體積壓裂在大牛地致密砂巖儲層水平井的試驗應(yīng)用

李月麗，何 青，秦玉英，徐兵威，李國鋒，張永春

(中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院,河南鄭州 450006)

1 大牛地氣田概況

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地東北部，上古生界自下而上發(fā)育著太1、太2、山1、山2、盒1、盒2和盒3七套氣層，埋深2 500～2 900 m，平均孔隙度為8.46%，平均滲透率0.78×10-3μm2，平均含氣飽和度57%，平均壓力系數(shù)0.92，屬典型的低孔、低滲、低壓儲層。

2012年，大牛地氣田大8～大10井區(qū)盒1、太2儲層采用水平井多級管外封隔分段壓裂工藝獲得顯著改造效果，平均單井無阻流量9.5×104m3/d，單井最高無阻流量34.1×104m3/d，成為中國石化首個以水平井開發(fā)建成的10億方產(chǎn)能建設(shè)區(qū)，實現(xiàn)了大牛地氣田水平井開發(fā)的規(guī)模化和工業(yè)化推廣應(yīng)用，同時為大牛地氣田難動用儲量的有效動用提供了有力的技術(shù)支撐。

為進一步提高大牛地氣田的儲量動用程度，加快華北分公司天然氣開發(fā)的步伐，評價體積壓裂理念在大牛地氣田致密砂巖儲層應(yīng)用的可行性，本文開展了裸眼水平井段內(nèi)多縫體積壓裂研究及現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

2 體積壓裂理論

體積壓裂是指在水力壓裂過程中，實現(xiàn)儲層在長、寬、高三維方向的全面改造，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。

體積壓裂理論的內(nèi)涵可概括為以下三點：①使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將可以滲流的有效儲層打碎，使裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大，壓裂形成剪切縫，大量剪切縫交叉形成裂縫網(wǎng)絡(luò)；②采用多種方法在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫條數(shù)(天然裂縫也可能開啟)，這些裂縫累積控制的泄流體積隨著裂縫的條數(shù)、縫長、縫寬、縫高等因素變化而變化(段內(nèi)壓裂多條裂縫，壓裂形成張性縫)；③利用儲層兩向水平應(yīng)力差值與裂縫延伸凈壓力的關(guān)系，實現(xiàn)裂縫延伸凈壓力大于兩個水平主應(yīng)力的差值與巖石抗張強度之和(即兩次破裂壓力之差)，形成以主縫和分支裂縫相組合的網(wǎng)絡(luò)裂縫[1-6]。

大牛地氣田儲層巖石的彈性模量小于3.0×104MPa，泊松比小于0.3，其水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.39，巖石以張性破裂為主。因此，第二種體積壓裂模式適合于大牛地氣田，即采用多種方法在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫條數(shù)，其累積控制的泄流體積隨著裂縫的條數(shù)、縫長、縫寬、縫高等的增加而增加，從而使得裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大，達到改造體積最大化的目的。

3 體積壓裂實施控制技術(shù)

經(jīng)過近年的探索和攻關(guān)，多級管外封隔分段壓裂工藝已成為大牛地氣田致密砂巖儲層水平井應(yīng)用成熟的水平井分段壓裂工藝。為了進一步提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，大牛地氣田探索試驗了致密砂巖氣藏體積壓裂實施控制技術(shù)——水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)，該技術(shù)是將水平井段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)與裸眼預(yù)置管柱完井技術(shù)有機結(jié)合，并應(yīng)用專用暫堵劑在壓裂施工過程中暫堵已加砂縫，從而造出新的裂縫，以此不斷地增加裂縫條數(shù)。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于每次投送暫堵劑的數(shù)量及每條裂縫的規(guī)模控制和裂縫間距的控制。

3.1 實施方法

水平井段內(nèi)多簇壓裂控制技術(shù)的實施方法是在壓裂施工過程中，實時地向地層中加入高強度水溶性暫堵劑，該劑為粘彈性的固體小顆粒，遵循流體向阻力最小方向流動的原則，暫堵劑顆粒進入地層中的裂縫或高滲透層，在高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，可以形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使后續(xù)工作液不能向裂縫和高滲透帶進入，從而壓裂液進入高應(yīng)力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化，最終在兩個封隔器之間形成多簇裂縫。壓裂施工結(jié)束后，產(chǎn)生橋堵的暫堵劑將溶于地層水或壓裂液，實現(xiàn)段內(nèi)先前封堵裂縫的開啟，增加水平井各段改造體積。

3.2 暫堵劑主要性能評價

水平井段內(nèi)多縫壓裂過程中使用的暫堵劑在施工過程中起著關(guān)鍵作用，其抗壓強度和溶解性能等直接關(guān)系著壓裂施工的成敗和壓裂改造效果的好壞。

3.2.1 抗壓強度性能評價

(1)分散態(tài)突破壓力測試。實驗使用A、B、C、D四個巖樣分別測定壓實后濾餅厚度為5、1、0.5、0.7 cm的突破壓力；暫堵劑的使用量采用排開體積計量，用80 ℃的壓裂液浸泡3～5 min后開始測試。表1說明當模擬壓實后濾餅厚度1 cm和5 cm時，分散態(tài)暫堵劑通過二次交聯(lián)形成封堵濾餅，突破壓力分別為23 MPa和44 MPa；當模擬壓實后濾餅厚度小于1 cm時，分散態(tài)暫堵劑不能形成有效的封堵濾餅，并隨著驅(qū)替不斷溶解流出。

表1 分散態(tài)突破壓力測試結(jié)果

(2)膠結(jié)態(tài)突破壓力測試。鑒于分散態(tài)暫堵劑的突破壓力實驗結(jié)果，此次實驗采用將暫堵劑溶解后風(fēng)干的方法，制成厚度為0.9 cm和0.5 cm的濾餅，分別使用D、E兩個巖樣進行突破壓力的測試。表2說明暫堵劑一旦形成濾餅后，突破壓力就很高，濾餅厚度達到或超過0.9 cm就很難突破。這說明暫堵劑在膠結(jié)態(tài)情況下，其厚度大于或等于0.9 cm時23 MPa不能突破，厚度在0.5 cm時其突破壓力為12.3 MPa，突破壓力梯度為大于2.175 MPa/mm。

表2 膠結(jié)態(tài)突破壓力測試結(jié)果

3.2.2 溶解性能評價

壓裂施工結(jié)束后，封堵裂縫的暫堵劑的溶解性能以及溶解時間對壓裂改造效果起關(guān)鍵作用。實驗測試暫堵劑在不同溶液介質(zhì)中的溶脹時間，結(jié)果表明暫堵劑在3.3小時后完全溶于壓裂液(圖1)。說明該暫堵劑在壓裂液中溶解性能較好，不會對儲層造成新的傷害。

圖1 80℃下暫堵劑在不同溶液中的溶解曲線

4 體積壓裂實施效果評價

大牛地氣田應(yīng)用體積壓裂共實施了兩口井，均獲得了較好的改造效果，本文以A井為例進行詳細評價。

A井是部署在鄂爾多斯盆地大牛地氣田盒1氣層的一口水平井，錄井顯示該井的水平段總長度為1 215 m，鉆遇砂巖總長度為1 215 m，占水平段總長度的100%；鉆遇具有全烴顯示的砂巖總長度為884 m，占水平段總長度的72.76%；鉆遇泥巖段總長度為0 m；最大全烴凈增值63.4%，平均全烴凈增值13.5%；巖性主要為巖屑砂巖，物性相對較好，平均孔隙度為11.11%，平均滲透率為0.80×10-3μm2。

A井為裸眼預(yù)置管柱完井，采用多級管外封隔分段壓裂工藝投產(chǎn)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，即水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低、閉合應(yīng)力低、破裂壓力低、抗張強度低的井段優(yōu)先起裂，并綜合測、錄井顯示結(jié)果、隨鉆伽馬成果、物探AVO數(shù)據(jù)和反演剖面綜合分析、巖石力學(xué)參數(shù)解釋成果、破裂壓力剖面分析，對A井設(shè)計了7段17簇裂縫。

A井于2012年11月3日進行壓裂，成功實施了7段17簇的壓裂施工，累計入地壓裂液5834.1 m3，累計加入陶粒665.0 m3。2012年12月4日進行求產(chǎn)作業(yè)，累計排液3 165.9 m3，返排率53.7%，油壓9.8 MPa，平均日產(chǎn)氣量6.9×104m3，平均日產(chǎn)液24.8 m3，氯根7 600 mg/L，無阻流量11.1×104m3/d。

將單段內(nèi)三簇裂縫的施工數(shù)據(jù)進行凈壓力擬合分析，結(jié)果表明后續(xù)兩簇壓裂時，前置液階段的凈壓力分別較前簇壓裂的壓力上升了2.1 MPa和4.6 MPa，破裂壓力梯度分別為0.0125 MPa/m、0.0134 MPa/m、0.0152 MPa/m，這表明A井段內(nèi)多簇分段壓裂成功實現(xiàn)了裂縫轉(zhuǎn)向。此外，將A井與同層位的兩口鄰近水平井的壓后效果進行比較，鄰井B井的無阻流量為6.2×104m3/d，鄰井C井的無阻流量為2.9×104m3/d，A井的壓后無阻流量是鄰井的1.8～3.8倍，由此可見，A井采用多簇分段壓裂技術(shù)施工后，取得了明顯的改造效果，實現(xiàn)了體積壓裂改造，提高了單井產(chǎn)量。

5 結(jié)論與建議

(1)大牛地氣田體積壓裂主要是通過增加水力裂縫條數(shù)來增加裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積，達到增加改造體積的目的。

(2)大牛地氣田體積壓裂主要實現(xiàn)手段是裸眼水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)，即將水平井段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)與裸眼預(yù)置管柱完井技術(shù)有機結(jié)合，并應(yīng)用專用暫堵劑在壓裂施工過程中封堵已加砂縫，開啟新的裂縫，增加裂縫條數(shù)。

(3)裸眼水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)應(yīng)用的暫堵劑室內(nèi)性能評價實驗結(jié)果表明，該暫堵劑封堵性能好、承壓能力高，且可完全溶于壓裂液，能夠達到段內(nèi)開啟多簇裂縫的目的。

(4)大牛地氣田體積壓裂現(xiàn)場應(yīng)用效果表明：A井壓后無阻流量達11.1×104m3/d，是鄰井的1.8～3.8倍，取得了明顯的增產(chǎn)改造效果。

[1] 雷群，胥云，蔣廷學(xué),等.用于提高低-特低滲透油氣藏改造效果的縫網(wǎng)壓裂技術(shù)[J].石油學(xué)報，2009，30(2)：237-241.

[2] 陳作，薛承瑾，蔣廷學(xué),等.頁巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國的應(yīng)用建議[J].天然氣工業(yè)，2010，30(10)：30-32.

[3] 陳守雨，劉建偉，龔萬興,等.裂縫性儲層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2010，32(6)：67-71.

[4] 吳奇，胥云，王曉泉,等.非常規(guī)油氣藏體積改造技術(shù)-內(nèi)涵、優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)[J].石油勘探與開發(fā)，2010，32(6)：352-358.

[5] 翁定為，雷群，胥云,等.縫網(wǎng)壓裂技術(shù)及其現(xiàn)場應(yīng)用[J].石油學(xué)報，2011，32(2)：281-284.

[6] 吳奇，胥云，劉玉章,等.美國頁巖氣體積改造技術(shù)現(xiàn)狀及對我國的啟示[J].石油鉆采工藝，2011，33(2)：1-7.