青海油田弱膠結生物泥巖氣壓裂裂縫起裂

劉永, 王景鶴, 趙文凱, 張少斌, 馮昕媛, 雷豐宇, 劉偉*

(1.青海油田鉆采工藝研究院, 敦煌 736200; 2.中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249)

青海油田澀北疏松砂巖氣藏,具有埋藏淺、巖性疏松、氣層層數(shù)多、儲層薄等特點[1],是青海氣田的主力生產(chǎn)區(qū),已連續(xù)11年穩(wěn)產(chǎn)50億m3,但近幾年產(chǎn)量遞減加快,穩(wěn)產(chǎn)壓力提升,急需增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的新方法,與勘探開發(fā)新的接力儲層。近年來,青海油田針對生物泥巖氣儲層段在澀北一號氣田內(nèi)部署鉆探了一口水平探井,壓裂后初期日產(chǎn)氣1.1萬m3,目前日產(chǎn)氣0.8萬m3,310 d累計產(chǎn)氣255萬m3[2],反映澀北氣田構造圈閉內(nèi)第四系泥巖生物氣具備開發(fā)前景,第四系泥巖有望成為澀北氣田新的勘探開發(fā)儲層。

澀北氣田的常規(guī)儲層為中高滲疏松砂巖儲層,且第四系泥巖也是成巖差,物性差,易出砂巖石,同樣需要壓裂充填增產(chǎn)防砂[2-3],針對疏松砂巖儲層壓裂充填問題,早年間,中外研究學者就進行了實驗和數(shù)模的探索。Khodaverdian等[4]通過制作未膠結巖心開展室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)巖石較強的塑形和較高的孔隙壓力,易使巖石進入剪切破壞,生成大量離散的短小裂縫;鄧金根等[5]利用損傷力學的有限元方法,通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)定向射孔利于疏松砂巖儲層裂縫的起裂和延伸;De Pater研究團隊通過研究注入不同流變性壓裂液的裂縫起裂實驗發(fā)現(xiàn)弱固結的疏松砂巖壓裂過程中高井眼內(nèi)壓可能引起井壁過量塑性變形,導致井眼擴大,裂縫無法向儲層起裂延伸[6-10];Germanovich等[11]利用高黏度硅酮膠和高黏度胍膠作為壓裂液進行實驗發(fā)現(xiàn),高黏度胍膠壓裂液,在高排量下疏松砂巖儲層可以起裂延伸出較為平整的裂縫;Omori等[12]通過實驗發(fā)現(xiàn),低滲疏松砂巖儲層在壓裂過程中易起裂延伸形成較為平整的拉伸型裂縫。近年來,中國針對弱膠結疏松儲層壓裂充填研究主要針對現(xiàn)場施工參數(shù)研究和優(yōu)化。黃鑫述等[13]研究發(fā)現(xiàn)低強度的疏松砂巖裸眼完井只會增加近井附近的出砂概率;劉兆年等[14]發(fā)現(xiàn)注水開發(fā)過程中,近井附近易發(fā)生剪切破壞導致顆粒運移堵塞孔喉;郭小哲等[15]通過數(shù)值模擬方法研究了裂縫半長和裂縫導流能力對儲層存在污染的油井生產(chǎn)的影響規(guī)律;張麗平[16]采用深穿透射孔的方法,通過實驗的方法優(yōu)化了壓裂液濃度和排量促使裂縫起裂形成規(guī)則的深穿透射孔;吳廣瑗等[17]通過建立疏松砂巖的起裂排量模型研究了水平地應力、儲層滲透率、壓裂液黏度和儲層厚度對起裂排量的影響規(guī)律;朱艷華等[18]通過實驗的方法確認了疏松砂巖儲層壓裂液的濾失規(guī)律。泥巖在儲層中多以隔層的形式存在,低強度泥巖的存在會使得巖石縱向非均質性增強裂縫起裂困難[19],第四系泥巖儲層為砂泥薄互層,縱向非均質性強,成巖性差[2,20],中外對于這種成巖差的泥巖儲層裂縫起裂的問題研究較少。因此,針對上述問題,現(xiàn)采用室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬的方法進行研究,基于第四系泥巖的力學特性揭示儲層巖石裂縫起裂規(guī)律,以期為現(xiàn)場第四系泥巖儲層的壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 弱膠結生物泥巖礦物組分與力學實驗

1.1 實驗材料與巖樣制備

實驗所使用的巖樣為澀北氣田第四系泥巖儲層某探井儲層段巖心(深度1 200 m)。如圖1(a)所示,巖心整體呈深灰色,巖心疏松易碎且?guī)r心內(nèi)部呈紋層狀分布,為便于開展礦物組分實驗和單、三軸巖石力學實驗,取部分巖心烘干,研磨制作成圖1(b)所示的礦物組分分析試樣。并將剩余巖心切割成如圖1(c)所示的直徑25 mm,長度50 mm的標準巖柱,利用圖2(a)所示的儀器開展礦物組分分析實驗,利用圖2(b)裝置開展巖石力學測試實驗。

圖1 澀北氣田第四系泥巖巖心和巖石力學實驗巖樣Fig.1 Biological mudstone core and rock mechanics experimental rock samples from Sebei gas field

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental facility

1.2 實驗結果與分析

1.2.1 礦物組分分析結果

礦物組分分析結果如表1所示,儲層巖石主要以石英和黏土礦物為主,其中石英砂含量在20.8%～28.2%,黏土礦物含量在31.8%～39.6%,廣義的砂巖分類標準認為,黏土礦物在50%以上的為泥巖,黏土礦物含量在15%～50%的砂巖都可以籠統(tǒng)的稱為泥質砂巖[21]。所以,依照分類標準,巖石應屬于泥質砂巖,但是,儲層巖心的黏土礦物含量要高于石英砂含量,黏土礦物仍為儲層巖心的主要成分,因此,參照上述分類標準,儲層巖石屬于含砂量較高的泥巖。

表1 全巖礦物X-射線衍射定量分析報告Table 1 Quantitative analysis report of whole rock minerals by X-ray diffraction

1.2.2 力學測試實驗結果

第四系泥巖單、三軸力學測試結果如表2所示。單軸實驗顯示巖心的單軸峰值強度在4.15～7.08 MPa,彈性模量在0.18～0.27 GPa。第四系泥巖單軸抗壓強度低,根據(jù)國際巖石力學學會的定義,單軸抗壓強度在0.5～25 MPa的屬于軟巖,工程上也常常將單軸抗壓強度小于25 MPa的屬于軟巖[22-23]。在三軸條件下,巖石表現(xiàn)出典型的塑性變形特征:當巖石所受壓應力強度達到峰值強度后軸向應變、徑向應變和體積應變迅速下降,繼續(xù)增加應變,巖石所受到的差應力基本保持不變?nèi)鐖D3(b)和圖3(c)所示。5 MPa圍壓下,巖心的峰值強度為10.82～17.59 MPa;10 MPa圍壓下,巖心的峰值強度為16.04～20.19 MPa。實驗后的部分巖心如圖4所示,試樣都發(fā)生剪切破壞,且隨著圍壓增加,剪切破壞程度越明顯。

表2 第四系泥巖試樣單、三軸力學測試結果Table 2 Uniaxial and triaxial mechanical test results of quaternary mudstone samples

圖3 第四系泥巖典型單、三軸應力應變曲線Fig.3 Typical uniaxial and triaxial stress-strain curves of quaternary mudstone

圖4 第四系泥巖單、三軸實驗后巖樣Fig.4 Quaternary mudstone samples after uniaxial and triaxial experiments

2 弱膠結生物泥巖裂縫起裂實驗

2.1 實驗材料與實驗制備

為探索目標儲層巖石裂縫起裂規(guī)律,利用儲層段巖心制作如圖5所示的直徑120 mm,高100 mm的巖樣開展室內(nèi)裂縫起裂實驗研究。實驗前將實驗用巖樣中心鉆出直徑10 mm,深60 mm的實驗井眼,并在井眼底部鉤劃出如圖6(b)所示的預置射孔,將圖6(a)所示的井筒固定在井筒下段距井底10 mm處,預留的10 mm模擬裸眼段,固井結果如圖6(c)所示。巖樣固井完成后,將巖樣按照圖7(a)所示的組裝端頭并將端頭方向向下按照圖7(b)所示安裝在圖7(c)所示的圍壓筒底座上,壓裂液從圍壓筒底座沿端頭注入巖心中,圖7(c)所示的圍壓筒可以提供軸向和徑向壓力以模擬巖樣在儲層中的受力狀態(tài),利用實驗設備中的孔壓系統(tǒng)可以將圖7(c)中油水分離器中的壓裂液打入圍壓筒中的巖樣中從而模擬現(xiàn)場壓裂過程。實驗所用的壓裂液為胍膠交聯(lián)壓裂液,孔壓系統(tǒng)可提供最大流量為110 mL/min。因此,根據(jù)目標區(qū)塊儲層巖石的應力狀態(tài)、現(xiàn)場工況與實驗室孔壓系統(tǒng)的量程制定如表3所示的實驗方案。

表3 第四系泥巖試樣室內(nèi)裂縫起裂實驗方案Table 3 Experimental scheme of crack initiation in laboratory of Quaternary mudstone samples

圖5 室內(nèi)裂縫起裂實驗試樣Fig.5 Laboratory crack initiation test samples

圖6 室內(nèi)裂縫起裂實驗試樣井筒安裝流程Fig.6 Shaft installation process of indoor crack initiation test sample

圖7 室內(nèi)壓裂模擬實驗設備與實驗流程Fig.7 Laboratory fracturing simulation experimental equipment and experimental process

2.2 實驗結果與分析

利用儲層巖心開展了3組室內(nèi)裂縫起裂實驗,并結合CT掃描技術觀察裂縫形態(tài),實驗結果如圖8所示。

圖8 第四系泥巖裂縫起裂實驗后巖樣Fig.8 Quaternary mudstone fracture initiation test rock sample

圖8(a)為第1組巖心的實驗結果,巖心無預置射孔,CT掃描顯示:裂縫沒有起裂,CT掃描結束后切開巖心發(fā)現(xiàn)井筒下段固井存在缺陷,在儲層和固井的第二界面處有壓裂液殘留的痕跡,說明壓裂液沿第二界面竄流,壓裂失敗;圖8(b)為第2組巖心的實驗結果,巖心有預置射孔且壓裂液流量與第一組相同,CT掃描顯示:裂縫成功起裂延伸,但井眼周圍出現(xiàn)了離散的剪切破壞,CT掃描后切開巖心觀察到了裂縫斷面但未觀察到井眼周圍的剪切破壞;圖8(c)為第3組巖心的實驗結果,巖心有預置射孔,壓裂液流量要高于第1組和第2組的壓裂液流量,CT掃描結果顯示:裂縫沿預置射孔處成功起裂延伸且井眼周圍沒有出現(xiàn)剪切破壞,掃描后拆卸巖心發(fā)現(xiàn):裂縫貫穿了巖心。3組實驗結果表明,在有射孔引導下,裂縫可以在目標巖石中起裂延伸;對比第2組和第3組實驗結果發(fā)現(xiàn):低流量下井眼難以保持完整性,高流量下可以保證井眼的完整性,但裂縫延伸較快,縫長和縫高難以控制。

3 弱膠結生物泥巖裂縫起裂數(shù)值模擬

3.1 地層-水泥環(huán)-套管模型和裂縫起裂模型

通過力學測試實驗和裂縫起裂實驗發(fā)現(xiàn):第四系泥巖強度低,塑性強,射孔質量差、固井存在缺陷容易引起圖9所示的情況,壓裂液首先沿水泥環(huán)和儲層第二界面堆積并撐開第二界面繼續(xù)沿井眼周圍延伸,由于儲層巖石強度低,塑性強,壓裂液會擠壓周圍巖石使巖石變形井眼擴大,裂縫無法向儲層起裂。為驗證上述猜想并探索目標巖石裂縫起裂延伸的規(guī)律,建立了如圖10和圖11所示的地層-水泥環(huán)-套管模型和裂縫起裂延伸模型。數(shù)值模擬所需要的相關參數(shù)如表4所示。模擬了不同巖石彈性模量下,井眼的變形規(guī)律和裂縫起裂規(guī)律并,計算了井眼發(fā)生形變時第二界面的環(huán)空壓力和不同射孔深度、不同巖石彈性模量下裂縫的起裂壓力(地層破裂壓力)。

表4 地層-水泥環(huán)-套管模型和裂縫起裂模型參數(shù)Table 4 Parameters of formation-cement ring-casing model and fracture initiation model

圖9 固井存在缺陷壓裂液沿井周堆積示意圖Fig.9 Cementing defect fracturing fluid accumulation along the perimeter of the well

圖10 地層-水泥環(huán)-套管有限元模型Fig.10 Formation-cement-casing finite element model

圖11 裂縫起裂模型Fig.11 Crack initiation model

3.2 數(shù)值模擬結果與分析

3.2.1 儲層力學性質對裂縫起裂的影響規(guī)律

地層-水泥環(huán)-套管模型數(shù)值模擬結果如圖12所示,當井眼擴徑達到5%時,井眼周圍出現(xiàn)較小的塑性變形區(qū),此時井眼還能維持完整性;隨著壓裂液不斷注入,井眼擴徑達到10%時,井眼周圍開始出現(xiàn)塑性破壞并且井眼開始不再完整;壓裂液若繼續(xù)注入,井眼擴徑達到15%時,井眼周圍出現(xiàn)不規(guī)則的塑性破壞,井眼失去完整性,此時井眼被完全破壞。

圖12 不同擴徑條件下,井眼周圍等效塑性形變云圖Fig.12 Nephogram of equivalent plastic deformation around hole under different expanding conditions

根據(jù)室內(nèi)力學測試實驗結果和上述的數(shù)值模擬結果,同時研究了儲層巖石彈性模量(0.2～1 GPa)與井眼不再完整時(井眼擴徑10%)水泥環(huán)-地層環(huán)空壓力間的關系,同時模擬計算了射孔不完善下(射孔深度0.1 m),儲層巖石彈性模量(0.2～1 GPa)與裂縫起裂壓力(地層破裂壓力)間的關系,數(shù)值計算結果如圖13所示。結果顯示,水泥環(huán)-地層環(huán)空壓力與儲層巖石彈性模量間成正相關關系;巖石的彈性模量對破裂壓力的影響不大;當儲層巖石彈性模量小于0.2 GPa時,地層破裂壓力大于井眼不再完整時水泥環(huán)-地層環(huán)空壓力,此時,壓裂液在第二界面大量堆積導致井眼完整性失效,裂縫無法向在儲層內(nèi)起裂。力學測試實驗中測試的12塊巖心,彈性模量低于0.2 GPa的巖心有3塊,占比25%,儲層巖石在壓裂過程中存在擴徑導致裂縫無法起裂的風險。

圖13 不同彈性模量下,水泥環(huán)-地層環(huán)空壓力曲線圖Fig.13 Cement-formation annulus pressure curve for different elastic modulus

3.2.2 深穿透射孔對裂縫起裂的影響規(guī)律

文獻[5]的研究結果和裂縫起裂實驗結果都證實射孔完井利于裂縫起裂延伸且現(xiàn)場生產(chǎn)井均采用的是射孔完井的完井方式,因此,本文對不同射孔深度下裂縫起裂過程進行了數(shù)值模擬,并模擬計算了不同彈性模量下裂縫的起裂壓力(地層破裂壓力)。

數(shù)值模擬結果如圖14和圖15所示,隨著射孔深度的增加,裂縫周圍的塑性形變呈下降的趨勢;射孔深度較短,裂縫起裂尖端的塑性變形大如圖14(a)所示,裂縫在儲層中的起裂壓力高,壓裂施工時會導致井底內(nèi)壓過高,若此處巖石強度低于0.2 GPa且固井質量較差,則圖9所示的情況就極容易發(fā)生;隨著射孔深度的增加,裂縫的起裂壓力下降,井底產(chǎn)生不會產(chǎn)生較高的壓力,井眼變形程度也隨之減小,當射孔深度大于0.4 m時,繼續(xù)增加射孔深度,裂縫的起裂壓力下降變緩;儲層巖石的彈性模量對裂縫的起裂壓力影響較小。

圖14 不同射孔深度,裂縫起裂時裂縫內(nèi)孔隙壓力云圖(地層彈性模量0.4 GPa)Fig.14 Nephogram of pore pressure in fracture at different perforating depths (formation elastic modulus 0.4 GPa)

圖15 在不同射孔深度,裂縫起裂時的孔隙壓力和地層彈性模量的曲線圖Fig.15 Curves of pore pressure and formation elastic modulus at different perforation depths at fracture initiation

4 現(xiàn)場應用

2022年7月,青海油田在澀北氣田北斜坡澀北一號構造北翼鞍部第四系泥巖儲層位置部署鉆探了1口澀探1井水平井,澀探1井水平段長1 000 m,垂深1 220 m,完井段采用了深穿透射孔完井,水平段分16段94簇壓裂,壓裂施工過程中壓裂液最高排量8 m3/min,壓裂施工完成后的微地震檢測顯示(圖16),澀探1井16段94簇裂縫均起裂并成功向兩側均勻延伸,壓裂后的檢測縫長為222～320 m[圖16(a)],裂縫縫高10～30 m。壓裂后初期澀探1井日產(chǎn)量達1 911 m3/d,后期澀探1井產(chǎn)量衰竭較快,目前只有426 m3/d。

圖16 澀探1井微地震檢測云圖Fig.16 Microseismic cloud image of Shibutan 1 well

青海油田生物泥巖氣的發(fā)現(xiàn)和澀探1井的成功部署和試采證明澀北氣田第四系泥巖儲層具有較好的開發(fā)前景,隨著地質勘探的不斷發(fā)現(xiàn),生物泥巖氣在未來有望成為澀北氣田疏松砂巖儲層新的接替儲層。

5 結論

針對澀北氣田第四系泥巖裂縫起裂問題開展了實驗研究和數(shù)值模擬研究,并得到了以下結論。

(1)固井質量和射孔深度都是影響第四系弱膠結生物泥巖裂縫起裂的重要影響因素。

(2)在固井質量較差的情況下,壓裂液進入第二界面堆積延伸,導致井眼發(fā)生嚴重擴徑,無法達到裂縫起裂壓力。

(3)射孔深度越小,裂縫的起裂難度越大;當固井存在缺陷且射孔深度小于0.1 m時,彈性模量小于0.2 GPa的弱膠結生物泥巖無法起裂。

(4)深穿透射孔可以減小裂縫起裂尖端的塑性形變,降低裂縫的起裂壓力,即使固井質量較差,深穿透射孔仍能保證裂縫在弱膠結生物泥巖中起裂;深穿透射孔深度為0.4 m時,起裂效果最明顯。