大牛地氣田壓裂支撐劑優(yōu)化組合研究與應(yīng)用

蔣艷芳

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

目前水平井+大規(guī)模體積壓裂改造是大牛地氣田上古生界低滲透致密儲層的有效開發(fā)方式，但由于加砂規(guī)模大，單井壓裂成本較高，實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)難度大，急需采取一些降低成本的措施。2014 年開始，為了進(jìn)一步降低成本，北美致密氣田開始試驗(yàn)石英砂，目前石英砂重新成為主流支撐劑，也是降低壓裂成本的主要手段。筆者借鑒北美氣田經(jīng)驗(yàn)，首先應(yīng)用數(shù)值模擬方法及試井方法對鄂爾多斯盆地大牛地氣田人工裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行分析，為大牛地氣田石英砂、陶粒支撐劑的優(yōu)化組合研究提供依據(jù)；其次通過對大牛地氣田支撐劑進(jìn)行受力分析，優(yōu)選出可滿足氣田儲層需求的石英砂；然后通過支撐劑導(dǎo)流能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，明確大牛地氣田石英砂、陶粒的組合比例；最后開展現(xiàn)場試驗(yàn)及評價，實(shí)現(xiàn)降低單井壓裂成本，保障了儲層改造效果。

1 大牛地氣田人工裂縫導(dǎo)流能力分析

1.1 數(shù)值模擬分析人工裂縫導(dǎo)流能力

利用數(shù)值模擬方法對不同裂縫導(dǎo)流能力下5 年的累計產(chǎn)氣量情況進(jìn)行了模擬。模擬假設(shè)水平段長度為1 000 m，滲透率0.8 mD，儲層厚度9 m，縫長200 m。模擬結(jié)果表明（圖1），累計產(chǎn)氣量隨著裂縫導(dǎo)流能力的增強(qiáng)而增大，但當(dāng)導(dǎo)流能力增加到15 μm2·cm 后，累計產(chǎn)氣量增幅變緩，因此導(dǎo)流能力為15 μm2·cm 即可滿足儲層氣井生產(chǎn)的需要。從該值可以看出，大牛地氣田致密低滲透氣藏對水力裂縫導(dǎo)流能力要求不高，可以開展石英砂、陶粒組合支撐劑試驗(yàn)。

圖1 不同裂縫導(dǎo)流能力下的累計產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

1.2 試井分析人工裂縫導(dǎo)流能力

大牛地氣田壓裂工藝較為成熟，主要采用全通徑分段壓裂工藝，設(shè)計思路為長縫壓裂，采用適當(dāng)排量、適當(dāng)規(guī)模造長縫，支撐劑采用20／40 目陶粒。DPT-X 井采用連續(xù)油管帶底封分段壓裂工藝分10 段進(jìn)行壓裂，施工排量4 m3／min，段加砂量40～50 m3，壓后試氣階段產(chǎn)氣量3.5×104m3／d。壓后關(guān)井45 d 進(jìn)行壓力恢復(fù)測試，采用PanSystem 試井解釋軟件解釋得到DPT-X 井儲層滲透率為0.021 mD，表皮系數(shù)為0.25，裂縫半長為125.8 m，裂縫導(dǎo)流能力為25.7 μm2·cm。大牛地氣田采用當(dāng)前壓裂措施的導(dǎo)流能力高于數(shù)值模擬值，說明目前氣田實(shí)際的導(dǎo)流能力具有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

2 石英砂、陶粒組合支撐劑關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 石英砂優(yōu)選

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研［1-3］，作用在支撐劑上的力與壓力狀態(tài)及地層壓力有關(guān)，對于垂直縫，生產(chǎn)初期作用在支撐劑上的力為閉合壓力與原始地層壓力的差值。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，地層壓力逐漸降低，作用在支撐劑上的壓力也隨之增加，作用在支撐劑上的有效壓力計算公式如下：

式中，σe(t)為生產(chǎn)到t時刻作用在支撐劑上的有效閉合壓力，MPa；σc為儲層原始閉合壓力（最小主應(yīng)力），MPa；μ為泊松比，無因次；σnow(t)為生產(chǎn)到t時刻對應(yīng)的裂縫閉合壓力，MPa；po為原始地層壓力，MPa；pnow(t)為生產(chǎn)到t時刻對應(yīng)的井底壓力，MPa。

大牛地氣田平均泊松比為0.2，閉合壓力梯度為0.016 MPa／m，平均壓力系數(shù)為0.92，儲層深度為2 700 m，井底壓力降到5 MPa（根據(jù)開發(fā)方案廢棄地層壓力為5 MPa）時，作用在支撐劑上的有效壓力為33.4 MPa，因此優(yōu)選耐壓35 MPa，30／50 目石英砂能滿足受力需求。

2.2 石英砂與陶粒鋪砂方式優(yōu)化

根據(jù)大牛地氣田儲層特征，分別選擇30／50 目石英砂與20／40目陶粒開展5∶5比例組合下石英砂與陶?；旌箱佒门c先加石英砂再加陶粒鋪置方式下的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖2），混合鋪砂方式下的導(dǎo)流能力較先加石英砂再加陶粒鋪砂方式更強(qiáng)。究其原因是因?yàn)樘樟Ａ胶涂箶D壓能力大于石英砂，在混合方式下陶粒的支撐作用使得石英砂的破碎率更低，因而所能提供的導(dǎo)流能力更強(qiáng)。因此，從獲得更強(qiáng)的導(dǎo)流能力角度考慮，混合的鋪砂方式比先加石英砂再加陶粒的鋪砂方式更好。

圖2 不同鋪砂方式下的導(dǎo)流能力變化曲線圖

2.3 石英砂與陶粒組合比例優(yōu)化

根據(jù)石英砂與陶粒均勻混合的鋪砂方式開展石英砂與陶粒不同比例組合下的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)［4-16］。從提高裂縫導(dǎo)流能力、降低儲層改造成本的角度出發(fā)，同時考慮大牛地氣田儲層閉合壓力（45 MPa）及能滿足生產(chǎn)所需的最低導(dǎo)流能力（15 μm2·cm），優(yōu)化確定支撐劑的最佳組合比例。不同鋪砂濃度下組合支撐劑導(dǎo)流能力的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同閉合壓力條件下，隨著石英砂比例的增加，裂縫的導(dǎo)流能力逐漸降低；同時隨著閉合壓力增大，裂縫導(dǎo)流能力也逐漸降低（圖3、圖4）。45 MPa 閉合壓力下不同石英砂和陶粒比例的導(dǎo)流能力結(jié)果見表1，從表1可知，在10 kg／m2鋪砂濃度下，4種支撐劑組合的導(dǎo)流能力均保持在15 μm2·cm 以上，能滿足儲層要求；在5 kg／m2鋪砂濃度下，當(dāng)石英砂與陶粒比例大于4∶6 以后，導(dǎo)流能力無法滿足氣井生產(chǎn)要求。因此，優(yōu)化石英砂與陶粒比例為3∶7和4∶6在大牛地氣田進(jìn)行初步試驗(yàn)。

圖3 5 kg／m2鋪砂濃度下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化關(guān)系圖

圖4 10 kg／m2鋪砂濃度下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化關(guān)系圖

表1 45 MPa閉合壓力下不同石英砂和陶粒比例的導(dǎo)流能力表

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用效果分析

按照石英砂與陶粒比例為3∶7和4∶6混合的鋪砂方式在大牛地氣田開展現(xiàn)場試驗(yàn)，累計應(yīng)用14 口井（表2），應(yīng)用石英砂2 866.1 m3，累計節(jié)約支撐劑成本484.37 萬元。針對石英砂、陶粒組合支撐劑壓后是否對產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響，進(jìn)行了如下研究分析。

3.1 石英砂、陶粒組合支撐劑對試氣初期產(chǎn)氣量的影響分析

以D12-P3X井和D12-P10X井為例對石英砂是否影響氣田初期產(chǎn)氣量進(jìn)行分析，D12-P3X 井水平段長1 095 m，砂體厚度為12 m，壓裂段數(shù)為11 段，平均加權(quán)全烴值為34.98%。D12-P10X 井水平段長1 100 m，砂體厚度為13 m，壓裂段數(shù)為11段，平均加權(quán)全烴值為35.24%，兩井地質(zhì)參數(shù)相當(dāng)。壓裂設(shè)計時，D12-P3X 井設(shè)計總砂量為536.0 m3，D12-P10X 井設(shè)計總砂量為539.3 m3，兩口井的總砂量相當(dāng)，其中D12-P3X井30／50目石英砂與20／40目陶粒比例為3∶7，D12-P10X 井全為20／40 目陶粒（表3）。施工過程中兩口井均采用連續(xù)油管帶底封分段壓裂工藝，施工排量為4 m3／min，單段入地液量介于370～390 m3，平均砂比介于22%～23%，施工成功率為100%。壓后試氣初期D12-P3X井井口油壓為11.5 MPa，井口穩(wěn)定產(chǎn)氣量為4.752 0×104m3／d，D12-P10X 井井口油壓為11.3 MPa，井口穩(wěn)定產(chǎn)氣量為4.581 × 104m3／d，兩口井初期試氣產(chǎn)量相當(dāng)。結(jié)果表明，添加石英砂并未影響氣井的初期產(chǎn)氣量。

表2 大牛地氣田石英砂陶粒組合支撐劑壓裂試氣數(shù)據(jù)表

3.2 石英砂、陶粒組合支撐劑對長期產(chǎn)氣量的影響分析

截至目前，加石英砂井D12-P3X 與未加石英砂井D12-P10X 累計生產(chǎn)290 d，其中D12-P3X 井累計產(chǎn)氣量為1 197.422×104m3，D12-P10X 累計產(chǎn)氣量為 1 195.616 × 104m3（表 4），兩口井累計產(chǎn)氣量相當(dāng)，說明添加石英砂后未影響長期產(chǎn)氣量。同時，D12-P3X 井與D12-P10X 井累計產(chǎn)氣量對比見圖5，從圖5 可以看出，D12-P3X 井與D12-P10X 井相比，整個生產(chǎn)階段產(chǎn)氣量比較穩(wěn)定。

3.3 提高石英砂比例對產(chǎn)氣量的影響分析

以D12-P5X 井和D12-P8X 井為例對提高石英砂比例是否對產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響進(jìn)行分析，D12-P5X 井水平段長1 200 m，砂體厚度8.2 m，壓裂段數(shù)為12段，平均加權(quán)全烴值為12.68%；D12-P8X 井水平段長1 198 m，砂體厚度8.0 m，壓裂段數(shù)為12 段，平均加權(quán)全烴值為11.97%，兩井地質(zhì)參數(shù)相當(dāng)。

表3 加石英砂與不加石英砂對試氣階段的影響情況表

表4 加石英砂與不加石英砂對生產(chǎn)的影響情況表

圖5 D12-P3X井與D12-P10X井累計產(chǎn)氣量對比圖

壓裂設(shè)計時，D12-P5X 井石英砂比例占總砂量的28.6%，D12-P8X 井石英砂比例占總砂量的40.7%。施工過程中兩口井均采用可溶橋塞分段壓裂工藝，施工排量為4 m3／min，單段入地液量介于360～370 m3，平均砂比介于22%～23%，施工成功率為100%（表5）。壓后試氣初期D12-P5X 井井口油壓為2.5 MPa，井口穩(wěn)定產(chǎn)氣量為1.097 0 × 104m3／d，D12-P8X 井井口油壓為2.7 MPa，井口穩(wěn)定產(chǎn)氣量為1.457 6 × 104m3／d。D12-P8X 井與 D12-P5X 井相比，石英砂比例提高44%，單井試氣日產(chǎn)量提高32.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高石英砂比例不會降低單井產(chǎn)氣量。

表5 不同比例石英砂對試氣階段的影響情況表

4 結(jié)論

1）大牛地氣田人工裂縫導(dǎo)流能力結(jié)果表明，可以開展石英砂、陶粒支撐劑的優(yōu)化組合研究。

2）通過開展支撐劑受力分析，篩選出了能夠滿足大牛地氣田儲層需求的30／50目石英砂。

3）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合大牛地氣田導(dǎo)流能力需求，明確了石英砂和陶粒組合比例為3∶7 或4∶6，并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用石英砂、陶粒組合支撐劑不會降低單井產(chǎn)氣量。

4）大牛地氣田采用石英砂、陶粒組合支撐劑應(yīng)用14 口井，累計節(jié)約支撐劑成本484.37 萬元，如果繼續(xù)推廣應(yīng)用，則可進(jìn)一步降低成本。