頁(yè)巖氣暫堵壓裂技術(shù)在威遠(yuǎn)龍馬溪組的應(yīng)用

劉 敏康 力李 明張澤燕

（1.中國(guó)石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

0 引言

川南威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，資源量約7 290×108m3。該區(qū)塊井型為水平井，完井方式采用套管完井，下入橋塞分段壓裂以提高儲(chǔ)層產(chǎn)量。由于威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的分段加砂壓裂難以精確打開(kāi)儲(chǔ)層，采用川西砂巖水平井常用的壓裂模式效果不佳。暫堵壓裂技術(shù)可利用暫堵劑的封堵作用導(dǎo)致液體轉(zhuǎn)向，從而打通未充分可改造的射孔簇，實(shí)現(xiàn)井筒與油氣藏接觸最大化，有效提高采收率［1］。為此，通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣暫堵壓裂機(jī)理的研究、室內(nèi)暫堵劑的優(yōu)選和評(píng)價(jià)，形成了一套適合威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪儲(chǔ)層地質(zhì)特征的暫堵壓裂工藝技術(shù)，為威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。

1 威遠(yuǎn)龍馬溪組儲(chǔ)層地質(zhì)特征及壓裂難點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)與力學(xué)特性

1.1.1 地質(zhì)構(gòu)造及儲(chǔ)層物性

區(qū)塊位于威遠(yuǎn)背斜和自流井背斜之間，整體為北東向展布的向斜構(gòu)造。龍馬溪組為陸棚相沉積，埋深為3 500～3 900 m，儲(chǔ)層為黑色、灰黑色含炭質(zhì)（含灰質(zhì)）、硅質(zhì)頁(yè)巖及灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，總體表現(xiàn)為硅質(zhì)含量較高、黏土礦物含量較低。龍馬溪組一段儲(chǔ)層物性測(cè)量結(jié)果（圖1）為：平均氦氣孔隙度為3.12%，平均水滲透率為0.14 mD，基質(zhì)孔隙以有機(jī)孔、黏土礦物孔為主，少量脆性礦物孔，局部見(jiàn)微裂縫。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，有機(jī)碳含量（TOC）實(shí)測(cè)為1.25%～3.21%，平均值可達(dá)2.23%，低于焦石壩平均3.56%的水平。

圖1 WY1井龍一段儲(chǔ)層物性柱狀圖

1.1.2 巖石力學(xué)特性

頁(yè)巖儲(chǔ)層的天然裂縫很小，只有通過(guò)壓裂工程形成的誘導(dǎo)裂縫才能提高儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，從而形成工業(yè)氣流［2］。壓裂改造方式與巖石脆性有直接關(guān)系，脆性越大的巖石在外力作用下越容易形成裂縫。巖石的脆性受其脆性礦物含量的影響。

WY201井、WY202井巖性分析結(jié)果表明，巖性組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖為主，石英類礦物含量平均達(dá)45%，頁(yè)巖硅質(zhì)含量較高，有利于后期壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)。另外，泊松比和楊氏模量也是表征頁(yè)巖脆性的兩個(gè)參數(shù)，脆性礦物含量越高，楊氏模量越大，泊松比越?。?］。WY201井楊氏模量為17～39 GPa，泊松比為0.09～0.30，脆性指數(shù)為39%～70%，儲(chǔ)層脆性較強(qiáng)，取心巖心表明發(fā)育以垂直裂縫為主、水平、斜縫和高角度裂縫有200多條。WY202井龍馬溪組壓裂段巖石脆性指數(shù)為50%～60%，脆性指數(shù)較高，實(shí)施壓裂工藝能夠形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫。

1.2 威遠(yuǎn)龍馬溪組壓裂難點(diǎn)

1.2.1 壓裂施工地質(zhì)難點(diǎn)

1）儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。威遠(yuǎn)龍馬溪組儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，很難設(shè)計(jì)與儲(chǔ)層精確地質(zhì)模型相匹配的壓裂裂縫模型；儲(chǔ)層低孔低滲導(dǎo)致了水力裂縫部署的不明確性，加大了裂縫控制技術(shù)實(shí)施的難度。

2）巖石脆性指數(shù)高。如表1所示，威遠(yuǎn)龍馬溪組石英含量平均為36.72%，黏土含量平均為29.5%，脆性礦物含量平均高達(dá)65.35%，利于實(shí)現(xiàn)水力裂縫，地層的可壓性優(yōu)于永川區(qū)塊，但比焦石壩差。

3）天然裂縫和層理較發(fā)育。天然裂縫較發(fā)育，利于與人造裂縫相互串通，總體較有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 壓裂施工工程難點(diǎn)

1）儲(chǔ)層埋深大，施工壓力高。龍馬溪組儲(chǔ)層埋深為3 500～3 900 m，破裂壓力系數(shù)為2.8～3.0，壓裂施工泵壓高，最高達(dá)到120 MPa，最大排量為20 m3／min。

2）水平段長(zhǎng)，單段砂量和液量大，施工時(shí)間長(zhǎng)。單段最大砂量為110 m3，最大液量為3 400 m3。同時(shí)連續(xù)加砂時(shí)間長(zhǎng)（每段持續(xù)加砂0.8～1 h），易出現(xiàn)高壓件爆管、刺漏風(fēng)險(xiǎn)，且泵配件消耗量成倍增加。

3）地層溫度高，壓裂液性能要求高。如WY1井龍馬溪組地層溫度為115℃左右，對(duì)線性膠壓裂液體系高溫下的抗剪切性能提出了更高要求。

表1 WY1井巖石可壓性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 暫堵壓裂技術(shù)機(jī)理及工藝

2.1 暫堵壓裂原理及特點(diǎn)

流體總是向阻力最小的方向流動(dòng)。如圖2所示，壓裂施工時(shí)投入抗壓強(qiáng)度很高的暫堵劑后，當(dāng)暫堵劑進(jìn)入射孔炮眼后，部分進(jìn)入地層中的裂縫或高滲透層在炮眼處和高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，形成高于裂縫破裂壓力的壓差，使后續(xù)壓裂液不能繼續(xù)進(jìn)入原有裂縫從而發(fā)生轉(zhuǎn)向進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化，從而建立新的流體流動(dòng)通道，溝通老裂縫未動(dòng)用的油氣層，提高油氣產(chǎn)量。另外，暫堵劑一般選用活性可溶抗壓小球，易溶于地層水或壓裂液，對(duì)地層污染很小。

圖2 暫堵壓裂地層造縫示意圖

2.2 暫堵壓裂工藝

暫堵壓裂工藝?yán)梦⒌卣鸱▽?duì)施工時(shí)裂縫延伸進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［4］。當(dāng)主壓裂施工結(jié)束后停泵，人工加入暫堵劑，暫堵劑為直徑8～12 mm的可溶性小球，打初壓開(kāi)井用膠液以6～8 m3／min的排量泵送暫堵劑至射孔段，降排量為2～3 m3／min。觀察施工壓力變化，掌握暫堵效果，當(dāng)壓力迅速升高后表明暫堵成功，接著加大排量壓開(kāi)新的裂縫，從而達(dá)到儲(chǔ)層體積壓裂，增加儲(chǔ)層泄油面積和流動(dòng)通道［5］。

3 暫堵壓裂技術(shù)的室內(nèi)評(píng)價(jià)

3.1 暫堵劑水溶性評(píng)價(jià)

為滿足儲(chǔ)層保護(hù)要求，暫堵劑在壓裂液或地層水中溶解率越高越好。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，濃度為1%的暫堵劑溶液在50℃、100℃、150℃3種溫度條件下，溶解率均為100%，而溶解時(shí)間隨著溫度的升高變短：50℃時(shí)，暫堵劑溶解時(shí)間為1 h；100℃時(shí)，溶解時(shí)間為0.8 h；150℃時(shí)，溶解時(shí)間縮短為0.55 h。暫堵劑在不同介質(zhì)中溶解時(shí)間也不一樣，實(shí)驗(yàn)表明：50℃溫度下，暫堵劑在水中完全溶解所需時(shí)間為1 h；在10%的KCl液中溶解時(shí)間為1.5 h；在壓裂液中溶解時(shí)間則縮短為2.5 h。

3.2 暫堵劑粒徑優(yōu)選及封堵評(píng)價(jià)

暫堵劑粒徑選擇對(duì)暫堵轉(zhuǎn)向效果起到?jīng)Q定性作用。粒徑太大時(shí)暫堵劑不易進(jìn)入裂縫中形成橋塞，粒徑太小則不易停留在裂縫孔隙內(nèi)形成橋塞。這里可以借鑒鉆井液橋漿堵漏中的理想填充模型——三分之一架橋，即選擇小于大孔道半徑1／3的顆粒，從而達(dá)到暫堵劑有效充填裂縫的目的。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，威遠(yuǎn)龍馬溪組最大孔喉半徑為23.53 μm［6-7］，因此室內(nèi)選擇10 μm、30 μm、50μm 3種粒徑的暫堵劑按3:1:1比例組分，對(duì)一定寬度的微細(xì)裂縫進(jìn)行封堵。封堵結(jié)果顯示（表2）：暫堵劑封堵率大于98%，擊穿壓力高于70 MPa，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

表2 暫堵劑對(duì)模擬巖心的封堵效果表

4 暫堵壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在WY23-1HF井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用縫口暫堵壓裂工藝，通過(guò)復(fù)合暫堵顆粒在縫口形成橋餅從而改變高壓流體的方向，雖然在局部改造段有一定效果，但是根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，由于暫堵引起的轉(zhuǎn)向壓裂不明顯。具體實(shí)施效果如表3所示。

另外，應(yīng)用該技術(shù)在WY201HF等5口井實(shí)施改造，暫堵改造井段共3 413 m，平均單井測(cè)試產(chǎn)量為18.6×104m3，其中204區(qū)塊7號(hào)平臺(tái)第3口井暫堵改造井段為1 448 m，測(cè)試產(chǎn)量為11.73×104m3／d，高于204區(qū)塊開(kāi)發(fā)方案要求的單井測(cè)試產(chǎn)量?，F(xiàn)場(chǎng)每口井使用的液量約比常規(guī)技術(shù)用液量減少3 000 m3，大幅降低了頁(yè)巖氣壓裂對(duì)水量的需求，既提高了經(jīng)濟(jì)效益又降低了對(duì)環(huán)境的污染。

表3 WY23-1HF井暫堵前后效果對(duì)比表

5 結(jié)論及建議

1）暫堵壓裂技術(shù)能有效改善低滲低孔儲(chǔ)層的物性，增多和增大頁(yè)巖儲(chǔ)層的流動(dòng)通道，提高頁(yè)巖氣井產(chǎn)量。

2）威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、巖石硬脆、可壓性較好，在該區(qū)塊試點(diǎn)開(kāi)展暫堵壓裂施工對(duì)頁(yè)巖氣井暫堵施工工藝實(shí)施具有先導(dǎo)性意義。

3）室內(nèi)對(duì)常用暫堵劑進(jìn)行理化性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明暫堵劑具有溶解性好、封堵壓力高等特點(diǎn)。

4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明：大部分井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得一定效果，暫堵施工井較常規(guī)壓裂施工井測(cè)試產(chǎn)量更高，證明暫堵壓裂技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造效果明顯；有些井暫堵工藝實(shí)施效果不太明顯，還需進(jìn)一步研究適用條件并進(jìn)行進(jìn)一步改造。

［1］張曉鋒.威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣井套變井段暫堵體積壓裂技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐與認(rèn)識(shí)［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（21）：82-85.

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