東勝氣田致密底水氣藏封堵底水壓裂技術(shù)研究

梁志彬

（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）

東勝氣田杭錦旗區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地北部，屬于低孔低滲透致密儲(chǔ)層，需經(jīng)壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，該區(qū)塊目前有三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量9 372.05×108m3，其中含水儲(chǔ)量5 580×108m3，占比接近60%[1]，如何實(shí)現(xiàn)含水儲(chǔ)量的有效動(dòng)用是目前亟需攻克的難題。杭錦旗區(qū)塊錦66 井區(qū)屬于低孔、低滲、低豐度的巖性構(gòu)造氣藏，主力氣層盒2 層埋深2 200～2 400 m，平均孔隙度11.49%，平均滲透率2.72×10-3μm2，底水氣層發(fā)育，縱向上遵循上氣下水的分布規(guī)律，氣層和水層之間無隔層和夾層較薄，氣層、水層分布不連續(xù)，無統(tǒng)一的氣水界面，壓裂改造后部分井產(chǎn)水量大，制約了產(chǎn)能的進(jìn)一步提升[2]。國內(nèi)外底水氣藏的增產(chǎn)改造工藝以控縫高壓裂[3-5]和改變相滲壓裂為主[6，7]，控縫高壓裂在錦66 井區(qū)由于采用小排量、小規(guī)模施工，壓后增產(chǎn)效果較差，改變相滲壓裂技術(shù)采用較大規(guī)模施工，有一定增產(chǎn)效果，但壓裂后會(huì)溝通水層，也會(huì)出現(xiàn)含水率較高、有效期短的現(xiàn)象，長期生產(chǎn)存在井筒積液的問題。本文提出了一種遇氣溶解、遇水固結(jié)的底水封堵材料對氣藏的底水層進(jìn)行堵水壓裂，達(dá)到對底水氣藏壓裂改造控水增氣的目的。

1 封堵底水壓裂技術(shù)基本原理

東勝氣田錦66 井區(qū)底水氣藏儲(chǔ)層物性差，砂體內(nèi)含有氣層和水層，水層位于砂體下部，氣層和水層間無隔層或隔層較薄，壓裂改造既要增加儲(chǔ)層改造體積，又要控制裂縫高度，以免溝通水層，兩者之間存在矛盾。封堵底水壓裂技術(shù)是以造長縫、不控縫高、擴(kuò)大改造體積和封堵底部水層為目標(biāo)，以遇氣溶解、遇水固結(jié)材料為載體，并配套以相應(yīng)的壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)對底水的封堵和氣層的支撐，達(dá)到控水增氣的目的。

封堵底水壓裂施工步驟為：（1）前置液階段大排量施工壓開氣層和底部水層并造長縫，前置液中攜帶遇氣溶解、遇水固結(jié)堵水材料；（2）小排量頂替并停泵，使得堵水材料在裂縫內(nèi)充分沉降并固結(jié)，封堵已壓開的水層裂縫；（3）進(jìn)行加砂壓裂作業(yè)，支撐上部氣層；（4）壓裂作業(yè)結(jié)束后，關(guān)井，待堵水材料在水層裂縫內(nèi)固結(jié)形成非滲透性固化塊，同時(shí)上部氣層中的堵水材料遇氣溶解后，開井排液、生產(chǎn)。由于在裂縫下部水層由堵水材料膠結(jié)形成的非滲透性固化塊能對底水起到堵水作用，同時(shí)延長堵水有效期，上部支撐劑使氣層具備正常導(dǎo)流能力，保留氣體流通通道，從而降低產(chǎn)水量，提高產(chǎn)氣量。

2 封堵底水材料研制及性能評價(jià)

成功實(shí)施底水氣藏封堵底水壓裂的關(guān)鍵是封堵底水層的堵水材料。為能封堵底水層，要求封堵底水材料能快速下沉至裂縫下部，并在儲(chǔ)層溫度下具有較強(qiáng)的固化膠結(jié)能力，且固化后滲透率低，底水不能通過裂縫進(jìn)入上部氣層。

2.1 封堵底水材料研制

封堵底水材料研制的總體思路為該材料能夠遇水固結(jié)、遇氣溶解（見圖1）。遇氣溶解能力實(shí)現(xiàn)方面通過天然氣組分分析，采用相似相溶原理優(yōu)選溶劑，共優(yōu)選出4 種滿足相溶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料：A、B、C、D，根據(jù)所篩選的4 種溶劑的溶解度參數(shù)，優(yōu)化得到最優(yōu)的混合溶劑比例：A:B:C:D=3.5:1.5:1.0:4；在遇水固結(jié)能力實(shí)現(xiàn)方面，在主體溶劑中加入固結(jié)添加劑，在水分子的H 鍵結(jié)合條件下實(shí)現(xiàn)固結(jié)，本堵水材料固結(jié)添加劑通過室內(nèi)多次實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選為萜烯樹脂。在主體材料確定后，為滿足儲(chǔ)層溫度條件，通過添加劑控制其軟化溫度，實(shí)現(xiàn)60～100 ℃溫度下的“軟化-遇水-固結(jié)”過程。堵水材料的密度為1.9 g/cm3，粒徑為40～70 目或20～40 目。

圖1 混合溶劑材料在類天然氣中的溶解情況（0 h、24 h、48 h）

2.2 封堵底水材料封堵能力評價(jià)

將封堵底水材料與支撐劑按1:1 比例混合（均為20～40 目），加入地層水，將其鋪置于實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)流室內(nèi)，加閉合壓力45 MPa，加熱至90 ℃，使堵水材料固結(jié)，實(shí)驗(yàn)測試4 h 完成固結(jié)。之后連接流程，在45 MPa的閉合壓力、90 ℃下定壓驅(qū)替，從1 MPa 開始以5 MPa為間隔增加驅(qū)替壓力（每個(gè)壓力穩(wěn)10 min）測定滲透率，直至驅(qū)替壓力達(dá)到20 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1 MPa 時(shí)通水時(shí)出口端有液體流出（平均流量0.2 mL/min），13 min后無液滴出現(xiàn)。不斷提高驅(qū)替壓差至20 MPa（導(dǎo)流室長度17.78 cm），均未突破，封堵性能較好（見圖2）。

圖2 堵水材料封堵能力測試

2.3 封堵底水材料氣溶解性能評價(jià)

將堵劑固結(jié)后取適量稱重放入密封瓶，采用排水集氣法充甲烷至密封瓶內(nèi)，水浴加熱至90 ℃，取出堵劑稱重；重復(fù)做實(shí)驗(yàn)，測試不同時(shí)間下的溶解率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加熱6 h 堵劑的溶解率可達(dá)到69%～78%。

2.4 封堵底水材料沉降能力評價(jià)

取20～40 目，密度為3.0 g/cm3的陶粒和20～40 目，密度為1.9 g/cm3的堵水材料按不同體積比混合，將二者混合均勻，在堵劑與支撐劑混合物中加入清水，模擬二者在混砂車中攪拌混合，將堵劑和支撐劑的混合物放入裝滿液體的量筒中，從倒入液面開始直至所有顆粒沉入底部記錄整個(gè)時(shí)間，用液面高度除以時(shí)間則為沉降速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1），堵水材料與支撐劑混合后沉降速度大于純堵水材料的沉降速度，靜止沉降速度大于攪拌沉降速度。

表1 堵水材料沉降速度測試

3 封堵底水壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 封堵底水材料加量計(jì)算

為了使堵水材料充分沉降，且在裂縫遠(yuǎn)端鋪置的下沉劑濃度達(dá)到最高，起到盡可能避免后期生產(chǎn)裂縫遠(yuǎn)端的底水突破至產(chǎn)層出水，可以選擇堵水材料從氣層上部加入最佳，因此，裂縫兩端形成兩個(gè)砂丘，中部砂堤高度最低。

假設(shè)水層都?jí)洪_，通過模擬計(jì)算堵水材料和支撐劑不同混合比例（1:1、1:0.5、1:0），在支撐縫長分別為80 m、100 m、120 m、140 m、160 m 情況下，對應(yīng)不同水層厚度所需的堵水材料加量（見圖3～圖5）。

圖3 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:1）

圖4 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:0.5）

圖5 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:0）

東勝氣田錦66 井區(qū)水層厚度一般為5～6 m，支撐縫長為150 m，根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)考慮成本，采用堵水材料與支撐劑按1:0.5 比例混合加入，下沉劑加量為4～5 m3。

3.2 堵水材料泵注排量優(yōu)化

注入的水材料既要保證到達(dá)人工裂縫遠(yuǎn)端鋪置一定的濃度，又要保證向下沉降形成足夠的遮擋，排量過大，可能突破氣水層所在的砂體，排量過小，可能未形成足夠長的人工裂縫。對于東勝氣田錦66 井區(qū)，氣層與水層之間無隔層或隔層較薄，為避免人工裂縫過度延伸，設(shè)計(jì)最高排量不超過5.0 m3/min，同時(shí)考慮常用壓裂管柱結(jié)構(gòu)和盡量增加裂縫長度，一般設(shè)計(jì)堵水材料泵注排量為3.0～4.0 m3/min。

在主加砂壓裂之前進(jìn)行小排量頂替，目的是形成的人工裂縫保持張開，堵劑充分沉降，表現(xiàn)出施工過程中壓力平穩(wěn)，當(dāng)注入裂縫內(nèi)的液量等于裂縫內(nèi)液體向地層濾失的液量即達(dá)到理想情況，堵水材料處于平穩(wěn)狀態(tài)，設(shè)計(jì)頂替排量1.0～1.5 m3/min。

3.3 停泵時(shí)間優(yōu)化

東勝氣田錦66 井區(qū)壓裂液采用0.4%HPG 壓裂液體系，基液黏度45 mPa·s 左右，根據(jù)前期沉降速度測試結(jié)合壓裂人工裂縫縫高（20～25 m），優(yōu)化停泵時(shí)間2～3 h。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）底水封堵材料具有在60～100 ℃下遇水固結(jié)、遇氣溶解的特性，堵水材料在東勝氣田儲(chǔ)層條件下固結(jié)后封堵壓力可達(dá)20 MPa，遇氣溶解率達(dá)70%以上，對底水氣藏具有良好的封堵底水能力。

（2）底水封堵材料密度1.9 g/cm3，在胍膠壓裂液中具有良好的沉降性能，能夠滿足裂縫內(nèi)底水封堵材料快速沉降的目的，有利于堵水材料封堵底水層。

（3）優(yōu)化出不同支撐縫長下對應(yīng)不同水層厚度堵水材料的加量，對現(xiàn)場施工提供了有利的支撐。