川東深層致密砂巖儲(chǔ)層改造難點(diǎn)及技術(shù)現(xiàn)狀

段 華, 李 枚, 鄧 燕, 扶喆一, 殷雪峰

(1.中國石化勘探分公司，成都 610041； 2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南石油大學(xué)，成都 610500)

全球非常規(guī)油氣資源主要包括重油、油砂、致密油、油頁巖油、頁巖氣、煤層氣和致密氣等7種類型，主要分布在全球60個(gè)國家的363個(gè)盆地中，其中北美地區(qū)非常規(guī)油氣資源最為豐富，中亞-俄羅斯地區(qū)次之[1]。非常規(guī)天然氣總資源量達(dá)921.4×1012m3，是常規(guī)天然氣總資源量的2.1倍，其中致密砂巖氣資源量為209.6×1012m3[2]，開發(fā)潛力大，已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一。中國在“十二五”期間，對(duì)類似四川盆地西部須家河組等埋深深、巖性致密、非均質(zhì)性強(qiáng)[3]、地層壓力高，施工壓力高[4-5]的致密砂巖的儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。研究區(qū)域川東YL地區(qū)陸相致密砂巖是“十三五”期間的勘探開發(fā)對(duì)象，與川西相比，埋深更深、巖性更致密，改造難度大。通過總結(jié) “十三五”期間對(duì)YL地區(qū)致密砂巖改造現(xiàn)場實(shí)踐中面臨的技術(shù)難題及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，介紹了目前適用于川東深層致密砂巖氣藏的壓裂改造工藝技術(shù)。

1 YL地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層特征

YL地區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構(gòu)造帶結(jié)合部，陸相主要發(fā)育三疊系須家河組二段、三段、四段，以及侏羅系自流井組珍珠沖段等致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層特征參數(shù)如表1所示。

表1 YL地區(qū)陸相致密砂巖氣藏特征要素統(tǒng)計(jì)

1.1 須二段

儲(chǔ)層為辮狀河三角洲前緣沉積，發(fā)育多期水下分流河道砂體，具有疊置連片分布特征。巖性為中粒的巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、含巖屑石英砂巖和石英砂巖等，儲(chǔ)集空間以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、殘余粒間孔為主，局部發(fā)育裂縫。裂縫提高了儲(chǔ)層的滲透性，并為溶蝕作用提供了通道。該儲(chǔ)層相對(duì)較厚為20～30 m，屬低孔低滲孔隙型層狀致密砂巖儲(chǔ)層類型，具有超高壓、低地溫梯度、低含氣飽和度等特征，屬于“混源充注”成藏模式(圖1)。

T3X2上為上三疊統(tǒng)須家河組二段上亞段圖1 “混源充注”成藏模式Fig.1 Mixed source reservoiring pattern diagram

1.2 須三段

儲(chǔ)層為辮狀河道、水下分流河道沉積，垂向上疊置、橫向上連通。巖性主要為細(xì)-中粒的巖屑砂巖、巖屑砂質(zhì)礫巖，巖屑成分主要為灰?guī)r，儲(chǔ)集空間以粒間溶孔、裂縫為主。屬低孔、中-低滲的裂縫-孔隙型儲(chǔ)層類型，具有高壓、低地溫梯度特征，屬于“源內(nèi)充注”成藏模式(圖2)。

1.3 須四段

1.3.1 西部須四段

主要為辮狀河道及水下分流河道微相沉積，其中上亞段主要為巖屑砂質(zhì)礫巖、巖屑砂巖，巖屑成分主要為灰?guī)r；下亞段儲(chǔ)層主要為石英砂質(zhì)礫巖。儲(chǔ)集空間類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和裂縫為主，裂縫主要發(fā)育于砂質(zhì)礫巖中，并以中、低角度的構(gòu)造縫為主，屬低孔、低滲裂縫-孔隙型儲(chǔ)層類型，它具有縱向疊置、橫向連通、分布廣、高壓、低溫梯度、低含氣飽和度等特征。

1.3.2 中部須四段

主要為辮狀河道和水下分流河道微相沉積，巖石類型為灰質(zhì)巖屑砂巖、長石巖屑砂巖。儲(chǔ)集空間類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和裂縫為主。其中，裂縫主要發(fā)育于中-粗粒砂巖中，并以中、低角度的構(gòu)造縫為主，為低孔、低滲裂縫-孔隙型儲(chǔ)層，具有縱向相互疊置、橫向相互連通、分布廣、低地溫梯度、超高壓、低含氣飽和度等特征。

1.3.3 東部須四段

主要為水下分流河道微相沉積，儲(chǔ)層巖性主要為長石巖屑砂巖，儲(chǔ)集空間類型以粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和裂縫為主，少量黏土雜基微孔，屬低孔、低滲裂縫-孔隙型儲(chǔ)層，具有縱向疊置、橫向連片、低地溫梯度、超高壓、低含氣飽和度等特征，成藏模式為“近源充注”(圖3)。

T3X4上為上三疊統(tǒng)須家河組四段上亞段；T3X3上為三疊統(tǒng)須家 河組三段圖3 “近源充注”成藏模式Fig.3 Near source reservoiring pattern diagram

1.4 自流井組珍珠沖段

YL地區(qū)珍珠沖段巖性區(qū)域上可分4類：西北部巖性主要為砂礫巖(礫石成分多為碳酸鹽巖)+灰質(zhì)巖屑砂巖；西南部巖性主要為巖屑砂巖+灰質(zhì)巖屑砂巖；中部巖性主要為砂礫巖(礫石成分為石英巖礫石及硅質(zhì)巖礫石)+巖屑砂巖(變質(zhì)巖)；東南部巖性主要為砂礫巖+巖屑砂巖。儲(chǔ)層具有巖性致密、巖性復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、普遍較薄、高壓、高溫、含氣飽和度相對(duì)較低等特征。

2 儲(chǔ)層改造技術(shù)難點(diǎn)

(1)儲(chǔ)層埋藏深，破裂壓力高,延伸壓力高。YL地區(qū)陸相儲(chǔ)層埋深一般為3 800～5 000 m，破裂壓力梯度異常高(2.5～3.2 MPa/100 m)，高于國內(nèi)外同類氣藏破裂壓力(1.7～2.5 MPa/100 m)。地層出現(xiàn)明顯破裂壓降峰值和多次破裂后泵壓較大幅度下降，裂縫延伸壓力梯度為2.3～2.7 MPa/m，但施工壓力仍較高。超高的破裂壓力和延伸壓力極大程度上限制了施工規(guī)模和排量，導(dǎo)致裂縫在長度方向延伸受限，儲(chǔ)層難以得到充分改造。

(2)儲(chǔ)隔層應(yīng)力差異不大，縫高難控制。該地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)隔層應(yīng)力差值小(1.6～10 MPa)，儲(chǔ)層改造時(shí)縫高不易控制，裂縫極易在縫高方向失控，不利于裂縫在長度方向的延伸。

(3)裂縫發(fā)育程度決定氣井產(chǎn)能大小。裂縫既是油氣運(yùn)移的通道又是油氣聚集的空間，綜合解釋的裂縫層通常原生裂縫較為發(fā)育，酸壓或加砂壓裂可起到較好的解堵和改造的效果，改造后基本顯示為中高產(chǎn)試氣層，部分井僅試擠后常規(guī)測試即可獲得良好的產(chǎn)能(表2)。而裂縫欠發(fā)育層的井層常規(guī)測試后未見氣或低產(chǎn)，小部分經(jīng)儲(chǔ)層改造后可獲得工業(yè)氣流，但大部分層段在改造后產(chǎn)能仍不理想。

3 儲(chǔ)層改造技術(shù)及配套

經(jīng)過“十三五”期間的現(xiàn)場實(shí)踐，YL地區(qū)探索形成了適合的選層及測試工藝模式，形成了以“射孔-測試聯(lián)作、射孔-酸壓-測試三聯(lián)作、射孔后加砂壓裂-測試聯(lián)作”為核心的環(huán)空壓力控制(annulus pressure response，APR)測試技術(shù)，配套了膠凝酸酸壓、前置酸+加砂壓裂、試擠、超高壓壓裂等工藝技術(shù)，不斷優(yōu)化射孔、壓裂管柱、復(fù)合助排工藝，基本形成了適合YL地區(qū)深層致密砂巖儲(chǔ)層改造配套技術(shù)體系。

3.1 集中射孔策略

推薦射孔方案：①集中射孔策略，縮小射孔井段，一般射孔厚度10～20 m；②增大孔密(由16孔/m增加為20孔/m)；③采用45°、60 °小相位射孔，增加射孔方位，減少彎曲摩阻；④優(yōu)選射孔槍、射孔彈，φ139.7/146.1 mm套管選用89/102射孔槍、102射孔彈，φ177.8 mm套管選用127射孔槍、127射孔彈，安裝最大彈藥量，在確保最大穿透深度情況下盡量增大孔徑，確保順利改造。該優(yōu)化射孔方案有利于降低破裂壓力，同時(shí)集中射孔的方式也有助于縫高控制。

3.2 試擠工藝

針對(duì)氣層發(fā)育、嚴(yán)重漏失、溢流層段或壓裂實(shí)施難度大的井，通常先試擠破裂求自然產(chǎn)能，如果測試效果差，則進(jìn)一步改造。通過該方法的應(yīng)用，較多井獲得了較好的天然氣產(chǎn)能，無需再進(jìn)一步改造。

表2 YL地區(qū)陸相儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況及產(chǎn)能Table 2 Fracture development and well production in YL area

3.3 前置酸+加砂壓裂

針對(duì)須二、須四段巖性以細(xì)砂巖、石英砂巖為主的地層，探索形成了前置酸+壓裂液壓裂技術(shù)體系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)層巖石異常致密，酸液與巖石作用有限，增加酸巖作用時(shí)間能夠有效增大巖石酸損傷程度。因此當(dāng)酸液進(jìn)入地層后適當(dāng)停泵，或者適當(dāng)增加酸液用量，以增大近井帶巖石的損傷程度，進(jìn)而降低后續(xù)壓裂施工破裂壓力。推薦酸損傷工藝參數(shù)：①排量。低于破裂壓力的條件下盡量增大排量。②酸化規(guī)模。儲(chǔ)層厚度×π×損傷半徑2(1 m左右)×孔隙度。

表4 測試選層與測試工藝建議

3.4 膠凝酸酸壓

針對(duì)須三、須四段及珍珠沖段的灰?guī)r巖屑砂巖、灰?guī)r巖屑砂礫巖儲(chǔ)層，推薦采用耐高溫低摩阻膠凝酸體系。交聯(lián)酸可降低酸巖反應(yīng)速度和酸液大量濾失，克服前置液酸壓、多級(jí)注入酸壓、乳化酸酸壓、膠凝酸酸壓、泡沫酸酸壓等工藝酸蝕縫長短之不足，從而提高酸壓效果；采用壓裂液+酸液交替注入壓裂工藝，既可增加縫長，又可提高裂縫導(dǎo)流能力形成長縫，同時(shí)還可進(jìn)一步提高酸壓排量及規(guī)模。若巖石中的灰質(zhì)含量大于30%，鹽酸溶蝕率高，采用膠凝鹽酸體系；若灰質(zhì)含量小于30%，鹽酸溶蝕率低，土酸溶蝕率高，采用膠凝土酸體系。一般采用“前置酸+主體酸+閉合酸”注入工藝。

3.5 超高壓壓裂系統(tǒng)

采用140 MPa采氣樹及創(chuàng)新研制的140 MPa×FF級(jí)、緊急關(guān)閉閥式的第一級(jí)管匯臺(tái)的三級(jí)降壓測試流程，可實(shí)現(xiàn)5 s內(nèi)緊急開關(guān)井，最大限度保障施工安全。引進(jìn)適用φ177.8 mm套管的CHAMPTM封隔器，改進(jìn)提高了適用φ139.7 mm套管的可回收測試-擠壓(retrievable test-treat-squeeze，RTTS)封隔器，提高測試封隔抗壓能力達(dá)105 MPa左右。油層套管采用φ177.8 mm+139.7 mm套管組合，便于采用φ114.3×8.56 mm+φ88.9×9.56 mm油壓裂管組合，最大限度降低壓裂施工的井筒摩阻、提高排量；油層套管采用高強(qiáng)度套管，進(jìn)一步提高了井口套管承壓能力，以確保高壓壓裂施工井筒安全。通過140 MPa超高壓井口、壓裂設(shè)備及測試工藝配套，使常規(guī)壓裂(限壓95 MPa)無法實(shí)施井進(jìn)行了改造(表3)。

表3 YL地區(qū)部分井超高壓井改造效果

3.6 其他配套技術(shù)

(1)支撐劑高效鋪置工藝。由于儲(chǔ)層埋藏深、應(yīng)力高、縫寬有限，攜砂液主要采用40/70目103 MPa中密高強(qiáng)度陶粒，鋪砂濃度為5 kg/m2，后期加入30/50目低密度高強(qiáng)度陶粒作支撐劑以滿足長期導(dǎo)流能力，同時(shí)在前置液階段設(shè)計(jì)70/140目粉陶段塞來封堵多裂縫及天然裂縫，以提高壓裂施工成功率。

(2)復(fù)合助排配套工藝。①壓裂施工過程盡可能全程伴注液氮，增加殘液返排能量；②壓后若產(chǎn)量低、井口間隔開關(guān)井排液效果差、殘液返排率大于60%，采用液氮?dú)馀e助排誘噴排液；③必要時(shí)采用連續(xù)油管+膜制氮?dú)馀e排液；④優(yōu)化助排劑；⑤起泡劑助排。

4 結(jié)論及建議

(1)川東YL地區(qū)陸相致密砂巖儲(chǔ)層是“十三五”期間致密砂巖勘探開發(fā)對(duì)象，基于理論探索和現(xiàn)場實(shí)踐，形成了適合地區(qū)特點(diǎn)選層及測試工藝模式(表4)，優(yōu)化了儲(chǔ)層改造規(guī)模，提高了儲(chǔ)層改造技術(shù)的針對(duì)性，有效降低了試氣成本。從井筒、封隔器到井口、地面流程及壓裂管匯的140 MPa超高壓壓裂系統(tǒng)配套極大程度上提高了對(duì)該探區(qū)的改造能力，促進(jìn)了地區(qū)勘探工作。

(2)酸化和壓裂工藝相結(jié)合是未來致密砂巖增產(chǎn)改造技術(shù)的重要發(fā)展方向?！暗蛡Α⒖乜p高、造縫長、低成本”的混合壓裂工藝[6]是須二、須四及珍珠沖段的巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖及砂礫巖等儲(chǔ)層的主要改造思路，主壓裂程序前的前置酸損傷處理是有效降低破裂壓力，保證儲(chǔ)層有效改造的工藝措施。

(3)對(duì)于儲(chǔ)層改造難以實(shí)現(xiàn)溝通的裂縫或有利沉積相帶，可在井內(nèi)開窗側(cè)鉆小井眼分支井進(jìn)行多井眼合采，既可提高單井產(chǎn)量，又可緩解地面井場選址困難的矛盾，以實(shí)現(xiàn)降低勘探成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

(4)對(duì)于裂縫發(fā)育的層狀氣藏可以探索應(yīng)用水平井。對(duì)比中外目前較廣泛應(yīng)用的各項(xiàng)分段壓裂工藝[7]，套管內(nèi)封隔器+滑套和射孔+泵送橋塞聯(lián)作分壓工藝較適宜YL地區(qū)儲(chǔ)層埋藏深、致密及超高壓的地質(zhì)特點(diǎn)，YLH-1井須二段采用套管封隔器+滑套分段壓裂工藝，已取得了較好的增產(chǎn)效果；而應(yīng)用射孔+泵送橋塞聯(lián)作分壓工藝，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、大排量施工，探索“寬帶、短縫”的體積壓裂改造途徑，有望進(jìn)一步提高單井產(chǎn)能。