脈沖纖維壓裂在蘇東氣田的應(yīng)用評(píng)價(jià)

常 鵬，張 瑛，李 化，申 坤，王 力，郭玉杰

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000；3.西南油氣田分公司川西北氣礦邛崍作業(yè)區(qū)，四川邛崍 611530）

蘇東氣田屬于典型的“三低”致密氣藏[1，2]，常規(guī)壓裂方式改造后，氣井產(chǎn)量低、地層壓力下降快。為最大限度發(fā)揮儲(chǔ)層的潛能，2013 年蘇東氣田與斯倫貝謝合作，將體積壓裂建立復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)與脈沖纖維的高導(dǎo)流能力理念相結(jié)合，開(kāi)展了“低黏度滑溜水造裂縫網(wǎng)絡(luò)+脈沖泵注形成高導(dǎo)流通道”的先導(dǎo)性試驗(yàn)，截止目前已進(jìn)行了16 口井/45 層位的壓裂施工，取得了初步成效。

自斯倫貝謝公司提出脈沖纖維壓裂理念以來(lái)[3]，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者圍繞著脈沖纖維壓裂做了大量的研究：（1）關(guān)于脈沖纖維壓裂基礎(chǔ)理論的研究，其代表學(xué)者主要為國(guó)外的Medvedev 及國(guó)內(nèi)溫慶志、郭玉杰等[4-6]，主要基于可視化單、縫（網(wǎng)）模擬裝置研究射孔簇、纖維加量、脈沖時(shí)間間隔等不同因素對(duì)高導(dǎo)流通道形態(tài)及通道率的影響，然而，卻缺乏大量相對(duì)應(yīng)的、不同因素下的改造效果的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐；（2）關(guān)于脈沖纖維壓裂的應(yīng)用評(píng)價(jià)方面主要集中在增產(chǎn)效果的評(píng)價(jià)，尚未涉及不同因素（例如施工參數(shù)等）對(duì)脈沖纖維壓裂改造效果的影響。

為了驗(yàn)證脈沖纖維縫（網(wǎng)）模擬結(jié)論，指導(dǎo)蘇東氣田下步優(yōu)選井層和施工參數(shù)提高脈沖纖維壓裂的改造效果，以蘇東氣田16 口井/45 層位的現(xiàn)場(chǎng)改造數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，研究了不同影響因素對(duì)改造效果的影響，并做了評(píng)價(jià)分析。

1 脈沖纖維壓裂技術(shù)原理及施工特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

脈沖纖維壓裂基于脈沖泵注、多簇射孔工藝將支撐劑與纖維以高頻率、短脈沖的形式交替打入多簇射孔的儲(chǔ)層中，從而將傳統(tǒng)的支撐劑顆粒間的達(dá)西滲流模式變?yōu)镹avier-Stokes、達(dá)西滲流共存、并且N-S 滲流模式占主導(dǎo)的流動(dòng)模式，將導(dǎo)流能力提高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2 關(guān)鍵工藝技術(shù)及特點(diǎn)

蘇東氣田脈沖纖維壓裂分為兩個(gè)主要階段：2013-2015 年為斯倫貝謝施工時(shí)期，該階段主要進(jìn)行了SD34-51C4 等5 口井的施工；2015 年至今，為國(guó)內(nèi)自主施工時(shí)期，該階段主要進(jìn)行了SD30-50 等11 口井的施工。

1.2.1 多簇射孔 射孔具有“等簇、等距，多簇射孔”的特點(diǎn)，單井射孔簇?cái)?shù)目為2～22 簇，其中斯倫貝謝公司射孔集中在16～22 簇，普遍高于國(guó)內(nèi)射孔簇?cái)?shù)（見(jiàn)表1）。

1.2.2 泵注工藝 泵注程序前置液階段采用低黏度滑溜水造復(fù)雜縫網(wǎng)，攜砂液階段以12 s 為間隔交替泵注含纖維基液與含纖維攜砂液，脈沖泵注過(guò)程排量2.64 m3/min～5.5 m3/min，斯倫貝謝施工排量（4.3 m3/min～5.0 m3/min）高于國(guó)內(nèi)公司施工排量；此外，斯倫貝謝前置液比例36.5 %～48.1 %，比國(guó)內(nèi)前置液比例26 %～35 %高；而纖維加量濃度范圍在0.77 kg/m3～1.65 kg/m3，斯倫貝謝公司略高，為1.10 kg/m3～1.50 kg/m3，平均加量為1.32 kg/m3，比國(guó)內(nèi)平均多加0.42 kg/m3。

表1 本溪組某井第一級(jí)射孔方案表

2 脈沖纖維壓裂改造效果影響因素分析

2.1 儲(chǔ)層物性因素影響

脈沖纖維壓裂的16 口井的無(wú)阻流量與儲(chǔ)層厚度呈正相關(guān)，隨著儲(chǔ)層厚度的增加，脈沖纖維壓裂的無(wú)阻流量隨之增加，改造效果變好（見(jiàn)圖1）。

無(wú)阻流量/米無(wú)阻流量隨著孔隙度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，孔隙度存在最優(yōu)值；在8 %～10 %的小范圍區(qū)域內(nèi)，無(wú)阻流量/米無(wú)阻流量與孔隙度呈正相關(guān)性（見(jiàn)圖2）。

脈沖纖維壓裂的米無(wú)阻流量與含氣飽和度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。E 楊氏模量/S 閉合應(yīng)力是衡量脈沖纖維壓裂是否具有壓裂可行的重要參數(shù)（見(jiàn)圖3（a）），脈沖纖維壓裂米無(wú)阻流量與E/S 值呈明顯的正相關(guān)，即隨著E/S 值的變大，脈沖纖維壓裂改造效果越好（見(jiàn)圖3（b））。進(jìn)一步的研究表明，脈沖纖維壓裂的米無(wú)阻流量則與滲透率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。由此可知，脈沖纖維壓裂在低滲透儲(chǔ)層中改造效果更顯著。

圖1 脈沖纖維壓裂（米）無(wú)阻流量與儲(chǔ)層厚度的關(guān)系圖

圖2 脈沖纖維壓裂（米）無(wú)阻流量與孔隙度的關(guān)系圖

圖3 （a） 脈沖纖維壓裂（米）無(wú)阻流量與含氣飽和度關(guān)系圖

圖3 （b） 脈沖纖維壓裂（米）無(wú)阻流量與E/S 的關(guān)系圖

2.2 施工參數(shù)因素影響

為探究射孔簇多少對(duì)脈沖纖維壓裂的無(wú)阻流量影響，制作了射孔簇-無(wú)阻流量關(guān)系圖（見(jiàn)圖4）。從圖4可知，脈沖纖維壓裂無(wú)阻流量隨射孔簇的增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。脈沖纖維壓裂模擬結(jié)果則表明隨著射孔簇的增加，形成的通道效果變好，說(shuō)明數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論一致（見(jiàn)圖5）。

大量的研究表明，在壓裂液中添加可溶性纖維材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐劑顆粒的包裹纏繞，降低支撐劑顆粒的沉降速度。根據(jù)蘇東氣田16 口井的脈沖壓裂纖維加量和米無(wú)阻流量的數(shù)據(jù)做出纖維-米無(wú)阻流量關(guān)系圖，從圖中可知：脈沖纖維壓裂米無(wú)阻流量與米纖維加量、纖維量呈正相關(guān)，即隨著脈沖纖維壓裂的纖維增加，米無(wú)阻流量隨之增加（見(jiàn)圖6）。

圖4 脈沖纖維壓裂（米）無(wú)阻流量與射孔簇的關(guān)系圖

圖5 脈沖纖維壓裂在不同射孔簇下的模擬通道形態(tài)

圖6 米無(wú)阻流量與纖維加量的關(guān)系圖

圖7 蘇東氣田16 口井脈沖纖維壓裂排量與米無(wú)阻流量關(guān)系

蘇東氣田主要采取的工藝方式是“體積壓裂+脈沖纖維壓裂”的組合方式，為探究排量對(duì)脈沖纖維壓裂的影響，作出了排量與米無(wú)阻流量的關(guān)系圖。脈沖纖維壓裂米無(wú)阻流量、無(wú)阻流量隨著排量的增加先增加后減小，在排量4.5 m3/min 處存在最優(yōu)值（見(jiàn)圖7）。進(jìn)一步的研究表明，無(wú)阻流量與前置液比例、總泵注液量呈正相關(guān)，與支撐劑濃度加量呈負(fù)相關(guān)。

2.3 主控因素分析研究

基于灰色分析法分析脈沖纖維壓裂的選井、選層條件，其中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

2.3.1 確定最優(yōu)指標(biāo)集 從研究區(qū)域中16 口井的各個(gè)指標(biāo)參數(shù)中，選擇最有利于脈沖纖維壓裂增產(chǎn)的數(shù)據(jù)作為最優(yōu)指標(biāo)集。根據(jù)前面的分析，儲(chǔ)層厚度、含氣飽、C 值等指標(biāo)與無(wú)阻流量有明顯的正相關(guān)，應(yīng)取大值；無(wú)阻流量等隨著孔隙度的變換而變換，先增加后減小存在最優(yōu)范圍，取最優(yōu)值。由此可以確定最優(yōu)指標(biāo)集為：

由此可以確定最優(yōu)指標(biāo)集和各評(píng)價(jià)井組成的矩陣為：

2.3.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化 根據(jù)公式（1）對(duì)X 進(jìn)行無(wú)量綱化，得到如下矩陣：

表2 蘇東氣田研究區(qū)域脈沖纖維壓裂16 口井指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 蘇東氣田研究區(qū)域脈沖纖維壓裂16 口井指標(biāo)數(shù)據(jù)（續(xù)表）

2.3.3 確定灰色相關(guān)系數(shù) 根據(jù)式（1）可以獲得R 矩陣，假設(shè)權(quán)重系數(shù)均為1，可以得到各個(gè)參數(shù)的關(guān)系系數(shù)（見(jiàn)表3）。

各個(gè)參數(shù)的平均灰色關(guān)聯(lián)度ri（見(jiàn)表4）。

同理，可以得到施工參數(shù)與脈沖纖維壓裂無(wú)阻流量的關(guān)聯(lián)度。

由此可知，影響脈沖纖維壓裂選井、選層的因素重要性為：含氣飽和度>孔隙度>E/S>儲(chǔ)層厚度>滲透率。同理可以獲得各個(gè)施工參數(shù)對(duì)脈沖纖維壓裂無(wú)阻流量的關(guān)聯(lián)度ri（見(jiàn)表5），影響脈沖纖維壓裂的施工參數(shù)的重要性程度依次為前置液比例>總液量>射孔簇>纖維加量>排量>支撐劑加量。

3 改造效果評(píng)價(jià)

在蘇東地區(qū)累計(jì)實(shí)施脈沖式纖維加砂壓裂井16口/45 層，試氣平均無(wú)阻流量12.259 7×104m3/d，相比鄰井，單井平均無(wú)阻流量提高5.113×104m3/d，增幅為75.5 %，最高無(wú)阻流量是常規(guī)壓裂的5.76 倍，試驗(yàn)效果顯著（見(jiàn)圖8）。則說(shuō)明脈沖纖維壓裂改造的井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、產(chǎn)氣量高，相比常規(guī)壓裂增產(chǎn)效果明顯（見(jiàn)圖9）。

4 結(jié)論

（1）脈沖纖維壓裂的改造效果與儲(chǔ)層厚度、含氣飽和度、E/S、射孔簇?cái)?shù)目、前置液比例、總泵注液量呈正相關(guān)，與支撐劑濃度、滲透率呈負(fù)相關(guān)，而孔隙度、排量等參數(shù)存在最優(yōu)范圍值。

（2）影響選井、選層的因素重要性依次為含氣飽和度>孔隙度>E/S>儲(chǔ)層厚度>滲透率；影響改造效果的施工參數(shù)的重要性因素依次為前置液比例＞總液量＞射孔簇＞纖維加量＞排量＞支撐劑加量。

表3 各施工參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度

表4 儲(chǔ)層物性參數(shù)與脈沖纖維壓裂無(wú)阻流量的關(guān)聯(lián)度

表5 施工參數(shù)與脈沖纖維壓裂無(wú)阻流量的關(guān)聯(lián)度

圖8 蘇東氣田16 口井脈沖纖維壓裂增產(chǎn)倍數(shù)

圖9 （a） 蘇東氣田SD61-36 累積產(chǎn)氣量（脈沖纖維壓裂改造井）

圖9 （b） 蘇東氣田SD60-39 累積產(chǎn)氣量（鄰對(duì)比井，常規(guī)壓裂）

（3）滿足高含氣飽和度、孔隙度在10 %附近、高E/S、儲(chǔ)層厚度大、低滲透儲(chǔ)層可作為脈沖壓裂首選改造對(duì)象；采用高前置比、大排量（前置液階段）、高泵總液量、多射孔簇、高纖維加量、中等脈沖排量（4 m3/min～5 m3/min）、低支撐劑濃度的泵注程序可提高脈沖纖維壓裂改造效果。

（4）試驗(yàn)井脈沖纖維壓裂相比常規(guī)壓裂井平均日產(chǎn)量、累積產(chǎn)量高、生產(chǎn)平穩(wěn)、增產(chǎn)效果明顯。