蘇里格南儲層改造技術(shù)及應(yīng)用

陳志勇，王 強(qiáng)，胡立波，董永恒

中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司 （陜西 西安 710018）

蘇里格南儲層改造技術(shù)及應(yīng)用

陳志勇，王 強(qiáng)，胡立波，董永恒

中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司 （陜西 西安 710018）

蘇里格南合作區(qū)是典型的“三低”氣田，壓裂改造作為低滲致密氣藏的有效開發(fā)手段得到了廣泛的現(xiàn)場應(yīng)用。在蘇里格南的儲層壓裂改造中，結(jié)合蘇里格南自身六大開發(fā)特點(diǎn)與“三低”儲層開發(fā)戰(zhàn)略，采用了50.8mm（2in）槍身的小井眼深穿透射孔，低傷害清潔壓裂液體系，中密高強(qiáng)的支撐劑，TAP閥投球連續(xù)分壓，連續(xù)在線混配等特色工藝。通過蘇南特有的壓裂改造模式，成功實(shí)現(xiàn)27～36天完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)井叢的壓裂及排液，單井在無液氮伴注情況下，壓后返排率達(dá)到100%。截至2015年底，已經(jīng)成功的對XXX口井XXX層進(jìn)行了儲層改造，Ⅰ+Ⅱ類氣井占73%，取得了較好的開發(fā)效益，為蘇里格南合作區(qū)高效開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

致密氣藏；壓裂液；支撐劑；連續(xù)分壓

蘇里格南合作區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北部、蘇里格氣田南部，總面積約2 392.4km2。主力氣藏位于二疊系下石盒子組盒8段及山西組山1段。盒8段為辮狀河沉積，山1段為曲流河沉積。天然氣組分中甲烷含量達(dá)88%～95%，屬于典型無邊、底水定容彈性驅(qū)動、低孔低滲低壓巖性圈閉致密干氣氣藏[1-3]。蘇里格南合作區(qū)儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、有效砂體規(guī)模小、儲量豐度低、單井產(chǎn)量低等問題，為提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本，蘇里格南合作區(qū)采取了“大井叢布井；多井低產(chǎn)、井間接替、分區(qū)開發(fā)；低壓生產(chǎn)”的氣田開發(fā)模式，堅(jiān)持多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，深化地質(zhì)研究，優(yōu)化開發(fā)方案，優(yōu)選井位部署。井型選擇以大位移定向井為主，水平井為輔，每座井場分布中心直井1口，1km水平位移定向井4口，1.4km水平位移定向井4口，并根據(jù)完鉆結(jié)果評價(jià)是否部署加密井及水平井。

標(biāo)準(zhǔn)化大井叢9口井均采用88.9mm(312in)無油管+TAP閥完井管串完井，投球分層壓裂，使用清潔壓裂液和中密高強(qiáng)支撐劑，改造儲層。

蘇里格南合作區(qū)經(jīng)過2006—2010年的前期評價(jià)，2011年初投入開發(fā)，2012年8月實(shí)現(xiàn)首氣。截至2015年底，通過對334口井進(jìn)行儲層改造，壓后測試Ⅰ和Ⅱ類氣井比例占73%。到2015年底，投產(chǎn)氣井XXX口，年生產(chǎn)氣量XX億方。

1 蘇里格南氣井完井

1.1 完井方式選擇

蘇里格南氣井完井方式采用88.9mm(312in)無套管小油管+TAP閥完井管串。蘇里格氣田原始地層壓力30MPa左右，不含H2S。為確保安全，在初始生產(chǎn)階段進(jìn)行的基建、壓裂作業(yè)、氣井清洗和生產(chǎn)等并行作業(yè)時(shí)，需要在油管管柱里安裝井下安全工具。井下安全閥安全可靠，但成本較高，控制復(fù)雜，故采用完井時(shí)下入坐落短節(jié)，并行作業(yè)時(shí)下入堵塞器，正常生產(chǎn)可下入井下節(jié)流器。由于所使用的油管類型為88.9mm(312in)油管，壁厚7.34mm，內(nèi)徑74.21mm，通井規(guī)尺寸71mm，因此，使用68.8mm（234in)的座落短節(jié)，88.9mm(312in)TAP閥，在氣井需要并行作業(yè)時(shí)下入堵塞器，生產(chǎn)時(shí)可投放井下節(jié)流器。

TAP閥的技術(shù)原理是通過采用內(nèi)徑不同的多級滑套與完井套管組成分段壓裂工具，滑套間用管線連接，逐段依次形成坐封球座，通過投球?qū)崿F(xiàn)完井壓裂作業(yè)一體化[4-5]。

在蘇里格南井身結(jié)構(gòu)中，滑套作為生產(chǎn)管柱的一部分下入井底，進(jìn)行水泥固井。這種設(shè)計(jì)允許在88.9mm(312in)油管里面壓裂多個(gè)層位。球被投到井中，用來打開滑套，同時(shí)可以封隔下面的一層，壓后球會返排到地面。

此外，在氣井生產(chǎn)期間，如需大的生產(chǎn)通徑，球座可以很容易地用連續(xù)油管鉆掉。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，不但可以帶來經(jīng)濟(jì)效益，還可以帶來很多作業(yè)方面的便利。免除了一些用來射孔和坐封橋塞的電纜作業(yè)，以及用來鉆掉橋塞的連續(xù)油管作業(yè)，同時(shí)加快了交付時(shí)間，并將作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。在一層或者所有層位被壓裂后，如果需要，可以進(jìn)行立即返排。這樣，洗井作業(yè)可以在夜間進(jìn)行，最大程度減少了膠液在井底停留的時(shí)間?？梢栽谝惶靸?nèi)完成多個(gè)井的壓裂作業(yè)。浮箍下面連接著一個(gè)套管測試短節(jié)，可以被用來試壓套管。這樣，可以免除試壓閥的使用以及相應(yīng)的鋼絲作業(yè)。與射孔+復(fù)合橋塞工藝相比，TAP閥具有壓裂高效、作業(yè)簡單、排液速度快等優(yōu)點(diǎn)，在蘇里格南項(xiàng)目小井眼開發(fā)具有較好的應(yīng)用前景。

目前在蘇里格南使用最多的TAP閥，內(nèi)徑分別為62.15mm(2.447 in)和57.71mm(2.272 in)。壓裂時(shí)，最下面一層采用重復(fù)射孔壓裂，TAP閥采用投球方式對不同層位進(jìn)行壓裂。

1.2 完井流程

蘇里格南氣井在鉆井結(jié)束后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得錄井、測井及井斜等資料。根據(jù)獲得的資料進(jìn)行分析，確定作業(yè)層。根據(jù)作業(yè)層的地層資料，進(jìn)行初步裂縫模擬，以此確定完井TAP閥的下入深度。這些資料確定后，將指令傳達(dá)給現(xiàn)場完井工程師，地學(xué)及井服務(wù)相關(guān)人員，鉆井隊(duì)進(jìn)行完井作業(yè)。完井后、固井、進(jìn)行CCL測井、確定固井質(zhì)量、TAP的下入準(zhǔn)確深度、接箍位置等，得到井身完整數(shù)據(jù)。為后期射孔、壓裂、座封等提供準(zhǔn)確資料。

2 蘇里格南區(qū)壓裂設(shè)計(jì)

水力壓裂是指利用液體傳遞壓力在地層巖石中形成人工裂縫，液體連續(xù)注入使得人工裂縫變得更大，液體將高強(qiáng)度的固體顆粒支撐劑帶入并充填裂縫，施工結(jié)束后，液體返排出來，支撐劑留在裂縫中，形成高流通能力的油氣通道，并擴(kuò)大油氣的滲流面積。壓裂設(shè)計(jì)核心內(nèi)容是根據(jù)氣井儲層參數(shù)及下井原材料參數(shù)優(yōu)化壓裂施工參數(shù)（壓力、排量、砂比、砂量和液量），最終給出合理的施工參數(shù)表。

2.1 測試壓裂

測試壓裂是準(zhǔn)確獲取地層閉合應(yīng)力、分析地層濾失特性、巖石破裂特性、裂縫閉合應(yīng)力、閉合時(shí)間、壓裂液濾失特性、彎曲效應(yīng)、液體效率等參數(shù)進(jìn)行凈壓力擬合和裂縫幾何尺寸分析的有效方法。蘇里格南區(qū)投入開發(fā)初期，由于對地層了解有限，因此在每個(gè)井叢選擇1～2口井進(jìn)行了主壓裂前的測試壓裂診斷。以壓裂速率注入約37.85m3的壓裂液，并在泵入結(jié)束后觀察壓力變化。

2011—2013年，蘇里格南區(qū)在8個(gè)井叢進(jìn)行了測試壓裂，從測試中獲得壓裂數(shù)據(jù)，來幫助設(shè)計(jì)加砂壓裂方式和規(guī)模。主要獲取的參數(shù)如下：閉合壓力、二維裂縫模型、壓裂液體效率、液體濾失系數(shù)。通過測試壓裂，來獲取合理的參數(shù)值范圍。

2.2 前置液

為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)完成壓裂作業(yè)量，需要獲取壓裂液濾失性能以確定合理的前置液量。如果前置液量太小，會發(fā)生提前脫砂。如果前置液量過大，導(dǎo)致過多膠液傷害和支撐劑沉降。根據(jù)多次測試壓裂及前期施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)前置液比例在40%左右。

2.3 壓裂設(shè)計(jì)軟件

在蘇里格南區(qū)壓裂設(shè)計(jì)使用的裂縫模擬軟件有FRAC CADE和GOHFER軟件。GOHFER軟件的主要特點(diǎn)：基于離散方法論，采用全三維模型，能考率各種復(fù)雜的地層因素，模擬非對稱裂縫、復(fù)雜裂縫形狀。FRAC CADE軟件特點(diǎn)：該軟件包含了二維到三維的模擬體系，全面融合了實(shí)時(shí)監(jiān)測，壓力擬合，再設(shè)計(jì)等功能。其中的優(yōu)化模塊綜合考慮了井的參數(shù)、油藏?cái)?shù)據(jù)、壓裂液體、壓裂支撐劑、現(xiàn)場施工限制、固定投資費(fèi)用以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的限制等各種因素，給出一個(gè)最經(jīng)濟(jì)有效的壓裂設(shè)計(jì)規(guī)模。

應(yīng)用任何軟件都應(yīng)遵循壓裂設(shè)計(jì)的原則，最大限度地發(fā)揮氣層潛能和裂縫的作用，使壓裂后的生產(chǎn)井達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)還要求壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長。壓裂設(shè)計(jì)的方法是根據(jù)氣層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的加砂方案。壓裂設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容有裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計(jì)、壓裂液類型、配方選擇及注入程序、支撐劑選擇和加砂方案設(shè)計(jì)、壓裂效果預(yù)測和經(jīng)濟(jì)分析等。兩個(gè)軟件特點(diǎn)，結(jié)合蘇里格南區(qū)儲層的特點(diǎn)，做出壓裂設(shè)計(jì)方案，根據(jù)地層條件和設(shè)備能力，給出合理的施工參數(shù)表。

3 壓裂主要工藝及材料

鉆井完井交接后，即進(jìn)入壓裂施工階段。即進(jìn)入“6個(gè)一趟過”的組織模式，即安裝壓裂井口試壓、鋼絲通井、電纜射孔、壓裂施工、壓后排液、產(chǎn)能測試。采用50.8mm（2in）槍身的小井眼深穿透射孔，應(yīng)用斯倫貝謝低傷害易返排壓裂液體系，圣戈班380～830μm（20～40目）的中密高強(qiáng)支撐劑，TAP閥投球連續(xù)分壓，連續(xù)在線混配壓裂。這些特點(diǎn)形成了蘇里格南區(qū)儲層改造的作業(yè)特色。

3.1 射孔工藝

蘇里格南區(qū)射孔采用的是川慶測井的小槍身射孔槍，16孔/m，重復(fù)射孔。前期對川慶測井的工具及工藝進(jìn)行調(diào)研，打靶試驗(yàn)孔徑7.2mm，穿深449mm。50.8mm(2 in)小槍身深穿透射孔技術(shù)，不僅用于新層常規(guī)射孔打開氣層，而且作為TAP閥作業(yè)失常即滑套打不開，或滑套打開但壓開地層困難時(shí)的應(yīng)急措施。蘇里格南區(qū)的射孔段通常為1m。但對于下列情況需要對射孔厚度進(jìn)行優(yōu)化：I類儲層中，部分井砂體厚度大、氣層厚度大、儲層物性較好的儲層，為充分發(fā)揮后期生產(chǎn)潛力，需優(yōu)化射孔方案、適當(dāng)增加射開厚度；多段氣層合層壓裂改造時(shí)，為確保各層段都能改造較充分，需要優(yōu)化各層段射孔厚度。

3.2 壓裂液體系

壓裂施工過程中壓裂液的選擇，必須從地質(zhì)因素和工程因素上考慮。包括：儲層類型、儲層溫度、滲透率、地層壓力、目的層厚度及天然裂縫、黏土礦物含量及儲層敏感性、地層水類型及礦化度；深度、施工時(shí)間、排量及管柱、施工規(guī)模、壓后溫度恢復(fù)及壓力擴(kuò)散速度、地應(yīng)力分布。

壓裂液基本性能要求：①濾失量少；②懸砂性強(qiáng)，黏度高；③摩阻低，消耗動力少，排量大；④穩(wěn)定性好：溫度，抗剪切；⑤殘?jiān)停呵鍧崏毫岩?；⑥易返排：破膠（水化）；⑦配伍性好；⑧貨源廣，價(jià)格低。

油田開發(fā)方案要求采用斯倫貝謝低傷害易返排壓裂液為胍膠基硼酸鹽體系壓裂液，主要包括高純度胍膠原粉、硼酸鹽交聯(lián)劑、延遲交聯(lián)劑、表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、延遲破膠劑。實(shí)驗(yàn)室對該壓裂液體系進(jìn)行流變性檢測。通過300多口井的壓裂返排，蘇里格南區(qū)氣井在無液氮伴注條件下，壓后半小時(shí)快速放噴，實(shí)現(xiàn)壓后返排率達(dá)100%，充分表明所選的壓裂液體系適合該地區(qū)。

3.3 支撐劑

支撐劑產(chǎn)品要求：粒經(jīng)均勻；強(qiáng)度大，破碎率?。粓A度和球度高；密度小；雜質(zhì)少。油田開發(fā)方案要求支撐劑采用的是圣戈班的380～830μm（20～40目）中密高強(qiáng)支撐劑，試驗(yàn)在68.95MPa（10 000psi）條件下，體積密度達(dá)1.72g/mL，破碎率5.0%。性能指標(biāo)優(yōu)越。

陶粒支撐劑具有較高的強(qiáng)度，在相同的閉合壓力下，與石英相比，具有破碎率低、導(dǎo)流能力高的性能；陶粒具有抗鹽、耐溫性能；隨承壓時(shí)間的延長，陶粒的導(dǎo)流能力的遞減率要慢得多，因此會獲得較高的穩(wěn)產(chǎn)產(chǎn)量和更長的有效期。在低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 陶粒支撐劑技術(shù)參數(shù)

3.4 TAP投球連續(xù)分壓

TAP閥完井能實(shí)現(xiàn)連續(xù)多層分層壓裂。若一口氣井有3個(gè)需要壓裂的層位，最下層進(jìn)行射孔，壓裂施工結(jié)束后投球，打開滑套，封堵最下層，進(jìn)行第二層壓裂，待壓裂結(jié)束后，再投球打開上面的滑套并封堵下面2層，進(jìn)行壓裂，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分壓。待壓裂結(jié)束后，進(jìn)行整體返排。投入的球?qū)⒈换厥盏绞涨蛲病?/p>

3.5 混合壓裂設(shè)計(jì)

通過對蘇里格南區(qū)近400口井的壓裂設(shè)計(jì)，得出了施工參數(shù)(表2）。

3.6 在線連續(xù)混配

連續(xù)混配壓裂工藝技術(shù)就是一種邊配邊注的連續(xù)式壓裂施工工藝。所有的化學(xué)添加劑都在施工過程中加入，不但實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整各種化工料和液體配方，還可以根據(jù)實(shí)際情況配置液體，不存在液體浪費(fèi)和短缺限制施工等現(xiàn)象，并能有效提高壓裂施工效率。蘇里格南區(qū)在壓裂現(xiàn)場具備在線連續(xù)混配的條件。在井場，有一口水源井，供水能力不低于70m3/h，壓裂作業(yè)隊(duì)伍配備大容量集裝箱式儲水罐。在壓裂前，根據(jù)井叢壓裂設(shè)計(jì)，提前用儲水罐備水，在壓裂施工過程中，壓裂液在線連續(xù)混配能力8m3/min。

表2 蘇南區(qū)塊壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)

4 儲層改造成果

在評價(jià)期階段共實(shí)施16次壓裂作業(yè)，使用支撐劑435.8m3，注入壓裂液4 134m3。試井分析表明：大多數(shù)裂縫半長在40m左右，大于50m較少，因?yàn)榱芽p垂向延伸增大限制了裂縫在水平方向上的擴(kuò)展，會形成幣形裂縫。壓裂作業(yè)穿過煤層時(shí)（如山2和山1下），只能得到有限的裂縫半長。裂縫梯度大于1.70MPa/100m的層段產(chǎn)量較低。除了物性較差的儲層，可不用連續(xù)油管進(jìn)行壓裂液返排。大多數(shù)壓裂作業(yè)前置液為45%～55%。實(shí)施了20.6～38.7m3支撐劑的壓裂作業(yè)，結(jié)果說明中等規(guī)模作業(yè)約26m3產(chǎn)生的裂縫尺寸與大型壓裂作業(yè)相近。

蘇南1、蘇南2、蘇南3和蘇南4在2008—2009年進(jìn)行了合層開采及合層壓力恢復(fù)。壓力恢復(fù)時(shí)進(jìn)行了溫度剖面測試，測試獲得最小裂縫高度以輔助評價(jià)壓裂效果。測試數(shù)據(jù)表明，蘇南壓裂裂縫可在垂向延伸30m，溝通射孔段上下砂層。

通過對開發(fā)期壓裂氣井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，目前氣井平均壓裂X.X層，每層平均支撐劑用量XXX方，壓裂液平均用量XXX方。標(biāo)準(zhǔn)井叢（9口井）壓裂返排周期為27～36天。對壓后測試的無阻流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，I類氣井占43%；Ⅱ類氣井占30%；I+Ⅱ類占73%（截至2015年底）。儲層改造效果良好。

2014年8月11日，蘇里格南作業(yè)分公司首次對已壓裂井SN0051-XX進(jìn)行了典型的帶壓重復(fù)壓裂作業(yè)。SN0051-XX井于2014年7月18日對盒8段進(jìn)行了初次壓裂，壓后產(chǎn)量僅1×104m3/d，未達(dá)到預(yù)期效果。工程師團(tuán)隊(duì)對儲層地質(zhì)特征，壓裂施工曲線、排液效果進(jìn)行了深入地診斷，綜合分析認(rèn)為可能是小夾層未完全壓開，導(dǎo)致裂縫填砂剖面不理想，儲層改造不充分所致。經(jīng)過井服務(wù)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步研究探討，決定對該井進(jìn)行重復(fù)壓裂。返排洗井2天后的測試數(shù)據(jù)來看，壓后產(chǎn)量約在15×104m3/d，實(shí)現(xiàn)了壓后產(chǎn)量的大跨越，增產(chǎn)效果顯著。

2014年，對SN135-XX等4口井進(jìn)行查層補(bǔ)孔壓裂。這4口井均為2012年壓裂的氣井，顯著特點(diǎn)是投產(chǎn)后，產(chǎn)量遞減迅速。經(jīng)過儲層分析研究，選取這些井的其它層進(jìn)行射孔壓裂，以期達(dá)到增產(chǎn)效果。2014年，先后對這4口井進(jìn)行了查層補(bǔ)孔壓裂，壓后投產(chǎn)，通過生產(chǎn)情況對比分析認(rèn)為，其中3口井，產(chǎn)量穩(wěn)定，遞減緩慢，增產(chǎn)效果顯著，但其中SN138-XX井效果不明顯。對于部分有條件的氣井，重復(fù)壓裂和查層補(bǔ)孔是蘇南儲層增產(chǎn)的一個(gè)有效措施。

5 結(jié)論

經(jīng)過5年多的開發(fā)，蘇里格南區(qū)已經(jīng)形成了特有的儲層改造技術(shù)。集小井眼深穿透射孔、高效清潔壓裂液、中密高強(qiáng)支撐劑、在線連續(xù)混配、TAP投球連續(xù)壓裂，大井叢工廠化壓裂返排的工作模式下，工作效率高，為蘇里格南區(qū)高效開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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[2]冉新權(quán),李安琪.蘇里格氣田開發(fā)論[M].北京：石油工業(yè)出版社,2008.

[3]張明祿,吳 正,樊友宏,等.鄂爾多斯盆地低滲透氣藏開發(fā)技術(shù)及開發(fā)前景[J].天然氣工業(yè),2011,31(7)：1-4.

[4]劉社明,張明祿,陳志勇,等.蘇里格南合作區(qū)工廠化鉆完井作業(yè)實(shí)踐[J].天然氣工業(yè),2013,33(8)：64-69.

[5]趙政璋,杜金虎.致密油氣[M].北京：石油工業(yè)出版社,2013.

The cooperation block in southern Sulige is a typical"three low"gas field,and fracturing technology has been widely applied in the development of low permeability tight gas reservoirs as an effective method.The characteristic techniques of slim hole deep perforation using 50.8mm（2in）perforating gun,low-damage clean fracturing fluid system,medium density and high strength proppant,TAP valve pitching continuous partial pressure and continuous on-line mixing were applied in the fracturing process of the block based on the characteristics of the block.Through this Through this characteristic fracturing pattern fracturing pattern,the fracturing and drainage of a standard cluster well was successfully completed in 27～36 days,and in no case with liquid nitrogen injection,the flowback rate of single well reached 100%.By the end of 2015,XXX layers of XXX wells had been successfully reconstructed,and type I and type II of gas wells accounted for 73%.A good development benefit was achieved,which lays a foundation for high-efficiency development of the cooperation zone in southern Sulige.

tight gas reservoir;fracturing fluid;proppant;continuous partial pressure

陳志勇（1970-），男，高級工程師，主要從事鉆井及壓裂工程技術(shù)研究和管理工作。

2017-07-11