蘇里格二三類儲(chǔ)層壓裂配套技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

吳 凱，付 鵬，于世虎

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，主要產(chǎn)層為上古生界石盒子組和山西組，屬于低滲、低壓、低豐度、非均質(zhì)性強(qiáng)的致密巖性氣藏，儲(chǔ)層縱向表現(xiàn)為“薄、多、散、雜”，平面上表現(xiàn)為“疊合連片”特征，同時(shí)具有中強(qiáng)應(yīng)力敏感、弱堿敏、中強(qiáng)水敏、強(qiáng)水鎖等特點(diǎn)[1，2]。隨著蘇里格氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，儲(chǔ)層品位劣質(zhì)化趨勢(shì)日益明顯，二三類儲(chǔ)層比例增加，改造難度越來越大，改造效果和經(jīng)濟(jì)效益較差。

蘇里格二三類儲(chǔ)層的高效開發(fā)主要面臨以下難點(diǎn)[3－5]：

（1）儲(chǔ)層呈縱向分散狀，砂泥巖薄互分布明顯、層間非均質(zhì)性強(qiáng)，單層有效厚度薄，無法進(jìn)行密集分割精準(zhǔn)改造；常規(guī)機(jī)械分層壓裂人工裂縫波及范圍有限，無法實(shí)現(xiàn)均勻深度改造，部分層位改造不充分，整體動(dòng)用程度低，改造經(jīng)濟(jì)效益較差。

（2）二三類儲(chǔ)層致密性強(qiáng)、孔隙率低（＜8%）、滲透率低（＜0.1 mD），對(duì)壓裂液傷害較為敏感。壓裂液破膠后的殘?jiān)鼤?huì)堵塞孔喉，降低儲(chǔ)層滲流能力和支撐劑導(dǎo)流能力；壓裂液濾液侵入儲(chǔ)層引起黏土膨脹、分散、運(yùn)移、孔隙結(jié)構(gòu)破壞等水敏性傷害；壓裂液殘?jiān)氯?、濾液侵入、敏感性傷害都會(huì)影響改造效果。

（3）二三類儲(chǔ)層孔喉細(xì)小，壓力系數(shù)低，毛細(xì)管阻力較大，容易產(chǎn)生水鎖、賈敏效應(yīng)，造成液相圈閉傷害，降低滲流能力，影響改造效果。另外，地層壓力低，壓裂后地層能量低，驅(qū)替壓差小，液體返排困難，返排率低，液體在儲(chǔ)層滯留時(shí)間長，加劇了液相圈閉傷害，影響增產(chǎn)效果。

針對(duì)蘇里格二三類儲(chǔ)層的特點(diǎn)，壓裂液未來發(fā)展的主要趨勢(shì)是“低傷害、低成本、高性能”，以胍膠為代表的植物膠體系性能穩(wěn)定、工藝成熟，該體系優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)是降低殘?jiān)縖6]；以功能型共聚物、疏水締合為代表的一體化壓裂液體系具有可變黏、自交聯(lián)、低傷害、現(xiàn)配現(xiàn)用等優(yōu)點(diǎn)，在川渝頁巖氣、致密氣等區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果，應(yīng)加強(qiáng)該體系在蘇里格的適應(yīng)性研究和應(yīng)用試驗(yàn)。

通過細(xì)化破膠劑加量、優(yōu)化破膠工藝[7]，提高低溫破膠速率，控制殘?jiān)浚瑴p小固相堵塞傷害；同時(shí)優(yōu)化液氮伴注工藝[8]，提升液氮使用能效，加快排液，縮短液體在地層滯留時(shí)間，降低液相圈閉傷害。

研究發(fā)現(xiàn)，采用暫堵材料封堵老縫，通過憋壓可以開啟新的裂縫[9]，達(dá)到轉(zhuǎn)向壓裂和多級(jí)改造的目的，實(shí)現(xiàn)縱向薄互層的精細(xì)化深度改造，增大改造體積，提高縱向多層的有效動(dòng)用率，提升壓裂增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 低傷害壓裂液體系

本工作以降殘?jiān)?、防水鎖、耐高溫、高攜砂為思路，開展二三類儲(chǔ)層配套低傷害壓裂液體系研發(fā)及應(yīng)用試驗(yàn)，分別開發(fā)低傷害胍膠壓裂液體系、一體化壓裂液體系、組合壓裂液體系，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用成功。低傷害胍膠壓裂液平均巖心傷害率23%，比常規(guī)胍膠體系降低30%以上，液體成本降低10%，現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用200多井次，成為蘇里格二三類儲(chǔ)層高效開發(fā)和提質(zhì)增效的有力保障。

1.1 低傷害胍膠壓裂液體系

針對(duì)胍膠殘?jiān)扛?、傷害大等問題，以降低胍膠濃度來降低殘?jiān)鼈樗悸罚芯勘砻髁u丙基胍膠的臨界交聯(lián)濃度為0.285%，重疊濃度為0.36%，當(dāng)胍膠濃度低于0.285%時(shí)，無法保證交聯(lián)效果和液體性能；當(dāng)濃度高于0.36%時(shí)，繼續(xù)提高濃度對(duì)液體性能提升效果不大，反而會(huì)增加殘?jiān)縖10]。蘇里格區(qū)塊儲(chǔ)層溫度在105～110 ℃，設(shè)計(jì)要求在儲(chǔ)層溫度條件下，以170 s-1剪切90 min 后黏度在100 mPa·s 以上，采用0.3%～0.35%低濃度胍膠體系能滿足施工需求，該配方添加劑成本降低10%。

1.1.1 基本性能 采用四川川慶井下科技有限公司低傷害胍膠壓裂液體系，基液黏度在27～36 mPa·s，交聯(lián)劑加量在0.35%～0.42%，交聯(lián)時(shí)間在30～100 s 可調(diào)，滿足不同工藝的成膠需求；該壓裂液采用“膠囊+過銨”破膠劑體系，在儲(chǔ)層溫度（90～110 ℃）下破膠時(shí)間30～150 min 可調(diào)可控，滿足快速破膠排液需求；破膠液殘?jiān)吭?39～271 mg/L，與常規(guī)胍膠體系相比降低20%以上；低傷害胍膠壓裂液體系基本性能（見表1）。

表1 低傷害胍膠壓裂液體系基本性能

1.1.2 流變性能 流變性能決定了壓裂液的耐溫耐剪切性能和攜砂性能，很大程度上決定施工的成敗，是評(píng)價(jià)壓裂的關(guān)鍵指標(biāo)之一，低傷害胍膠壓裂液的流變性能（見圖1）。由圖1 可知，在110 ℃下，以170 s-1速率連續(xù)剪切100 min 后，0.30%胍膠濃度的黏度始終保持在100 mPa·s 以上，0.32%胍膠濃度的黏度在130 mPa·s左右，0.35%胍膠濃度的黏度保持在150 mPa·s 左右，說明低傷害胍膠壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能，且可調(diào)范圍廣，可根據(jù)儲(chǔ)層溫度和工藝參數(shù)適當(dāng)調(diào)整胍膠濃度。

圖1 低傷害胍膠壓裂液體系的流變性能

1.1.3 巖心傷害 按照SY/T 5107-2016[11]規(guī)定的巖心基質(zhì)滲透率損害率測(cè)定程序，分別測(cè)定低傷害胍膠壓裂液、常規(guī)胍膠壓裂液對(duì)低滲透巖心（1 mD 左右）傷害率，結(jié)果（見表2）。由表2 可知，低傷害胍膠壓裂液對(duì)低滲巖心的損害率在20%左右，相對(duì)于常規(guī)胍膠體系對(duì)巖心傷害降低30%以上。

表2 低傷害胍膠壓裂體系對(duì)巖心損害情況

1.1.4 應(yīng)用效果 自2019 年推廣應(yīng)用以來，累計(jì)應(yīng)用200 多口井，使用液量15×104m3以上，推廣率高達(dá)100%，節(jié)約成本750 多萬元。應(yīng)用效果良好，動(dòng)靜態(tài)符合率和平均無阻流量都有大幅度提高（見表3），高產(chǎn)井不斷，無阻流量超百萬立方米井4 口，其中E46-XX1 井喜獲測(cè)試無阻流量242.2×104m3/d，創(chuàng)造了蘇里格氣田上古生界直斜井測(cè)試產(chǎn)量新紀(jì)錄。

表3 低傷害胍膠壓裂體系推廣應(yīng)用效果

1.2 一體化壓裂液體系

針對(duì)胍膠殘?jiān)鼈Υ蟮葐栴}，重點(diǎn)研究了殘?jiān)鼈ο鄬?duì)低的疏水締合自交聯(lián)聚合物，在頁巖氣變黏滑溜水的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一體化壓裂液體系，該體系采用乳液聚合物為稠化劑，滿足在線混配，使用方便，同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)[12，13]：乳液聚合物以中低相對(duì)分子質(zhì)量為主，具有分散溶劑快，增黏效果好，減小機(jī)械降解的可能性；利用其分子結(jié)構(gòu)中特有的疏水締合作用，通過調(diào)整加量實(shí)現(xiàn)滑溜水、線性膠、交聯(lián)液的無縫切換，操作簡(jiǎn)單，快捷方便；利用疏水締合協(xié)同作用提高超分子聚集體的“有效黏度”，提升懸砂能力，減少稠化劑加量，降低殘?jiān)?；疏水長鏈中含有功能性單體，有效保障了耐鹽耐溫性能，同時(shí)賦予一劑多能功效。一體化壓裂液體系基本性能（見表4）。

表4 一體化壓裂液體系基本性能

由表4 可知，一體化壓裂液殘?jiān)吭?0～100 mg/L，對(duì)巖心傷害率為15%～18%，同時(shí)具有溶解快、懸砂好、低摩阻、殘?jiān)?、可在線混配等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便，無需提前配液，僅改變加量可實(shí)現(xiàn)不同黏度液體體系的自由切換。一體化壓裂液屬于低黏高彈流體，兼具聚合壓裂液低殘?jiān)碗夷z壓裂液耐高溫雙重優(yōu)點(diǎn)，滿足返排液重復(fù)利用施工需求，節(jié)約大量的配液和返排液處理成本。

該產(chǎn)品已在蘇里格某井試驗(yàn)成功，采用清水和返排液混合（混合后礦化度約5 000 mg/L）施工，泵注排量2.4～2.6 m3/min，前置液階段乳液稠化劑加量為0.9%～1%，加砂液階段加量逐漸降低至0.8%。施工過程中，乳液分散均勻，溶解起黏快，混砂均勻，懸砂性能好，施工泵壓平穩(wěn)，加砂順利。

1.3 組合壓裂液體系

研究表明[14]，前置液采用滑溜水+基液組合時(shí)較單獨(dú)采用基液形成的水力裂縫帶寬大，裂縫較復(fù)雜，為配合蘇里格區(qū)域形成的“低黏度液體造縫、高黏度液體攜砂、多尺度支撐劑組合、高排量大規(guī)模注入”的體積壓裂工藝，開發(fā)了可交替注入的組合壓裂液體系。利用不同壓裂液和不同支撐劑的優(yōu)勢(shì)特性[15]，前置液階段使用中黏滑溜水（5～10 mPa·s）作為前置液造縫，加砂液階段使用0.35%胍膠液攜帶20/40 目石英砂和陶粒。形成了“滑溜水（基液）造縫+膠液攜砂”的組合壓裂工藝，前置液殘?jiān)拷档?0%左右，大大降低了前置液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。通過液體類型的變換實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)的復(fù)雜化，通過支撐劑的多元化實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)的高效連通，為二三類儲(chǔ)層的高效開發(fā)打開新思路。

采用組合壓裂液體系，先后在桃7、蘇59 區(qū)塊開展應(yīng)用試驗(yàn)，并取得成功。在桃7 某井采用“滑溜水+低傷害胍膠”組合液體順利完成“石英砂+陶?！眽毫咽┕?，泵壓在32～33 MPa，壓力平穩(wěn)（見圖2），摩阻低，壓裂改造后該井由靜態(tài)評(píng)價(jià)Ⅲ類提升為動(dòng)態(tài)Ⅱ類井。在蘇59 某區(qū)塊采用“基液+低傷害胍膠”液體成功完成“粉砂+石英砂+覆膜石英砂”組合壓裂施工，改造效果顯著，獲得測(cè)試無阻流量131×104m3/d 的高產(chǎn)。

圖2 “滑溜水+低傷害胍膠”組合壓裂液試驗(yàn)應(yīng)用施工曲線

2 高效助排技術(shù)

對(duì)于低滲儲(chǔ)層壓裂液的“液相傷害”比“固相傷害”更明顯，且隨著壓裂液滯留時(shí)間的延長“液相傷害”的增加幅度更大[16，17]，實(shí)施“快壓快排”有利于縮短壓裂液在地層停留時(shí)間，有效降低傷害。針對(duì)蘇里格區(qū)塊地層壓力低，毛細(xì)管阻力大，壓后排液困難，返排率低，常規(guī)助排劑效果不佳等問題，采用微乳助排劑結(jié)合精細(xì)液氮伴注工藝形成高效助排技術(shù)，一方面大幅降低表界面張力，減少水鎖，另一方面為地層增能，提高驅(qū)排動(dòng)力，使壓裂液快速返排，減少滯留，降低傷害，提升改造效果。

2.1 微乳助排劑

蘇里格二三類儲(chǔ)層致密性強(qiáng)，孔隙細(xì)微，常規(guī)助排劑難以高效進(jìn)入巖石孔隙中，無法充分發(fā)揮助排作用。利用多元表面活性劑的協(xié)同增效作用，以Gemini 型表面活性劑、非離子表面活性劑和氟碳表面活性劑通過復(fù)配制備出微乳助排劑[18，19]。微乳助排劑體積極小、滲透性強(qiáng)，能夠進(jìn)入致密孔隙和微裂縫中發(fā)揮作用；同時(shí)具有極強(qiáng)的降低表/界面張力能力和較好的潤濕性，是低壓低滲儲(chǔ)層的理想助排劑。

參照SY/T 5755-2016[20]中的方法對(duì)常規(guī)助排劑和微乳助排劑進(jìn)行平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果（見表5）。

表5 納米微乳液助排劑基本性能

由表5 可知，同等條件下，微乳助排劑的表/界張力遠(yuǎn)低于常規(guī)助排劑；與處理后的天然巖心的接觸角大于常規(guī)助排劑，說明其對(duì)巖心的潤濕性能優(yōu)于常規(guī)助排劑；助排率明顯高于常規(guī)助排劑，也說明微乳助排劑的助排效果更好。

2.2 精細(xì)化液氮伴注工藝

根據(jù)蘇里格儲(chǔ)層特點(diǎn)、排液規(guī)律并結(jié)合微乳助排劑的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)有的工藝參數(shù)上對(duì)液氮、助排劑的伴注工藝進(jìn)行全面優(yōu)化，形成了一套高效化、精細(xì)化的“液氮+微乳助排劑”助排工藝技術(shù)，優(yōu)化后的液氮伴注工藝參數(shù)（見表6）。

表6 精細(xì)化液氮伴注工藝伴注參數(shù)

由表6 可知，在壓裂過程中，根據(jù)施工排量伴注液氮和微乳助排劑，并按泵注程序逐階遞減，既保證返排時(shí)氮?dú)夂团艅┑倪B續(xù)性，又減小了液氮、助排劑的用量，節(jié)約了成本?，F(xiàn)場(chǎng)鄰井對(duì)比試驗(yàn)表明：采用精細(xì)化液氮伴注工藝液氮使用量降低10%左右，助排劑用量降低12%，返排率提高7%左右，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

3 復(fù)合暫堵壓裂技術(shù)

復(fù)合暫堵壓裂技術(shù)是利用組合暫堵材料（不同類型或尺寸）對(duì)炮眼或裂縫實(shí)施可控性封堵，通過憋壓開啟多級(jí)化裂縫或分支化裂縫，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層的高效連通。復(fù)合暫堵技術(shù)能夠彌補(bǔ)機(jī)械分層壓裂的不足，通過多級(jí)人工應(yīng)力干擾，對(duì)縱向薄互層、夾層等進(jìn)行深度化和精細(xì)化改造，大幅提高儲(chǔ)層的有效動(dòng)用率，提升改造效果和經(jīng)濟(jì)效益[21]。

3.1 暫堵材料

暫堵轉(zhuǎn)向效果受制于要封堵的裂縫狀態(tài)（裂縫寬度、高度）和匹配的暫堵劑規(guī)格，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，蘇里格儲(chǔ)層裂縫寬度一般分布在8～20 mm 為主，按照架橋理論可知，暫堵材料尺寸為3～5 mm 較佳。

通過數(shù)值模擬、室內(nèi)研究，利用高強(qiáng)度、寬溫帶可降解環(huán)保型暫堵材料開發(fā)出了適合蘇里格區(qū)塊的系列化產(chǎn)品，包括暫堵球、暫堵顆粒、暫堵纖維等，產(chǎn)品基本性能（見表7）。該產(chǎn)品具有承壓能力強(qiáng)、適用范圍廣、溶解可控、低毒環(huán)保等特點(diǎn)，根據(jù)施工需求，產(chǎn)品尺寸可定制，組合方式靈活多變，滿足簇間均衡、縫內(nèi)擴(kuò)展等不同的暫堵轉(zhuǎn)向需求。

表7 蘇里格區(qū)塊常用暫堵材料基本性能

3.2 應(yīng)用效果

2020 年蘇里格區(qū)塊累計(jì)實(shí)施復(fù)合暫堵壓裂施工28 井次，轉(zhuǎn)向成功率100%，其中采用“1～3 mm 顆粒+3～5 mm 顆粒+纖維”實(shí)施縫內(nèi)轉(zhuǎn)向17 井次，平均上漲3 MPa 左右；采用“1～3 mm 顆粒+3～5 mm 顆粒+纖維+15 mm 暫堵球”縫口轉(zhuǎn)向11 井次，平均上漲9.5 MPa；壓力漲幅大，轉(zhuǎn)向效果明顯。

壓裂后排液順暢，平均返排率在51%左右，說明暫堵材料溶解較快，不影響排液；實(shí)施暫堵轉(zhuǎn)向施工井的平均產(chǎn)量高于整體平均產(chǎn)量，表明暫堵轉(zhuǎn)向效果好，暫堵材料傷害小。

4 結(jié)論

（1）開發(fā)了低傷害胍膠壓裂液、一體化可變黏壓裂液、組合壓裂液三種低傷害壓裂液體系，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用成功。該體系累計(jì)應(yīng)用200 多井次，節(jié)約成本750多萬元，成為蘇里格二三類儲(chǔ)層高效開發(fā)和提質(zhì)增效的有力保障。

（2）研發(fā)了微乳液助排劑，其體積極小、滲透性強(qiáng)、表/界面張力低，潤濕性能好，助排率可達(dá)90.2%。該助排劑結(jié)合精細(xì)液氮伴注工藝形成高效助排技術(shù)，液氮使用量降低10%左右，助排劑用量降低12%，返排率提高7%左右，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

（3）使用高強(qiáng)度寬溫帶可降解暫堵材料實(shí)施復(fù)合暫堵技術(shù)能夠?qū)v向薄互層、夾層等進(jìn)行深度化和精細(xì)化改造，壓力上漲明顯，轉(zhuǎn)向成功率高達(dá)100%，壓后排液順暢，平均產(chǎn)量高于整體平均水平。