薄互層定點多級脈沖式壓裂技術(shù)研究

杜現(xiàn)飛， 張 翔， 唐梅榮， 黃蓬剛

(1 中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田開發(fā)國家工程重點實驗室)

鄂爾多斯盆地長6-8油藏資源量大，分布穩(wěn)定，是長慶油田實現(xiàn)5 000×104t長期穩(wěn)產(chǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要資源基礎(chǔ)[1]。該類油藏巖性致密、物性差，縱向上砂泥層共生、層內(nèi)泥質(zhì)及鈣質(zhì)隔夾層發(fā)育，巖石力學(xué)、地應(yīng)力、脆性等參數(shù)變化較大[2]，前期采用混合水體積壓裂工藝難以實現(xiàn)各段油層充分動用，單井產(chǎn)量較低(試油產(chǎn)量一般為4～8 t/d)，因此急需研究應(yīng)用新型壓裂技術(shù)。本文針對致密薄互層壓裂地質(zhì)特征，業(yè)內(nèi)首次開展大型物理模擬和可視化平行板實驗剖析了前期低產(chǎn)因素，提出了提高儲層縱向動用程度和增加橫向支撐裂縫長度的技術(shù)方向，通過優(yōu)選目的層段和射孔位置、優(yōu)化射孔方式、革新加砂程序，最終形成了適用于致密薄互層的定點多級脈沖式壓裂技術(shù)。

一、致密薄互層油藏特點

以鄂爾多斯盆地合水南地區(qū)長6-8致密薄互層為研究對象，通過對目標(biāo)區(qū)塊油藏地質(zhì)特點及儲層特征研究，可以發(fā)現(xiàn)該類油藏一般具有下面典型特征：

(1)儲層巖性復(fù)雜，縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率低。研究區(qū)塊儲層巖性主要為灰色泥質(zhì)粉砂巖與淺灰色油跡細(xì)砂巖、褐灰色油斑細(xì)砂巖和灰黑色泥巖不等薄互層，且儲層橫向變化大，物性較差?？紫抖刃∮?1%，滲透率小于0.3 mD，為超低滲-致密儲層。

(2)縱向上巖性、力學(xué)參數(shù)變化頻次高，層間差異大?？v向上含油井段主要分布在10～25 m之間，油層較多，平均5層/井，通常砂泥互層，平均砂泥比1 ∶7；巖性平均每米1.47次變化，最小尺度僅1 cm左右；層間動態(tài)彈性模量最大差異20 GPa，靜態(tài)彈性模量最大差異15 GPa，水平最小地應(yīng)力差2.5～5.5 MPa。

(3)層內(nèi)水平兩向應(yīng)力差大，巖石脆性指數(shù)低。研究區(qū)塊層內(nèi)兩向水平地應(yīng)力差5.5～7 MPa，巖石脆性指數(shù)40%以下，與盆地其他區(qū)塊相比，體積壓裂難以形成復(fù)雜裂縫，縱向多層充分改造難度大[3]。

二、薄互層水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律

1.物理模擬實驗

1.1 實驗方案設(shè)計

在給定的三軸圍壓條件下，采用混凝土試件進(jìn)行了15組物模實驗(見表1)，研究層間力學(xué)性質(zhì)差異以及薄互層厚度、不同層數(shù)條件下對裂縫擴(kuò)展的影響[4-5]。

1.2 實驗結(jié)果分析

薄互層間力學(xué)性質(zhì)差異導(dǎo)致水力裂縫在縱向上擴(kuò)展的能力變?nèi)?，隨著層間最小水平地應(yīng)力差和彈性模量差的增加，對水力裂縫的縫高擴(kuò)展抑制作用愈加明顯，水力裂縫進(jìn)入高應(yīng)力層的面積逐步減小。

水力裂縫穿越薄互層時發(fā)生曲折擴(kuò)展，儲層厚度一定時，薄互層層厚變薄(或?qū)訑?shù)增加)，將增加縫高曲折擴(kuò)展的程度(見表2)。

表1 薄互層物模實驗方案設(shè)計匯總表

注：試件大小為30 cm×30 cm×60 cm。

表2 上下層不同彈性模量、最小水平應(yīng)力差條件下裂縫形態(tài)表

2. 數(shù)值模擬分析

由于在實驗室尺度下，裂縫寬度不易被測量，故采用數(shù)值模擬手段研究水力裂縫在薄互層間擴(kuò)展時縫寬的變化[6-7]。數(shù)值模擬結(jié)果(圖1、圖2)表明：水力裂縫在層間擴(kuò)展時，縫高擴(kuò)展受到抑制，且高應(yīng)力、高彈性模量層中的縫寬較窄；隨著層間最小水平地應(yīng)力差和彈性模量差的增大，縫寬緊縮程度越明顯。

圖1 不同層間最小水平地應(yīng)力差下縫寬-縫高界面

圖2 不同層間彈性模量差下縫寬-縫高界面

三、支撐劑運移規(guī)律實驗

為了評價不同液體的攜砂性能和現(xiàn)有加砂方式的工藝有效性，利用大型可視化平板裂縫模擬系統(tǒng)，尋求能夠減緩滑溜水壓裂時支撐劑沉降并提高有效支撐縫長的加砂方式。

1. 實驗方案

常溫常壓下，保持支撐劑類型、排量不變，通過對比不同液體和加砂方式下支撐劑在可視化平板中的砂堤長度，研究支撐劑在裂縫中的沉降運移規(guī)律[8]。具體方案見表3。

2. 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果(表4)表明，相比胍膠基液，滑溜水?dāng)y砂性能差，恒定砂比注入時支撐劑易沉降導(dǎo)致橫向輸送距離較短(2 m左右)；采用脈沖式注入方式可改善支撐劑鋪置剖面，增加近井筒裂縫鋪砂濃度，提高橫向輸送距離50%。

表4 不同液體類型和加砂方式下支撐劑鋪砂情況表

四、定點多級脈沖式壓裂優(yōu)化設(shè)計

1. 優(yōu)選射孔位置及工藝

根據(jù)物模實驗和數(shù)值模擬統(tǒng)計分析，建立了基于層間應(yīng)力差和彈性模量差的射孔位置優(yōu)選圖版(圖3)。

圖3 巖石力學(xué)參數(shù)-射孔位置優(yōu)選圖板

區(qū)域I：優(yōu)選高應(yīng)力層或高彈性模量層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅱ：優(yōu)選高彈性模量層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅲ：優(yōu)選高應(yīng)力層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅳ：對全部目標(biāo)層實施射孔并分級改造。利用水力噴砂射孔工藝特有的定點射孔、點源起裂、裂縫導(dǎo)向性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，控制薄互層人工裂縫起裂位置及擴(kuò)展方向[9]，提高縱向多薄層裂縫系統(tǒng)復(fù)雜程度。

2. 優(yōu)化脈沖加砂間隔時間

數(shù)值模擬了不同脈沖間隔下支撐劑的分布特征，模擬結(jié)果表明，脈沖時間越短，支撐劑趨向連續(xù)鋪置；脈沖時間過長，支撐劑鋪置過稀，裂縫將會閉合。

脈沖間隔60 s時，有效支撐縫長較120 s時增加20%左右，考慮到現(xiàn)場脈沖加砂裝置的實際性能，優(yōu)化脈沖間隔為100 s。

五、現(xiàn)場試驗

針對合水油田儲層特征，優(yōu)化了定點多級脈沖式壓裂工藝參數(shù)，累計開展現(xiàn)場試驗74口井，試油產(chǎn)量由前期的4～8 t/d提高到19.5 t/d，投產(chǎn)初期較對比井日增油1.2 t/d以上，增產(chǎn)效果顯著。

1. 工藝及參數(shù)優(yōu)化

由于合水油田致密薄互層縱向上巖石力學(xué)、地應(yīng)力、脆性等參數(shù)差異大導(dǎo)致難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)，且裂縫擴(kuò)展形態(tài)多變、裂縫有效支撐程度低，優(yōu)化采用定點多簇射孔、縱向多級壓裂、混合壓裂液體系和脈沖式加砂方式，結(jié)合儲層滲透率和縱向儲隔層配置條件，運用三維壓裂軟件進(jìn)行了壓裂參數(shù)優(yōu)化，模擬結(jié)果見表5。

2. 實例分析

合水油田N185井油層厚度15.8 m，滲透率0.11 mD，孔隙度10.1%，縱向砂泥互層疊合，層間靜態(tài)彈性模量差最大22 GPa，最小水平地應(yīng)力差最大5.5 MPa。建立該井縱向巖性-力學(xué)參數(shù)剖面，利用可壓性及物性綜合評價體系優(yōu)選出3個射孔簇進(jìn)行多級改造(圖4)。

該井采用水力噴射環(huán)空加砂壓裂方式[10]，優(yōu)化單級液量400 m3，單級砂量40 m3，施工排量6.0 m3/min，砂比12.0%，脈沖次數(shù)16次；最終試排日產(chǎn)油55.34 t，較鄰井籠統(tǒng)體積壓裂提高2～4倍；縫高測試和裂縫擬合表明，儲層縱向動用程度提高50%，橫向有效支撐縫長增加30%，實現(xiàn)了薄互層充分動用的工藝目的。投產(chǎn)初期日產(chǎn)油3.23 t，與鄰井籠統(tǒng)體積壓裂相比平均日增油1.2 t以上。

表5 合水油田長7儲層壓裂參數(shù)模擬結(jié)果

圖4 N185井縱向工程甜點優(yōu)選結(jié)果

六、結(jié)論

(1)裂縫擴(kuò)展規(guī)律物模實驗證實：薄互層間力學(xué)性質(zhì)差異使得水力裂縫在縱向上擴(kuò)展的能力變?nèi)酰α芽p穿越薄互層時易發(fā)生曲折擴(kuò)展，從而導(dǎo)致儲層縱向動用程度較低。

(2)支撐劑運移規(guī)律物模實驗證實：常規(guī)階梯式加砂方式，相比高黏液體系，滑溜水壓裂液由于黏度較低，支撐劑易沉降使得充填效果不理想，從而導(dǎo)致橫向支撐裂縫長度較短。

(3)提出了針對薄互層儲層特征的定點多級脈沖式壓裂工藝設(shè)計方法，通過定點射孔控制裂縫起裂和擴(kuò)展，通過多級壓裂改造縱向多個目標(biāo)層，通過脈沖式加砂改善支撐劑充填效果。

(4)在合水油田長7儲層累計試驗74口井，平均試排產(chǎn)量由前期的4～8 t/d提高到19.5 t/d，投產(chǎn)產(chǎn)量較對比井增油1.2 t/d以上，采用該工藝可以實現(xiàn)致密薄互層提高縱向動用程度和增加橫向支撐裂縫長度的目標(biāo)。

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