東勝氣田致密氣藏混合水體積壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

楊文波，常云超，邱小慶

（1.中國石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南鄭州 450042；2.中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院）

東勝氣田杭錦旗區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起，是以下石盒子組為主力開發(fā)層位的致密氣藏，資源量大，分布穩(wěn)定。儲層巖性主要為巖屑石英砂巖與巖屑砂巖，石英平均含量為66.67%，巖屑平均含量為22.26%，楊氏模量為28.0～31.0 GPa，滲透率主要為（0.9～1.7）×10-3μm2，孔隙度主要為9.3～11.3%，屬于典型的低孔低滲氣藏。受儲層條件的制約，單單靠增加縫長來提高儲層的導流能力已經(jīng)達不到理想的效果。針對鄂爾多斯盆地儲層巖石特性以及天然裂縫發(fā)育特點，按照“體積壓裂”理念，對傳統(tǒng)的壓裂方式進行改進創(chuàng)新，開展了混合水體積壓裂技術(shù)攻關(guān)試驗[1-3]。

1 混合水體積壓裂機理

混合水體積壓裂技術(shù)主要是針對天然裂縫發(fā)育、巖石脆性指數(shù)較高的致密儲層的壓裂技術(shù)，通過低黏壓裂液和低砂比形成復(fù)雜支縫，高黏壓裂液和高砂比形成高導流主縫，開啟天然裂縫并形成有效支撐，實現(xiàn)對儲層三維方向的“立體改造”[4]。其增產(chǎn)機理是：在混合水體積壓裂過程中，當縫內(nèi)凈壓力大于地層最大最小水平主應(yīng)力差時，人工主裂縫開始形成，天然裂縫逐漸張開；當凈壓力達到一定數(shù)值時，脆性巖石開始發(fā)生剪切滑移。由于存在剪切滑移，在裂縫延伸過程中也能使已存在的微隙進一步張開。壓裂結(jié)束后，剪切斷裂產(chǎn)生的裂縫粗糙面使張開的裂縫不能再滑移回到初始位置，閉合后仍能保持一定的間隙[5-12]。在裂縫剪切滑移形成一定的縫長和縫寬后，繼而將攜帶一定支撐劑的攜砂液按一定比例注入，使剪切產(chǎn)生的裂縫滲透率得到保持，提高裂縫導流能力，增大壓裂改造體積，提高單井產(chǎn)量。

2 混合水體積壓裂工藝研究

2.1 壓裂液體系優(yōu)選

混合水體積壓裂入地液量大，容易對地層造成嚴重的傷害，因此，對壓裂液體系性能的要求較高。線性膠壓裂液體系不僅具有界面張力低、體系更易返排、對儲層傷害小的特性，同時具有容易進入天然微裂縫、開啟并溝通更多的天然裂縫、利于裂縫體積改造的優(yōu)點，因此，采用線性膠作為前置液。但線性膠攜砂性能有限，不能滿足高砂比攜砂的要求，為保證施工安全，采用較高黏度胍膠壓裂液作為攜砂液[13]。針對鄂爾多斯盆地東勝氣田杭錦旗區(qū)塊的儲層特征，優(yōu)化混合水體積壓裂常用配方為：線性膠（0.15%HPG＋1.0%防膨劑+0.05%殺菌劑+0.5%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3）、基液（0.45%HPG＋1.0%防膨劑+0.05%殺菌劑+0.5%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3）。

2.2 支撐劑優(yōu)選

閉合壓力大小是優(yōu)選支撐劑的主要技術(shù)參數(shù)，組合支撐劑性能參數(shù)見表1。根據(jù)鄰井施工資料反映，地層閉合壓力梯度為0.014～0.016 MPa/m，地層閉合壓力為43.5～49.7 MPa，故選用耐壓性能更好的人造陶粒作為支撐劑。根據(jù)東勝氣田儲層特點以及混合水體積壓裂壓后裂縫支撐特征，結(jié)合現(xiàn)場施工要求，經(jīng)過室內(nèi)研究，前置液階段采用40/70目中密度陶粒擴大天然裂縫開啟程度，充填微裂縫；攜砂液階段采用20/40目低密度陶粒支撐人工主裂縫，提高主裂縫導流能力[14]。

表1 支撐劑性能參數(shù)

2.3 配套工具的組合

井內(nèi)尾管懸掛器、裸眼封隔器、滑套等耐溫可達150 ℃，耐壓可達70 MPa，井口采用KQ103/65-70型壓裂井口，均能滿足施工限壓60 MPa的要求；井口采用雙管線泵入壓裂液，能夠滿足6～7 m3/min的施工排量要求。

2.4 縫內(nèi)凈壓力優(yōu)化

鄂爾多斯盆地東勝氣田下石盒子組的巖石脆性指數(shù)高、天然裂縫較發(fā)育，在壓裂過程中容易形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。研究表明，巖石產(chǎn)生張性斷裂所需要的縫內(nèi)凈壓力表達式為：

產(chǎn)生剪切斷裂所需要的縫內(nèi)凈壓力表達式為：

式中：netp為縫內(nèi)凈壓力，MPa；Hσ，hσ分別為水平最大、最小主應(yīng)力，MPa；θ為人工裂縫與天然裂縫夾角，(°)；0τ為天然裂縫面的黏聚力，MPa；fK為天然裂縫面的摩擦系數(shù)。

由式（1）可知，當π/2θ=時，張性裂縫凈壓力取得的最大值為。同理，由（2）式可知：當人工裂縫與天然裂縫相交后，影響天然裂縫是否發(fā)生剪切滑移的因素包括水平主應(yīng)力差、人工裂縫面的摩擦系數(shù)；當π/2θ=時，剪切裂縫凈壓力取得最大值；對于天然裂縫縫面的黏聚力為0，因此，天然裂縫產(chǎn)生張性斷裂和剪切斷裂的最大值均為

東勝氣田杭錦旗區(qū)塊下石盒子組儲層水平主應(yīng)力差一般為3～5 MPa，因此，產(chǎn)生剪切裂縫需要的最大縫內(nèi)凈壓力要大于5.0 MPa。

2.5 施工排量優(yōu)化

體積壓裂通過大排量迫使天然裂縫張開，通過提高縫內(nèi)凈壓力形成網(wǎng)狀裂縫，由常規(guī)的造長縫變?yōu)樵黾涌p網(wǎng)體積；通過增大泄流體積，達到提高單井產(chǎn)量的目的。研究表明，排量大于6.0 m3/min凈壓力大于5.0 MPa，能夠保證天然裂縫開啟并延伸，同時能夠使裂縫突破夾層，縱向上充分動用砂泥巖混層，因此現(xiàn)場施工排量應(yīng)為6.0 m3/min以上。

3 實例分析

3.1 基本井況

JH1井是東勝氣田杭錦旗區(qū)塊的一口氣藏評價水平井，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部隆起，井深4 557 m，層位為盒2層，采用預(yù)置管柱完井。儲層平均孔隙度為12%，平均滲透率為0.56×10-3μ m2，平均含氣飽和度為45.1%，屬于致密砂巖儲層。目的層盒2-1層砂體厚度11.1 m，上覆盒2-2層砂體厚度11 m，下覆盒1層砂體厚度25.6 m，砂體厚度較大。目的層盒2-1層與下覆盒1層之間有2個約1 m厚的較純泥巖薄夾層，其遮擋效果較差，上覆盒2-2層砂體與目的層盒2-1層砂體之間無遮擋層。壓裂設(shè)計原則是以較高的規(guī)模和排量溝通縱向氣層，提高改造體積，采用混合水體積壓裂技術(shù)進行儲層改造。

3.2 設(shè)計施工參數(shù)

該井通過投球打滑套進行分段壓裂，主要采用大液量、大排量的施工參數(shù)。X1井分段壓裂施工參數(shù)：每段使用線性膠約135 m3，壓裂基液約400 m3,施工排量6～7 m3/min，支撐劑20～40目中粒徑陶粒40～55 m3，40～70目小粒徑陶粒3～4 m3，平均砂比約20%。

3.3 壓裂施工過程

根據(jù)線性膠和基液的液體類型及作用，每段施工泵注過程大致可分為3個階段如表2所示。

（1）前置交聯(lián)液線性膠的注入。每級壓裂前置液中以40/70目小粒徑陶粒打5%、7%兩個砂比段塞降低或消除近井筒裂縫的迂曲摩阻，擴大天然裂縫開啟程度，并充填地層中發(fā)育的微裂縫，降低施工泵壓，降低壓裂液濾失，進而提高壓裂液效率。

表2 JH1井第X段壓裂施工泵注程序

（2）大粒徑攜砂交聯(lián)液的注入。支撐人工主裂縫，提高主裂縫導流能力，形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加主縫近井地帶的導流能力。

壓裂施工所用的壓裂液由50.2%的前置液組成。根據(jù)JH1井第X段壓裂施工曲線，注入砂比為5%的交聯(lián)液，頂替到位后，注入砂比為7%的線性膠，隨后注入交聯(lián)液攜砂液，砂比由9%逐漸升高到33%。地層破裂壓力為29.8 MPa，施工排量為7～6 m3/min，裂縫延伸正常；前期注入40～70目陶粒3.1 m3，后期注入20～40目陶粒42.1 m3，整個過程采用段塞式加砂。

3.4 壓后產(chǎn)能情況

通過JH1 井與相鄰?fù)瑢游痪畨汉笄螽a(chǎn)數(shù)據(jù)對比，在相同儲層條件下，采用不同的壓裂方式進行儲層改造，壓后產(chǎn)量明顯不同。混合水壓裂能夠有效地增加裂縫與儲層的接觸面積， 提高了近井地帶的裂縫導流能力，單井產(chǎn)能較常規(guī)胍膠壓裂提高明顯，達到大幅度提高產(chǎn)量的目的。該井采用混合水壓裂改造，壓后無阻流量25.0×104m3/d，實現(xiàn)了杭錦旗該層位產(chǎn)能新突破?；旌纤c常規(guī)壓裂產(chǎn)能情況對比如表3所示。

表3 混合水與常規(guī)壓裂產(chǎn)能情況對比

4 結(jié)論和認識

（1）鄂爾多斯盆地東勝氣田致密砂巖氣藏具有儲層致密、巖石脆性度較高、天然裂縫較發(fā)育的地質(zhì)特征，水平主應(yīng)力差3～5 MPa，具備混合水體積壓裂有利的地質(zhì)條件。

（2）在鄂爾多斯盆地東勝氣田致密砂巖氣藏創(chuàng)新地開展混合水體積壓裂技術(shù)試驗，通過注入低黏低砂比壓裂液形成復(fù)雜支縫，高黏高砂比壓裂液形成高導流主縫，開啟天然裂縫并形成有效支撐，實現(xiàn)對儲層三維方向的“立體改造”，試驗后生產(chǎn)效果顯著，達到了有效提高單井產(chǎn)量的目的。

（3）為了能夠全面了解混合水體積壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的適應(yīng)性，需進一步開展混合水體積壓裂試驗，加強對致密氣藏儲層天然裂縫以及巖石力學參數(shù)的研究，為施工參數(shù)的優(yōu)選以及設(shè)計的優(yōu)化提供更有力的依據(jù)。

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