模式，在強制閉合模式中，計算了不同尺寸油嘴放噴時井口壓力隨時間的變化規(guī)律、裂縫的閉合時間[7]，并計算了裂縫閉合時井口壓力的大小。優(yōu)化設(shè)計了如下的返排放噴程序：裂縫在關(guān)井的情況下需要74 min 就可以閉合。由于人工井底近鄰壓裂目的層下部，如果有支撐劑回流，勢必造成支撐劑掩埋井筒，因此，可以考慮關(guān)井74 min 后開始放噴。但這種情形下壓裂液濾失到地層，對地層傷害也大，為了減小壓裂液對地層的傷害，也可以采用3 mm 油嘴進行放噴，但放噴結(jié)束后必須沖砂。當井口壓力降低到7.8 MPa后，表明裂縫已經(jīng)閉合，可以改用大直徑油嘴進行放噴，比如用5 mm 油嘴放噴。放噴的臨界速度為24.88 m3/h，也就是說放噴速度不能超過24.88 m3/h，否則井底的支撐劑可能返排出井口，給井口采油設(shè)施造成傷害，如果放噴速度超過了這個臨界值，必須更換小直徑油嘴。隨著井口壓力的下降，返排速度也不斷下降，可以根據(jù)需要逐步增大油嘴尺寸，原則就是不能超過臨界返排速度，具體（見表7）。

表7 意15 井油嘴與壓力關(guān)系表

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

根據(jù)查干凹陷的研究成果，并將研究成果應(yīng)用于意15 井的壓裂設(shè)計，意15 井于2014 年10 月18 日對井段1 536.3 m～1 608.0 m 進行了壓裂施工，第一層破裂壓力31.2 MPa，入井壓裂液量198 m3，加入300 mm～600 mm 低密度陶粒12.5 m3，伴注液氮10 m3；投暫堵劑100 kg 進行第二層壓裂施工，第二層破裂壓力為32.3 MPa，入井壓裂液量246.2 m3，加入300 mm～600 mm低密度陶粒32.1 m3，兩層施工共加入壓裂液444 m3，加砂43.6 m3，通過壓裂曲線和G 函數(shù)曲線分析，證明暫堵劑滿足方案設(shè)計要求。意15 井日產(chǎn)油量由壓前試油期的油花達到壓后初期日產(chǎn)油4 m3，提高了意15 井的產(chǎn)能，意15 井壓裂工藝技術(shù)的成功為內(nèi)蒙探區(qū)壓裂工藝技術(shù)的突破提供了經(jīng)驗和技術(shù)方法。

［1］ 萬仁溥，羅英俊.壓裂酸化工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

［2］ 熊湘華.低壓低滲透油氣田的低傷害壓裂液研究［D］.成都：西南石油學院，2003.

［3］ 何萌，汪樹軍，等.一種低傷害壓裂液的性能評價與現(xiàn)場應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2015，（1）：102-104.

［4］ 高玉祥.優(yōu)化壓裂液及現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)研究［D］.大慶：大慶石油大學，2006.

［5］ 曹廣勝.3 種壓裂液性能評價及其儲層傷害原因分析［J］.大慶石油學院學報，2006，30（6）：34-36+123-124.

［6］ 柳慧，候吉瑞，王寶峰.減阻水及其添加劑的研究進展與展望［J］. 廣州化工，2012，40（11）：35-37.

［7］ 董建華，等.地應(yīng)力剖面在水力壓裂施工中的應(yīng)用［J］.大慶石油學院學報，2005，29（2）：40-42+123.