四川盆地川西坳陷新場氣田須家河組儲層工程地質(zhì)特征及增產(chǎn)實(shí)踐

朱化蜀，劉 林，黃志文，范 鑫，張金才

(1.中國石化 西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石化 休斯敦研究開發(fā)中心，美國 休斯敦 TX77056)

四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組深層致密砂巖氣藏資源量較豐富，是中國石化近幾年的重點(diǎn)勘探和開發(fā)領(lǐng)域[1]。川西坳陷新場氣田須家河組二段(須二段)致密砂巖氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜[2]，氣藏整體埋藏深度大于4 500 m，須二段儲層厚度介于80～230 m，溫度在110～130 ℃，壓力系數(shù)為1.6～1.7，儲層基質(zhì)致密，平均孔隙度小于5%，滲透率為(0.001～0.100)×10-3μm2。本區(qū)域古今地應(yīng)力強(qiáng)，構(gòu)造復(fù)雜多樣，發(fā)育多期次、多級斷裂，斷層和裂縫發(fā)育且非均質(zhì)性強(qiáng)，儲層的氣-水關(guān)系復(fù)雜，這些問題國內(nèi)外罕見，為該氣田的有效開發(fā)帶來一系列世界級難題。

自20世紀(jì)80年代開始，新場氣田須二段氣藏經(jīng)歷了多輪開發(fā)攻關(guān)試驗(yàn)，但開發(fā)有效井比例低、儲量動用率低[3]。開發(fā)實(shí)踐表明，該氣藏屬于致密、水敏性、低滲氣藏，儲層存在水敏和弱酸敏，常規(guī)完井方法易發(fā)生儲層傷害[4-5]，后期無法得到有效解除,單井測試及投產(chǎn)的工程、工藝技術(shù)是須家河組難動用儲量有效開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一。針對須家河組難動用儲量的開發(fā)，在儲層改造工藝方面開展了有益的探索和實(shí)踐，采用加砂壓裂、酸化、加重酸化、清水試破、大規(guī)模體積壓裂和高能氣體壓裂等多項(xiàng)改造工藝。其中，中國石化西南分公司在新場氣田L(fēng)150井、X11井和XS1井的須二段儲層分別通過清水試破、超高壓壓裂獲得成功，實(shí)現(xiàn)工藝試驗(yàn)性突破，但并未形成主導(dǎo)的單井增產(chǎn)工藝。整體來看，壓裂過程中的破裂壓力異常、施工壓力高、施工參數(shù)控制難度大、裂縫形態(tài)不明確及壓后效果不理想的主要問題仍未有效解決，是實(shí)現(xiàn)須家河組氣藏高效勘探和有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

1 須二段儲層工程地質(zhì)特征

新場氣田須二段致密砂巖氣藏的成藏過程受印支—燕山期、燕山期和喜馬拉雅期等3期主要構(gòu)造運(yùn)動的控制和影響[6]。在主成藏期的古構(gòu)造演化過程控制了天然氣成藏的富集范圍[7]，成藏期后的持續(xù)差異致密導(dǎo)致儲層物性整體變差，呈現(xiàn)出較異常的巖石力學(xué)特性。喜馬拉雅運(yùn)動使得須家河組氣藏處于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，儲層地應(yīng)力值異常高，呈現(xiàn)出走滑斷層或逆斷層的應(yīng)力狀態(tài)[8-9]，儲層中的沉積層理縫和高角度裂縫呈開啟狀態(tài)。

1.1 巖石強(qiáng)度大，不同巖相巖石力學(xué)參數(shù)存在差異

巖心超致密導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度極高，新場構(gòu)造須二段氣藏巖石密度較大(平均為2.56 g/cm3)，室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明儲層巖石抗張強(qiáng)度大(5～7 MPa)，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到40～110 MPa，三軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到200～500 MPa。隨著巖石孔隙度降低和密度增加，巖石抗壓強(qiáng)度增加(圖1)。巖心基質(zhì)平均內(nèi)聚力為17.4 MPa，內(nèi)摩擦角為45.3°。

針對不同巖相的巖心開展的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明，塊狀中-粗砂巖彈性模量和泊松比均較低，而斜層理細(xì)砂巖和鈣質(zhì)膠結(jié)中-粗砂巖彈性模量較高(圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明巖石物性越好，巖石強(qiáng)度和彈性參數(shù)越低，越有利于壓裂改造。

1.2 儲層地應(yīng)力高，整體處于走滑應(yīng)力狀態(tài)

造成新場構(gòu)造須二段氣藏儲層地應(yīng)力大的主要原因是川西坳陷地處龍門山擠壓活動作用的現(xiàn)今構(gòu)造背景下，推覆作用使得地層存在異常大的構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致地層孔隙壓力處于超壓狀態(tài)[10]。

綜合小型測試壓裂分析、應(yīng)力多邊形分析和差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)評價方法，得到了須家河組孔隙壓力和三向地應(yīng)力剖面[11-12]，如圖3所示。須二段地層壓力系數(shù)為1.40～1.71，水平最小主應(yīng)力梯度為20～22 MPa/km，水平最大主應(yīng)力梯度為30～32 MPa/km；須四段地層壓力系數(shù)為1.7～2.0，水平最小主應(yīng)力梯度為22～25 MPa/km，水平最大主應(yīng)力梯度為32～34 MPa/km。水平最小主應(yīng)力小于或接近垂向應(yīng)力，因此，川西坳陷須家河組地應(yīng)力狀態(tài)位于逆斷層到走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)的過渡區(qū)。異常高的儲層構(gòu)造應(yīng)力也直接導(dǎo)致了高破裂壓力和壓裂施工壓力[13]。

圖3 基于測試壓裂、應(yīng)力多邊形和差應(yīng)變分析方法得到的川西坳陷新場氣田須家河組應(yīng)力剖面

1.3 低角度層理縫普遍發(fā)育，高角度構(gòu)造裂縫局部發(fā)育

統(tǒng)計分析了新場地區(qū)12口井、304 m須二段[Tx2(2)—Tx2(7)]巖心裂縫發(fā)育情況，共識別出裂縫3 004條。按照最新的裂縫類型劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T6110—2016)，可將本區(qū)須二段裂縫劃分為平縫、低角度斜縫、斜縫、高角度斜縫和立縫5種類型，其中平縫最為發(fā)育，約占總裂縫條數(shù)的69%，其次為低角度斜縫和斜縫，兩者分別占18%和11%，而高角度斜縫和立縫相對不發(fā)育，兩者之和占比不到3%。裂縫縱向廣泛分布，如X10井巖心柱狀圖及巖心照片(圖4)。

圖4 川西坳陷新場氣田新10井巖心照片

根據(jù)室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，得到了千層餅狀層理面的內(nèi)聚力為2.58 MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.97。由于未獲得含完全張開型層理縫巖心，因此層理縫內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角未能確定[14]。一般而言，弱膠結(jié)天然裂縫面的內(nèi)聚力介于0.1～1.0 MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)介于0.1～0.7。

1.4 儲層物性差、水鎖嚴(yán)重，裂縫呈開啟狀態(tài)、易受鉆井液污染

須家河組屬于低滲致密氣藏，巖石礦物組成包括石英、長石、方解石和粘土，主要以石英為主。粘土礦物類型以綠泥石和伊利石較為常見，含有少量的伊蒙混層，賦存狀態(tài)主要為薄膜襯墊或充填孔隙[15]。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，須二段巖心基質(zhì)以微孔-微喉、小孔-微喉為主，喉道半徑介于0.021～0.062 mm，水鎖傷害較嚴(yán)重，且傷害不可逆。水平縫在地下的開度為0.15～0.20 mm，須家河組加重鉆井液固相顆粒粒徑中值僅有1.51 mm。儲層水鎖效應(yīng)普遍存在，儲層越致密，孔喉半徑越小，水鎖傷害越嚴(yán)重[13]。

2 儲層改造主要技術(shù)難點(diǎn)

分析了中國石化西南油氣分公司近20年在新場氣田須二段氣藏開展的14井、25層、34次的儲層改造施工，其中試破10層次，酸化改造17層次，加砂壓裂7層次。統(tǒng)計結(jié)果表明壓裂設(shè)計和施工過程中主要體現(xiàn)出以下4項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 孔隙型儲層巖石致密，破裂壓力和施工壓力高

根據(jù)前期測試壓裂、主壓裂的施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，新場氣田須二段段破壓梯度很高，為23～28 MPa/km，停泵壓力梯度為21～32 MPa/km，施工壓力介于85～123 MPa。破裂壓力和施工壓力高的主要原因是儲層埋深大(4 500～5 500 m)，造成施工過程摩阻高達(dá)40～50 MPa。實(shí)驗(yàn)測試顯示，儲層巖石楊氏模量高(平均為29.51 GPa)、抗張強(qiáng)度大(8～10 MPa)、抗壓強(qiáng)度高(300～500 MPa)導(dǎo)致了施工破裂壓力高。根據(jù)成像測井資料反映的誘導(dǎo)裂縫、井徑崩落情況、水力壓裂及聲發(fā)射巖心實(shí)驗(yàn)等方法判斷，新場氣田須二段段儲層現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力(160 MPa)>垂向應(yīng)力(120 MPa)>水平最小主應(yīng)力(110 MPa)。另外，本區(qū)地層壓力系數(shù)高、鉆井泥漿污染等均會導(dǎo)致儲層巖石破裂壓力增加。較高的破裂壓力和施工壓力對壓裂施工管柱、壓裂地面設(shè)備和井下壓裂工具提出了挑戰(zhàn)。由于施工壓力高，施工排量無法得到保障，裂縫動態(tài)縫寬較窄而造成施工過程中砂比低，影響了壓裂施工的工藝成功率和壓后效果。另外，儲層的裂縫延伸壓力很高，從而限制了裂縫的擴(kuò)展與延伸，導(dǎo)致儲層改造體積較小。

2.2 裂縫型儲層濾失量大，施工排量低、施工砂比低

新場氣田須二段儲層裂縫可分為在構(gòu)造作用形成的高角度構(gòu)造裂縫，以及在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下呈張開狀態(tài)的層理縫。裂縫發(fā)育段，特別是水平層理縫發(fā)育段在壓裂過程中濾失系數(shù)高，濾失量較大，造成單縫中的進(jìn)液量有限，凈壓力低，儲層對砂比敏感，形成“易進(jìn)液、難進(jìn)砂”的特點(diǎn)。前期5口井加砂過程中，有3口井發(fā)生過砂堵，而最高砂濃度僅467 kg/m3，反映出儲層吃砂能力較弱。以X209井在須二段進(jìn)行的加砂壓裂施工為例(圖5)，該井段在2砂組入地總液量為399.27 m3，施工壓力為91～97 MPa，施工排量為2.0～2.3 m3/min，施工過程中加砂困難，入地總砂量僅為2 m3。

圖5 川西坳陷新場地區(qū)新209井須二段Tx2(2)加砂壓裂施工曲線

2.3 儲層構(gòu)造應(yīng)力大、層理縫發(fā)育，裂縫縱向延伸難度大

基于對川西坳陷新場氣田18口井地應(yīng)力參數(shù)計算結(jié)果分析得出，須二段優(yōu)質(zhì)儲層的最小水平主應(yīng)力梯度較高，儲層剖面上最小水平主應(yīng)力差值在83～129 MPa，層間應(yīng)力差異大，裂縫縱向延伸受水平應(yīng)力遮擋作用明顯。同時，考慮到砂巖儲層中普遍發(fā)育的水平層理縫和低角度天然裂縫對裂縫延伸的控制作用，故推斷須家河組砂巖儲層壓裂施工過程中裂縫縱向延伸難度大，壓后的裂縫極易形成“T型縫”或“工型縫”(圖6)。中國石油在川西坳陷須家河組某井壓裂過程中應(yīng)用示蹤劑開展近井縫高監(jiān)測[14]，監(jiān)測結(jié)果表明由于該地區(qū)特殊的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)和層理縫發(fā)育，壓后裂縫平均縫高為3.5 m。

圖6 川西坳陷新場氣田須家河組壓后裂縫形態(tài)示意圖

2.4 儲層氣-水關(guān)系復(fù)雜，壓裂規(guī)模優(yōu)化難度大

前期川西坳陷須家河組流體動力學(xué)過程與氣-水分布規(guī)律研究表明，新場氣田須二段氣藏致密砂巖儲層孔隙連通差，含氣/水飽和度差異大，沒有統(tǒng)一的氣-水界面，氣-水關(guān)系復(fù)雜。水層主要分布在構(gòu)造兩翼低部位，局部高部位也有分布，新場氣田須家河組地層水以同層水層內(nèi)側(cè)向徑流為主，局部由于斷裂溝通作用，縱向上有其他層系地層水沿斷裂跨層混入。對于孔隙型甜點(diǎn)，一方面需要通過加大壓裂規(guī)模增加改造體積，擴(kuò)大泄氣面積，另一方面又要合理地控制人工裂縫的延伸范圍，避免人工裂縫溝通水層，壓裂規(guī)模設(shè)計優(yōu)化難度較大。

綜上分析可知，目前新場氣田須二段氣藏提高產(chǎn)氣量的儲層改造工藝技術(shù)尚未成熟，單一模式的儲層改造工藝無法解放須家河組的儲量，需要根據(jù)不同儲層甜點(diǎn)類型，采取針對性的儲層改造工藝措施[15]。劉忠群等人對新場氣田須二段甜點(diǎn)進(jìn)行了分類，提出了氣藏甜點(diǎn)的定義和評價標(biāo)準(zhǔn)[16]，同時將新場氣田須二段氣藏甜點(diǎn)分為斷褶裂縫體甜點(diǎn)、基質(zhì)儲滲體-層理縫型甜點(diǎn)和基質(zhì)儲滲體-孔隙型甜點(diǎn)等3類。

3 氮?dú)忏@、完井增產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐

氮?dú)忏@、完井技術(shù)可以有效保護(hù)儲層[17-18]，對儲層“零”傷害，“零”污染，作為須家河組主力產(chǎn)層一種新的增產(chǎn)技術(shù)對策，在X8-2井試驗(yàn)中獲得了較好的油氣顯示。

3.1 地層出水影響

通過對新場氣田須二段氣藏測試情況及生產(chǎn)井分析，區(qū)域測試井中產(chǎn)水最低為0.3 m3/d(X853井)，產(chǎn)水最高為360 m3/d(CX560井)，平均為48 m3/d[19]。生產(chǎn)井中，產(chǎn)水最低為0.8 m3/d(CF563井)，產(chǎn)水最高為322 m3/d(X2井)，平均為51 m3/d。選擇X10井和X8井區(qū)為地質(zhì)高點(diǎn)地層水較少區(qū)域，預(yù)測極限產(chǎn)水量小于3 m3/d，利用HUB軟件計算地層出水后，立壓將持續(xù)升高，出水1.3 m3/d后壓力達(dá)到增壓機(jī)極限35 MPa。

根據(jù)區(qū)域極限地層出水量計算分析(圖7)，地層一旦出水，泵壓將快速上升，加大注氣量不能實(shí)現(xiàn)井筒凈化，若地層出水量持續(xù)增大，立壓將會明顯增加，影響鉆井安全。

圖7 新場氣田地層出水量和注氣量、立壓變化關(guān)系

3.2 氮?dú)忏@井井壁穩(wěn)定性

利用建立的庫侖-摩爾準(zhǔn)則和破壞準(zhǔn)則數(shù)學(xué)模型[20]，以X5井測井?dāng)?shù)據(jù)對氮?dú)忏@井條件下須家河組巖石穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險評價。從圖8可以看出，須三段和須二段聲波時差起伏較大，須二段巖石力學(xué)強(qiáng)度整體高于須三段，井壁穩(wěn)定性優(yōu)于須三段。從當(dāng)量密度分布圖可以看出，須二段坍塌壓力當(dāng)量密度多數(shù)為0軸以左，而須三段坍塌壓力當(dāng)量密度整體高于須二段，由此可知，須二段氣體鉆井井壁穩(wěn)定性好于須三段，但須二段少部分薄層坍塌壓力當(dāng)量密度略高于0.5 g/cm3，氮?dú)忏@井時井壁存在掉塊現(xiàn)象，實(shí)鉆時應(yīng)做好井下安全監(jiān)測,及時提升注氣量。

圖8 新場氣田X5井須三段和須二段氣體鉆井聲波時差曲線(a)和地層坍塌壓力當(dāng)量密度分布(b)

3.3 氮?dú)忏@、完井增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用評價

氮?dú)忏@井后帶壓完井存在井控風(fēng)險，在高壓、高產(chǎn)下氣體和巖屑對井口和管柱沖蝕加劇，完井方式盡可能簡化，采氣流程提前接入節(jié)流管線，采用鉆桿應(yīng)急完井方式可以實(shí)現(xiàn)快速完井投產(chǎn)。利用西南石油大學(xué)開發(fā)的隨鉆安全監(jiān)測系統(tǒng)可對產(chǎn)量測試隨鉆監(jiān)測和評價。從油氣水預(yù)測剖面可以看出(圖9)，每鉆遇一段裂縫型氣層，天然氣產(chǎn)量隨井深逐漸增加，產(chǎn)量瞬時最高可達(dá)205.78×104m3/d，后期穩(wěn)定在53×104m3/d。

圖9新場氣田油氣預(yù)測剖面

X8-2井實(shí)現(xiàn)全過程氮?dú)忏@、完井增產(chǎn)工藝，開鉆、完鉆到產(chǎn)氣24 h內(nèi)完成，對比常規(guī)儲層改造工藝，鉆、完井周期縮短10倍以上，效率提升15倍以上，測、錄井和鉆井施工費(fèi)用節(jié)約近800萬元、節(jié)約儲層改造費(fèi)用約900萬元以上，全井氮?dú)忏@、完井節(jié)約工程總費(fèi)用約1 200萬元，投資回收期較常規(guī)改造工藝縮短50%以上。X8-2井產(chǎn)量同比相鄰區(qū)域L150井高出5倍以上，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，具有技術(shù)推廣價值。但是，氮?dú)忏@井揭開有效儲層進(jìn)尺短，產(chǎn)量增加會伴隨井壁掉塊，卡鉆風(fēng)險較高，深部儲層Tx2(4-5)還不能有效揭穿，限制產(chǎn)量提升，可以通過多井分層進(jìn)行逐一揭穿，實(shí)現(xiàn)氮?dú)獍踩@井和產(chǎn)量最大化。

4 壓裂增產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐

XS101井須二上亞段天然裂縫較發(fā)育，但不發(fā)育層理縫，屬于斷縫型儲層的第二類，測試層段綜合評價柱狀圖如圖10所示。針對該類儲層首次嘗試采用“套管注入、橋塞分段”大排量、大液量注入方式，達(dá)到疏通天然裂縫系統(tǒng)、充分覆蓋長井段、獲得較大改造體積的目的。根據(jù)地質(zhì)工程雙甜點(diǎn)評價技術(shù)優(yōu)選了Tx2(5)19簇作為改造層段，5段共計注入壓裂液7 248 m3，入地砂量236 m3，泵注排量4.3～11.6 m3/min，其中須二段頂部裂縫較發(fā)育段單段加砂最高達(dá)到102.1 m3，泵注排量最高達(dá)到11.6 m3/min。目前該井在油壓為45 MPa條件下穩(wěn)定產(chǎn)氣15×104m3/d，累產(chǎn)天然氣達(dá)1 187×104m3。本井壓裂參數(shù)創(chuàng)下了川西坳陷須二段加砂壓裂改造記錄，分段多簇大規(guī)模改造的成功實(shí)施為須家河組產(chǎn)能建設(shè)提供了壓裂新工藝。

圖10 新場氣田XS101井測試層段地層綜合柱狀圖

5 結(jié)論

1)新場氣田須二段氣藏儲層具有巖石力學(xué)強(qiáng)度較高、儲層最大水平主應(yīng)力高、呈現(xiàn)出走滑或逆斷層應(yīng)力狀態(tài)，以及儲層層理縫普遍發(fā)育的工程地質(zhì)特征。

2)須家河儲層改造的主要難點(diǎn)表現(xiàn)為：孔隙型儲層致密導(dǎo)致破裂壓力和施工壓力高，層理縫發(fā)育導(dǎo)致裂縫縱向延伸難度大，施工排量和施工砂比低。

3)須二段高壓儲層裂縫發(fā)育，整體井壁穩(wěn)定性較好，通過井控裝備升級和優(yōu)化地面流程，能夠滿足氮?dú)忏@、完井增產(chǎn)工藝需求。實(shí)踐表明，氮?dú)忏@、完井增產(chǎn)效果優(yōu)于常規(guī)儲層改造工藝，產(chǎn)量提升幅度在5倍以上，單井節(jié)約鉆、完井綜合成本約1 200萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有推廣價值。

4)不同甜點(diǎn)類型儲層需要不同的改造技術(shù)對策，針對性儲層改造技術(shù)能夠有效提高單井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)不同類型儲層的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。