天然斷裂帶干擾下的復合暫堵壓裂工藝參數優化

宋志同,王峻源, 徐偉寧,李 寧,馮學東,吳保中

(1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司試油公司,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司開發事業部,四川成都 610212)

頁巖氣儲層改造過程中原則上應盡量避開斷層,若斷層是富集氣區域,有效溝通天然裂縫對產量有極大的提升,但施工過程中既要合理溝通斷層又要克服斷層的應力集中及強濾失等不利影響,這是頁巖氣儲層改造的難點。

研究區屬于長寧區塊優質頁巖,厚度大、壓力系數較高(2.0)、脆性指數高(65.0%～72.5%)、孔隙度中等(4%～5%),有寧39、寧41號兩條非均質斷層。該區域天然裂縫發育,聯通性較強,因此在壓裂過程中應加強監測,實時調整施工參數,避免套管變形。

前人對天然裂縫應力不均、濾失、孔眼進液差異大等問題做了大量的研究工作[1-6],但對頁巖氣儲層改造中斷層影響的探討和研究相對較少,因此開展斷層對頁巖氣儲層改造中的影響及應對措施具有重要意義。

1 復合暫堵壓裂工藝

1.1 復合暫堵機理

暫堵轉向壓裂工藝技術相對較成熟,包括對暫堵球材質、數量、大小等都做了大量的理論探索和礦場實踐[7-8]。針對長寧M區塊地質與工程參數提出的復合暫堵壓裂工藝,經砂液沖蝕打磨后射孔孔眼大部分呈不規則的形狀,多為雙翼型、多邊型等,因此當壓裂過程中需要段內暫堵時,選用的暫堵球是規則的球體,無法做到完全封堵,這種情況下就會加大孔眼邊緣水力沖擊磨蝕作用,邊緣高速進液時,已入座的暫堵球會有滑脫的風險。結合現場實際提出復合暫堵工藝,投暫堵球的同時加入暫堵劑(投球旋塞打開之后緊接著投送暫堵劑),不同粒徑暫堵劑就能彌補暫堵球周圍空隙,實現完全封堵,此時孔眼不進液,液體壓力全部作用在暫堵球上,增加了暫堵球入座的穩定性。

1.2 復合暫堵強度修正模型

現場應用的一種成熟可靠的水溶性暫堵劑,具有清潔無污染、承壓效果好、滲透率恢復率高、溶解時間可控、耐高溫等優點。根據壓裂規模、裂縫網絡特征、裂縫形態、嵌入比例,暫堵劑用量修正公式[9]。

(1)

式中:G為縫內暫堵壓裂時的暫堵劑用量,kg;Δd為濾餅厚度,cm;ρa為暫堵劑視密度,g/cm3;k為暫堵劑嵌入比例(40%);h為動態裂縫高度,mm;w為動態裂縫寬度,mm;α為損耗系數,一般為1.3～1.5。

1.3 復合暫堵壓裂工藝參數優化

天然裂縫帶(斷層)的存在能夠降低巖石壁面強度,便于水力裂縫起裂與擴展。水力裂縫與斷層真正有效溝通才能形成復雜的裂縫網絡,獲得更大的儲層改造體積[10]。斷層與天然微裂縫不同,具有強濾失、抗張強度大、影響范圍大、凈壓力低、水力裂縫延伸困難、易脫砂等特征,很難同時發生張性破壞、剪切破壞。針對斷層的改造目的是有效溝通,及時控制單翼過渡改造,同時也減小砂堵施工的風險。

1.3.1 暫堵球參數優化

1)暫堵球在頁巖氣縫網轉向壓裂中的應用較成熟,但對不同區塊、不同儲層、不同層段之間存在地質參數差異(應力差、地層應力、楊氏模量、泊松比、原始儲層壓力、天然裂縫逼近角、傾角、抗張強度等),需對該儲層暫堵參數進行優化。

2)長寧M區塊某平臺應力差為7～10 MPa,適合暫堵轉向壓裂利于形成復雜縫網。根據現場實踐,暫堵球數量優選為總孔眼的1/3～1/2,最多不超過總孔眼數的1/2,原因是投球過多易造成超壓,影響施工。投球數量不宜過少(原則上不少于總孔眼數的1/3),投球數量過少,沿井筒兩翼裂縫差異大,改造不均勻。另外,如果段間沒有應力差或者小于1 MPa,則可以選擇不投暫堵球(層間應力差異小,靠孔眼磨阻則可以迫使液體分流,均勻進液),根據施工壓力及地面裂縫監測情況選擇具體投球時機。

3)基于現場實踐,通過井下電視分析施工后各簇孔眼磨蝕情況,如圖1所示。孔眼不規則現象,最大孔眼磨蝕面積是初始孔眼面積3倍之多,單純靠投圓球型暫堵球已無法實現全密封。因此,需要優化暫堵球粒徑、暫堵劑配比等復合暫堵參數。不同施工階段暫堵球直徑選擇為:1/3～1/2總液量時選擇15 mm,1/2總液量時選擇19 mm,施工中后期選擇22 mm。

1.3.2 暫堵劑參數優化

1)暫堵轉向壓裂工藝中,暫堵劑的濃度起到至關重要的作用。采用重復壓裂模擬軟件(Re-Frac)進行暫堵劑濃度優化,輸入參數為:埋藏深度、水平應力差、壓力梯度、裂縫預測寬度、射孔直徑大小、暫堵劑用量、排量大小、井筒容積、嵌入比等參數,模擬結果顯示,暫堵劑濃度為80～100 kg/m3時效果最佳。

2)通過現場實踐總結出長寧M區塊暫堵劑最佳配比組合,大大增加了斷層干擾的儲層改造封堵轉向效果。圖2是儲層均勻的不同段單獨投暫堵球(19顆15 mm暫堵球)和配合暫堵劑的復合暫堵工藝(不同配比300 kg暫堵劑+19顆15 mm暫堵球)的對比。考慮施工限壓(95 MPa),暫堵劑顆粒粉末最優配比參數為24～33,有效地封堵了孔眼附近不規則間隙,減小了濾失、脫砂風險,轉向效果明顯(壓力漲幅5～7 MPa),后續施工平穩。顆粒比例過低起不到封堵暫堵球周圍間隙的作用,轉向效果不明顯,顆粒比例過高易造成縫口和孔眼過渡封堵引起瞬間超壓,影響后續施工。

圖2 復合暫堵與暫堵球封堵效果對比

2 礦場實踐

復合暫堵壓裂工藝在長寧區塊已成功應用多口井,不同儲層的復合暫堵壓裂工藝參數不同,有斷層穿行的水平井,復合暫堵參數需實時調整。長寧 HX-Y井是一口開發井,水平段B靶點附近有斷層穿過,目前的監測手段不能充分了解斷層的性質及儲層情況,后期壓裂過程中不可避免會溝通斷層,這就需要提前做好應對措施,避免脫砂嚴重造成砂堵風險。

2.1 井況概述

長寧HX-Y井測井資料顯示, 5 140.0～5 308.0 m井段斯通利波衰減明顯,指示裂縫發育。螞蟻體裂縫預測井段5 275.0～5 425.0 m強響應。

水平段長1 946.0 m,A點3 550.0 m后測井解釋井段3 550.0～5 456.0 m(段長1 906.0 m)。Ⅰ類優質頁巖儲層鉆遇1 764.60 m,鉆遇率94.7%;Ⅱ類儲層鉆遇78.7m,鉆遇率4.2%;Ⅲ類儲層鉆遇19.7 m,鉆遇率1.1%。

2.2 壓裂設計

長寧HX-Y井共設計30段分段壓裂。按照有利于形成復雜縫網的原則,主體段每段分6簇射孔,孔密度16孔/m,每簇射孔段長0.5 m,相位角為60°,總孔數48孔。復合暫堵壓裂工藝設計暫堵球為總孔數的1/2,確保每簇射孔孔眼均能有效開啟。

本井設計6段復合暫堵壓裂段,分別為6～7段、11～12段、16～17段,其中6～7段采取上述暫堵劑用量公式復合暫堵,效果不理想。考慮斷層特征及該區塊裂縫延伸形態對公式中動態縫寬6～7 mm,暫堵劑嵌入比40%,損耗系數1.3～1.5進行修正;修正后的動態縫寬7～8 mm,暫堵劑嵌入比50%,損耗系數1.6～2.0。表1為修正前后暫堵劑用量對比。

表1 修正前后暫堵劑用量統計

2.3 施工應用

長寧HX-Y井設計排量為16 m3/min,施工壓力為75～85 MPa,暫堵球采用液壓旋塞開啟,不受排量影響。現場施工中為了滿足暫堵劑濃度要求,保障壓裂泵頭的正常供液,可將復合暫堵工藝排量降至14 m3/min。微地震監測顯示,需要復合暫堵工藝時,可開動液壓旋塞投暫堵球,旋塞打開后同時開始投暫堵劑。在球入座孔眼時形成壓差,尾追的暫堵劑濃度隨之增加,鑲嵌在暫堵球周圍間隙,配合暫堵球進行封堵孔眼,剩余的的暫堵劑通過液體轉向伴隨液體進入裂縫內部,實現縫內暫堵。施工曲線判斷暫堵球、暫堵劑到位漲壓情況時,排量恢復至16 m3/min。繼續改造前期進液少的孔眼,表2為復合暫堵施工參數及到位后壓力漲幅。

表2 復合暫堵施工參數及效果統計

2.3.1 復合暫堵效果分析

復合暫堵參數優化后暫堵效果明顯,暫堵材料到位后壓力漲幅顯著提高,微地震事件點成兩翼均勻分布,證明復合暫堵工藝是成功的。

圖3是長寧HX-Y-6段施工曲線及微地震事件點。本段施工排量16 m3/min,砂量140.23 t,液量1 869 m3。施工液量為800 m3時微地震事件點較少,能級較低,在第10段位置出現微地震事件點,判斷斷層的影響導致人工裂縫與斷層溝通。第10段附近天然裂縫比較發育,造成段間溝通,此時決定投暫堵球和暫堵劑200 kg,暫堵材料到位的壓力漲幅1.5 MPa,壓力漲幅不大。復合暫堵之后,微地震事件點沒有明顯增加,在第10段右側出現5個微地震事件點,判斷孔眼沒有完全封堵,存在間隙。本段受斷層影響,微地震事件點共25個,判斷改造不充分。

圖3 長寧HX-Y-6段復合暫堵壓裂施工曲線和微地震事件點對比

圖4是長寧HX-Y-12段施工曲線及微地震事件點,本段施工排量16 m3/min,砂量140.35 t,液量1 854 m3。施工液量為900 m3時,微地震事件點較多,事件點多集中在井筒左側,此時決定投暫堵球和暫堵劑300 kg,暫堵球數量不變,暫堵劑增加為300 kg,暫堵材料到位后壓力漲幅為7 MPa,壓力漲幅明顯。復合暫堵之后微地震事件明顯增加,井筒右側大量出現且能級較大。未壓裂層段沒有發現微地震事件點,本段總微地震事件點共80個,是第6段事件點的3倍之多。綜上所述,調整后的復合暫堵工藝壓力漲幅明顯、封堵效果好、微地震事件點多、改造充分。

利用Meyer軟件模擬長寧HX-Y井第6段和第12段G函數分析曲線。從G函數對比可以看出,兩個曲線都存在天然裂縫特征,HX-Y井第6段表現為波動小,有天然裂縫特征,停泵后裂縫端部繼續延伸;HX-Y井第12段表現為曲線前期快升快降、后期波動較大,有明顯天然裂縫,多裂縫特征明顯。G函數分析認為,第12段裂縫復雜程度遠高于第6段,與微地震事件點吻合,進一步驗證了復合暫堵工藝的可行性。

2.3.2 測試結果

對長寧HX-Y井壓裂改造30段,復合暫堵壓裂6段,壓后試氣測試,采用穩壓逐步增加油嘴的方式。10 mm油嘴產氣量為31.5×104m3/d,壓力為25.5 MPa,測試產量高于同區塊常規壓裂改造井。表3為相鄰平臺同樣受斷層影響而沒有采取復合暫堵轉向工藝措施的兩口井與該井生產數據對比。

3 結論

1)針對斷層影響的壓裂段,采用復合暫堵壓裂工藝,可以有效地避免斷層的不利影響,增大改造體積。測試產量和穩產期均高于同區塊常規壓裂改造井。

2)結合微地震及斷層特征,實時修正暫堵材料使用參數,有效克服了暫堵球密封不嚴、濾失嚴重、裂縫復雜程度不夠等技術難題。