基于“極限縫寬”理論的壓裂工藝優(yōu)化與應(yīng)用

宋燕高　王興文

（中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川　德陽(yáng)　618000）

基于“極限縫寬”理論的壓裂工藝優(yōu)化與應(yīng)用

宋燕高王興文

（中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

川西深層DY氣藏埋深4 500～6 100 m，地層溫度127～140℃，平均基質(zhì)孔隙度2%～4%、平均基質(zhì)滲透率0.01～0.1 mD。具有低孔、低滲、地應(yīng)力高、天然裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，鉆井過(guò)程中鉆井液漏失，采用常規(guī)的壓裂技術(shù)，施工中經(jīng)常出現(xiàn)砂堵和泵壓異常偏高的情況，導(dǎo)致加砂壓裂施工失敗?；凇皹O限縫寬”理論，通過(guò)開(kāi)展裂縫性?xún)?chǔ)層加砂工藝優(yōu)化，采用滑溜水加砂壓裂改造，大規(guī)模液量、高施工排量和低砂比壓裂技術(shù)，壓裂設(shè)計(jì)采用多段塞加砂技術(shù)并適當(dāng)控制最高砂比等針對(duì)性措施，配套井口裝置和深穿透射孔技術(shù)，DY2-C1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工有效率為100%，最大加砂量達(dá)到50 m3，最大加砂濃度達(dá)到352 kg/m3，與常規(guī)工藝相比，該項(xiàng)試驗(yàn)提高了DY氣藏壓裂規(guī)模和效果。

川西深層DY氣藏極限縫寬段塞加砂

0　引言

川西深層DY氣藏由于儲(chǔ)層埋藏深，施工壓力高，通過(guò)前期加砂壓裂工藝實(shí)踐，存在三大難點(diǎn)：一是儲(chǔ)層致密，埋藏深，施工壓力高，施工中經(jīng)常出現(xiàn)砂堵和壓力異常偏高的情況，同時(shí)儲(chǔ)層溫度高，對(duì)工作液和井下工具的耐溫、承壓性能都提出較高要求，常規(guī)壓裂改造工藝不能滿足深層儲(chǔ)層改造需求。二是氣藏破裂壓力受裂縫和砂體影響，差異較大，局部表現(xiàn)出異常高破裂壓力特征：靠近f1斷層的DY1井、DY101井、DY102井、DY103井的TX21無(wú)明顯破裂點(diǎn)；軸部的DY3井和DY2井須二段TX21破裂壓力居中；遠(yuǎn)離斷層的DY4井TX21表現(xiàn)低應(yīng)力特征；而靠近斷層的DY7井TX21-3、DY1井TX23和遠(yuǎn)離斷層的DY2井、DY4井TX23表現(xiàn)出高破裂壓力特征。三是儲(chǔ)層發(fā)育的天然裂縫和壓裂形成的多條微裂縫，會(huì)在儲(chǔ)層改造過(guò)程中表現(xiàn)出多裂縫效應(yīng)的影響，即加砂壓裂施工時(shí)壓裂液濾失大，容易出現(xiàn)脫砂而砂堵；并且由于多條裂縫同時(shí)吸液，吸液面大，主裂縫形成困難，壓裂縫較窄而易出現(xiàn)砂堵，特別是在低砂比段極易發(fā)生砂堵；儲(chǔ)層加砂時(shí)多裂縫競(jìng)爭(zhēng)，裂縫形態(tài)復(fù)雜，近井彎曲摩阻高，同時(shí)儲(chǔ)層埋藏深，會(huì)導(dǎo)致更高的施工壓力，施工排量受限。鉆井過(guò)程中鉆井液漏失，給后期儲(chǔ)層改造帶來(lái)極大困難［1-2］。

1　儲(chǔ)層特征

DY氣藏目的層主要為須二段和須三段，儲(chǔ)層埋深4 500～6 100 m，原始地層壓力52～55 MPa，壓力系數(shù)在1.10～1.19 MPa/100 m，地溫梯度為2.07～2.24℃/100 m。儲(chǔ)層黏土礦物以伊利石為主，平均70.3%，其次為綠泥石，平均為29.6%。儲(chǔ)層物性差，孔隙度為0.95%～5.52%，平均為3.12%，屬特低孔隙度儲(chǔ)層，滲透率0.002～4.3 mD，平均為0.25 mD，主體屬致密—極致密儲(chǔ)層，以裂縫—孔隙型和孔隙—裂縫型儲(chǔ)層為主、孔隙型儲(chǔ)層次之，局部發(fā)育裂縫型儲(chǔ)層，飽和水條件下，抗張強(qiáng)度為0.79～10.94 MPa，抗壓強(qiáng)度為64～575 MPa，局部表現(xiàn)為高破裂壓力特征。

2　壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化

針對(duì)DY地區(qū)儲(chǔ)層特征，為解除裂縫性?xún)?chǔ)層鉆井液污染、降低壓裂液帶來(lái)的二次傷害，以“極限縫寬”理論為指導(dǎo)，采用滑溜水加砂壓裂改造，大規(guī)模液量、高施工排量和低砂比壓裂技術(shù)，壓裂設(shè)計(jì)采用多段塞加砂技術(shù)并適當(dāng)控制最高砂比等針對(duì)性措施，盡可能造長(zhǎng)縫，溝通遠(yuǎn)端儲(chǔ)層或裂縫。

2.1“極限縫寬”理論

深層加砂壓裂的最大施工風(fēng)險(xiǎn)就是砂堵，除了加砂濃度外，引起砂堵的另一個(gè)重要因素就是裂縫寬度。裂縫有一個(gè)極限寬度，在這個(gè)極限寬度以下，當(dāng)支撐劑達(dá)到一定濃度時(shí)，就容易出現(xiàn)支撐劑橋架，從而發(fā)生砂堵。表1為DY須家河組氣藏儲(chǔ)層的巖石力學(xué)參數(shù)，從這些參數(shù)可知，壓裂液形成的裂縫寬度有限，加砂壓裂存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。

表1　DY須家河組氣藏儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)表

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在一定的砂濃度范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫寬度與支撐劑粒徑的比值（W/D）達(dá)到一定要求后，加砂才能順利進(jìn)行，表2為不同砂濃度下的極限縫寬要求［3］。

表2　不同砂比時(shí)的極限縫寬要求表

砂比與要求的裂縫縫寬并不是線性關(guān)系，而是存在臨界值的關(guān)系，如果通過(guò)某種措施使裂縫平均縫寬超過(guò)該臨界值，砂比可以大幅度提高，甚至成倍地提高。對(duì)于裂縫型儲(chǔ)層，近井多裂縫發(fā)育，形成的各條裂縫寬度不能達(dá)到其臨界值，那么就容易出現(xiàn)支撐劑橋架，從而發(fā)生砂堵。

2.2滑溜水壓裂工藝技術(shù)

1）段塞加砂技術(shù)。對(duì)于裂縫型儲(chǔ)層，采用支撐劑段塞或多級(jí)段塞在一定程度上減少或消除多裂縫，同時(shí)打磨縫內(nèi)彎曲，從而降低因裂縫彎曲引起的近井效應(yīng)，降低施工井口壓力。在加砂過(guò)程中，采用“攜砂液→中頂液→攜砂液→中頂液→攜砂液→中頂液”的施工工序，進(jìn)一步增大支撐劑的有效鋪置，營(yíng)造一條長(zhǎng)而有利的裂縫，達(dá)到有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的目的［4］。

2）滑溜水用量的確定。在加砂壓裂時(shí)，滑溜水加入主要是解除鉆井液侵入傷害，而鉆井液濾液侵入是一個(gè)與儲(chǔ)層物性、含氣性、正向壓差、鉆井液性能以及浸泡時(shí)間等因素有關(guān)的復(fù)雜過(guò)程，其徑向侵入深度在0～5 m內(nèi)變化。在這些假設(shè)條件下：①地層中介質(zhì)均勻且各相同性；② 地層中流體微可壓縮；③ 考慮毛管壓力，忽略重力，流體只有水平方向的徑向流動(dòng)；④ 地層中流體服從達(dá)西定律，離子擴(kuò)散服從Fick定律；⑤ 井筒內(nèi)有恒定鉆井液柱壓力，且大于地層孔隙壓力；⑥ 地層外邊界封閉。通過(guò)理論計(jì)算，DY地區(qū)鉆井液浸入深度為0.4～0.5 m，優(yōu)化滑溜水用量為鉆井液漏失量的2～2.5倍［5-6］。

2.3配套工藝技術(shù)

1）超高壓設(shè)備。利用140 MPa超高壓設(shè)備提高井口壓力級(jí)別，在限壓下進(jìn)一步提高施工排量，同時(shí)配以大管柱結(jié)構(gòu)降低液體施工摩阻，達(dá)到降低施工壓力的目的。

2）深穿透射孔技術(shù)。對(duì)于高破裂壓力儲(chǔ)層，通過(guò)射孔方式與壓裂技術(shù)的結(jié)合，達(dá)到降低破裂壓力，提高施工成功率，因此對(duì)于輔助壓裂射孔方式的選擇也是不能忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)［7］。如圖1和圖2所示，隨著穿深的增加，破裂壓力逐步降低，采用深穿透射孔技術(shù)射孔穿深比常規(guī)射孔增加了40%，這也是目前射孔器材往深穿透方面發(fā)展的原因之一。

圖1　射孔穿深對(duì)于降低破裂壓力的關(guān)系圖

圖2　穿深比較圖

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

DY2-C1井是在DY構(gòu)造北部部署的一口深層預(yù)探井，目的層T3X3為漏失性?xún)?chǔ)層，鉆井過(guò)程中漏失鉆井液198.02 m3，為保證施工順利進(jìn)行，采用450 m3滑溜水進(jìn)行低砂比壓裂施工，射孔段4 725～4 730 m，設(shè)計(jì)7級(jí)段塞，平均砂比15%，最高砂濃度352 kg/m3，同時(shí)配套140 MPa井口裝置，提高施工限壓。

3.1施工情況

對(duì)DY2-C1井4 725～4 730 m井段，采用國(guó)產(chǎn)2 500型壓裂車(chē)組、140 MPa的采油樹(shù)、地面連接管線和測(cè)試管線、?88.9油管+Y344封隔器，進(jìn)行了50 m3規(guī)模加砂壓裂施工。注入450 m3滑溜水、7級(jí)段塞，加入砂量50 m3，完成了DY地區(qū)最大規(guī)模加砂，施工平均砂比為12.8%。滑溜水進(jìn)入地層后，解除了近井傷害，當(dāng)排量穩(wěn)定在2.1 m3/min時(shí)，施工壓力下降（從60.6 MPa下降到46.8 MPa），粉陶封堵近井多裂縫，降低了壓裂液濾失（試破時(shí)2 min壓降5 MPa，壓裂時(shí)30 min壓降3.5 MPa）；多級(jí)段塞處理，打磨縫內(nèi)彎曲摩阻，降低了因裂縫彎曲引起的近井效應(yīng)，從而降低施工壓力［8］。

3.2壓后分析

加砂壓裂凈壓力歷史擬合結(jié)果表明，采用優(yōu)化的壓裂工藝加砂壓裂形成了一條長(zhǎng)237.9 m，高73.54 m，寬1.146 cm，導(dǎo)流能力7.432 mD·m的有效支撐裂縫，滿足地層流體導(dǎo)流能力需要，壓后測(cè)試產(chǎn)量為3.160 2×104m3/d。

與常規(guī)工藝相比，該項(xiàng)試驗(yàn)提高了DY氣藏壓裂規(guī)模和效果，如表3所示。

表3　DY須家河組氣藏壓裂效果對(duì)比表

4　結(jié)論

1）DY須家河組致密氣藏物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層多具有多裂縫特征，現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜情況多變，滑溜水低砂比段塞壓裂工藝解決了DY地區(qū)常規(guī)加砂難題。

2）基于“極限縫寬”理論，通過(guò)裂縫性?xún)?chǔ)層加砂工藝優(yōu)化，采用滑溜水加砂壓裂改造，大液量、大排量、低砂比和多段塞加砂技術(shù)等針對(duì)性措施，配套井口裝置和深穿透射孔技術(shù)，DY2-C1井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工有效率達(dá)100%，取得了DY地區(qū)50 m3最大規(guī)模加砂壓裂施工的成功。

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（編輯：李臻）

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2095-1132（2016）04-0044-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.04.012

修訂回稿日期：2016-07-13

本文系國(guó)家科技重大攻關(guān)專(zhuān)項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)》（編號(hào)：2016ZX05048）下設(shè)專(zhuān)題《薄層窄河道致密砂巖氣藏水平井壓裂關(guān)鍵技術(shù)》（編號(hào)：2016ZX05048004-003）的部分研究?jī)?nèi)容。

宋燕高（1980-），工程師，從事儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)和科研工作。E-mail：tsz19@163.com。