射孔參數(shù)對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層壓裂的影響

賈文婷 牟建業(yè) 李小偉 王新亮 張士誠 王麗峰

摘要：砂礫巖油藏具有應(yīng)力差大、破裂壓力高的特點(diǎn)，導(dǎo)致造縫難度大，如何降低破裂壓力是安全壓開儲(chǔ)層的關(guān)鍵。將水泥與石英砂按3∶1 混合并隨機(jī)混入不同直徑的鵝卵石和細(xì)碎石粒，制作邊長300 mm 的人造礫巖，使用水力噴砂射孔槍進(jìn)行射孔，通過改變角度0～90°、深度1.5～6 cm 模擬現(xiàn)場不同射孔方位角和炮眼深度，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)三向應(yīng)力分別為9.4、19.3、24.8MPa，排量為 50 mL/min，壓裂液黏度為45 mPa·s，開展室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)，分析射孔角度和射孔深度對(duì)裂縫起裂及破裂壓力的影響。研究結(jié)果表明，射孔方向與最大水平主應(yīng)力夾角為0°時(shí)破裂壓力最低，為11.9 MPa，減小射孔方位角能夠降低破裂壓力3.55MPa；射孔深度由1.5 cm 增加至6.1 cm，破裂壓力降低了4.63 MPa；當(dāng)射孔孔眼附近存在礫石，破裂壓力異常增高約10 MPa。建議通過合理優(yōu)化射孔方位角，適當(dāng)增加射孔深度，同時(shí)遴選礫石粒徑較小且分選性較好的層段進(jìn)行施工，提高壓裂改造成功率。研究成果為制定瑪湖射孔方案提供了參數(shù)優(yōu)選的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；射孔完井；真三軸實(shí)驗(yàn)；砂礫巖儲(chǔ)層；破裂壓力

中圖分類號(hào)：TE357.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

新疆瑪湖油田是全球規(guī)模最大的十億噸級(jí)礫巖油田，目前獲三級(jí)儲(chǔ)量12.4×108 t［1］。隨著勘探開發(fā)的不斷深入，瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層成為重點(diǎn)勘探開發(fā)層系（百一段和百二段油層為主）［2］，其儲(chǔ)層具有埋藏較深、油藏物性差、非均質(zhì)性較強(qiáng)、水平應(yīng)力差大的特點(diǎn)，需要進(jìn)行壓裂改造才能實(shí)現(xiàn)油氣資源的輸出。以瑪18 井區(qū)為例，儲(chǔ)層巖性以灰綠色-褐色砂礫巖為主，夾棕灰色含礫泥巖，礫石體積分?jǐn)?shù)為12%～94%，且硬度較高，粒徑變化范圍較廣（2～64 mm），分選性較差［3］。采用橋塞分段+水平井分簇射孔分壓工藝進(jìn)行壓裂改造過程中面臨地層破裂壓力高、裂縫起裂困難等問題［4］，導(dǎo)致地層壓開難度大，壓裂改造成功率低，如何有效降低地層破裂壓力是成功實(shí)施壓裂改造的關(guān)鍵。

酸液預(yù)處理、優(yōu)化射孔、噴砂射孔、高能氣體壓裂等壓前預(yù)處理措施，已被證實(shí)能有效降低地層破裂壓力［5］。其中酸液預(yù)處理技術(shù)通過酸液與巖石礦物發(fā)生溶蝕反應(yīng)，從微觀上改變巖石自身物性、礦物組分，宏觀上破壞膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使巖石強(qiáng)度降低，從而達(dá)到降低破裂壓力的目的［6］，然而若用酸種類不當(dāng)、用酸濃度過高或酸處理時(shí)間過長，易出現(xiàn)酸處理不充分或酸處理過度而造成巖石骨架坍塌等問題，不利于安全生產(chǎn)且嚴(yán)重影響壓裂效果。噴砂射孔預(yù)處理技術(shù)基于水動(dòng)力學(xué)動(dòng)量-沖量原理，將低砂比液體從油管高速注入，形成高壓磨料射流沖刷腐蝕地層巖石以形成較深的孔道，從而減小應(yīng)力集中效應(yīng)所造成的起裂困難，但噴砂射孔器使用壽命短且作業(yè)成本高，同時(shí)易出現(xiàn)孔眼直徑不規(guī)則、孔眼密度稀疏的問題［7］。高能氣體壓裂技術(shù)通過在儲(chǔ)層中燃燒火藥或者推進(jìn)劑，產(chǎn)生大量高溫高壓氣體脈沖使得近井地帶巖石破裂形成多裂縫，從而降低破裂壓力和起裂難度［8］，但近井周圍的多裂縫形態(tài)將會(huì)引起砂堵等問題，不利于提高壓裂成功率。優(yōu)化射孔技術(shù)則是通過優(yōu)化射孔角度、射孔深度等參數(shù)改變井筒附近應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到降低破裂壓力的目的，而且射孔工藝適用于大部分類型的儲(chǔ)層，也是完井工程中不可缺少的一環(huán)，因此優(yōu)化射孔是最直接有效的降壓預(yù)處理措施。布孔方式、射孔方位和射孔深度等是影響破裂壓力的關(guān)鍵射孔參數(shù)［9］，明確射孔參數(shù)對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層破裂壓力的影響規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場制定降低破裂壓力方案至關(guān)重要。

針對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層破裂壓力和水力裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律，目前已有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。王劍波等［10］從細(xì)觀尺度研究了礫巖的組分特征、力學(xué)性能和水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)瑪湖地區(qū)以鈣質(zhì)雜基發(fā)育為主的百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展時(shí)遇礫以穿礫為主，鮮有繞礫路徑，而以黏土類雜基發(fā)育為主的上烏爾禾組裂縫擴(kuò)展路徑主要為繞礫，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高破裂壓力與礫巖多相顆粒復(fù)合特征密切相關(guān)。王松等［11］開展瑪湖區(qū)塊井下巖心酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過采用SEM 掃描電鏡、EDS 能譜分析和XRD 礦物組分分析從微觀角度闡述了酸處理對(duì)瑪湖礫巖的作用機(jī)理，進(jìn)一步結(jié)合組合彈簧模型和破裂壓力計(jì)算公式證實(shí)了酸液預(yù)處理降低瑪湖礫巖儲(chǔ)層破裂壓力的有效性。劉見通等［12］采用瑪湖凹陷百口泉組井下巖心開展三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，基于裂縫體積應(yīng)變和聲發(fā)射分析，深入探究了不同圍壓下瑪湖礫巖破裂機(jī)理及破裂特征。李寧等［13］采用山東省某區(qū)塊天然砂礫巖露頭開展裸眼完井條件下的真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓力響應(yīng)特征分析發(fā)現(xiàn)砂礫巖儲(chǔ)層的水力裂縫起裂和擴(kuò)展特征由地應(yīng)力和礫石性質(zhì)共同決定，礫石粒徑較小時(shí)對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)影響微弱，粒徑較大則會(huì)導(dǎo)致裂縫面的扭曲。鞠楊等［14］同時(shí)構(gòu)建了非均質(zhì)砂礫巖三維數(shù)值模型和物理模型，重點(diǎn)探討了儲(chǔ)層非均質(zhì)性和水平應(yīng)力比對(duì)砂礫巖水力壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)砂礫巖的非均質(zhì)性對(duì)水力裂縫起裂行為影響較大，對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的砂礫巖，水平應(yīng)力比對(duì)起裂壓力影響較弱。馬東東等［15］采用西部某深井井下砂礫巖巖心進(jìn)行不同圍壓下的水力壓裂試驗(yàn)，結(jié)合裂紋曲折度與注射能分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于分選性較好的礫石，其圍壓變化對(duì)破裂模式影響甚微。上述針對(duì)砂礫巖水力裂縫的起裂行為探索普遍基于井下巖心尺度和大尺寸的裸眼完井條件，且研究重點(diǎn)以地應(yīng)力的影響為主，除地質(zhì)因素外，射孔等工藝參數(shù)對(duì)礫巖儲(chǔ)層裂縫起裂規(guī)律及破裂壓力的作用規(guī)律研究權(quán)重不足。

目前，水力裂縫的起裂和擴(kuò)展規(guī)律仍主要通過常規(guī)室內(nèi)真三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)獲得［16］。由于實(shí)驗(yàn)室條件及模擬井筒的尺寸、射孔完井模擬手段等方面的制約，裸眼完井方式在壓裂實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用更為廣泛［17］。較少涉及的射孔完井方式，也有學(xué)者研制出等效模擬方法，如目前常用的割縫法和預(yù)置射孔法。張士誠等［18］通過對(duì)井筒進(jìn)行割縫處理，結(jié)合真三軸實(shí)驗(yàn)對(duì)頁巖儲(chǔ)層壓裂的破裂機(jī)制進(jìn)行了研究。然而，割縫處理法獲得的環(huán)形裂縫與真實(shí)孔眼形態(tài)存在較大差異，且受力狀態(tài)不同。另一種方法是預(yù)置射孔法［19］，該方法需預(yù)置帶有模擬射孔的井筒然后澆鑄水泥成模，僅適用于混凝土試件，無法應(yīng)用于天然露頭試件。此外，預(yù)置的孔道在固井或水泥澆鑄過程中可能發(fā)生堵塞，因此存在應(yīng)用局限性。付海峰等［20］發(fā)明了專用射孔槍，實(shí)現(xiàn)了射孔與壓裂工藝聯(lián)作，對(duì)混凝土試樣開展射孔完井條件下的裂縫起裂與擴(kuò)展規(guī)律研究，但該方法更適用于大尺度實(shí)驗(yàn)樣品（762 mm×762 mm×914 mm） 的射孔模擬，且操作過程中需反復(fù)提槍裝彈，耗時(shí)較長。制作符合瑪18 井區(qū)特征的砂礫巖樣品，利用水力噴射射孔裝置進(jìn)行射孔，結(jié)合室內(nèi)大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了射孔完井條件下的壓裂模擬，分析了不同射孔方位角和射孔深度對(duì)砂礫巖破裂壓力的影響規(guī)律，探究不同射孔參數(shù)下砂礫巖水力裂縫起裂及擴(kuò)展形態(tài)特征，為降低地層破裂壓力、優(yōu)化射孔參數(shù)方案設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 砂礫巖射孔壓裂物理模擬及實(shí)驗(yàn)

為考察射孔方位角和射孔深度對(duì)水力壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展的影響，采用大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬系統(tǒng)對(duì)人造礫石混凝土試件開展水力壓裂實(shí)驗(yàn)。人造巖樣的礫石體積分?jǐn)?shù)為65%、尺寸300 mm×300 mm×300 mm，在其表面中心處鉆孔，置入尺寸匹配的鋼筒并使用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂進(jìn)行固結(jié)，模擬下套管和固井過程，固井完成后進(jìn)行射孔操作最終形成射孔孔眼。

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

室內(nèi)真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)可以模擬人造含礫石混凝土試樣水力壓裂的整個(gè)過程。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由真三軸實(shí)驗(yàn)架、增壓及控制器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成［21］，真三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行圍壓加載時(shí)，X 軸最大加載應(yīng)力為15 MPa，Y、Z 軸的最大施加值可以達(dá)到30 MPa。加載過程通過變頻加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過液壓站迅速起壓，再由控制面板進(jìn)行精確加壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的伺服跟蹤。恒速恒壓泵采用雙缸連續(xù)供液方式，最大排量400 mL/min。

1.2 射孔巖樣制備

依據(jù)現(xiàn)場資料制作符合該地區(qū)特征的砂礫巖樣品，制備礫石體積分?jǐn)?shù)65% 的人工澆筑混凝土試樣過程中，通過控制水泥與砂的配比獲得與瑪湖油藏相似的力學(xué)性質(zhì)。采用425 號(hào)建筑水泥與石英砂以3∶1 比例混合，在水泥中隨機(jī)混合1～2 cm、3～5cm、5～8 cm 的3 種直徑范圍的鵝卵石及直徑小于1cm 的細(xì)碎石粒以模擬三級(jí)礫石粒徑（2～8 mm、8～16mm、16～64 mm）。為使礫石與水泥漿混合充分，同時(shí)保證各種粒徑礫石隨機(jī)分布，采用礫石鋪置和水泥澆筑逐層交替疊加的方法進(jìn)行樣品制備。待水泥固結(jié)后脫模并養(yǎng)護(hù)28 d，以達(dá)到較高的強(qiáng)度。為驗(yàn)證人造礫巖與實(shí)際儲(chǔ)層性質(zhì)的相似性，在試樣中鉆取直徑25.4 mm，高50 mm 的巖心進(jìn)行物性及力學(xué)參數(shù)測試。測得樣品孔隙度為10.57%，在儲(chǔ)層孔隙度參考范圍7.523%～16.707% 以內(nèi)；測得滲透率為3.32×10?3 μm2， 與儲(chǔ)層滲透率（0.037～19.74）×10?3μm2、平均滲透率3.73×10?3 μm2 匹配；彈性模量、泊松比分別為27 GPa 和0.267，與現(xiàn)場三軸力學(xué)參數(shù)平均值26.037 GPa 和0.28 匹配。綜上所述，認(rèn)為樣品與儲(chǔ)層性質(zhì)相似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有參考意義。

隨后，在試樣表面中心鉆取1 個(gè)直徑3.4 cm、深度25 cm 的盲孔。將外徑3 cm、內(nèi)徑2.5 cm 的鋼制井筒置于盲孔內(nèi)，盲孔與模擬井筒之間的環(huán)形空間注入高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂固井，井筒底部用膠帶密封避免滴膠滲入，靜置24 h 待環(huán)氧樹脂固結(jié)。固井完成后，利用水力噴砂射孔設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行射孔［22］。