深層致密砂巖氣藏復(fù)合轉(zhuǎn)向體積酸壓技術(shù)

劉 舉， 羅志鋒， 袁學(xué)芳， 趙立強(qiáng)， 范文同， 高俞佳

(1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國石油塔里木油田分公司塔中油氣開發(fā)部)

體積壓裂改造技術(shù)是指在形成一條或者多條主裂縫的同時(shí),通過分段多簇射孔、高排量、大液量、低黏液體、轉(zhuǎn)向材料、轉(zhuǎn)向技術(shù)等的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)天然裂縫、巖石層理的溝通，讓主裂縫與多級(jí)次生裂縫交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將可以進(jìn)行滲流的有效儲(chǔ)集體“打碎”，形成三維立體裂縫網(wǎng)絡(luò)[1]。國外Barnett頁巖氣、Bakken和Eagle Ford致密油[2]、國內(nèi)龍馬溪組頁巖氣[3]、蘆草溝組致密油[4]等，常采用滑溜水壓裂液迫使水力誘導(dǎo)裂縫/天然裂縫發(fā)生張性、剪切、錯(cuò)斷和滑移形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫，隨后采用滑溜水、線性膠或交聯(lián)壓裂液攜帶低濃度支撐劑，建立網(wǎng)絡(luò)裂縫導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)體積壓裂改造。

庫車地區(qū)克深、大北等氣田的巖石脆性指數(shù)、天然裂縫發(fā)育程度和現(xiàn)今地應(yīng)力機(jī)制均有利于實(shí)現(xiàn)體積壓裂，但超高水平地應(yīng)力差(>20 MPa)并不利于形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。前期大物模實(shí)驗(yàn)、纖維轉(zhuǎn)向體積加砂壓裂先導(dǎo)性試驗(yàn)和微地震監(jiān)測結(jié)果均表明在超深、超高水平應(yīng)力差的裂縫性儲(chǔ)層可形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫[5]。體積壓裂形成的裂縫為張剪并存的復(fù)合型裂縫，趙順超[6]等采用試驗(yàn)手段論證了裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層水力和酸巖反應(yīng)共同作用下可獲得一定裂縫導(dǎo)流能力。塔里木油田不斷探索、研究和實(shí)踐，形成了縫網(wǎng)體積酸壓技術(shù)。即通過前置酸液體系溶解水力激活的天然裂縫，利用含氟酸液體系解除鉆完井液傷害及刻蝕裂縫壁面，獲得較高的導(dǎo)流能力，同時(shí)輔以暫堵轉(zhuǎn)向，形成復(fù)雜立體縫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)縱橫向充分改造。

一、儲(chǔ)層基本特征及對(duì)改造的要求

庫車山前氣藏位于中國西北塔里木盆地北部，主要產(chǎn)層為白堊系巴什基奇克組(K1bs)，儲(chǔ)層埋深為5 300～7 000 m，儲(chǔ)層厚度為50～300 m，基質(zhì)物性差(孔隙度1.5%～7.5%，平均7.3%；滲透率0.01～0.1 mD，平均0.08 mD)，地層溫度150℃～180℃，儲(chǔ)層壓力90～140 MPa,鉆井液漏失嚴(yán)重。

地球化學(xué)和地質(zhì)力學(xué)研究表明,巖石脆性指數(shù)分別為83.4%(由巖石礦物組成計(jì)算)和54.8%(由巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算)；儲(chǔ)層現(xiàn)今地應(yīng)力為走滑斷層機(jī)制(SH>Sv>Sh)，最小水平主應(yīng)力梯度約為2.15 MPa/100 m，垂向應(yīng)力梯度約為2.43 MPa/100 m，最大水平主應(yīng)力梯度約為2.5～2.75 MPa/100 m；水平主應(yīng)力差在20～35 MPa之間。巖石脆性指數(shù)、天然裂縫發(fā)育程度和現(xiàn)今地應(yīng)力機(jī)制均有利于實(shí)現(xiàn)體積壓裂，但超高的水平地應(yīng)力差并不利于形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。韓秀玲[7]等采用天然裂縫激活臨界應(yīng)力GMI準(zhǔn)則論證了隨地層孔隙壓力的增加，剪切滑移的天然裂縫數(shù)目增多，可形成具有一定復(fù)雜程度的網(wǎng)絡(luò)裂縫，趙順超[6]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了剪切滑移裂縫的酸巖刻蝕形態(tài)和裂縫導(dǎo)流能力，論證了體積酸壓改造的可行性。

油藏改造體積是決定體積壓裂改造效果的重要設(shè)計(jì)參數(shù)[8]?；趦?chǔ)層認(rèn)識(shí)，庫車山前裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層力求溝通較多的天然裂縫，同時(shí)構(gòu)建復(fù)雜縫網(wǎng)多級(jí)導(dǎo)流能力。另外，對(duì)于該類巨厚儲(chǔ)層，還應(yīng)采用分層壓裂手段，盡可能提高儲(chǔ)層縱向改造動(dòng)用程度，最大化油藏改造體積。

二、體積酸壓技術(shù)理念及實(shí)現(xiàn)過程

1. 天然裂縫激活機(jī)制

體積酸壓過程中，隨著孔隙壓力的增加，天然裂縫易發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)或張性破壞而激活，有利于形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。其中當(dāng)裂縫面受到的剪應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度時(shí)，天然裂縫發(fā)展為剪切縫，發(fā)展為剪切縫的力學(xué)條件為[9]：

τn≥τo+(σn-pf)tan(φf)pf<σn

(1)

式中：τn—天然裂縫面的剪應(yīng)力，MPa；τo—天然裂縫的內(nèi)聚力，MPa；σn—天然裂縫面上的正應(yīng)力；pf—水力裂縫中的流體壓力，MPa；φf—內(nèi)摩擦角°。

當(dāng)縫內(nèi)流體壓力大于天然裂縫面所受法向壓力，天然裂縫張性破壞，形成張性縫，力學(xué)條件為：

pf≥σn

(2)

最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力分別為σH和σh，天然裂縫面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力表示為：

(3)

采用上述模型，結(jié)合庫車山前地質(zhì)力學(xué)及工程參數(shù)特征，計(jì)算獲取天然裂縫激活的凈壓力大小及其隨力縫夾角的變化規(guī)律(圖1)。天然裂縫剪切破壞所需要的凈壓力隨力縫夾角的增加先減小而后增加，而天然裂縫張性破壞所需的凈壓力隨著力縫夾角的增加而增加。天然裂縫張性激活所需要的凈壓力總是隨著主應(yīng)力差的增加而增加，而剪切激活所需凈壓力在夾角小于50°時(shí)是隨著主應(yīng)力差的增加而減小，在50°之后隨著主應(yīng)力差的增加而增加。

圖1 天然裂縫被激活所需的最小凈壓力隨夾角的變化

2. 酸液解堵及刻蝕裂縫獲得網(wǎng)絡(luò)裂縫導(dǎo)流能力

庫車山前儲(chǔ)層裂縫發(fā)育但高鈣質(zhì)充填，加之鉆井液大量漏失，造成自然產(chǎn)能低[10]。通過過濾現(xiàn)場鉆井液制成濾餅，并在水浴90℃條件下，對(duì)其進(jìn)行酸溶實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，5%HCOOH+7%SA302+0.5%HF體系溶蝕率為23.2%，5%HCOOH+13%SA302+0.5%HF體系溶蝕率為24.9%，10%HCl+2%HF體系溶蝕率為28.3%，而8%HCOOH+2%HCl體系的溶蝕率為18.2%。

水力作用使天然裂縫張性或剪性激活后，采用酸液刻蝕裂縫壁面，改善裂縫導(dǎo)流能力，確保裂縫閉合后仍具有一定導(dǎo)流能力[11-12]。由于天然裂縫為鈣質(zhì)全充填或半充填，采用鹽酸前置體系溶解碳酸鹽巖礦物，隨后采用含氟酸液體系刻蝕裂縫壁面，獲得導(dǎo)流能力。

圖2 不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力

采用巴西法將巖心沿充填縫剖開(表征水力作用激活)，隨后在1 MPa圍壓和120℃下順序過基液(3% NH4Cl)，測定低閉合壓力下水力裂縫導(dǎo)流能力，過前置酸(9% HCl+3% HCOOH)、主體酸(9% HCl+3% HCOOH+2% HF)刻蝕酸蝕裂縫，最后改變閉合壓力測定酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，酸液體系刻蝕非鈣質(zhì)充填粗糙剪切滑移裂縫，如圖2所示，酸刻蝕后導(dǎo)流能力提高1.2～1.5倍，高閉合壓力下保持較好，導(dǎo)流能力達(dá)到500～1 500 mD·cm，通過處理前后裂縫形態(tài)對(duì)比。與碳酸鹽巖酸壓相比，砂巖酸壓酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低很多，小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，僅僅依靠酸液溶蝕作用很難建立有效的滲流通道，因此為了彌補(bǔ)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的不足，有必要增加裂縫的復(fù)雜性，擴(kuò)大滲流面積，達(dá)到體積改造的目的。

3. 體積酸壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程

(1)根據(jù)天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向之間的匹配關(guān)系，選擇適宜黏度的前置壓裂液，在造長縫時(shí)盡可能溝通天然裂縫，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。

(2)采用小粒徑暫堵劑，進(jìn)入裂縫網(wǎng)絡(luò)并在裂縫窄處橋堵，提高裂縫內(nèi)流體壓力，使之前未激活的天然發(fā)生張性或剪性破裂，增加平面上網(wǎng)絡(luò)裂縫的復(fù)雜程度，增大油藏改造體積。

(3)采用適合儲(chǔ)層的酸液體系溶解張性或剪性開啟的天然裂縫內(nèi)碳酸鹽巖充填礦物和鉆完井傷害物，并有效刻蝕裂縫壁面，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫導(dǎo)流能力。

(4)由于儲(chǔ)層埋藏較深，機(jī)械分層壓裂工具不能安全、有效的使用，采用暫堵劑封堵已壓開層段裂縫入口，迫使壓裂液進(jìn)入未壓開層段，實(shí)現(xiàn)縱向上的體積改造，最大化油藏改造體積。

三、暫堵轉(zhuǎn)向提高油藏改造體積

1. 縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向機(jī)理

鑒于儲(chǔ)層巨厚，且存在應(yīng)力分層現(xiàn)象，在施工之前對(duì)儲(chǔ)層分級(jí)，選擇地應(yīng)力相近的小層為同一級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的應(yīng)力差值不宜過大，并選擇每一級(jí)中裂縫發(fā)育段射孔，裂縫首先在應(yīng)力最小、最易破裂的小層中產(chǎn)生，通過泵注不同粒徑組合的纖維球暫堵裂縫入口和分簇射孔孔眼，迫使井筒內(nèi)壓力上升，壓裂液轉(zhuǎn)向至未壓開層段?？v向轉(zhuǎn)層條件是井底壓力變化Δpf大于或等于層間應(yīng)力差ΔSh[13-14]。

當(dāng)井底壓力變化大于層間應(yīng)力差時(shí)，裂縫沿下一級(jí)分簇孔眼起裂，從而實(shí)現(xiàn)縱向轉(zhuǎn)層，提高儲(chǔ)層在縱向上的改造程度?？p內(nèi)轉(zhuǎn)向包括兩種情況：①主裂縫壁面破裂形成分支縫；②激活溝通儲(chǔ)層內(nèi)天然裂縫，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2. 縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向效果

分“縱向轉(zhuǎn)層階段”和“縱向轉(zhuǎn)層+縫內(nèi)轉(zhuǎn)向階段”兩階段探索了體積酸壓工藝在庫車低孔裂縫性氣藏的適用性。不同粒徑組合的縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向效果見表1。6 mm+3～4 mm纖維球與1 mm纖維球或纖維顆粒的組合方式縱向轉(zhuǎn)層效果最優(yōu)，而6 mm纖維球、3～4 mm纖維球+纖維顆粒的組合方式縱向轉(zhuǎn)層效果一般，說明既封堵射孔孔眼又封堵縫口的效果比單獨(dú)封堵一個(gè)位置效果更好。1 mm纖維球單獨(dú)使用或與纖維顆粒(或纖維絲)組合使用均具有一定的縫內(nèi)轉(zhuǎn)向效果，而單獨(dú)使用纖維顆粒進(jìn)行縫內(nèi)轉(zhuǎn)向則無明顯壓力顯示，說明纖維顆粒粒徑過小，不能在裂縫內(nèi)窄處實(shí)現(xiàn)橋堵；1 mm纖維球橋堵后，纖維絲比纖維顆粒的封堵能力更強(qiáng)。

表1 不同粒徑組合的縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向效果

四、現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

A井改造井段為6 745～6 900 m，有效厚度為113.5 m,鉆井液漏失636.18 m3。成像測試在改造段共識(shí)別天然裂縫90條，多為充填或半充填裂縫，裂縫密度為0.59條/m，裂縫走向主要為近東西向?；谇拔奶岬襟w積酸壓工藝的技術(shù)理念，根據(jù)最小主應(yīng)力剖面、天然裂縫發(fā)育程度及方位、巖石可壓性指數(shù)等將整個(gè)改造井段劃分為三級(jí)改造，前置液采用低黏體系造復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；酸液均采用緩速酸體系(9%HCl+3%HCOOH和9%HCl+3%HCOOH+2%HF)溶解天然裂縫內(nèi)的鈣質(zhì)充填礦物、鉆完井傷害物，并刻蝕裂縫壁面形成網(wǎng)絡(luò)裂縫導(dǎo)流能力；為提高改造程度,第一級(jí)采用1 mm纖維球25 kg+纖維顆粒25 kg進(jìn)行縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，第二級(jí)采用1 mm纖維球20 kg進(jìn)行縫內(nèi)轉(zhuǎn)向；第一、二級(jí)間采用6 mm+3～4 mm+1 mm纖維球封堵第一級(jí)縫口和射孔孔眼實(shí)現(xiàn)縱向轉(zhuǎn)層，第二、三級(jí)間采用6 mm纖維球封堵第二級(jí)射孔孔眼實(shí)現(xiàn)縱向轉(zhuǎn)層。如圖3所示,暫堵劑進(jìn)入地層時(shí)兩級(jí)縱向轉(zhuǎn)層壓力分別升高9.3 MPa和2.5 MPa，縱向轉(zhuǎn)層效果較好，第二級(jí)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓力升高2.5 MPa，具有一定的縫內(nèi)轉(zhuǎn)向效果。

圖3 A井體積酸壓施工曲線

本文中統(tǒng)計(jì)了先后18井次的“縱向轉(zhuǎn)層”體積酸壓、“縱向轉(zhuǎn)層+縫內(nèi)轉(zhuǎn)向”體積酸壓及纖維轉(zhuǎn)向加砂壓裂改造前后無阻流量?！翱v向轉(zhuǎn)層”體積酸壓改造前平均無阻流量為75.3×104m3/d，改造后平均無阻排量為302.3×104m3/d，平均增產(chǎn)4.02倍；“縫內(nèi)轉(zhuǎn)向+縱向轉(zhuǎn)層”體積酸壓改造前平均無阻流量為52.4×104m3/d，改造后平均無阻排量為423.3×104m3/d，平均增產(chǎn)8.07倍；纖維轉(zhuǎn)向加砂壓裂改造前平均無阻流量為56.3×104m3/d，改造后平均無阻排量為279.5×104m3/d，平均增產(chǎn)4.96倍，且體積酸壓后的無阻流量與纖維轉(zhuǎn)向體積加砂壓裂相當(dāng)，說明體積酸壓增產(chǎn)改造效果顯著。實(shí)施了縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝的改造效果優(yōu)于僅進(jìn)行縱向轉(zhuǎn)層的體積酸壓工藝。

五、 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)天然裂縫發(fā)育及多被碳酸鹽巖全充填或半充填，以及天然裂縫隨孔隙壓力的增加而錯(cuò)動(dòng)激活使庫車山前氣藏具備體積酸壓的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)酸液體系可以充分溶解水力作用激活天然裂縫內(nèi)的鈣質(zhì)充填礦物，含氟酸液體系可有效刻蝕裂縫壁面，形成較高導(dǎo)流能力的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

(3)多粒徑可降解纖維球和纖維顆粒組合可有效封堵已壓開層段裂縫入口和射孔孔眼，實(shí)現(xiàn)巨厚儲(chǔ)層縱向轉(zhuǎn)層體積酸壓。

(4)體積酸壓在庫車低孔裂縫性砂巖儲(chǔ)層增產(chǎn)改造效果顯著，且實(shí)施了縱向轉(zhuǎn)層和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝的改造效果優(yōu)于僅進(jìn)行縱向轉(zhuǎn)層的體積酸壓工藝。