致密氣井體積壓裂技術(shù)可行性研究與認(rèn)識(shí)

趙戰(zhàn)江，安琦，李德

1.中海油源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司（北京 100015）

0 引言

致密氣藏儲(chǔ)層大多屬于中、低滲透儲(chǔ)層，并且低滲透、特低滲透占據(jù)了相當(dāng)大的比例，儲(chǔ)層非均質(zhì)性明顯，孔隙度低、連通性差，敏感性強(qiáng)[1-5]。常規(guī)壓裂追求壓后產(chǎn)量、有效期和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，設(shè)計(jì)水力裂縫一般為雙翼對(duì)稱分布的單一裂縫，設(shè)計(jì)著力點(diǎn)放在如何形成更長(zhǎng)的裂縫長(zhǎng)度或?qū)Я髂芰ι蟍6-8]。壓裂目的層的巖性、含氣性、敏感性、隔層條件和其他地質(zhì)氣藏條件等因素不同，存在匹配的施工排量低、壓裂施工規(guī)模偏小等問題。常規(guī)壓裂裂縫是以張性破裂為主的裂縫，裂縫形態(tài)單一，其裂縫導(dǎo)流能力是靠支撐劑的支撐作用，獲得的滲流面積有限，導(dǎo)致改造不充分，約有20%的措施井壓裂改造后未獲得理想的工業(yè)氣流[9]。

因此，有必要根據(jù)目標(biāo)致密氣田儲(chǔ)層地質(zhì)特征，結(jié)合體積壓裂縫網(wǎng)形成機(jī)理與縫網(wǎng)形態(tài)，進(jìn)行致密儲(chǔ)層體積壓裂可壓性評(píng)價(jià)，優(yōu)選壓裂工程甜點(diǎn)區(qū)，重點(diǎn)開展壓裂工藝優(yōu)化研究，形成一套致密氣體積壓裂技術(shù)及配套工藝，最終達(dá)到提高單井產(chǎn)量和采收率，儲(chǔ)量動(dòng)用最大化的增產(chǎn)目的。

1 致密氣藏體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)適應(yīng)性研究

1.1 體積壓裂改造技術(shù)

體積壓裂是通過壓裂方式將儲(chǔ)層基質(zhì)“打碎”，獲得的裂縫首先是剪切破裂裂縫，伴隨張性破裂與剪切破裂兼有的撕裂性裂縫，裂縫形態(tài)復(fù)雜[10-13]。隨著施工時(shí)間的增加，還發(fā)生剪切縫和撕裂縫向張性裂縫轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，尤其是近井筒處裂縫，從而形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，使裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)接觸面積最大，使得基質(zhì)中的油氣向裂縫的滲流距離最短，基質(zhì)流體向裂縫滲流阻力最小，極大提高了儲(chǔ)層的整體滲流能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層在長(zhǎng)、寬、高三維方向的“立體改造”[14]。

1.2 可壓性綜合分析研究

1.2.1 儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)

根據(jù)儲(chǔ)層特征、沉積微相特征、砂巖物性特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究，將儲(chǔ)層分為3類，I類和II類為有利區(qū)（表1）。

表1 氣層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

利用已投產(chǎn)井測(cè)井、錄井、巖芯及分析化驗(yàn)資料確定氣層物性下限。

通過對(duì)目標(biāo)區(qū)內(nèi)地層系數(shù)的表征，目標(biāo)區(qū)內(nèi)地層系數(shù)大于等于5的Ⅰ類和Ⅱ類氣層連片分布在主河道上。

1.2.2 工程可壓性評(píng)價(jià)

用可壓性指數(shù)大小來(lái)表征壓裂的難易程度，可壓性的好壞直接關(guān)系到儲(chǔ)層體積改造形成縫網(wǎng)的效果，選擇壓裂“甜點(diǎn)”至關(guān)重要[15]。通過對(duì)目標(biāo)區(qū)塊的裂縫特征分析認(rèn)為，發(fā)育于中薄層砂巖及粉細(xì)砂巖中，微裂縫可分為粒內(nèi)縫、粒緣縫和穿?？p，裂縫作用有利于次生溶蝕孔發(fā)育，改善儲(chǔ)集空間，提高油氣充注效率，有利于形成甜點(diǎn)區(qū)。

1）儲(chǔ)層巖石脆性?？紤]脆性指數(shù)的可壓性指數(shù)FI1為：

式中：Brit=（EBrit+μBrit）/2，EBrit和μBrit為歸一化楊氏模量和泊松比，Brit為通過彈模-泊松比法確定的巖石脆性指數(shù)。

結(jié)合臨興神府區(qū)塊儲(chǔ)層脆性指數(shù)分布結(jié)果，制定脆性指數(shù)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表2。

表2 脆性指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2）天然裂縫與層理發(fā)育。天然裂縫為形成壓裂縫網(wǎng)的基礎(chǔ)，天然裂縫可壓指數(shù)綜合評(píng)價(jià)這兩個(gè)參數(shù)的影響程度，天然裂縫可壓指數(shù)表達(dá)式為：式中：F1為歸一化相對(duì)裂縫發(fā)育程度；F2為裂縫走向與水平最大主應(yīng)力方向夾角方程。

3）水平應(yīng)力差異系數(shù)。歸一化的水平應(yīng)力差異系數(shù)可以表示為：

式中：?σhmax為水平應(yīng)力差異系數(shù)最大值；?σhmin為水平應(yīng)力差異系數(shù)最小值；?σh為水平應(yīng)力差異系數(shù)；歸一化的水平應(yīng)力差異系數(shù)為FI2。

水平應(yīng)力差系數(shù)FI2大于0.4時(shí)，水力裂縫趨于單一縫；FI2小于0.2時(shí)，水力裂縫趨于復(fù)雜縫網(wǎng)。目的層水平應(yīng)力差系數(shù)集中在0.3~0.5，趨向于形成簡(jiǎn)單縫。

采用層次分析法確定不同因素對(duì)可壓性影響的權(quán)重，最后將歸一化值與權(quán)重系數(shù)加權(quán)即為研究區(qū)基巖儲(chǔ)層的可壓性指數(shù)。工程可壓性指數(shù)可由下式表示：

4）綜合可壓性分析。在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、氣層評(píng)價(jià)、工程可壓性評(píng)價(jià)等研究的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)每個(gè)小層進(jìn)行有利區(qū)篩選，再進(jìn)行壓裂井層的優(yōu)選。研究表明，目標(biāo)區(qū)塊致密氣層盒4段、盒6段、盒8段和太2段的中等脆性層段可以優(yōu)選潛力層段作為體積壓裂的目的層。

經(jīng)分析，目標(biāo)區(qū)塊主力層石盒子組儲(chǔ)層巖石類型以石英砂巖和巖屑砂巖為主，主要發(fā)育原生孔隙和溶蝕粒間孔，微裂縫較為發(fā)育。次生孔隙較為發(fā)育，在很大程度上改善了儲(chǔ)層的物性，成巖過程中壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是儲(chǔ)層致密的主要原因。石盒子組巖心分析孔隙度分布范圍為0.66%~18.10%，平均孔隙度6.65%；滲透率主要分布范圍（0.01~11.1）×10-3μm2，平均滲透率0.43×10-3μm2。

選取地質(zhì)條件相近，施工規(guī)模相當(dāng)?shù)?口井6個(gè)壓裂層，計(jì)算其楊氏模量及泊松比，分析氣井米采氣量與儲(chǔ)層脆性指數(shù)正相關(guān)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 氣井試采成果及巖石力學(xué)參數(shù)

5）體積壓裂工藝的優(yōu)化認(rèn)識(shí)。優(yōu)選中等以上脆性的儲(chǔ)層；選取巖性粗（含粒砂巖、粗砂巖、中砂巖）及氣測(cè)顯示較好的儲(chǔ)層；目的層水平最小主應(yīng)力低的儲(chǔ)層。

2 體積壓裂工藝實(shí)施方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 規(guī)模優(yōu)化

壓裂規(guī)模優(yōu)化包括壓裂液總量?jī)?yōu)化和支撐劑總量?jī)?yōu)化兩個(gè)方面。首先由產(chǎn)能預(yù)測(cè)模擬得出優(yōu)化的支撐半長(zhǎng)及導(dǎo)流能力后，再由裂縫擴(kuò)展模擬軟件模擬不同的液量、支撐劑量所對(duì)應(yīng)的裂縫半長(zhǎng)及導(dǎo)流能力，由此選擇合適的壓裂規(guī)模。

2.2 泵注工藝優(yōu)化

致密氣體積改造泵注過程中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)早期井筒多裂縫，而在前置液階段加入陶粉對(duì)天然縫或鉆井誘導(dǎo)縫進(jìn)行沖刷和預(yù)充填。其中涉及前置液段塞的優(yōu)化問題，故還需通過段塞模型研究，分析段塞使用量的控制因素。

2.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)混合壓裂液體系。前期采用低黏度滑溜水體系可以很容易進(jìn)入各網(wǎng)絡(luò)裂縫并使其得以充分?jǐn)U展形成復(fù)雜縫，用于溝通并延伸各天然裂縫系統(tǒng)；后期采用高黏度線性膠或凍膠體系，由于黏度高，難以繼續(xù)進(jìn)入滑溜水已經(jīng)進(jìn)入的天然裂縫系統(tǒng)，在高排量的共同作用下，會(huì)把主裂縫延伸的更加充分，通過自身攜帶的較高濃度的混砂漿，最終在主裂縫內(nèi)提供一條高滲流通道，與之前已形成的天然裂縫通道相互貫通，形成理想的網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)，能較大幅度地提高裂縫的有效改造體積和產(chǎn)氣效果。

2）大排量大液量注入方式。該方式可對(duì)低孔低滲的致密儲(chǔ)層進(jìn)行充分造縫并產(chǎn)生次生裂縫，而形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵是如何使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，另外，通過提高注入排量來(lái)減少支撐劑沉降。由于縱向上充分溝通儲(chǔ)層，同時(shí)橫向上增加裂縫長(zhǎng)度，最大限度提高儲(chǔ)量動(dòng)用率和單井產(chǎn)量。針對(duì)有潛在天然裂縫的儲(chǔ)層壓裂，主裂縫縫長(zhǎng)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值前，要控制排量、凈壓力，使其不超過天然裂縫張開的臨界壓力。

3）組合粒徑陶粒支撐主支縫。采用不同的粒徑組合陶粒支撐裂縫，保證壓后氣體流通通道?？梢蕴峁┹^高導(dǎo)流能力，在裂縫中人為產(chǎn)生橋堵，提高縫內(nèi)凈壓力，主導(dǎo)裂縫擴(kuò)展，促使裂縫轉(zhuǎn)向，形成更復(fù)雜縫網(wǎng)。另外，組合粒徑的設(shè)計(jì)使其在不降低導(dǎo)流能力的前提下便于輸送，并保持合理的鋪置濃度。

4）合理的設(shè)計(jì)簇長(zhǎng)度和簇間距。體積壓裂多級(jí)射孔采用“先分段再分簇，每次一段，一段多簇”的方式。其原理為先依據(jù)儲(chǔ)層巖性物性參數(shù)對(duì)水平井目的層劃分層段，再依據(jù)壓裂難易度、造縫效果對(duì)每層段“分簇”，選擇壓裂液注入甜點(diǎn)。設(shè)計(jì)射孔簇長(zhǎng)度：2簇時(shí)每簇1.5 m，3簇時(shí)每簇1 m，單孔排量應(yīng)達(dá)0.25 m3/min以上，以獲得理想的裂縫形態(tài)。設(shè)計(jì)簇間距：一般在20～30 m內(nèi)，實(shí)現(xiàn)效果比較理想。

5）誘導(dǎo)裂縫轉(zhuǎn)向。采用橋塞分層+光套管壓裂方式，為最大限度提高施工排量，進(jìn)而提升井底凈壓力，擴(kuò)大接觸面積，增加改造體積。為實(shí)現(xiàn)縱向上充分溝通儲(chǔ)層，設(shè)計(jì)縫口暫堵顆粒，實(shí)現(xiàn)層間暫堵，最大限度溝通所有射孔段，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)形成。

3 體積壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)項(xiàng)目研究技術(shù)成果，結(jié)合地質(zhì)分析情況，選取符合體積壓裂技術(shù)條件的部分井開展該工藝應(yīng)用，展開相應(yīng)的施工效果對(duì)比。

該項(xiàng)目目標(biāo)井選用可溶橋塞分段壓裂技術(shù)，工藝主要為低黏度滑溜水或“胍膠+滑溜水”的復(fù)合壓裂，通過優(yōu)化液體黏度（滑溜水比例）、射孔簇?cái)?shù)、施工排量來(lái)提高儲(chǔ)層改造體積，如圖1所示。

圖1 縫網(wǎng)體積壓裂的液體黏度和射孔簇?cái)?shù)設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）壓裂液體系黏度。圖1（a）中楊氏模量低于30 GPa的偏塑性地層中滑溜水最優(yōu)比例為30%~50%；楊氏模量高于30 GPa的偏脆性地層中滑溜水比例為60%~70%。

2）射孔簇?cái)?shù)。從圖1（b）可以看出，射孔簇?cái)?shù)跟施工排量具有匹配關(guān)系，射孔簇?cái)?shù)越多，達(dá)到最大儲(chǔ)層改造體積需要的施工排量越高。

3）施工排量。根據(jù)圖2施工排量與儲(chǔ)層改造體積的關(guān)系，天然裂縫整體密度大于3條/m時(shí)，最優(yōu)施工排量?jī)?yōu)化在12~16 m3/min；天然裂縫整體密度在0.5~3.0條/m時(shí)，最優(yōu)施工排量在10~12 m3/min。

圖2 施工排量與儲(chǔ)層改造體積的關(guān)系

4）施工縫長(zhǎng)的優(yōu)化。根據(jù)LX1-XX-2D井測(cè)井解釋成果，利用軟件模擬了不同半縫長(zhǎng)、不同導(dǎo)流能力下壓后累產(chǎn)氣產(chǎn)量大?。▓D3）。根據(jù)盒6段不同裂縫參數(shù)對(duì)應(yīng)的壓裂產(chǎn)能變化優(yōu)化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了裂縫半長(zhǎng)為100~300 m，導(dǎo)流能力為100×10-3~500×10-3μm2·m。當(dāng)裂縫半長(zhǎng)達(dá)到200 m時(shí)，累積產(chǎn)量增加幅度減小；當(dāng)導(dǎo)流能力達(dá)到300×10-3μm2·m時(shí)，產(chǎn)量增長(zhǎng)率減小。因此考慮經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，優(yōu)選各儲(chǔ)層導(dǎo)流能力、裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化結(jié)果見表4，體積壓裂工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)，與常規(guī)壓裂工藝對(duì)比結(jié)果見表5。

圖3 不同裂縫半長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的累產(chǎn)氣量

表4 裂縫半長(zhǎng)與導(dǎo)流能力優(yōu)化結(jié)果

表5 目標(biāo)井采用體積壓裂與常規(guī)壓裂工藝的對(duì)比結(jié)果

3.2 實(shí)施效果

LX-XX-2D井盒6段氣層厚度8.7 m，主要以細(xì)砂巖為主。采用可溶橋塞體積壓裂作業(yè)方式，施工排量6~8 m3/min，總加砂量100 m3，采用滑溜水+交聯(lián)液的組合壓裂液體系，總?cè)刖毫?64.4 m3，壓后產(chǎn)能24×104m3/d。相較于同井臺(tái)其他井，產(chǎn)能提高了10倍。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)致密氣藏體積壓裂可壓性評(píng)價(jià)方法研究，參考國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)層分類分析、工程可壓性的研究成果，優(yōu)選出了一套適合致密氣體積壓裂的關(guān)鍵技術(shù)。

2）體積壓裂井均遵循“前置液采用低黏壓裂液造縫、攜砂液采用高黏凍膠攜砂”的壓裂工藝技術(shù)思路。前置液優(yōu)選低黏的線性膠或滑溜水體系造復(fù)雜縫，攜砂液階段采用全程高排量攜砂的壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層的充分改造。

3）從壓裂目標(biāo)函數(shù)、鉆完井壓裂一體化、射孔方案優(yōu)選、主壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化、壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化及配套壓裂技術(shù)等方面，形成一套壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

4）對(duì)于致密氣水平井，充分借鑒蘇里格和大牛地油氣田開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合分段壓裂工藝，優(yōu)選連續(xù)油管底封拖動(dòng)分段壓裂或泵送橋塞分段壓裂作業(yè)方式，優(yōu)選大排量、混合壓裂液體系和多段分簇射孔參數(shù)等工藝組合，實(shí)現(xiàn)致密氣水平井的體積壓裂經(jīng)濟(jì)開發(fā)是可行的有效措施。