鐘 森 王興文 慈建發(fā)

（中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

致密砂巖氣藏提高返排效果技術(shù)對(duì)策

鐘 森 王興文 慈建發(fā)

（中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

壓后排液是氣井增產(chǎn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，直接影響壓裂改造的效果。巖心實(shí)驗(yàn)顯示影響排液速度的主要因素為壓裂液濾失后形成的啟動(dòng)壓力以及返排壓差，支撐劑回流受到地層閉合壓力和破膠液黏度的影響。川西致密氣藏由于水敏性強(qiáng)、水鎖傷害嚴(yán)重，需要快速排液降低傷害，提出了水平井高效返排技術(shù)對(duì)策。一是采用液氮增能助排工藝為地層提供較大返排壓差，并優(yōu)化形成了“階梯”降排量的伴注模式；二是采用纖維加砂工藝提高支撐劑在裂縫內(nèi)的穩(wěn)定性，在分段壓裂每段施工末期進(jìn)行一定比例的尾追。高效返排技術(shù)在中淺層應(yīng)用超過(guò)30井次，提高了返排速度和最終返排率，保證了壓裂改造的效果。

分段壓裂 快速排液 液氮增能 纖維加砂 致密氣藏

0 引言

川西沙溪廟、蓬萊鎮(zhèn)組屬于致密砂巖氣藏，地層平均滲透率小于1 mD，隨著開發(fā)進(jìn)度的推進(jìn)，目前開始動(dòng)用邊界區(qū)、差氣區(qū)，單井鉆遇的儲(chǔ)層普遍以Ⅱ、Ⅲ類為主。采用水平井分段壓裂投產(chǎn)，隨著注入規(guī)模的增大，出現(xiàn)返排慢、返排率低、出砂堵塞井筒的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了改造效果和后期生產(chǎn)。川西致密氣藏由于水敏性強(qiáng)、水鎖傷害嚴(yán)重，需強(qiáng)制裂縫閉合、快速排液，但返排速度過(guò)快導(dǎo)致支撐劑回流［1］。為解決這一矛盾，提出了高效返排技術(shù)，目標(biāo)是增加返排壓差和支撐劑的穩(wěn)定性，關(guān)鍵技術(shù)包括液氮增能助排和纖維固砂工藝。

1 返排效果的影響因素

1.1 壓裂液返排影響因素分析

川西致密氣藏普遍存在“水鎖效應(yīng)”，壓裂液侵入地層形成濾失帶，導(dǎo)致氣相滲流阻力增大，形成氣體流動(dòng)的啟動(dòng)壓力［2］。室內(nèi)通過(guò)破膠液對(duì)巖心的注入模擬裂縫壁面的濾失帶，濾失后形成啟動(dòng)壓力增加，返排率降低。返排率降低反過(guò)來(lái)又增加了氣體穿過(guò)壓裂液濾失帶所需的啟動(dòng)壓力。如圖1所示，啟動(dòng)壓力從1.9 MPa增加到5 MPa，返排率降低30%左右，可見啟動(dòng)壓力對(duì)返排影響十分顯著［3］。

圖1 啟動(dòng)壓力與壓裂液返排率關(guān)系圖

壓裂結(jié)束后開井排液，地層與縫內(nèi)壓力存在正壓差，從而推動(dòng)破膠液流動(dòng)，通過(guò)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，得到返排壓差和返排率的關(guān)系，如圖2所示。返排壓差小于2 MPa時(shí)，巖心排不出液，增加至5 MPa排液仍困難，在最短時(shí)間內(nèi)要使返排率增大，則相應(yīng)的返排壓差必須大于7 MPa。

1.2 支撐劑回流的影響因素分析

開井排液時(shí)，縫內(nèi)支撐劑的穩(wěn)定性主要受到兩個(gè)方面的影響，一是地層閉合應(yīng)力對(duì)其夾持作用，二是液體的“拖拽”作用。通過(guò)支撐劑在縫內(nèi)的受力分析，計(jì)算得到不同閉合壓力下的臨界出砂流速，如圖3所示。閉合壓力越大，臨界出砂流速越快，即地層對(duì)支撐劑夾持越緊，返排液越不容易帶動(dòng)支撐劑流動(dòng)。

圖2 驅(qū)替壓差與巖心返排率的關(guān)系圖

圖3 閉合壓力與支撐劑臨界回流速度關(guān)系圖

室內(nèi)采用不同黏度基液來(lái)模擬壓裂液不同破膠階段，評(píng)價(jià)破膠液黏度對(duì)支撐劑穩(wěn)定性的影響。50 mPa·s、18 mPa·s表示壓裂液破膠不徹底，9.5 mPa·s、5 mPa·s表示壓裂液破膠良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。壓裂液破膠不徹底，返排液黏度越高，測(cè)得的臨界流速越低，其攜帶支撐劑返排的能力越強(qiáng)，所以，開井排液的時(shí)候要保證壓裂液完全破膠。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也表明閉合壓力越高，支撐劑越穩(wěn)定（即臨界流速越高）。

表1 支撐劑在不同壓裂液黏度、閉合壓力下的臨界回流速度表

壓裂液返排受到多種因素的綜合影響，為解決快速排液和出砂之間的矛盾，提出了以增加返排壓差克服啟動(dòng)壓力和提高支撐劑穩(wěn)定性為目標(biāo)的高效返排技術(shù)，即以液氮增能助排壓裂、尾追纖維加砂為關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效返排。

2 液氮增能助排工藝技術(shù)

采用液氮增能助排工藝進(jìn)行加砂壓裂，相當(dāng)于在地層裂縫中注入一段高壓氣墊，既降低了壓裂液的濾失傷害，也提高了壓后的返排壓差，有效彌補(bǔ)地層返排能量的不足。液氮增能提高返排壓差的途徑，一是降低管柱內(nèi)的液柱壓力，二是提高儲(chǔ)層的壓力。

2.1 水平井液氮增能效果分析

液氮的加入降低了管柱內(nèi)的液體密度，進(jìn)而降低液柱的井底靜態(tài)壓力［4］。儲(chǔ)層垂深1 500 m，壓裂液排量4.0 m3/min，液氮排量從100 sm3/min增加至300 sm3/min，井底液柱壓力降低了2.39%～6.71%，最大降低了1.0 MPa，如圖4所示。

圖4 液氮伴注管柱井底壓力計(jì)算圖

氣態(tài)氮?dú)膺M(jìn)入地層，由于高壓作用被壓縮，提高了地層壓力，返排時(shí)氮?dú)怏w積膨脹推動(dòng)侵入儲(chǔ)層的液體向人工裂縫內(nèi)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到助排的作用。按照5段分段壓裂，液氮伴注排量200 sm3/min、250 sm3/min，壓裂結(jié)束時(shí)的壓力剖面如圖5所示。儲(chǔ)層壓力平均分別增加1.09 MPa、1.82 MPa，平均增加幅度約3%和5%。增能幅度隨著施工時(shí)間的增加有所減小，即第5段到第1段逐步降低，主要因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散導(dǎo)致能量損失。

結(jié)合液柱壓力降低、地層壓力增加，計(jì)算出采用200 sm3/min液氮排量總返排壓差增加1.78 MPa，250 sm3/min液氮排量增加量為2.67 MPa。

圖5 液氮伴注儲(chǔ)層增能效果圖

2.2 水平井分段液氮伴注設(shè)計(jì)

液氮的返排能力與伴注氮?dú)獾母啥扔忻芮嘘P(guān)系，氮?dú)飧啥戎傅獨(dú)馑俭w積與液體和氣體體積之和的比值。壓裂液自噴返排的最小氮?dú)飧啥葹椋?］：

式中，Smin為最小氮?dú)飧啥龋?；ρl為壓裂液密度，g/cm3；ρgm為一定P、T下氮?dú)獾拿芏?，g/cm3；Pe為地層壓力，MPa；h為液柱高度，m；Δp為啟動(dòng)壓力與摩阻及氣體滑脫損失之和，MPa。

假設(shè)氮?dú)馊颗懦?，由式?）計(jì)算氮?dú)庾試姺蹬诺淖钚◇w積用量：

式中，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.5～3，視施工規(guī)模而定；為液氮密度，取0.808 23 g/cm3。

致密氣藏中液氮能量的擴(kuò)散時(shí)間為2～3 h，每段施工40～50 min，液氮增能有效期為后3～4段。優(yōu)化不同施工時(shí)間下的混氣比，形成“階梯”降排量液氮伴注模式，液氮排量從300 sm3/min降至150 sm3/min，如圖6所示。先施工的井段由于擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，增能壓力降低較大，設(shè)計(jì)較高的液氮排量，末段擴(kuò)散時(shí)間短，降低液氮排量［6］。ρN2

3 纖維加砂壓裂技術(shù)

為發(fā)揮液氮增能助排作用，壓后應(yīng)采用大油嘴快速返排，前期在閉合應(yīng)力低的區(qū)域快排時(shí)出現(xiàn)大量出砂的情況。借鑒直井纖維防砂工藝，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化加入比例，現(xiàn)場(chǎng)完善加注工藝，形成了水平井全程尾追纖維防砂技術(shù)［7-9］。

圖6 全程液氮伴注排量設(shè)計(jì)圖

3.1 纖維加砂室內(nèi)評(píng)價(jià)

室內(nèi)通過(guò)配伍性、分散性和懸砂性評(píng)價(jià)，選擇了性能較好的短纖維（5～10 mm）材料。采用導(dǎo)流儀測(cè)量裂縫出砂的臨界流速，結(jié)果如表2所示，纖維加入使臨界出砂流速明顯提高，即提高了支撐裂縫的穩(wěn)定性，減少了回流量。纖維混合濃度越高，臨界出砂流速越高，閉合應(yīng)力為20～30 MPa時(shí)，伴注纖維濃度為7‰～9‰（纖維與支撐劑的質(zhì)量比）即能實(shí)現(xiàn)控制支撐劑回流的目的。

表2 伴注纖維后支撐劑的臨界出砂流速表

添加纖維后，裂縫內(nèi)導(dǎo)流能力發(fā)生改變，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7，纖維的加入對(duì)支撐劑的導(dǎo)流能力的影響不大，即纖維不會(huì)對(duì)支撐劑的導(dǎo)流能力造成損害。閉合應(yīng)力為20～30 MPa時(shí)，為保持較高裂縫導(dǎo)流能力，伴注濃度優(yōu)化為7‰～9‰。

圖7 不同閉合應(yīng)力下纖維對(duì)導(dǎo)流能力影響評(píng)價(jià)圖

3.2 纖維加砂工藝設(shè)計(jì)

1）纖維加入后壓裂液的攜砂性能大大提高，進(jìn)而稠化劑濃度從初期的0.38%降低至目前的0.3%，胍膠濃度降低21%，殘?jiān)拷档?7.4%，大大降低了儲(chǔ)層傷害。

2）從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用尾追伴注方式，在縫口至裂縫40～60 m形成纖維網(wǎng)絡(luò)支撐，即在攜砂液的最后2～3個(gè)階段進(jìn)行纖維伴注，尾追濃度按照7‰～9‰設(shè)計(jì)，剩2～3 m3支撐劑時(shí)停止加入。

3）水平井每段均尾追纖維，采用過(guò)頂替保證大部分纖維進(jìn)入地層，同時(shí)在頂替階段混注一定量的纖維降解劑，防止纖維在油管中影響投球開滑套。

4）現(xiàn)場(chǎng)采用纖維泵送機(jī)，通過(guò)機(jī)械分散的方式進(jìn)行纖維的拌入，實(shí)現(xiàn)了加入的均勻性、計(jì)量準(zhǔn)確性。

4 高效返排技術(shù)應(yīng)用效果

目前，水平井的壓裂改造中普遍應(yīng)用液氮增能及尾追纖維工藝，累計(jì)應(yīng)用超過(guò)50井次，在總液量大規(guī)模增加的基礎(chǔ)上，仍實(shí)現(xiàn)了初期返排率（12 h）的快速提高，平均達(dá)到45%以上，較以前提高10%；最終平均返排率高于75%，提高了12%左右。壓后絕大多數(shù)井未出砂，實(shí)現(xiàn)了快速排液和控制支撐劑回流的目的，單井產(chǎn)量也有較大的提高。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）致密氣藏返排速度和最終返排率的影響因素主要有壓裂液濾失形成的啟動(dòng)壓力及返排壓差，支撐劑回流受到地層閉合應(yīng)力、壓裂破膠液的黏度大小影響，影響程度可以通過(guò)工藝和技術(shù)的改進(jìn)大幅度降低。

2）利用液氮的低密度和增能作用，增大壓后返排壓差，實(shí)現(xiàn)快速排液，采用“階梯”降排量伴注方式，從作業(yè)初期到后期逐步降低伴注排量。

3）快速排液時(shí)控制支撐劑回流的對(duì)策是纖維防加砂工藝，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化纖維添加濃度為7‰～9‰，采用尾追注入方式，并完善了保證井筒清潔的過(guò)頂替、降解劑添加工藝。

4）高效返排技術(shù)在川西水平井上應(yīng)用效果良好，得到大范圍推廣，縮短了返排時(shí)間，提高了最終返排率，有效控制了支撐劑回流，水平井大規(guī)模改造的效果得到保障。

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（編輯：李臻）

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2095-1132（2016）05-0028-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 007

修訂回稿日期：2016-08-01

國(guó)家重大專項(xiàng)：“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號(hào)：2016ZX05048）下設(shè)專題“薄層窄河道致密砂巖氣藏水平井壓裂關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2016ZX05048004-003）。

鐘森（1981-），工程師，從事致密天然氣儲(chǔ)層改造科研設(shè)計(jì)工作。E-mail：senyu521@126.com。