定點壓裂技術在復雜地層中的應用

編譯:邱筱琳 (長慶油田公司油氣工藝研究院)孟浩 劉建平 (長慶油田公司油田開發處)

審校:唐梅榮 (長慶油田公司油氣工藝研究院)

定點壓裂技術在復雜地層中的應用

編譯:邱筱琳 (長慶油田公司油氣工藝研究院)孟浩 劉建平 (長慶油田公司油田開發處)

審校:唐梅榮 (長慶油田公司油氣工藝研究院)

自2004年中期定點壓裂技術問世以來,在澳大利亞的Cooper盆地已采用該技術開展作業140余次。定點壓裂技術是通過連續油管泵入具有磨蝕作用的液體,通過噴嘴的作用達到射孔的目的,最后通過連續油管和套管間的環空泵入壓裂液進行壓裂。多段壓裂時層段之間采用砂塞 (推薦)或復合橋塞進行封隔。Cooper盆地的地層特征較為復雜,其巖石強度大 [砂巖/頁巖的平均模量達 (27.6～34.5) ×106MPa],靠近煤層,地層溫度高 (121～204℃),破裂梯度常高于1.0 psi/ft。在對該地層的所有改造措施中,出現脫砂的頻率高達40%,因此,處理這些問題時積累了經驗。

Cooper盆地 定點壓裂 復雜地層

1 引言

Cooper盆地位于南澳大利亞的東北角和昆士蘭的西南角,面積約為130 000 km2。它是澳大利亞最大的陸上油氣生產區,目前700口氣井的日產氣量為1 699.2×103m3;50口油井的日產油量為350 t。盆地為晚石炭紀到中三疊紀儲層,屬于非海相沉積環境,具有河流-湖相特點,巖性為向上變細砂巖、粉砂巖和頁巖與煤層夾層。

過去40年中,水力壓裂一直是開發Cooper盆地的一項核心技術。目前,已進行了650余次的改造作業。通過分析發現。該盆地的壓裂環境非常復雜。其產層埋深在2 286～3048 m之間,儲層溫度為121～204℃,層間含有頁巖和煤巖夾層,破裂梯度為0.6～1.4 psi/ft(1 psi/ft=22.621 kPa/m),近井筒壓降高達21MPa。該盆地屬于常壓地層,少有超壓情況發生。

在應用定點壓裂法前,對有多個射孔段的井采用填充壓裂法進行改造。而據壓后生產測井結果(PL T)顯示,這種方法不能有效地進行多段壓裂。其中1口井采用該方法進行壓裂,壓開9段,只獲取了其中3段的產量。生產測試期間該井的日產氣量為9.9×103/m3。

隨著現有井出現的差異衰竭現象不斷增加,當前的改造措施無法滿足生產需求。2004年中期,定點壓裂處理措施應運而生,因為它能夠對同一井筒內多個層段進行有效的改造,且措施快捷、經濟。

2 定點壓裂技術

自2004年中期定點壓裂技術首次應用以來,已有30口井 (約50%的井)采用該技術進行增產改造。在這30口井中,一共完成了149段作業,平均每口井壓裂5段。

表1描述的是在2004—2006年間采用定點壓裂與未采用定點壓裂改造情況的對比。

表1 2004—2006年定點壓裂與非定點壓裂情況的對比

圖1 年平均日產量對比 (PPF:定點壓裂井;Non-PPF:非定點壓裂井)

采用定點壓裂和非定點壓裂處理井的壓后產量結果見圖1和圖2。圖1是2000—2006年的平均壓后產量[排液完成后,下入(1in=25.4mm)的生產油管投產1個月后的產量]。非定點壓裂措施井的壓后日平均產量為5.7×104～11.3×104m3,定點壓裂措施井日產量為14.2×104～17×104m3。

圖2描述的是通過對定點壓裂措施井中的限產數據進行分析而估算出的可采儲量。對于定點壓裂措施井的預測可能偏于保守,期望通過對低滲透率儲層的不斷改造,獲得更多的儲量。

圖2 預測的平均采收率

3 作業實施與設計

對最初8口措施井的作業程序稍作修改,以便優化定點壓裂作業,并對相關數據及資料進行分析,逐漸形成了當前所采用的工藝流程。當前的定點壓裂操作步驟如下:

◇下連續油管,對第一個壓裂目的層進行校深。

◇通過連續油管泵入119.826 kg/m3、20/40目的攜砂液,然后進行噴射射孔,噴射時間不少于10 min。

◇通過連續油管泵入15%的 HCl,同時在環空中注入少量的酸液。

◇在保證連續油管注入速度的同時,關閉環空,將剩余酸液擠入地層,直至壓開地層。

◇一旦地層被壓開,按照預先設計的排量向環空中泵入一定的液體;同時降低連續油管的排量,使油管內的液體盡量接近靜止狀態,以便監測井內的壓力變化。

◇進行近井筒壓降測試。

◇通過監測壓降曲線判定閉合應力、漏失情況、地層壓力以及滲透率。

◇上提連續油管柱至第二個目的層。泵入支撐劑的排量為718.8～1198 kg/m3。

◇將油管上提到下一個噴射深度,泵入主處理液。

◇誘發端部脫砂。若出現脫砂,將連續油管置于下一個切削深度處,返出多余的支撐劑;如果未出現脫砂,采用砂塞進行層間暫堵。

◇對砂塞進行試壓,壓力達到68.95 MPa。若試壓沒有通過,更換砂塞。注意,如果第二個砂塞不成功,則對井筒進行清洗,采用機械封隔的方式。

◇如果層間封隔成功,重復上述過程。

圖3和圖4分別描述了措施井的施工壓力、排量以及砂濃度等。所有采用定點壓裂的井所使用的支撐劑均為20/40目的陶?；虻\土支撐劑,并采用16/30目的支撐劑進行尾追。

圖3 定點壓裂施工情況 (實例)(0～5 h)

圖4 定點壓裂施工情況 (實例)(5～10 h)

下面將從作業施工時所采取的層間封隔方法、改進的施工程序、井底鉆具組合等情況進行詳細介紹。

3.1 隔離方法

目前,定點壓裂作業通常采用砂塞或支撐劑段塞進行層間封隔。最初,在測試壓裂完成后,將連續油管上提20 ft(1 ft=30.48 cm);在主壓裂完成后,返出井筒中殘余的支撐劑,然后按照一定的排量泵入砂塞至連續油管底部,上提連續油管,等候1 h,至沉砂;隨后,探砂塞。若探到砂塞,地面打壓68.95 MPa,通過試壓來判斷砂塞是否完好。若探不到砂塞,按照上述程序泵入另外一個砂塞。使用該方法完成了98段壓裂作業。該方法的主要弊病:由于重新泵入砂塞的頻率過高,因此花費的時間過長。

為了提高效率,將上述方法進行了改進。在測試壓裂完成后,將連續油管上提至足夠的深度處以確保支撐劑段塞的形成 (一般高于噴射孔眼30～91 m)。在主壓裂完成后,進行反循環洗井,返出剩余的支撐劑。讓連續油管下方的支撐砂沉積1 h,再利用連續油管探支撐劑段塞。若成功探到段塞,對段塞進行試壓。若無法探到段塞,用上述方法泵入第二個段塞。據統計,有25%的機率需要重復泵入段塞。但是,定點壓裂所使用的井下鉆具組合無法滿足返出剩余支撐劑的需求。

鑒于上述問題,將隔離方法做了進一步的改進,決定嘗試“誘發端部脫砂 (ISOP)”。目前已應用該方法作業17次,在某些作業過程中,即使降低排量,脫砂仍無法形成。但幸運的是,脫砂頻率仍較高 (45%),大多數情況下取得了隔離效果。

為了減少由于隔離未成功需反復泵入砂塞所造成的時間損失,在必要的時候使用復合式橋塞。目前采用鋼纜坐放橋塞,而安裝鋼纜車往往需要花費大量的時間,未來將考慮采用連續油管取代鋼纜。

3.2 作業程序的改進

除了在隔離方法上有所改進以外,對另外兩個程序也進行了改進:壓開地層的方式以及使用先期砂塞充填處理。

通常在噴射作業后期泵入酸液酸蝕地層,僅通過環空泵入壓開地層。現在,對該工藝加以改進,即在環空和連續油管中同時泵入酸液。高應力儲層中,在地層被壓開前,停泵數分鐘,讓酸液更好地酸蝕地層,以達到較好的破裂效果。這種方法有利于較為致密儲層的改造。

另外,利用先期砂塞充填,有利于減少隔離失效頻率的發生,同時降低了油管的疲勞程度,縮短了施工的準備時間。

3.3 井口裝置與完井

3.4 井底鉆具組合

最初,在定點壓裂試驗井中選用了帶有3個噴嘴的噴射工具,以及機械接箍定位器配合砂塞進行層間隔離。有13口井采用了該套井底鉆具組合完成了63段壓裂作業。圖5為井底鉆具組合示意圖。

圖5 原井底鉆具組合配置示意圖

這套井底鉆具組合裝置對于施工安全起到一定的積極作用。但在施工期間,存在著兩個問題:

◇工具磨損過大

◇容易斷開或遇卡

噴射器上出現的過大磨損,主要是由于泵入攜砂液階段形成流體切割以及噴射作業時形成的液體回濺所造成的。由于噴射器的磨損過大,因此在完成2次作業周期后需更換工具。圖6是噴射工具在完成3次射孔作業后所出現的噴嘴磨蝕情況:

在這13口井的作業過程中,井底鉆具組合出現了12次遇卡。曾使用過各種不同的解卡方法,如注酸段塞等,有8次成功解卡。而每一次處理過程中,都需將工具上提到地面,檢查原因。為了使定點壓裂繼續成為Cooper盆地領先的一種改造措施,必須研究出一種方法,盡力解決這個問題。

3.5 井底鉆具組合的改進

鑒于上述問題,對井底鉆具組合重新進行了配置,改進后的工具布置如圖7所示。

圖7 目前的井底鉆具組合配置示意圖

目前有13口井 (67段)在作業中采用了該套井底鉆具組合。將機械接箍定位器直接坐放在噴射器上方,有助于固定噴射器。試驗發現,噴射器中3個噴嘴的磨蝕程度相當。該系統的耐用極限尚不能確定,但目前使用一個噴嘴可以成功地完成3個層的噴射作業,作業排量允許高達3.2 m3/min。自使用這套井底鉆具組合后,未發生工具遇卡等問題。

4 目前面臨的挑戰

4.1 無法壓開地層

在定點壓裂作業過程中,如果無法將地層壓開,這個問題是相當嚴峻的。而在Cooper盆地所有定點壓裂試驗井中,這種比例占了6%。當定點壓裂無法完成作業時,使用常規的射孔槍進行射孔及壓裂,反而取得了成功。目前正著力解決定點壓裂的這一局限性。嘗試使用較大口徑的連續油管,使噴射速率提高等方法。

4.2 高應力環境

高應力環境始終是定點壓裂技術在發展過程中所面臨的主要挑戰之一,尤其是有些區域的破裂壓裂梯度大于1.1 psi/ft。對于這種類型的地層,水力壓裂是最好的改造方法。但目前在Cooper盆地,暫未嘗試將水力壓裂和定點壓裂技術相結合進行改造。

4.3 相繼衰竭儲層

對Cooper盆地進行常規壓裂改造中發現,增能液體的應用對于改造衰竭儲層有一定的優勢。目前對于少數的衰竭地層 (孔隙壓力<0.2 psi/ft)尚未嘗試改造。下一步的目標是如何在衰竭層,尤其是多個持續衰竭層中實施定點壓裂作業,并且要通過一系列的試驗來判斷:在定點壓裂作業過程中,能否應用增能流體,最佳的層間封隔辦法是什么,以及采用其他類型的多級處理方法是否更適合等。

4.4 過早脫砂

上文曾提到在所有的定點壓裂改造措施中,發生過早脫砂的頻率占26%。過早脫砂從某種程度上來講,大大降低了定點壓裂作業的總效率,且部分層段不能得到完全、充分的改造。估計發生過早脫砂的主要原因是在定點壓裂處理過程中施工排量偏低。在使用的井口之前,在主壓裂過程中,排量只能達到2.4 m3/min,而使用新型井口后,排量可達2.4 m3/min。排量的提高意味著能開展更大規模的壓裂作業。因定點壓裂過程中,過早脫砂的頻率依然高于要求值,需進一步進行技術研發,以達到提高排量的目的。

4.5 層間封隔技術

層間封隔技術雖然獲得了一定的發展,但目前面臨的最大挑戰是在誘發脫砂不成功時,采取何種有效的措施實現層間封隔。因此,在定點壓裂作業過程中,要提高精確控制誘發脫砂的能力。

4.6 作業對象的選擇

從定點壓裂作業的結果可看出,如何選擇作業對象也是提高作業效率至關重要的一個因素。定點壓裂措施結果顯示:原始測井、巖石類別以及裸眼地層測試所推斷出的產層質量與通過生產測試所獲取的產量沒有明顯的聯系。隨著儲層壓力的不斷下降,單井成本不斷上升,如何選擇合適的定點壓裂措施至關重要。

5 未來研究的方向

在Cooper盆地應用定點壓裂技術的2年中,積累了大量的成功經驗,但同時也面臨著一系列的挑戰。下文所列舉的一些問題便是下一步工作的方向。

5.1 2in的連續油管

過早脫砂問題依然頻頻發生,反循環和排液花費了大量的時間。常規采用的連續油管,反循環和噴射的排量局限在3 bbl/min(1 bbl=0.159 m3)。近來嘗試使用2 in連續油管,反循環速率增大,因此預計排液時間將減半。此外,應用2 in的連續油管可將井底鉆具組合中噴射器噴嘴的數量增加到5個或6個。井底鉆具組合示意圖見圖8。2006年12月首次試用2 in連續油管。

圖8 井底鉆具組合示意圖

5.2 小外徑工具的應用

鑒于在噴射過程中容易造成對井下工具的磨損,打入環空中的排量限制在3.2 m3/min。目前正嘗試著減小工具的外徑,目的是將排量至少提高到3.9 m3/min,開展更大規模的作業。

5.3 連續油管坐放橋塞

在層段封隔中,當無法實現封隔時,要花費大量的時間來解決問題。為了減少處理時間,嘗試使用連續油管坐放橋塞。地面測試已取得成功。2006年12月首次應用此系統。這套系統的應用將大大縮短作業時間。

5.4 塔架

目前,在施工作業中,始終由1臺質量為50 t的起重機來支撐注入頭。為了增強作業的靈活性和安全性,目前正在設計一種類似于欠平衡鉆井所用的塔架。這種裝置便于快捷地更換井底鉆具組合,同時保證作業人員的安全。

6 結論

(1)自2004年中期定點壓裂技術首次在Cooper盆地應用以來,目前已完成了 30口井(149段)的壓裂作業。這些措施井也取得了較為可觀的產量,比預期的值要高。同時,定點壓裂技術不斷改進,為Cooper盆地的成功開發積累了大量的經驗。

(2)目前,定點壓裂技術的應用尚未推廣到改造高度衰竭儲層。定點壓裂技術是否能夠用于改造大量的高衰竭地層,還需從今后所進行的大量試驗中得到證實。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.1.006

資料來源于美國《SPE 106052》

2008-11-03)