多級加砂壓裂工藝在致密氣儲層中的應用

袁文奎，王明昊，王緒性，陳 玲，周 彪

(1 中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；2 天津市海洋石油難動用儲量開采企業(yè)重點實驗室，天津 300459；3 中聯(lián)煤層氣有限責任公司神木分公司，陜西 榆林 719300)

水力壓裂技術(shù)是世界范圍內(nèi)目前應用最廣的增產(chǎn)技術(shù)之一，廣泛應用于低滲致密砂巖油氣藏、頁巖氣、煤層氣等不同類型儲層中。其中多級加砂壓裂技術(shù)是近些年在各大油田中廣泛應用的一項技術(shù)，廣泛應用于疏松油藏、致密氣藏等不同儲層中。多級加砂壓裂技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)油田廣泛應用[1-5]，主要針對儲層非均質(zhì)性強、目的層下隔層遮擋弱、儲層厚度大等情況。本文針對鄂爾多斯盆地發(fā)育有煤層的致密砂巖層，在壓裂改造中出現(xiàn)的施工壓力異常上升、加砂困難等問題，針對性的提出了多級加砂技術(shù)，現(xiàn)場應用后大大提高了壓裂作業(yè)的成功率。

1 致密氣儲層壓裂特征

鄂爾多斯盆地東緣致密氣藏發(fā)育，主力層位有石盒子組、山西組、太原組等。其中山西組、太原組上下多發(fā)育煤層，復雜巖性的存在導致壓裂過程中壓力異常波動，加砂完成率低，影響了儲層改造效果。圖1[6]所示，在鄂爾多斯盆地東緣晚古生代沉積剖面上發(fā)育有連續(xù)的多套煤層。上部發(fā)育有大段泥巖遮擋層，可以有效控制裂縫向上延伸；目的層下部緊鄰煤層，壓裂設計時需要考慮煤層對裂縫擴展的影響。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣晚古生代含煤地層剖面

圖2為類似儲層壓裂施工曲線，采用帶封隔器油管正注方式壓裂。從曲線可以看出，5%～7%砂比段塞進入地層后，油壓有輕微的上漲，之后平穩(wěn)；14%砂比進入地層后，油壓上漲趨勢明顯。20%砂比階段，油壓持續(xù)上漲；提高砂比至25%后，油壓快速上漲，之后停砂頂替，頂替階段發(fā)生超壓。本井未按照設計完成壓裂作業(yè)。

圖2 某1井本溪組壓裂施工曲線圖(油管正注帶封隔器)

為解決含煤層或灰層致密氣儲層壓裂過程中，中-高砂比階段(15%以上)壓力快速上漲問題，現(xiàn)場試驗應用了二級、三級等多級加砂技術(shù)，根據(jù)儲層物性及壓裂設計需求，將總砂量分成多批分次加入地層。如圖3所示，分三級加入支撐劑，每級加入之間停泵一段時間，待支撐劑沉降后在裂縫底部形成一定的遮擋層，再次加砂時裂縫在高度方向延伸受限，增加裂縫長度與寬度，達到裂縫在目的層內(nèi)充分延伸的目的。

圖3 多級加砂示意圖

2 多級加砂壓裂工藝參數(shù)設計

區(qū)別于常規(guī)加砂壓裂，多級加砂壓裂最重要的工藝參數(shù)是加砂“級數(shù)”的選擇、停泵時間的確定，因此在工藝設計上與之前方法比有些許不同。

2.1 加砂級數(shù)確定

加砂級數(shù)是該工藝最關(guān)鍵的參數(shù)。加砂級數(shù)少，達不到形成人工隔層、充分改造儲層的目的；加砂級數(shù)多，則壓裂液用量大幅度增加，成本上升。關(guān)于加砂級數(shù)，尚未形成理論化的設計方法，目前主要有兩種確定方法：一是根據(jù)儲層厚度及儲層物性，利用模擬軟件進行優(yōu)化，確定加砂級數(shù)[4]；二是利用壓裂模擬軟件，在不同加砂比例、加砂級數(shù)條件下進行模擬，根據(jù)得到的裂縫參數(shù)變化規(guī)律確定加砂級數(shù)。

一般認為，滲透率越低，需要的壓裂級數(shù)越多；儲層厚度越大，需要的壓裂級數(shù)越多；儲層下部巖性越復雜，需要的壓裂級數(shù)越多。目標區(qū)塊滲透率多在0.5 md以下，儲層厚度在5～10 m左右，一般多設計2級加砂；對于下部發(fā)育有大段煤層或灰?guī)r的儲層，可以設計3級加砂。

2.2 停泵時間確定

對于多級加砂而言，停泵時間短，之前形成的裂縫尚未閉合，支撐劑沉降不完全，不能很好的起到人工隔層的作用；停泵時間長，壓裂液濾失大，對儲層的傷害就大。通過裂縫閉合情況，可以確定停泵時間。裂縫閉合時間的確定主要依據(jù)本區(qū)塊小型壓裂壓降分析數(shù)據(jù)確定。

以某1井為例，利用FracProPT對該井壓降曲線進行分析。從圖4可以看出，通過G函數(shù)分析確定該井目的層閉合壓力梯度為0.0171 MPa/m，折算地面閉合壓力為14.6 MPa。該井進行多級加砂壓裂時，當停泵期間壓力降至14.6 MPa左右時，認為裂縫接近閉合，可以進行下一級壓裂作業(yè)。

圖4 某1井測試壓裂壓降曲線G函數(shù)分析圖

此外，從該井G函數(shù)曲線分析，該井濾失特征表現(xiàn)為停泵期間裂縫高度衰減[7]。認為縫高延伸到目的層以外高應力儲層，停泵期間非目的層先閉合，之后目的層內(nèi)裂縫閉合。這與儲層物性發(fā)育特征及裂縫擴展特征相符合。

3 現(xiàn)場應用實例

某3井目的層下部發(fā)育有灰?guī)r，上部泥巖隔層發(fā)育，如圖5所示。為更好的控制裂縫在目的層內(nèi)延伸，本井設計2級加砂壓裂：一級設計加砂6.6 m3，施工排量3.0～4.5 m3/min，砂比5%-7%-14%，線性膠加砂；二級設計加砂29.4 m3，施工排量3.5 m3/min，砂比14%-20%-25%-30%-35%，凍膠加砂。設計停泵時間60 min，根據(jù)區(qū)塊同一層位閉合壓力數(shù)據(jù)，預測該井地面閉合壓力為15 MPa；現(xiàn)場根據(jù)實際壓降情況確定停泵時間，施工曲線見圖6所示。

圖5 某3井目的層測井解釋成果圖

圖6 某3井多級加砂壓裂施工曲線

從圖6可以看出，多級加砂壓裂主要有以下特征：

(1)二級加砂的施工壓力高于一級加砂。從油壓曲線看，二級加砂的施工壓力比一級加砂高1～3 MPa；此外，一級加砂停泵壓力為18.1 MPa，二級加砂停泵壓力為21.6 MPa，這都表明二級加砂縫內(nèi)凈壓力比一級加砂高，形成的裂縫寬度更大。

(2)對比常規(guī)加砂，多級加砂作業(yè)過程中施工壓力更為平穩(wěn)；從施工成功率來看，對于復雜巖性儲層，多級加砂要高于常規(guī)加砂。

4 結(jié) 論

對于目的層下部含有煤層等復雜巖性的儲層，采用多級加砂壓裂工藝，可以控制裂縫向下擴展。二級加砂主裂縫主要在一級加砂形成的裂縫基礎上延伸，更有利于致密氣儲層形成長縫的需求；同時因二級加砂是裂縫縱向延伸受限，縫內(nèi)凈壓力高于一級加砂，形成的裂縫寬度更大，近井筒地帶導流能力更高。