劉松青
(中國石油長城鉆探工程有限公司國際鉆修分公司,北京100101)
永和氣田位于山西省永和縣、石樓縣及隰縣境內(nèi),勘探開發(fā)區(qū)塊面積1 524 km2。區(qū)塊具有多層系含氣特點(diǎn),含氣層位有千5、盒4、盒6、盒7、盒8、山1和山2,主力含氣層位為盒8和山2,埋深約1 700~2 300 m,為砂泥巖地層,是一個低滲、低壓、低豐度巖性氣藏。永和氣田絕大部分井層都需要采取壓裂增產(chǎn)措施才能投產(chǎn),而采用常規(guī)的加砂壓裂容易導(dǎo)致壓裂液返排困難、對儲層造成傷害,也不符合低成本開發(fā)的要求。因此,有必要針對永和氣田不同地層壓裂設(shè)計參數(shù)、中高溫井壓裂液的耐溫耐剪切、攜砂和防膨助排性能等問題開展研究。
永和氣田地表為黃土覆蓋,構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡與晉西撓褶帶之間的過渡帶,為東高西低的單斜構(gòu)造,構(gòu)造線近南北走向平均坡降6~8 m/km,傾角約1°。
永和氣田儲層孔隙度在1.63%~10.85%之間,平均值為5.16%;滲透率在(0.043~0.574)×10-3μm2之間,平均0.1408×10-3μm2。儲層孔隙類型有巖屑溶孔、粒間孔、晶間孔、雜基溶孔及收縮孔等。其中以巖屑溶孔為主,次為粒間孔、晶間孔及雜基溶孔等。壓汞資料統(tǒng)計表明,儲層孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng),具有“小孔喉、分選差、排驅(qū)壓力高、連續(xù)相飽和度偏低和主貢獻(xiàn)喉道小”的特點(diǎn)。
平均地溫梯度為3.27℃∕100 m,氣層段溫度在66.4~74.2℃之間,屬于正常溫度系統(tǒng)。地層壓力系數(shù)在0.74~0.93之間,平均值0.87,屬于低壓氣藏。
利用氣藏數(shù)值模擬軟件研究了不同物性條件下,氣井對裂縫長度和導(dǎo)流能力的不同需求等問題,并對永和氣田分別做了5種滲透率等級的裂縫參數(shù)優(yōu)化,基本涵蓋了永和氣田特低滲、低滲、平均滲透率及相對較高的滲透率情況。最終通過散點(diǎn)回歸的方法,得到有效滲透率與優(yōu)化縫長和導(dǎo)流的關(guān)系圖版,這是壓裂方案、施工參數(shù)和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)(表1)。
表1 永和氣田裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
利用3D 裂縫模擬軟件研究了裂縫縱向延伸規(guī)律,同時研究了不同物性條件下,壓裂方案優(yōu)化目標(biāo)所需的施工參數(shù),包括前置液百分?jǐn)?shù)、排量、砂量和砂比等(表2、圖1~4)。
2.2.1 壓裂液配方優(yōu)化
圖1 前置液量與動態(tài)比關(guān)系
圖2 排量與產(chǎn)層厚度關(guān)系
圖3 加砂量與縫長關(guān)系
圖4 平均砂比與導(dǎo)流能力關(guān)系
表2 壓裂加砂量、砂比、施工排量、支撐劑半長優(yōu)化設(shè)計結(jié)果
稠化劑:0.5%~0.55%遼河瓜膠或0.45%~0.5%特級瓜爾膠;交聯(lián)劑:0.3%~0.25%有機(jī)硼交聯(lián)劑;助排劑:0.3%FR-CL/LH-Ⅺ;粘土穩(wěn)定劑:1.0%KCl;起泡劑:0.3%EOR-HTFO/LH-Ⅶ;溫度穩(wěn)定劑:0.08%;殺菌劑:0.1%甲醛;pH 值調(diào)節(jié)劑:0.12%Na2CO3、0.02%~0.03%NaOH;破膠劑:0.0015%~0.03%膠囊破膠劑+0.002%~0.02~0.06%過硫酸銨。
2.2.2 壓裂液的性能參數(shù)
①基液性能:基液pH 值:9.0~10.0;基液粘度:57~69 mPa·s;交聯(lián)時間:70~110 min(性能良好,可形成挑掛的粘彈性凍膠);②壓裂液在80℃的耐溫耐剪切性能:90 min時的粘度為98.5 mPa·s。
2.3.1 變排量施工技術(shù)
永和地區(qū)含氣層在平面和縱向上連續(xù)性較差,壓裂施工壓力變化較大,通過調(diào)整排量才能保持裂縫的穩(wěn)定和恒速擴(kuò)展,并防止壓裂過程中的砂堵問題。壓裂時,采用低排量泵注前置液或注入部分低粘混砂液,然后瞬間提高泵注排量(根據(jù)油層情況,可一次或多次地進(jìn)行排量躍變),同時在保證不發(fā)生砂堵的前提下,盡可能快地逐次提高砂比,直至施工結(jié)束。通過排量的瞬間躍變,可在控制壓裂裂縫縫口高度向下延伸的同時,將支撐劑輸送至裂縫更深處,以增大支撐縫長、提高裂縫的導(dǎo)流能力。
(1)低排量泵注前置液。低排量泵注可在近井裂縫內(nèi)形成砂堤I區(qū)的砂堤沉降,在裂縫的底界面橋架一個低滲透或不滲透的人工隔層。該隔層有兩個作用:一是在隨后的攜砂液進(jìn)裂縫時,它將限制或阻止高壓流體的高壓向下傳遞,從而改變縫內(nèi)垂直方向上流壓分布;二是它還起到了轉(zhuǎn)向劑的作用,使后來注入的攜砂液轉(zhuǎn)為向水平方向流動,盡可能將支撐劑帶入地層深處,增加有效縫長。
(2)瞬間提高排量。瞬間提高排量可使高濃度的I、Ⅱ區(qū)變薄、懸浮區(qū)Ⅲ變厚,能將更多的支撐劑帶入裂縫深處。由于濾失、摩阻損失等原因,砂堤在較遠(yuǎn)處又會形成動平衡,若在瞬間提高排量,可破壞此平衡,將支撐劑推向更遠(yuǎn)處。
2.3.2 變破膠劑比例施工技術(shù)
隨裂縫溫度場的變化,破膠劑的比例隨之變化,從而保證快速破膠。通過調(diào)整破膠劑比例來適應(yīng)不同溫度場的破膠時間,從而達(dá)到最佳的破膠效果。不同比例的過硫酸鹽在不同溫度時的破膠效果見表3,可以看出,在地層溫度為80℃以上時,具有較好的效果,在較低溫度時(50℃以下),破膠劑難以達(dá)到預(yù)期的效果。
2.3.3 組合支撐劑段塞壓裂技術(shù)
該壓裂技術(shù)是在施工過程中的不同階段加入不同粒徑的陶粒,分別填充在不同寬度的人工裂縫內(nèi)部,這既起到了降濾、又達(dá)到了合理支撐的目的。較大粒徑的顆??纱蚰ヅc主裂縫連通較窄的拐彎處,使裂縫通道變得更光滑,流動阻力減小。具體來說,如果砂比不按照由小到大的程序進(jìn)行,如一開始就采用較大的砂比和較大的砂粒,則會產(chǎn)生裂縫全部在縫口附近堵死的情況(圖5C);如果采用常規(guī)的低砂比粉陶進(jìn)行全程充填,此時仍存在多裂縫同時延伸的情況,效果仍很差(圖5A)。理想的工藝過程是一開始就采用低砂比、小粒徑顆粒,先封堵較窄的裂縫,隨著壓裂的進(jìn)行,各裂縫逐漸變寬,此時可采用逐漸增大砂粒、適當(dāng)增加砂比的辦法,這將產(chǎn)生較好的壓裂效果(圖5B)。組合支撐劑段塞壓裂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):粉陶首先進(jìn)入壓裂時形成的細(xì)微裂縫或地層本身的微裂縫中,而中陶可封堵較寬的裂縫,從而有效地堵塞多裂縫,這樣有利于主裂縫的形成,提高壓裂施工的成功率。
表3 不同溫度場內(nèi)不同比例破膠劑的降粘率
圖5 組合支撐劑段塞作用機(jī)理
該技術(shù)采用氮?dú)獗米④噷⒁后wN2經(jīng)過地面或井口三通與壓裂液混合注入井內(nèi),利用液體N2與壓裂液的混合液進(jìn)行加砂壓裂施工。由于N2在溫度和壓力達(dá)到一定值后轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),與液體中的發(fā)泡劑、助排劑等聚合物匯合變成泡沫,分散在混合液中,使其體積膨脹,降低了液體密度,從而提高了液體的返排速度。
液氮拌注施工可以較好地解決低壓氣井的排液問題,液氮拌注比例一般控制在2.0%~4.0% (表4)。90%以上的壓裂井都能實(shí)現(xiàn)壓后排液一次成功,減少了對地層的二次污染。
表4 注氮排量及伴注比例推薦
按照上述的壓裂設(shè)計思路,2011年對永和氣田進(jìn)行了36 井次的壓裂施工,平均單層加砂40.14 m3,平均單層伴注液氮16 m3,平均返排率89.3%。其 中,永和1 4井山1層,射孔井段 為2 2 6 6.0~2 271.8 m,射孔厚度為5.8 m,測井解釋結(jié)果表明壓裂層段上下部有較好泥巖隔層,儲層物性較好。由于該井射孔厚度大,層間非均質(zhì)性較強(qiáng),采用了大排量設(shè)計(3.0m3/min);同時全程液氮伴注。本次施工累計泵入前置液35.8 m3、攜砂液147.6 m3、液氮14.0m3、頂替液6.8 m3、陶粒30.0m3。壓后30 min立即返排,返排86 m3后,油壓降為0,改用液氮?dú)馀e,最終返排率達(dá)到90.6%。壓后試氣求產(chǎn),產(chǎn)量達(dá)28 105 m3/d,取得了較好的壓裂增產(chǎn)效果。
(1)永和氣田地層壓力系數(shù)低,壓后返排困難,常規(guī)壓裂對儲層傷害大,影響壓裂增產(chǎn)效果。
(2)永和氣田采用全程液氮伴注壓裂技術(shù),增加了壓裂液返排能量,加快了壓后返排速度,降低了壓裂液對儲層的傷害。
(3)通過實(shí)驗優(yōu)選出傷害小、性價比高的壓裂液體系?,F(xiàn)場實(shí)施證明該壓裂液體系能夠滿足永和氣田低成本開發(fā)戰(zhàn)略需求。
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