延長氣田山西組深井低濃度胍膠壓裂液體系的應(yīng)用研究

羅立錦，謝 元，沈燕賓，李永豐，王 佳，路建萍，周 渝

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油氣勘探公司，陜西延安 716000；2.陜西省石油化工研究設(shè)計院，陜西省石油精細(xì)化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西西安 710054；3.陜西省延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司杏子川采油廠，陜西安塞 717400）

隨著油氣資源的開發(fā)，低滲透儲層成為未來油氣田增產(chǎn)的重要領(lǐng)域，其在天然氣開采中占有相當(dāng)大的比重，并且有不斷增大的趨勢，是未來石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向[1，2]。由于低滲透油氣儲層與中、高滲透性儲層的滲流特征不同，存在著啟動壓力大、滲流阻力大、非線性流動的特征，加之大多數(shù)具有非均質(zhì)性強(qiáng)，存在一系列的應(yīng)力敏感性等增加了低滲透油氣藏開采的難度[3-5]，而不同的儲層往往因儲層特征差異未進(jìn)行差別化對待導(dǎo)致造成了較大的儲層傷害，基于油氣井開采的精細(xì)化作業(yè)，因此需要針對這些儲層特點(diǎn)進(jìn)行研究開發(fā)合適的壓裂液體系[6-9]。目前延長氣井3 600 m以上井深采用的胍膠濃度為0.50%～0.55%，山西組也是氣區(qū)的主力氣層，因此本研究針對延長氣田深井（＞3 600 m）低滲透油氣儲層進(jìn)行研究，針對低孔、低滲的儲層特征進(jìn)行了低濃度胍膠壓裂液體系的研制，實(shí)現(xiàn)降低對儲層的傷害，提高壓裂效果，提升產(chǎn)氣量的效果，實(shí)現(xiàn)降本增效的企業(yè)理念。

1 壓裂助劑研究

1.1 山西組巖石礦物組成及分布

儲層巖石組成的分析對于開發(fā)合適體系壓裂液降低儲層傷害至關(guān)重要，因此采用了X衍射對山西組儲層巖石進(jìn)行測試，其組成及分布（見表1）。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)以石英和黏土礦物為主，其中石英最大含量達(dá)到99%，黏土含量最大42.5%。研究區(qū)黏土礦物類型多樣，伊蒙混層礦物山西組平均達(dá)到了31.2%，23.4%樣品內(nèi)伊蒙混層礦物相對含量超過20%，是造成研究區(qū)儲層水敏性的主要礦物類型，因此壓裂液體系需要添加黏土穩(wěn)定劑類物質(zhì)進(jìn)行預(yù)防水敏性造成的儲層傷害。

1.2 儲層孔隙度、滲透率研究

表1 延長氣田山西組氣層X衍射全巖分析統(tǒng)計表

表2 延長氣田山西組儲層常規(guī)物性分析表

孔隙度、滲透率對于油氣開采效果具有重要的影響，針對山西組儲層孔隙度及滲透率進(jìn)行統(tǒng)計研究，實(shí)驗數(shù)據(jù)（見表2）。

孔隙度主要分布在4.0%～10.0%，這一區(qū)段的樣品數(shù)可占76.59%，平均孔隙度6.4%，樣品孔隙度大于10%分布頻率為7.54%；滲透率主要分布在0.01×10-3μm2～0.5×10-3μm2，該分布區(qū)段的樣品數(shù)占 89.26%，平均為 0.2×10-3μm2，大于 0.5×10-3μm2的樣品分布頻率占到6.64%，屬低孔、低滲致密型儲集層，因此對于壓裂液體系需要注意低孔、低滲儲層的預(yù)防保護(hù)及壓裂結(jié)束后返排效果的提升，一方面可以降低壓裂液體系的殘渣減輕對孔隙度的傷害，另一方面需要通過助劑添加降低表界面張力降低水鎖效應(yīng)，降低儲層中黏土類物質(zhì)的敏感性減小儲層傷害。

1.3 儲層填隙物特征研究

填隙物往往是儲層傷害的關(guān)鍵，對山西組儲層中填隙物進(jìn)行薄片鑒定，其填隙物成分（見表3）。

表3 延長氣田山西組主要儲層段砂巖填隙物成分表

通過測試發(fā)現(xiàn)填隙物主要為黏土礦物、硅質(zhì)和碳酸鹽膠結(jié)物，其中黏土充填物的含量在山西組含量為0.99%～42.5%，硅質(zhì)膠結(jié)山西組平均含量為4.37%，碳酸鹽類膠結(jié)物單井最大含量在15.67%～44.95%。

圖1 山西組儲層

為了研究填隙物對儲層的影響進(jìn)行了掃描電鏡觀測（見圖1）。

通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)存在壓實(shí)作用、膠結(jié)、交代作用，壓實(shí)作用使顆粒間的接觸更為緊密趨于定向排列，膠結(jié)、壓溶易形成凹凸接觸，進(jìn)一步的壓溶可出現(xiàn)由凹凸接觸向縫合線接觸的轉(zhuǎn)變，從而形成低孔致密儲層，因此儲層條件較差，需要保證壓裂液體系性能，降低壓裂過程中壓力的不平穩(wěn)性及壓力過高等造成的儲層傷害性。

1.4 儲層氣藏特征研究

儲層氣藏特征對于壓裂后返排效果影響較大，對山西組34口井的氣藏數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表4）。

表4 延長氣田山西組氣藏特征簡表

由表4數(shù)據(jù)可知山西組氣藏壓力為低壓，其壓力系數(shù)最高為0.97，平均壓力系數(shù)為0.81，這一特點(diǎn)預(yù)示需要采取助排措施提升其返排效果，針對壓裂液體系可以通過添加起泡劑，降低返排液柱的壓力，另一方面可以添加助排劑降低壓裂液破膠液的表界面張力，降低水鎖效應(yīng)，提高返排效果，增加油氣開采效率。

1.5 儲層水質(zhì)研究

儲層水質(zhì)與壓裂液體系可能存在不配伍性造成地層傷害，需要對其進(jìn)行研究，通過對山西組14口井地層水化驗分析結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計（見表5）。

地層水中Ca2+、Cl-、Na+（K+）、Mg2+、HCO3-的含量較高，個別井的地層水中含有SO42-，礦化度含量高達(dá)幾十克每升，有的甚至幾百克每升，屬于高礦化度水。依據(jù)《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》（SY/T 0600-1997）對地層水的CaCO3結(jié)垢趨勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)均有CaCO3結(jié)垢趨勢，而油氣開采壓裂過程中，用作壓裂液中破膠劑的過硫酸銨會生成SO42-，會生成硫酸鈣結(jié)垢，為了降低沉淀對地層的傷害，需要加入助劑降低沉淀的形成減輕對儲層的傷害。

2 壓裂液體系研究

針對儲層特征研究對壓裂液體系助劑添加進(jìn)行了研究，確定了通過添加防膨穩(wěn)定劑來降低儲層的傷害，通過添加起泡助排劑來提升返排效果，通過添加壓裂專用螯合劑來降低壓裂液進(jìn)入地層后與地層水的不配伍性，通過降胍膠濃度由0.50%～0.55%降至0.35%減輕對儲層的傷害。通過實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)防膨穩(wěn)定劑添加量達(dá)到0.8%時，防膨率達(dá)到了90.15%，再增加其濃度對防膨率影響不大，起泡助排劑當(dāng)濃度達(dá)到0.5%時，其發(fā)泡率為75.31%、表面張力為22.33 mN/m、界面張力為0.06 mN/m、助排率為93.3%，壓裂專用螯合劑濃度達(dá)到0.025%時，壓裂液與地層水的結(jié)垢趨勢已達(dá)到最小，故最終確定壓裂液體系為：0.35%胍膠+0.50%起泡助排劑+0.80%防膨穩(wěn)定劑+0.15%溫度穩(wěn)定劑+0.10%殺菌劑+0.15%Na2CO3+0.025%壓裂專用螯合劑+（0.10%～0.35%）高溫交聯(lián)劑。

2.1 壓裂液體系耐溫耐剪切性能研究

由于研究的地層深度均為大于3 600 m的儲層，因此對壓裂液體系進(jìn)行130℃條件下的耐溫耐剪切實(shí)驗，其流變圖譜（見圖2）。

圖2 壓裂液體系的耐溫耐剪切曲線

由圖2可以看出體系經(jīng)過2 h剪切后其黏度仍大于50 mPa·s，因此壓裂液體系具有較好的耐溫耐剪切性能，由于其耐溫已達(dá)130℃，故對于小于130℃的地層均不存在問題，能滿足壓裂現(xiàn)場要求。

2.2 壓裂液體系懸砂性能研究

表5 延長氣田山西組地層水化驗分析數(shù)據(jù)表

為研究體系懸砂能力，在90℃水浴中進(jìn)行了性能測定，實(shí)驗數(shù)據(jù)（見表6）。

表6 壓裂體系懸砂時間研究

從表6中數(shù)據(jù)可以看出壓裂體系懸砂性能較好，目前現(xiàn)場體系的懸砂時間為8 min，因此所研究的壓裂體系完全適用于現(xiàn)場壓裂。

2.3 壓裂液對巖心傷害性研究

為考察低濃度胍膠壓裂液對巖心的傷害情況，將其與常規(guī)胍膠壓裂液的巖心傷害情況進(jìn)行了對比研究，評價方法采用標(biāo)準(zhǔn)“水基壓裂液性能評價方法（SY 5107-2005）”，其實(shí)驗數(shù)據(jù)（見表7）。

表7 巖心傷害率對比

由表7可知，常規(guī)胍膠壓裂液體系對巖心的傷害率為28.70%，低濃度胍膠壓裂液體系對巖心的傷害率為14.49%，與常規(guī)體系相比傷害率減少率為49.51%，由此可以看出低濃度胍膠體系具有較低的儲層傷害性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)研究的壓裂液體系進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，選2口井進(jìn)行現(xiàn)場施工，其施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表8），施工圖譜（見圖3）。

表8 1＃、2＃井現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表8可以看出施工加砂按照設(shè)計可達(dá)到100%，平均砂比均大于20%，其射孔段深度最深達(dá)到了4 044 m，地層溫度達(dá)到了131℃，由施工圖譜可以看出兩口井均施工順利，施工壓力平穩(wěn)，且1＃井施工壓力維持在60 MPa以下，2＃井施工壓力維持在65 MPa以下，因此壓裂液體系具有較好的性能，能滿足延長氣田山西組深井壓裂應(yīng)用。

4 產(chǎn)氣效果

對施工的兩口井進(jìn)行了試氣效果及返排效果測定，選擇鄰井同層位試氣效果進(jìn)行對比，其實(shí)驗數(shù)據(jù)（見表9）。

通過對比發(fā)現(xiàn)針對山西組所研發(fā)體系在產(chǎn)氣效果及返排效果方面均具有較好的性能，其產(chǎn)氣量提升明顯，產(chǎn)氣提升量保持在1.0×104m3/d左右，返排提升率大于5%，從經(jīng)濟(jì)價值方面考慮胍膠用量降低了30%以上，因此針對儲層特征所開發(fā)的體系具有較好的壓裂效果及經(jīng)濟(jì)價值。

圖3 1＃、2＃井現(xiàn)場施工圖譜

表9 1＃、2＃井與鄰井產(chǎn)氣效果對比表

5 總結(jié)

通過對山西組儲層進(jìn)行研究，開發(fā)的壓裂液體系具有較好的性能，其壓裂液體系配方為：0.35%胍膠+0.50%起泡助排劑+0.80%防膨穩(wěn)定劑+0.15%溫度穩(wěn)定劑+0.10%殺菌劑+0.15%Na2CO3+0.025%壓裂專用螯合劑。體系防膨率達(dá)到了90.15%，發(fā)泡率為75.31%、表面張力為22.33 mN/m、界面張力為0.06 mN/m、助排率為93.3%，在130℃時體系仍具有較好的耐溫耐剪切性能，在90℃條件下懸砂時間達(dá)到了29 min以上，與現(xiàn)場使用體系相比，懸砂時間大幅度延長，胍膠用量降低了30%以上，傷害率下降達(dá)到了49.51%。經(jīng)過現(xiàn)場2口井的試驗表明在131℃的地層溫度下仍可順利施工，施工壓力平穩(wěn)，加砂按設(shè)計完成，平均砂比均大于20%，壓后返排率效果、產(chǎn)氣效果提升明顯，前者達(dá)到了5%以上，后者達(dá)到1.0×104m3/d左右，綜合考慮針對山西組儲層特征研究所開發(fā)的壓裂液體系具有較好的性能及較好的經(jīng)濟(jì)價值，具有降本增效的作用。