洛帶氣田多層系低壓氣藏壓裂工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

楊 星

(中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司)

洛帶氣田位于川西坳陷中段東南隅龍泉山北東向構(gòu)造帶西側(cè)，處于四川盆地核心經(jīng)濟帶。蓬萊鎮(zhèn)組(JP)氣藏是洛帶氣田的主力氣藏之一，已累計提交探明儲量近150×108m3。該氣藏自下而上分為4個層段(JP1-JP4)，共劃分了19個含氣砂層，其中在11套含氣砂層獲得工業(yè)氣流，為典型的多層系氣藏。

蓬萊鎮(zhèn)組氣藏總體為一套淺灰色粉-細砂長石巖屑石英砂巖，埋深在450～1 350 m，孔隙度為8%～15%，滲透率為0.1～1 mD，地壓系數(shù)在0.9～1.1之間，地層溫度在25℃～45℃之間，屬低孔低滲低壓砂巖氣藏。同時，蓬萊鎮(zhèn)組氣藏以分流河道和河口壩沉積為主，儲層非均質(zhì)性強，砂層多但單層薄(厚度主要分布在6～10 m)且平面展布范圍有限。

蓬萊鎮(zhèn)組氣藏的儲層特征造成氣井自然產(chǎn)能很難達到工業(yè)氣流的標(biāo)準(zhǔn)，壓前測試表明，氣井壓前平均單井無阻流量<0.1×104m3/d，必須依靠水力壓裂改造來提高氣井產(chǎn)量，才能進行有效的勘探開發(fā)。但因為氣藏儲層的低孔低滲低壓層薄等不利因素，加砂壓裂在前期一直未取得理想的效果。作者通過深入研究，發(fā)現(xiàn)制約壓裂效果的主要因素一是儲層低壓特征造成壓裂液返排率低，對儲層造成嚴(yán)重的水敏和水鎖傷害；另外一個是儲層單層薄，產(chǎn)量和控制儲量有限，很難獲得經(jīng)濟開發(fā)效果。為此，通過幾年攻關(guān)，形成了適合該多層系低壓氣藏的壓裂工藝技術(shù)，在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了顯著的效果，保障了氣藏的有效開發(fā)。

一、壓裂難點及對策

1.儲層水敏和水鎖傷害程度強，需要優(yōu)化壓裂液性能

據(jù)掃描電鏡和X衍射分析，儲層中黏土礦物中存在有伊/蒙混層，伊利石和綠泥石，其中伊/蒙混層平均為50.1%，伊利石平均為31%，綠泥石平均15.7%。這樣的黏土礦物成分很容易因外來流體造成黏土礦物膨脹、脫離和運移，堵塞孔喉，造成儲層滲透率的嚴(yán)重傷害。水敏試驗表明，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏水敏指數(shù)達0.6～0.7，為強水敏地層。

據(jù)壓汞實驗和鑄體薄片資料統(tǒng)計，儲層平均孔隙直徑39.57 μm，平均喉道直徑為1.365 μm，其平均孔喉比為55.42，孔隙吼道組合以中孔-細吼和細孔-微吼為主，容易因外來液體的進入而改變相滲透率，從而造成水鎖傷害，如圖1所示。

圖1 洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏氣水相對滲透率曲線

針對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組這類強水敏、水鎖傷害嚴(yán)重的儲層，需要優(yōu)化壓裂液性能，提高與儲層的配伍性，降低傷害；同時也需要優(yōu)化施工參數(shù)和返排工藝，盡可能地減少進入地層的液量，強化返排措施，減少壓裂液在地層中的滯留，從而降低對儲層的傷害，獲取最大程度的壓裂改造效果。

2.地層壓力低，返排能量不足，需要強化返排工藝

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏地壓系數(shù)0.9～1.1，為常壓低壓地層，地層埋深淺，能量不足，造成壓裂過程中返排率低，返排時間長，大量液體滯留在地層。前期現(xiàn)場資料統(tǒng)計表明，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓后平均返排率僅為34%，返排時間長達72 h以上。氣井返排不好，容易因為水敏造成儲層傷害，因為水鎖和相滲透率的變化，造成水鎖氣，從而影響氣井的產(chǎn)量。這就需要強化壓裂返排工藝，加快返排速度、提高返排率，從而保障壓裂效果。

3.氣層較薄，需開展多層壓裂的攻關(guān)

統(tǒng)計表明，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏氣層厚度在4～14 m之間，主要分布在6～10 m范圍，氣層厚度小，無法獲得高的產(chǎn)量；同時，單層生產(chǎn)，因為氣井控制的儲量有限，很難具有商業(yè)開發(fā)價值。洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏為多層系氣藏，一口井一般會鉆遇3～5個氣層，如果采用多層開發(fā)，不僅會大幅度提高氣井產(chǎn)量，還會增加氣井的控制儲量，為商業(yè)開發(fā)提供充足的資源保障。

綜上所述，從優(yōu)化壓裂液性能、強化壓后返排、優(yōu)化施工參數(shù)和開展多層壓裂等方面進行了壓裂工藝技術(shù)攻關(guān)，獲得了顯著的效果。

二、壓裂液優(yōu)化研究

壓裂液優(yōu)化主要從降低壓裂液傷害、提高壓裂液和儲層的配伍性、增強壓裂液返排性能等方面進行研究。

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓裂液最初借鑒其他區(qū)塊的壓裂液體系，盡管能夠滿足現(xiàn)場施工的要求，但由于缺乏針對性，在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出以下不足：

(1)壓裂液殘渣含量高，評價達429 mg/L，殘渣和濾餅對地層和裂縫產(chǎn)生了很大的傷害。

(2)壓裂液和地層配伍性不好，巖心傷害率平均達到了34%。

(3)因為地層埋深淺，溫度低，一般在在25℃～45℃之間，低溫破膠難度大，壓裂液破膠性能不好，嚴(yán)重影響壓裂改造效果。

為此，從以下幾個方面入手對壓裂液進行了優(yōu)化：

(1)在保障施工的前提下，降低稠化劑含量，分別調(diào)試出了稠化劑濃度為0.2%和0.25%的壓裂液配方，壓裂液殘渣含量僅為273 mg/L，比以前的配方降低了30%～40%。壓裂液流變曲線如圖2所示。

圖2 0.2%胍膠壓裂液體系流變曲線

(2)研發(fā)了優(yōu)質(zhì)的黏穩(wěn)劑、助排劑和多功能添加劑，使壓裂液的配伍性大幅度提高；同時，性能優(yōu)良的助排劑確保了壓裂液的助排性能，壓裂液的表面張力僅為23 mN/m。另外，低壓氣藏需要采用液氮增能提高返排性能，而壓裂液能否和氮氣形成豐富而穩(wěn)定的泡沫，也決定了液氮增能助排的效果。為此，研發(fā)了多功能添加劑，該添加劑可以改變壓裂液和地層的潤濕性能和接觸角，從而更加有利于返排。同時，該添加劑具有很好的起泡和穩(wěn)泡性能，能夠最大限度地發(fā)揮液氮的作用，提高返排效果，如表1所示。

表1 不同濃度多功能添加劑起泡實驗結(jié)果對比表

(3)針對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏地層溫度低的困難，研發(fā)能夠低溫破膠的添加劑，通過壓裂和返排過程地層溫度的模擬，如圖3所示。優(yōu)化加量和破膠程序，能夠精確控制壓裂液在30～240 min的徹底破膠，既保證壓裂施工的順利進行，也保證了壓裂液破膠徹底和及時返排，最大程度保障壓裂效果。

圖3 壓裂過程地層溫度模擬圖

通過以上的優(yōu)化，形成了適合洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏的壓裂液體系，能夠滿足壓裂施工的順利進行，同時也具有低殘渣、低傷害、利返排、高起泡穩(wěn)泡的優(yōu)點。巖心實驗傷害率僅為20.7%，壓裂液能力優(yōu)異，如表2所示。

表2 壓裂液巖心傷害實驗數(shù)據(jù)

三、施工參數(shù)優(yōu)化

針對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏層薄、低壓的不理因素，主要從排量、前置液和砂比三個方面進行了優(yōu)化。

1.施工排量

從氣藏的縱向地應(yīng)力剖面和破裂壓力剖面來看，相鄰的頂?shù)椎貙优c儲層應(yīng)力和破裂壓力是比較接近，一般在0.5～1.5 MPa，而且因為砂體較薄，若采用較高排量，很容易造成裂縫在縫高上的過度延伸，減少裂縫半長，降低改造效果。如表3所示。砂比優(yōu)化不僅要考慮對縫高的控制，也需要考慮保障安全施工，通過大量的現(xiàn)場試驗和模擬評價，現(xiàn)場施工排量一般控制在1.8～2.0 m3/min，這樣既可以防止裂縫上竄下跳，又可以最大限度保證裂縫沿縫長方向延伸有效，提高了增產(chǎn)效果。

表3 洛帶氣田壓裂施工排量與縫高對比表

2.前置液

前置液主要用來造縫，保障后面的支撐劑順利加入，常規(guī)設(shè)計時考慮到施工安全，一般情況下偏大一些，如川西其他區(qū)塊前置液用量一般為支撐劑量的1.5～2.0倍(體積比)。通過大量的模擬和現(xiàn)場試驗，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏前置液量采用支撐劑量的0.8～1.0倍比較合適，這樣減少了進入地層的液量，減輕了返排負擔(dān)，有利于取得好的壓裂效果。

3.砂比

提高砂比，可以增加裂縫導(dǎo)流能力，減少壓裂液用量，在保證壓裂縫對儲層有效控制的基礎(chǔ)上，將砂比從以前的平均25%，提高的31%，既減少了入地液量，也提高了裂縫導(dǎo)流能力，能夠保障好的增產(chǎn)效果。

四、高效返排工藝

洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏，因為地層低壓和水敏性強的原因，需要抓好壓裂液的返排，要做到快速和徹底兩個方面，盡最大可能減少壓裂液在地層中的滯留時間和滯留量，為此，從液氮增能助排、纖維防砂和優(yōu)化返排制度三個方面進行了優(yōu)化。

1.液氮增能助排

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏因為壓力低，返排能量不足，所以造成返排時間長、返排率低的不足。因此，在該氣藏采用了液氮增能助排工藝。前面壓裂液優(yōu)化的時候就已經(jīng)考慮到了液體的起泡穩(wěn)泡性能，現(xiàn)場實施主要從液氮加量、注入程序兩個方面優(yōu)化。

液氮用量優(yōu)化的一個原則就是液體段在地層中暴露時間越長、濾失量越大，則應(yīng)該更多的增加液氮用量，這就是恒定內(nèi)相增能液氮助排設(shè)計的主要思路。恒定內(nèi)相設(shè)計使內(nèi)相(氣體+支撐劑)和外相(壓裂液)保持平衡，以保證壓裂液的黏度恒定，施工時在支撐劑濃度增加的時候，保持壓裂液基液排量穩(wěn)定，相應(yīng)降低液氮的排量。恒定內(nèi)相方法的優(yōu)點是既可以提高砂液比，又可避免施工壓力過高。同時，考慮增大前置部分壓裂液的混氣量，降低前置部分壓裂液濾失提高返排，采用從前置階段到攜砂階段按照線性或階梯遞減方式混注液氮。

通過優(yōu)化模擬和現(xiàn)場試驗，優(yōu)化選擇泡沫質(zhì)量最大在35%左右，然后按照階梯降低，最小在10%左右。在現(xiàn)場液氮注入過程中，因為淺井一般采用速交聯(lián)體系，考慮氮氣和壓裂液的更好的混合，要適當(dāng)延長壓裂液的交聯(lián)時間，這樣就能夠保證壓裂液和氮氣能夠充分混合，形成豐富均勻穩(wěn)定的泡沫，把以前壓裂液的交聯(lián)時間30 s適當(dāng)延長到45 s。

2.纖維防砂工藝

加快返排會遇到另外一個難題，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏埋深淺，地層應(yīng)力低，對支撐劑的夾持能力不夠，如果加大返排速率，就會造成大量出砂，嚴(yán)重影響改造效果和生產(chǎn)安全。因此，引入了纖維防砂工藝。

纖維防砂工藝就是將纖維與支撐劑混合，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，從而將支撐劑穩(wěn)固在原始位置，大大提高支撐劑充填層穩(wěn)定性，達到預(yù)防支撐劑回流的目的。如表4所示，加入纖維后，支撐劑的臨界出砂流速大大提高，采用0.3%～0.5%的濃度基本就可以滿足快速返排防砂的作用。

(3)加固整治減少了防洪的人力、物力投入。通過實施平退圩垸工程措施，雙退圩堤縮短堤線約347.9km，大大減輕了防洪壓力，節(jié)省了防汛搶險和水毀工程修復(fù)經(jīng)費及精力；圩垸內(nèi)的居民搬遷后，不再遭受洪水侵襲，237座單退圩垸內(nèi)的居民只存在機遇性的種養(yǎng)損失。從而避免人民生命傷亡和災(zāi)民流離失所，減輕居民的經(jīng)濟損失，減輕社會和政府的救災(zāi)負擔(dān)，人民安居樂業(yè)。

圖4 纖維和支撐劑形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖

臨界流速/(mL·min-1)纖維濃度0MPa0．1MPa0．3MPa0．5MPa0．7MPa1．0MPa0．22%7%38%61%75%89%15%26%114%187%>200%>200%

3.返排制度優(yōu)化

除過上面所述的在壓裂液、液氮助排和纖維防砂等方面的優(yōu)化外，返排制度的優(yōu)化也非常重要。為了盡量減少壓裂液在地層中滯留時間，充分利用地層能量，往往采取裂縫強制閉合技術(shù)。裂縫強制閉合技術(shù)就是在壓裂后裂縫還沒有完全閉合，就采用一定的排量控制排液，在控制支撐劑回流的基礎(chǔ)上，加速壓裂縫的閉合，從而使支撐劑還未沉降或沉降不多時就被裂縫壁夾住，最大限度地保證支撐劑在裂縫中的有效鋪置，確保壓裂效果。

為此，針對洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏，在確定裂縫閉合壓力和加入裂縫的臨界流速的基礎(chǔ)上，根據(jù)井口壓力優(yōu)化油嘴大小，控制返排速率。現(xiàn)場實施表明，壓裂液的的24 h返排率比以前提高了19%，最終返排率提高了28%，達到了73%，取得了快速徹底的返排效果。

五、分層壓裂工藝

洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏砂體薄，單層開發(fā)產(chǎn)量低，控制儲量少，無法實現(xiàn)效益開發(fā)。但蓬萊鎮(zhèn)組為多層系氣藏，一口井一般都能鉆遇3～5個氣層，多層一起開發(fā)，可以有效提高氣井產(chǎn)量，實現(xiàn)有效開發(fā)。

為此，以地應(yīng)力地應(yīng)力剖面研究為基礎(chǔ)，針對不同的地層組合、井筒條件和應(yīng)力情況，形成了以Y241和Y344工具為主的不動管柱分層壓裂工藝，可實現(xiàn)2～5層連續(xù)施工分層壓裂，壓裂完成后，一起從油管排液，最后進行合層采氣。在洛帶氣田發(fā)揮了重要作用，該不動管柱工藝采用封隔器和滑套組合，其施工工序是：從油管注入進行分層壓裂，壓后從油管進行合采。

分層壓裂工藝突破后，到目前為止，分層壓裂井平均單井一次壓2.7層，施工成功率達到98%，氣井平均產(chǎn)量較前期單層壓裂增加了150%(綜合了其他方面的增產(chǎn)效果)，取得了顯著的增產(chǎn)作用，促進了氣藏的高效開發(fā)。

六、現(xiàn)場應(yīng)用效果

從2009年以來，共進行了27井次51層次的壓裂施工，施工成功率達到98%，增產(chǎn)有效率達到93%，壓裂效果由壓前的無氣或產(chǎn)微量氣增加到平均單井測試產(chǎn)量1.9×104m3/d，取得了很好的改造效果。

另外，氣井壓后返排速度明顯加快，壓裂液的24 h返排率比以前提高了19%，最終返排率提高了28%，達到了73%，取得了快速徹底的返排效果。在加快返排的同時，氣井基本上不出砂，說明纖維防砂效果良好。

針對洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組這類多層系低壓薄層氣藏，通過多年的攻關(guān)，形成了以“低傷害壓裂液、優(yōu)化施工參數(shù)、分壓合采、液氮增能助排、纖維防砂”等為核心集成壓裂工藝技術(shù)，有效提高了氣井產(chǎn)量，動用了低品位儲量，挖掘出了小氣田的巨大潛力，為國內(nèi)外類似氣藏的壓裂開發(fā)提供了有益借鑒。

七、結(jié)論及建議

(1)洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏儲層敏感性強、壓力低、層多但單層薄，采用常規(guī)壓裂工藝儲層傷害大、壓裂液返排率低，壓裂效果不好。

(2)通過降低壓裂液殘渣、提高壓裂液和儲層的配伍性、增強壓裂液返排性能等方面的優(yōu)化，調(diào)試出的壓裂液配方與儲層配伍性好、殘渣低、傷害小，并具有強返排性能，有力保障了壓裂效果。

(3)以“小排量、低前置、高砂比”為特點的壓裂工藝施工參數(shù)，在洛帶蓬萊鎮(zhèn)組氣藏具有很好的適用性。

(4)針對洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏低壓的特征，攻關(guān)形成的以“液氮增能、纖維防砂、優(yōu)化返排制度”為核心的高效返排工藝，提高了返排速度和最終返排率，并控制了支撐劑回流，為取得好的壓裂效果提供了保障。

(5)攻關(guān)形成的以“低傷害強返排壓裂液、優(yōu)化施工參數(shù)、高效返排、多層壓裂”為核心的壓裂工藝技術(shù)，在洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏具有很好的適用性，現(xiàn)場取得了顯著的改造效果，也為國內(nèi)外類似氣藏的壓裂開發(fā)提供了有益借鑒。

[1]張曉莉,羅鋒.川西洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲層特征[J].長安大學(xué)學(xué)報,2003,25(3): 33-37.

[2][美] J.L.吉德利.水力壓裂技術(shù)新發(fā)展[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995.12.

[3]王世澤.川西洛帶構(gòu)造蓬萊鎮(zhèn)組地層現(xiàn)今地應(yīng)力場特征[J].礦物巖石，2000(3):46-52.

[4]任山，張紹彬.水力裂縫溫度場模擬程序的開發(fā)和應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2002(3):35-38.

[5]張洪帥，莊照峰.恒定內(nèi)相設(shè)計提高泡沫壓裂效果[J]．油氣田開發(fā)工程譯叢，1991(9):31-35

[6]黃禹忠,任山.纖維網(wǎng)絡(luò)加砂壓裂工藝技術(shù)先導(dǎo)性試驗[J].鉆采工藝,2008,31(1):77-78