蘇里格深部煤系致密氣儲層絨囊流體控水壓裂

趙俊 楊生文 孫澤寧 李宇 張家富 王相春

1. 中聯(lián)煤層氣有限責任公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；3. 中國石油長慶油田分公司；4. 中國石油大學（北京）石油工程學院

0 引言

蘇里格氣田深部發(fā)育煤系破碎性致密砂巖［1］，這類儲層具有非均質(zhì)性強，自然產(chǎn)量低，氣、水關(guān)系復雜等特點。破碎性致密砂巖常通過壓裂改造形成人工裂縫，提高單井產(chǎn)量，但是儲層壓裂增產(chǎn)過程中易溝通水層，極大程度降低氣井產(chǎn)量［2］。

控水壓裂是解決壓裂過程氣井見水的一種有效手段。目前，控水壓裂堵水材料主要分為顆粒和凝膠兩大類。這兩類控水材料滿足部分地層控水壓裂需求，但是卻存在以下幾點不足：(1)顆粒類材料通過轉(zhuǎn)向壓裂［3］避免裂縫溝通水層而本身不具備堵水性能；(2)顆粒類材料封堵后仍具有滲透性；(3)顆粒類材料需要壓裂液輸送裂縫中形成封堵帶，控制不好無法到達預(yù)設(shè)位置；(4)凝膠類材料一旦成膠，會封堵住儲層的有效孔隙，同時導致泵注壓力增加。

絨囊封堵流體已廣泛應(yīng)用于鉆井［4］、完井［5］、修井［6］、壓裂［7］、堵水［8］、調(diào)驅(qū)［9］等領(lǐng)域。研究認為，壓裂過程中使用選擇性絨囊堵水材料進行控水壓裂，既可以提高致密氣井產(chǎn)量又可以控制地層水的產(chǎn)出。聶帥帥等［10］針對煤層氣井壓裂后引起層間出水問題，提出先用絨囊流體堵水再進行重復壓裂的堵水重復壓裂技術(shù)，在煤層氣井中實現(xiàn)減水增氣效果。

針對蘇里格氣田深部發(fā)育煤系破碎性致密砂巖儲層特征，實施控水壓裂技術(shù)需要確保絨囊流體與壓裂液和地層水配伍性良好，以保證控水壓裂施工順利進行；同時，絨囊流體封堵住巖石基質(zhì)或者裂縫通道時，要選擇性堵水而不堵氣，即地層中的氣、水通過封堵帶時具有不同的突破壓力。為驗證絨囊流體在破碎性致密砂巖中控水壓裂的可行性，室內(nèi)進行絨囊流體與壓裂液和地層水的配伍性實驗及壓裂過程選擇性堵水實驗。室內(nèi)實驗結(jié)合現(xiàn)場控水壓裂數(shù)據(jù)，分析絨囊流體的控水壓裂效果。

1 室內(nèi)實驗

用現(xiàn)場收集的鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)下石盒子組4塊致密砂巖巖心開展配伍性實驗和氣、水突破壓力梯度實驗，實驗室測得巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic core data

從表1可以看出，巖心柱塞的孔隙度為3.29%～3.98%，巖心柱塞的氣測滲透率為(0.041 9～0.051 2)×10?3μm2?，F(xiàn)場描述破碎性致密砂巖儲層氣藏孔隙度為 3.7%～15%，滲透率為 (0.01～1)×10?3μm2。實驗室?guī)r心的物性參數(shù)與現(xiàn)場儲層物性參數(shù)基本符合，可較為真實地反映現(xiàn)場產(chǎn)層特征［11］。

1.1 配伍性評價實驗

室內(nèi)按1.8%囊層劑+1.2%絨毛劑+0.6%囊膜劑+0.6%囊核劑配制絨囊工作流體，其密度為0.85 g/cm3，表觀黏度為58.5 mPa· s 。按現(xiàn)場配方配制壓裂液，按地層水組分配制地層水。取2只100 mL試管分別按1∶1比例取前置液、地層水與絨囊工作液混合，均未產(chǎn)生沉淀。將100 mL絨囊工作液倒入燒杯中，工作液中加入破膠劑后將燒杯放入水浴鍋中恒溫52 ℃進行24 h破膠，取絨囊破膠液按1∶1比例分別與前置液和地層水混合，均未見沉淀，說明絨囊工作液破膠前后與壓裂液和地層水配伍性良好。

1.2 突破壓力梯度實驗

室內(nèi)利用儲層傷害評價儀進行滲透率測試實驗，電腦裝置能夠自動采集流量和壓力，可以進行絨囊流體氣、水突破壓力梯度測試實驗，裝置原理如圖1所示。

圖1 儲層傷害評價實驗裝置原理圖Fig. 1 Schematic experimental device for reservoir damage evaluation

高壓氮氣源可以提供穩(wěn)定的進口壓力，平流泵可用于注入液體以提供流量源，巖心加持器可以模擬三軸狀態(tài)下的地層壓力情況，電腦自動采集流量和壓力數(shù)據(jù)。

選1#、2#巖心，利用線切割機將兩巖心從中間剖開，造貫穿縫。將巖心飽和后放入巖心夾持器中，在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下，采用恒流速法評價絨囊流體的堵水性能。先將地層水以0.1 mL/min流速正向注入1#巖心2 h，測定注入壓力；再以0.1 mL/min流速反向注入絨囊流體2 h；最后以0.1 mL/min流速正向注入地層水，測定封堵后的突破壓力。將2#巖心在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下，測定氣體流量為5 mL/min時，絨囊流體封堵后的突破壓力。取3#、4#基質(zhì)巖心分別測定在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下絨囊流體封堵后的地層水(流速0.1 mL/min)、氣體 (流速 5 mL/min)突破壓力。1#、2#含裂縫巖心封堵后地層水、氮氣突破壓力分別為0.213 6 MPa和0.112 4 MPa，兩塊巖心長度分別為5.29 cm和5.62 cm，計算得到地層水和氮氣在封堵后人造巖心中的突破壓力梯度分別為0.04 MPa/cm和0.02 MPa/cm，同理計算得到絨囊封堵基質(zhì)巖心后的氣和水突破壓力為0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm。

2 現(xiàn)場施工

在蘇里格氣田西部A、B兩井進行現(xiàn)場實驗。以A井為例，A井完鉆井深3 210 m，目的層為山西組山一段?，F(xiàn)場利用連續(xù)混配設(shè)備按照室內(nèi)實驗配方配制絨囊流體70 m3，密度為0.85 g/cm3，表觀黏度為 59 mPa·s，pH 值為 11。

為達到控水壓裂效果，將整個工藝過程分為壓裂造縫和封堵控水兩個基本工序交叉進行。過程如下：首先以4 m3/min施工排量泵注前置液52.6 m3，然后以3.2 m3/min施工排量泵注絨囊10 m3，再以4 m3/min排量泵注前置液35 m3、攜砂液88.3 m3，之后以 2 m3/min排量泵注前置液 40 m3，繼之以4 m3/min排量泵注前置液30 m3、攜砂液72.9 m3，最后以4 m3/min排量泵注頂替液28 m3，控水壓裂施工完成。

3 應(yīng)用效果分析

蘇里格氣田深部煤系致密氣藏氣、水關(guān)系復雜，無統(tǒng)一氣、水界面，地層水相對獨立、不連通。地層水類型有束縛水、毛細管水和自由水3大類，其中毛細管水為主要地層水類型［12］。結(jié)合室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗，對絨囊流體控水性能和壓裂性能進行討論，并對其作用機理進行初步分析。

3.1 壓裂效果分析

為保證施工順利，工作流體之間需要有良好的配伍性。由配伍性實驗可知，絨囊流體配伍性滿足壓裂施工要求。由于絨囊流體密度比壓裂液密度小，在浮力作用下可以上浮到裂縫上部，絨囊在壓力作用下對裂縫端部進行封堵，控制裂縫在垂向上擴展。在施工過程中分2次注入絨囊流體，第1次注入10 m3絨囊流體，約5.84 m3絨囊流體進入裂縫，由現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)計算可知5.84 m3絨囊進入地層后承壓能力提高2.79 MPa，同樣注入40 m3絨囊流體后地層承壓能力提高5.14 MPa，說明絨囊流體擴展到裂縫端部后可以提高裂縫端部的承壓能力，使裂縫在垂向上得到控制。由于A井未進行裂縫形態(tài)監(jiān)測，只能根據(jù)壓裂施工數(shù)據(jù)分析裂縫擴展情況。A井施工曲線見圖2。

圖2 A井壓裂施工特征曲線Fig. 2 Characteristic curve of fracturing construction of Well A

從圖2中可以看出，絨囊進入裂縫后，泵注壓力會小幅度地波動上升，之后在加砂過程中泵壓平穩(wěn)，說明絨囊封堵后裂縫擴展受到地層非均質(zhì)性的影響壓力波動較小，裂縫不斷向前延伸，壓裂施工順利。

3.2 絨囊堵水增產(chǎn)效果分析

控水壓裂主要是利用絨囊的封堵能力進行堵水增氣。A井在控水壓裂施工過程中，泵入50 m3絨囊流體對裂縫進行封堵，平均施工泵壓38.35 MPa，環(huán)空中前置液(密度1.0 g/cm3)液柱壓力30.17 MPa，不考慮摩阻作用裂縫中的液柱壓力為68.52 MPa，在高壓作用下，絨囊流體中的囊泡、聚合物、表面活性劑進入儲層中。由室內(nèi)實驗可知絨囊流體封堵基質(zhì)后氣、水突破壓力梯度分別為0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm，水的阻力明顯增大進而限制了同層水的流動進而實現(xiàn)控水。同理由于封堵裂縫后氣、水突破壓力梯度分別為0.02 MPa/cm、0.04 MPa/cm，說明即使地層中流體通過孔隙到達裂縫后，仍能增大水的阻力實現(xiàn)穩(wěn)氣控水。壓裂后161 d A、B井與鄰井日產(chǎn)氣量對比情況如圖3所示。

圖3 絨囊控水壓裂后產(chǎn)量與鄰井對比圖Fig. 3 Comparison of production rate between the wells after water control fracturing and their neighboring wells

從圖3中可以看出，絨囊控水壓裂井的平均日產(chǎn)量4 154 m3/d和3 535 m3/d較鄰井提高了13.71%和6.99%，資料未統(tǒng)計氣井的出水情況，但是C井、D井已經(jīng)分別進行了3次、63次泡排，而A、B兩井生產(chǎn)至今未進行泡排，說明絨囊堵水效果較好。

進一步分析表明，蘇里格深部煤系致密氣藏孔喉較小且分布不均，絨囊的粒徑在15～150 μm間連續(xù)分布［13］，小粒徑絨囊進入基質(zhì)中對孔喉迅速封堵提高其承壓能力，為絨囊流體在裂縫中的封堵提供了駐留環(huán)境。此外，絨囊流體作為一種水連續(xù)相流體，可以進入裂縫進行封堵而不受裂縫寬度等條件的限制。絨囊流體中囊層劑、絨毛劑通過吸附、捕集和物理堵塞選擇性封堵裂縫壁面，增大水的流動阻力，實現(xiàn)控水。進入到儲層中的聚合物、表面活性劑通過吸附在儲層巖石基質(zhì)表面，使巖石由親水性變成憎水性，將毛管力作為水的流動阻力增加地層水的啟動壓力。同時，絨囊流體黏度低、可泵性好，與地層流體及工作液配伍性好，施工完成后多余的絨囊流體可以返排，不傷害儲層的導流能力。

4 結(jié)論

(1)絨囊流體既可以通過控制裂縫在垂向上的擴展，又可以通過增加地層水在基質(zhì)和裂縫中的流動阻力堵水，實現(xiàn)了控制裂縫形態(tài)與堵水的雙重作用，因此利用絨囊流體可以實施控水壓裂。

(2)絨囊流體控水壓裂是以蘇里格深部煤系致密氣儲層井為背景，運用室內(nèi)實驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法得到的新認識，該工藝還適用于砂巖天然氣儲層控水壓裂。但是否適用于其他巖性，尚不明確。

(3)雖然絨囊流體在致密氣井控水壓裂方面取得一定進展，對絨囊流體加入時機、加入量等尚需進一步研究。