蘇里格深部煤系致密氣儲(chǔ)層絨囊流體控水壓裂

趙俊 楊生文 孫澤寧 李宇 張家富 王相春

1. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司；4. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

0 引言

蘇里格氣田深部發(fā)育煤系破碎性致密砂巖［1］，這類(lèi)儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)，自然產(chǎn)量低，氣、水關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。破碎性致密砂巖常通過(guò)壓裂改造形成人工裂縫，提高單井產(chǎn)量，但是儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)過(guò)程中易溝通水層，極大程度降低氣井產(chǎn)量［2］。

控水壓裂是解決壓裂過(guò)程氣井見(jiàn)水的一種有效手段。目前，控水壓裂堵水材料主要分為顆粒和凝膠兩大類(lèi)。這兩類(lèi)控水材料滿足部分地層控水壓裂需求，但是卻存在以下幾點(diǎn)不足：(1)顆粒類(lèi)材料通過(guò)轉(zhuǎn)向壓裂［3］避免裂縫溝通水層而本身不具備堵水性能；(2)顆粒類(lèi)材料封堵后仍具有滲透性；(3)顆粒類(lèi)材料需要壓裂液輸送裂縫中形成封堵帶，控制不好無(wú)法到達(dá)預(yù)設(shè)位置；(4)凝膠類(lèi)材料一旦成膠，會(huì)封堵住儲(chǔ)層的有效孔隙，同時(shí)導(dǎo)致泵注壓力增加。

絨囊封堵流體已廣泛應(yīng)用于鉆井［4］、完井［5］、修井［6］、壓裂［7］、堵水［8］、調(diào)驅(qū)［9］等領(lǐng)域。研究認(rèn)為，壓裂過(guò)程中使用選擇性絨囊堵水材料進(jìn)行控水壓裂，既可以提高致密氣井產(chǎn)量又可以控制地層水的產(chǎn)出。聶帥帥等［10］針對(duì)煤層氣井壓裂后引起層間出水問(wèn)題，提出先用絨囊流體堵水再進(jìn)行重復(fù)壓裂的堵水重復(fù)壓裂技術(shù)，在煤層氣井中實(shí)現(xiàn)減水增氣效果。

針對(duì)蘇里格氣田深部發(fā)育煤系破碎性致密砂巖儲(chǔ)層特征，實(shí)施控水壓裂技術(shù)需要確保絨囊流體與壓裂液和地層水配伍性良好，以保證控水壓裂施工順利進(jìn)行；同時(shí)，絨囊流體封堵住巖石基質(zhì)或者裂縫通道時(shí)，要選擇性堵水而不堵氣，即地層中的氣、水通過(guò)封堵帶時(shí)具有不同的突破壓力。為驗(yàn)證絨囊流體在破碎性致密砂巖中控水壓裂的可行性，室內(nèi)進(jìn)行絨囊流體與壓裂液和地層水的配伍性實(shí)驗(yàn)及壓裂過(guò)程選擇性堵水實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控水壓裂數(shù)據(jù)，分析絨囊流體的控水壓裂效果。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

用現(xiàn)場(chǎng)收集的鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)下石盒子組4塊致密砂巖巖心開(kāi)展配伍性實(shí)驗(yàn)和氣、水突破壓力梯度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic core data

從表1可以看出，巖心柱塞的孔隙度為3.29%～3.98%，巖心柱塞的氣測(cè)滲透率為(0.041 9～0.051 2)×10?3μm2。現(xiàn)場(chǎng)描述破碎性致密砂巖儲(chǔ)層氣藏孔隙度為 3.7%～15%，滲透率為 (0.01～1)×10?3μm2。實(shí)驗(yàn)室?guī)r心的物性參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層物性參數(shù)基本符合，可較為真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)層特征［11］。

1.1 配伍性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)按1.8%囊層劑+1.2%絨毛劑+0.6%囊膜劑+0.6%囊核劑配制絨囊工作流體，其密度為0.85 g/cm3，表觀黏度為58.5 mPa· s 。按現(xiàn)場(chǎng)配方配制壓裂液，按地層水組分配制地層水。取2只100 mL試管分別按1∶1比例取前置液、地層水與絨囊工作液混合，均未產(chǎn)生沉淀。將100 mL絨囊工作液倒入燒杯中，工作液中加入破膠劑后將燒杯放入水浴鍋中恒溫52 ℃進(jìn)行24 h破膠，取絨囊破膠液按1∶1比例分別與前置液和地層水混合，均未見(jiàn)沉淀，說(shuō)明絨囊工作液破膠前后與壓裂液和地層水配伍性良好。

1.2 突破壓力梯度實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)利用儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)儀進(jìn)行滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，電腦裝置能夠自動(dòng)采集流量和壓力，可以進(jìn)行絨囊流體氣、水突破壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，裝置原理如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig. 1 Schematic experimental device for reservoir damage evaluation

高壓氮?dú)庠纯梢蕴峁┓€(wěn)定的進(jìn)口壓力，平流泵可用于注入液體以提供流量源，巖心加持器可以模擬三軸狀態(tài)下的地層壓力情況，電腦自動(dòng)采集流量和壓力數(shù)據(jù)。

選1#、2#巖心，利用線切割機(jī)將兩巖心從中間剖開(kāi)，造貫穿縫。將巖心飽和后放入巖心夾持器中，在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下，采用恒流速法評(píng)價(jià)絨囊流體的堵水性能。先將地層水以0.1 mL/min流速正向注入1#巖心2 h，測(cè)定注入壓力；再以0.1 mL/min流速反向注入絨囊流體2 h；最后以0.1 mL/min流速正向注入地層水，測(cè)定封堵后的突破壓力。將2#巖心在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下，測(cè)定氣體流量為5 mL/min時(shí)，絨囊流體封堵后的突破壓力。取3#、4#基質(zhì)巖心分別測(cè)定在溫度20 ℃、圍壓20 MPa、回壓0.5 MPa條件下絨囊流體封堵后的地層水(流速0.1 mL/min)、氣體 (流速 5 mL/min)突破壓力。1#、2#含裂縫巖心封堵后地層水、氮?dú)馔黄茐毫Ψ謩e為0.213 6 MPa和0.112 4 MPa，兩塊巖心長(zhǎng)度分別為5.29 cm和5.62 cm，計(jì)算得到地層水和氮?dú)庠诜舛潞笕嗽鞄r心中的突破壓力梯度分別為0.04 MPa/cm和0.02 MPa/cm，同理計(jì)算得到絨囊封堵基質(zhì)巖心后的氣和水突破壓力為0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm。

2 現(xiàn)場(chǎng)施工

在蘇里格氣田西部A、B兩井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。以A井為例，A井完鉆井深3 210 m，目的層為山西組山一段。現(xiàn)場(chǎng)利用連續(xù)混配設(shè)備按照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配方配制絨囊流體70 m3，密度為0.85 g/cm3，表觀黏度為 59 mPa·s，pH 值為 11。

為達(dá)到控水壓裂效果，將整個(gè)工藝過(guò)程分為壓裂造縫和封堵控水兩個(gè)基本工序交叉進(jìn)行。過(guò)程如下：首先以4 m3/min施工排量泵注前置液52.6 m3，然后以3.2 m3/min施工排量泵注絨囊10 m3，再以4 m3/min排量泵注前置液35 m3、攜砂液88.3 m3，之后以 2 m3/min排量泵注前置液 40 m3，繼之以4 m3/min排量泵注前置液30 m3、攜砂液72.9 m3，最后以4 m3/min排量泵注頂替液28 m3，控水壓裂施工完成。

3 應(yīng)用效果分析

蘇里格氣田深部煤系致密氣藏氣、水關(guān)系復(fù)雜，無(wú)統(tǒng)一氣、水界面，地層水相對(duì)獨(dú)立、不連通。地層水類(lèi)型有束縛水、毛細(xì)管水和自由水3大類(lèi)，其中毛細(xì)管水為主要地層水類(lèi)型［12］。結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)絨囊流體控水性能和壓裂性能進(jìn)行討論，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行初步分析。

3.1 壓裂效果分析

為保證施工順利，工作流體之間需要有良好的配伍性。由配伍性實(shí)驗(yàn)可知，絨囊流體配伍性滿足壓裂施工要求。由于絨囊流體密度比壓裂液密度小，在浮力作用下可以上浮到裂縫上部，絨囊在壓力作用下對(duì)裂縫端部進(jìn)行封堵，控制裂縫在垂向上擴(kuò)展。在施工過(guò)程中分2次注入絨囊流體，第1次注入10 m3絨囊流體，約5.84 m3絨囊流體進(jìn)入裂縫，由現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)計(jì)算可知5.84 m3絨囊進(jìn)入地層后承壓能力提高2.79 MPa，同樣注入40 m3絨囊流體后地層承壓能力提高5.14 MPa，說(shuō)明絨囊流體擴(kuò)展到裂縫端部后可以提高裂縫端部的承壓能力，使裂縫在垂向上得到控制。由于A井未進(jìn)行裂縫形態(tài)監(jiān)測(cè)，只能根據(jù)壓裂施工數(shù)據(jù)分析裂縫擴(kuò)展情況。A井施工曲線見(jiàn)圖2。

圖2 A井壓裂施工特征曲線Fig. 2 Characteristic curve of fracturing construction of Well A

從圖2中可以看出，絨囊進(jìn)入裂縫后，泵注壓力會(huì)小幅度地波動(dòng)上升，之后在加砂過(guò)程中泵壓平穩(wěn)，說(shuō)明絨囊封堵后裂縫擴(kuò)展受到地層非均質(zhì)性的影響壓力波動(dòng)較小，裂縫不斷向前延伸，壓裂施工順利。

3.2 絨囊堵水增產(chǎn)效果分析

控水壓裂主要是利用絨囊的封堵能力進(jìn)行堵水增氣。A井在控水壓裂施工過(guò)程中，泵入50 m3絨囊流體對(duì)裂縫進(jìn)行封堵，平均施工泵壓38.35 MPa，環(huán)空中前置液(密度1.0 g/cm3)液柱壓力30.17 MPa，不考慮摩阻作用裂縫中的液柱壓力為68.52 MPa，在高壓作用下，絨囊流體中的囊泡、聚合物、表面活性劑進(jìn)入儲(chǔ)層中。由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知絨囊流體封堵基質(zhì)后氣、水突破壓力梯度分別為0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm，水的阻力明顯增大進(jìn)而限制了同層水的流動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控水。同理由于封堵裂縫后氣、水突破壓力梯度分別為0.02 MPa/cm、0.04 MPa/cm，說(shuō)明即使地層中流體通過(guò)孔隙到達(dá)裂縫后，仍能增大水的阻力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)氣控水。壓裂后161 d A、B井與鄰井日產(chǎn)氣量對(duì)比情況如圖3所示。

圖3 絨囊控水壓裂后產(chǎn)量與鄰井對(duì)比圖Fig. 3 Comparison of production rate between the wells after water control fracturing and their neighboring wells

從圖3中可以看出，絨囊控水壓裂井的平均日產(chǎn)量4 154 m3/d和3 535 m3/d較鄰井提高了13.71%和6.99%，資料未統(tǒng)計(jì)氣井的出水情況，但是C井、D井已經(jīng)分別進(jìn)行了3次、63次泡排，而A、B兩井生產(chǎn)至今未進(jìn)行泡排，說(shuō)明絨囊堵水效果較好。

進(jìn)一步分析表明，蘇里格深部煤系致密氣藏孔喉較小且分布不均，絨囊的粒徑在15～150 μm間連續(xù)分布［13］，小粒徑絨囊進(jìn)入基質(zhì)中對(duì)孔喉迅速封堵提高其承壓能力，為絨囊流體在裂縫中的封堵提供了駐留環(huán)境。此外，絨囊流體作為一種水連續(xù)相流體，可以進(jìn)入裂縫進(jìn)行封堵而不受裂縫寬度等條件的限制。絨囊流體中囊層劑、絨毛劑通過(guò)吸附、捕集和物理堵塞選擇性封堵裂縫壁面，增大水的流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)控水。進(jìn)入到儲(chǔ)層中的聚合物、表面活性劑通過(guò)吸附在儲(chǔ)層巖石基質(zhì)表面，使巖石由親水性變成憎水性，將毛管力作為水的流動(dòng)阻力增加地層水的啟動(dòng)壓力。同時(shí)，絨囊流體黏度低、可泵性好，與地層流體及工作液配伍性好，施工完成后多余的絨囊流體可以返排，不傷害儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力。

4 結(jié)論

(1)絨囊流體既可以通過(guò)控制裂縫在垂向上的擴(kuò)展，又可以通過(guò)增加地層水在基質(zhì)和裂縫中的流動(dòng)阻力堵水，實(shí)現(xiàn)了控制裂縫形態(tài)與堵水的雙重作用，因此利用絨囊流體可以實(shí)施控水壓裂。

(2)絨囊流體控水壓裂是以蘇里格深部煤系致密氣儲(chǔ)層井為背景，運(yùn)用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法得到的新認(rèn)識(shí)，該工藝還適用于砂巖天然氣儲(chǔ)層控水壓裂。但是否適用于其他巖性，尚不明確。

(3)雖然絨囊流體在致密氣井控水壓裂方面取得一定進(jìn)展，對(duì)絨囊流體加入時(shí)機(jī)、加入量等尚需進(jìn)一步研究。