二次加砂壓裂技術(shù)在海上低孔滲砂巖氣藏的應(yīng)用

姚鋒盛， 曹 冰， 王書(shū)彬， 胡忠太， 夏 瑜， 唐 亮

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.海油發(fā)展工程技術(shù)上海分公司，上海200335)

東海砂巖油氣藏，中下部低滲儲(chǔ)層規(guī)模大，埋藏深3 000～4 000 m，溫度為120～160 ℃，孔隙度為8%～12%，滲透率為0.5～15 mD，邊底水發(fā)育，巖石水敏水鎖特征強(qiáng)，資源儲(chǔ)量豐富，但目前有效動(dòng)用率低，經(jīng)濟(jì)釋放產(chǎn)能低，只有依靠高效的水力加砂壓裂技術(shù)才具備海上工業(yè)開(kāi)發(fā)的價(jià)值。“十二五”以來(lái)東海油氣田開(kāi)展了20多井次的常規(guī)加砂壓裂作業(yè)，普遍測(cè)試產(chǎn)量低、壓后壓降快、有效產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，無(wú)法達(dá)到海上經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的產(chǎn)能目標(biāo)。陸地頁(yè)巖氣及致密氣成功經(jīng)驗(yàn)[1-4]，大規(guī)模體積壓裂改造是擴(kuò)大滲流面積和提高產(chǎn)能的最有效方式[5-7]，但是對(duì)于海上油氣田考慮平臺(tái)空間、規(guī)模、吊機(jī)能力、甲板承重、海域涌浪工況等因素，實(shí)施大規(guī)模大排量的壓裂增產(chǎn)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、成本高、難度大。因此，針對(duì)東海低滲儲(chǔ)層壓裂特殊性及難點(diǎn)，以擴(kuò)大加砂造縫有效率和提高裂縫導(dǎo)流能力為目標(biāo)[8-12]，開(kāi)展二次加砂壓裂技術(shù)研究，充分利用海上平臺(tái)資源，優(yōu)化工藝方式，以期實(shí)現(xiàn)降低施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)、降低溝通邊底水風(fēng)險(xiǎn)，提高低品位資源整體開(kāi)發(fā)效果，為海上低滲油氣藏經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)提供一種新的增產(chǎn)技術(shù)手段。

1 平臺(tái)壓裂的特殊性及難點(diǎn)

鑒于東海低滲油氣藏已有平臺(tái)設(shè)施和配套條件，評(píng)估二次加砂壓裂的適應(yīng)性[13-15]，集成壓裂設(shè)備、綜合利用甲板空間，優(yōu)化作業(yè)工序，滿足平臺(tái)二次加砂施工作業(yè)。但從地質(zhì)和工程上，存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。

(1)含水飽和度偏高，氣水關(guān)系較復(fù)雜，儲(chǔ)隔層應(yīng)力差較小，為2～3 MPa，隔層厚度薄，若縫高過(guò)度延伸、壓竄水層，導(dǎo)致壓裂效率降低，降低油氣井生產(chǎn)周期。

(2)低孔低滲儲(chǔ)層埋藏深，導(dǎo)致施工管柱摩阻高，壓開(kāi)地層破裂壓力高，施工排量受限，加砂難度增大，導(dǎo)致形成寬窄縫，易出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象。

(3)儲(chǔ)層溫度高、水敏水鎖特征強(qiáng)，對(duì)壓裂液優(yōu)選及儲(chǔ)層保護(hù)提出了苛刻條件，同時(shí)滿足二次加砂停泵及補(bǔ)砂的時(shí)間需求，液體體系具有耐高溫、低傷害、低摩阻等特性。

(4)海上平臺(tái)空間小，甲板面積不足300 m2，壓裂設(shè)備的擺放展布難，壓裂材料種類(lèi)多、數(shù)量大，吊裝風(fēng)險(xiǎn)高。

(5)平臺(tái)儲(chǔ)液空間小，大規(guī)模配液及存儲(chǔ)難，同時(shí)作業(yè)工況復(fù)雜，支持船配合壓裂風(fēng)險(xiǎn)高，施工周期長(zhǎng)，作業(yè)成本高，不利于經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。

2 海上二次加砂壓裂增產(chǎn)機(jī)理

基于東海地區(qū)低滲儲(chǔ)層特點(diǎn)、海上工況條件及平臺(tái)化壓裂施工等因素，探索出一種提高海上平臺(tái)壓裂單井產(chǎn)量的二次加砂壓裂模式，其增產(chǎn)機(jī)理為：實(shí)施第一次加砂壓裂后，停泵、壓裂液濾失擴(kuò)散、支撐劑運(yùn)移沉降，期間補(bǔ)充吊裝第二次用砂量[16-17]；待裂縫接近閉合后，重啟起泵進(jìn)行第二次加砂，作業(yè)排量相對(duì)更高，先泵入小粒徑支撐劑，支撐次級(jí)裂縫，后續(xù)再進(jìn)行更大規(guī)模的加砂，從而使水平方向裂縫向前繼續(xù)推進(jìn)延伸[18]，增加了裂縫長(zhǎng)度和寬度，充填了次生縫，形成一條較高導(dǎo)流能力的有效支撐裂縫及支叉型的次生縫[19-20]，增強(qiáng)了層內(nèi)流動(dòng)空間和滲流區(qū)域，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的，如圖1、圖2所示。

對(duì)于海上低滲油氣藏，二次加砂與常規(guī)加砂壓裂相比，具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)第一次加砂后，形成裂縫底部人工隔層，控制向下延伸，避免穿入下部水層。

(2)提高縫內(nèi)凈壓力，利于裂縫擴(kuò)展延伸，并增加縫寬，從而提高人工裂縫鋪砂濃度和有效導(dǎo)流能力。

(3)重新開(kāi)泵增加施工排量時(shí)，裂縫不再向下延伸，而朝長(zhǎng)度方向發(fā)展，同時(shí)開(kāi)啟次級(jí)裂縫并有效充填，提高了改造面積和滲流區(qū)域。

(4)小粒徑多級(jí)段塞方式可降低壓裂液濾失，減少海上平臺(tái)壓裂砂堵風(fēng)險(xiǎn)，可有效提高二次加砂壓裂造縫率和成功率，提高壓裂井的生產(chǎn)周期。

圖1 二次加砂示意圖Fig.1 Diagram of secondary sanding

圖2 二次加砂縫寬剖面對(duì)比圖Fig.2 Comparison diagram of the width of secondary sanding

3 海上二次加砂壓裂技術(shù)優(yōu)化

3.1 選井選層原則

針對(duì)海上低滲儲(chǔ)層壓裂的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性，在選井選層時(shí)可遵循以下主要原則。

(1)具有一定的可采儲(chǔ)量、供給能力和地層壓力較充足。

(2)海上投入產(chǎn)出比考慮：油層滲透率大于5 mD，氣層滲透率大于0.5 mD；油層孔隙度大于10%，氣層孔隙度大于6%，氣層含水飽和度不高于45%。

(3)地層壓力系數(shù)不小于0.7，儲(chǔ)層有效厚度大于4 m。

(4)上下隔層厚度大于3 m，儲(chǔ)隔層應(yīng)力差大于3 MPa。

(5)裂縫距離斷層的最短距離不小于120 m。

3.2 二次加砂壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

基于東海平臺(tái)空間及作業(yè)能力，采用FracproPT對(duì)DH-B5井進(jìn)行施工排量、加砂規(guī)模、二次加砂比例和停泵時(shí)間等參數(shù)模擬分析，優(yōu)化二次加砂壓裂關(guān)鍵工藝參數(shù)。

DH-B5井P11層基本參數(shù)：有效厚度為27 m，滲透率為14.9 mD，孔隙度為11.4%，壓力系數(shù)為1.24，溫度為144 ℃，距離邊水63.3 m，隔層應(yīng)力差為3.9 MPa。

3.2.1 施工排量

設(shè)置前置液比例為40%情況下，模擬排量在2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m3/min得到壓后裂縫長(zhǎng)度、寬度及高度，如圖3～圖5所示。

模擬結(jié)果表明：當(dāng)增加施工排量，動(dòng)態(tài)及支撐縫長(zhǎng)、縫高和縫寬都呈增大的趨勢(shì)?？紤]海上平臺(tái)作業(yè)能力，同時(shí)達(dá)到控縫高、獲得寬裂縫的目的，優(yōu)化施工排量范圍為3.0～3.5 m3/min。

圖3 排量與裂縫長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.3 Relation between rate and fracture length

圖4 排量與裂縫高度的關(guān)系Fig.4 Relation between rate and fracture height

圖5 排量與裂縫寬度的關(guān)系Fig.5 Relation between rate and fracture width

3.2.2 加砂規(guī)模

設(shè)置平均砂比為30%、施工排量為3.5 m3/min、中途停泵時(shí)間為60 min條件下，模擬得到不同加砂量與支撐縫長(zhǎng)、縫高及縫寬的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 加砂規(guī)模與支撐縫長(zhǎng)、縫高及縫寬的關(guān)系Fig.6 Relation of sand adding scale with supporting length, height and width

模擬結(jié)果表明：當(dāng)提高加砂量，支撐縫長(zhǎng)、縫高與縫寬呈不同程度增大趨勢(shì)，當(dāng)加砂規(guī)模在35～40 m3時(shí)支撐縫長(zhǎng)與縫高增幅不大，這是由于砂量過(guò)多導(dǎo)致端部脫砂現(xiàn)象，縫寬大幅提高，且裂縫未竄下部邊底水，再考慮平臺(tái)施工條件及風(fēng)險(xiǎn)因素，優(yōu)化加砂規(guī)模為38 m3。

3.2.3 二次加砂比例

在海上工況下實(shí)施二次加砂，考慮平臺(tái)砂罐容積和吊機(jī)能力，分兩次添加不同比例的支撐劑并得到不同的裂縫幾何形態(tài)。將二次加砂比例定義為第二次加砂量與總加砂量的比值。在前置液比例40%、施工排量為3.5 m3/min、加砂規(guī)模38 m3、平均砂比30%、中途停泵時(shí)間60 min條件下，模擬分析在不同二次加砂比例下的裂縫幾何形態(tài)參數(shù)(二次加砂比例為0指常規(guī)加砂壓裂未采取二次加砂模式)如表1所示。

從表1可以看出：第一次加砂壓裂的支撐裂縫長(zhǎng)度和高度都大于二次加砂壓裂；當(dāng)加砂比例的提高，支撐縫長(zhǎng)先減小后增大的趨勢(shì)，拐點(diǎn)為0.6；縫高呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)加砂比例為0.6時(shí)下降幅度減

表1 不同二次加砂比例下的裂縫幾何形態(tài)參數(shù)

弱；縫寬呈上升的趨勢(shì)。因此以控制裂縫高度和拓展裂縫寬度為目標(biāo)，綜合考慮海上施工條件及風(fēng)險(xiǎn)因素，將二次加砂比例確定為0.6。

3.2.4 中途停泵時(shí)間

中途停泵時(shí)間應(yīng)以裂縫閉合時(shí)間為下限，充足時(shí)間支撐劑在裂縫中的運(yùn)移、沉降并形成人工隔層，但中途停泵時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)以免對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生二次傷害，以及考慮海上的實(shí)際工況及吊機(jī)吊砂能力。分別取停泵時(shí)間30、40、50、60、70、80、90 min，應(yīng)用軟件模擬計(jì)算，得到壓后縫長(zhǎng)、縫寬與停泵時(shí)間的關(guān)系，如圖7、圖8所示。

因平臺(tái)空間限制二次加砂時(shí)需要重新補(bǔ)砂28 m3，每5 min吊2 m3砂，同時(shí)為了獲得更寬更長(zhǎng)的高導(dǎo)流能力裂縫，優(yōu)化停泵時(shí)間在70 min左右為最佳。

圖7 停泵時(shí)間與裂縫長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.7 Relation between pump shutdown time and fracture length

圖8 停泵時(shí)間與裂縫寬度的關(guān)系Fig.8 Relation between pump shutdown time and fracture width

3.3 壓裂材料優(yōu)選

3.3.1 低傷害壓裂液體系

針對(duì)海上施工時(shí)間長(zhǎng)、儲(chǔ)層溫度高、水敏水鎖特征強(qiáng)和施工壓力高等特點(diǎn)，優(yōu)選適合海上平臺(tái)連續(xù)混配低傷害、低摩阻壓裂液體系。

液體配方：0.45%羥丙基瓜膠+0.2%高溫穩(wěn)定劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑+0.2%助排劑+0.2%破乳劑+0.5%交聯(lián)調(diào)節(jié)劑+0.4%交聯(lián)劑，具體性能參數(shù)如表2所示。

配液方式：充分利用平臺(tái)生產(chǎn)水及淡水以連續(xù)混配方式配液。

表2 低傷害壓裂液體系綜合性能評(píng)價(jià)

3.3.2 高強(qiáng)度高導(dǎo)流支撐劑

借鑒東海類(lèi)似井的壓裂經(jīng)驗(yàn)，考慮射孔孔眼尺寸(10.67 mm)、閉合壓力(約59 MPa)、支撐劑嵌入及裂縫導(dǎo)流需求，優(yōu)選30/50目中-高強(qiáng)度陶粒支撐劑(表3)，有利于加砂、降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)，并防止支撐劑破碎和嵌入，保持裂縫長(zhǎng)期高導(dǎo)流能力。

基于儲(chǔ)層情況和井口施工壓力高，采用40/70目粉陶充填次級(jí)裂縫并以段塞形式降低壓裂液濾失、磨蝕裂縫壁面和減小裂縫彎曲效應(yīng)，增加人工裂縫寬度，降低海上平臺(tái)水力壓裂加砂風(fēng)險(xiǎn)。

表3 高強(qiáng)度支撐劑綜合性能評(píng)價(jià)

3.4 平臺(tái)空間綜合利用

東海目標(biāo)區(qū)域低滲壓裂平臺(tái)面積約為300 m2，吊機(jī)限重25 t，可用儲(chǔ)液池體積為300 m3，均配有鉆機(jī)模塊，在上層管子甲板作為壓裂施工的主要區(qū)域，設(shè)備總重在380 t以?xún)?nèi)，其中壓裂泵、連續(xù)混配設(shè)備、混砂泵等設(shè)備都以橇裝形式吊裝和擺放。

圖9 平臺(tái)空間設(shè)備擺放及管線布置Fig.9 Platform space equipment layout and pipeline layout

基于平臺(tái)空間的綜合利用，優(yōu)化設(shè)備擺放、流程管線布置(圖9)，充分利用下層平臺(tái)泥漿池，完成壓裂液連續(xù)混配設(shè)計(jì)(圖10)，設(shè)計(jì)了海上平臺(tái)化壓裂的施工流程設(shè)計(jì)圖，并根據(jù)壓裂工況條件下，完成平臺(tái)單點(diǎn)及整體承載能力校核評(píng)估，能滿足4～5臺(tái)壓裂泵、1臺(tái)連續(xù)混配設(shè)備擺放，最大功率為7 450 kW，最大施工壓力為65 MPa，可設(shè)計(jì)排量為4.0 m3/min。

圖10 平臺(tái)連續(xù)混配配液及流程設(shè)計(jì)Fig.10 Platform continuous mixing of liquid and process design

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及效果

于2019年3月1日，首次在海上開(kāi)展了DH-B5井的二次加砂壓裂作業(yè)，累計(jì)泵入壓裂液570.9 m3，支撐劑64.5 m3，施工時(shí)間為190 min，中途停泵時(shí)間為85 min。其中第一次壓裂泵入液量為239.9 m3，粉陶為1.5 m3，支撐劑為26.7 m3，平均砂比為21%，施工排量為3.0～3.5 m3/min，井口破裂壓力為40.4 MPa，最高施工壓力為46.5 MPa，停泵壓力為24 MPa；第二次壓裂泵入液量為239.9 m3，粉陶為1.2 m3，支撐劑為37.8 m3，平均砂比為24.5%，施工排量為3.0～3.5 m3/min，井口破裂壓力為38.4 MPa，停泵壓力為25.4 MPa。

DH-B5井實(shí)施壓裂后，以8.73～12.7 mm油嘴返排，累計(jì)返排液為274.9 m3，返排率為48.2%。返排1.5 d后開(kāi)始出氣，產(chǎn)氣量先增大后減小，最高產(chǎn)氣量為2.9×104m3/d；返排后2 d開(kāi)始產(chǎn)油，最高產(chǎn)油量為35 m3/d，隨后下降至約30 m3/d；截至6月1日，累計(jì)產(chǎn)油1 135.6 m3，產(chǎn)氣130.6×104m3，如圖11所示。相比鄰井初期產(chǎn)量增加了2倍，同一時(shí)期累計(jì)產(chǎn)量增加了3倍，可見(jiàn)二次加砂壓裂增產(chǎn)效果顯著。

圖11 DH-B5井壓后生產(chǎn)曲線Fig.11 DH-B5 well pressure production curve

5 結(jié)論

(1)二次加砂壓裂采用分批次加砂的模式，以提高縫寬及導(dǎo)流能力為目標(biāo)，可有效控制裂縫高度，提高壓裂效果，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，對(duì)于海上油氣田增產(chǎn)開(kāi)發(fā)具有很強(qiáng)的適用性。

(2)通過(guò)壓裂軟件模擬及平臺(tái)空間綜合利用優(yōu)化，推薦施工參數(shù)：施工排量3.0～3.5 m3/min，加砂規(guī)模38 m3，二次加砂比例0.6，中途停泵時(shí)間70 min，160 ℃低傷害低摩阻壓裂液體系，30/50低密度高強(qiáng)度支撐劑。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及效果分析表明：二次加砂壓裂技術(shù)首次成功應(yīng)用于海上油氣田，并取得顯著的增產(chǎn)效果，相比鄰井初期產(chǎn)量增加了2倍，累計(jì)產(chǎn)量增加了3倍，針對(duì)類(lèi)似儲(chǔ)層條件的井，可推廣應(yīng)用于東海及其他海域的低滲儲(chǔ)層增產(chǎn)開(kāi)發(fā)。