何 燦 許小強(qiáng) 卿明友

(1.中國(guó)石化西南石油局井下作業(yè)公司 2.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 3.中國(guó)石化西南石油局固井公司)

0 引言

新場(chǎng)氣田上沙溪廟組(J2s)氣藏發(fā)現(xiàn)于1990年，擁有天然氣探明儲(chǔ)量約540×108m3，分為JS21(A層)、JS22(AB層)、JS23(B層)、JS24(C層)四個(gè)氣藏，其中，JS22和JS24以Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)量為主，占約73%，是新場(chǎng)氣田淺—中層天然氣的主要產(chǎn)層；JS21和JS23以Ⅲ類難動(dòng)用儲(chǔ)量為主，占約27%。整個(gè)J2s氣藏Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)量占約49%，Ⅲ類難動(dòng)用儲(chǔ)量占約51%。JS21和JS23難動(dòng)用儲(chǔ)量開發(fā)動(dòng)用程度低，要確保川西淺—中層天然氣的穩(wěn)產(chǎn)，在進(jìn)一步開發(fā)JS22和JS24剩余儲(chǔ)量的同時(shí)，必須加大對(duì)JS21和JS23難動(dòng)用儲(chǔ)量的有效開發(fā)。新場(chǎng)氣田J2s氣藏屬低-中孔、低滲、致密、高壓、非均質(zhì)性氣藏，儲(chǔ)層巖石孔隙度和滲透率低，孔滲關(guān)系復(fù)雜，孔隙喉道細(xì)小，孔隙結(jié)構(gòu)差，連通性差，單井控制的儲(chǔ)量范圍小，絕大多數(shù)井初產(chǎn)量很低，JS21和JS23氣藏許多井甚至沒有初產(chǎn)量，必須通過加砂壓裂改造才能投產(chǎn)。但經(jīng)10多年來的開發(fā)，JS22和JS24天然氣儲(chǔ)量豐度已明顯降低，常規(guī)小規(guī)模壓裂的增產(chǎn)效果明顯變差，單井產(chǎn)能大不如前；JS21和JS23儲(chǔ)滲物性條件比JS22和JS24更差，微裂縫更不發(fā)育，儲(chǔ)層連通性更差，儲(chǔ)量豐度和含氣品位更低，單井控制的天然氣儲(chǔ)量更小，小規(guī)模壓裂的增產(chǎn)效果更差，壓后單井產(chǎn)量更低。因此，要實(shí)現(xiàn)新場(chǎng)JS22和JS24剩余儲(chǔ)量及JS21和JS23難動(dòng)用儲(chǔ)量的有效開發(fā)，必須采用造長(zhǎng)縫的中大型加砂壓裂改造技術(shù)。

1 大型加砂壓裂技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外大型水力壓裂技術(shù)在致密砂巖油氣藏開發(fā)中的應(yīng)用始于上世紀(jì)70年代，到上世紀(jì)80、90年代已趨成熟。上世紀(jì)90年代中期以來，美國(guó)應(yīng)用大型水力壓裂技術(shù)開發(fā)了一批以Wattenberg氣田為代表的致密氣藏。Wattenberg氣田儲(chǔ)層巖石致密化程度高，孔隙度8%～12%，滲透率0.05mD。該氣田采用大型壓裂(砂量255m3)的氣井，其水力裂縫半長(zhǎng)可達(dá)1058m，壓后單井產(chǎn)量是常規(guī)壓裂井產(chǎn)量的3倍～5倍以上；T.M.Hopkins公司對(duì)美國(guó)棉花谷兩口低滲氣井采用的大型壓裂技術(shù)，分別加砂達(dá)428.5t和605.4t；美國(guó)的Hugoton、Carthage等致密砂巖氣田通過大型加砂壓裂改造也獲得天然氣的商業(yè)性開發(fā)[1]。

國(guó)內(nèi)的大型加砂壓裂施工始于上世紀(jì)90年代后期，1999年，新疆油田首次對(duì)盆參2井進(jìn)行了大型加砂壓裂改造，加入陶粒60m3，入地液量692.5m3，壓后獲原油產(chǎn)量3.73t/d，獲得的天然氣產(chǎn)量比壓前增加了20倍[2]。同年，中國(guó)石油西南油氣田公司與美國(guó)安然公司CNPC合作，對(duì)四川八角場(chǎng)氣田角58井、角41井、角59E井成功進(jìn)行了大型壓裂改造，分別加砂142m3、196m3、119m3，壓后天然氣產(chǎn)量分別由6.8×104m3/d、2.0×104m3/d和微產(chǎn)氣量增加到28×104m3/d、39.9×104m3/d和8×104m3/d。使國(guó)內(nèi)應(yīng)用大型加砂壓裂技術(shù)開發(fā)低滲致密砂巖氣藏獲得重大突破。此后，大型水力壓裂技術(shù)又在四川磨溪?dú)馓?、長(zhǎng)慶上古生界氣藏及中原油田深層致密砂巖氣藏取得成功。2003年，中國(guó)石油西南油氣田公司又對(duì)八角場(chǎng)氣田須四段的角61B井等進(jìn)行了大型加砂壓裂施工，加入陶粒245t，入地液量925.27m3[3]。2004年，吐哈油田對(duì)紅臺(tái)204井進(jìn)行了大型加砂壓裂改造，加砂量100.6m3，入地液量772.6m3，壓后獲天然氣初產(chǎn)量16×104m3/d，穩(wěn)定輸氣產(chǎn)量9.6×104m3/d[4]。同年，勝利油田對(duì)梁家樓油田梁 112塊特低滲透薄互層的一些油井進(jìn)行了大型加砂壓裂改造，壓后獲得了平均單井原油產(chǎn)量18.9t/d的良好效果[5]。2006年，華北油田對(duì)二連探區(qū)致密低孔特低滲油藏賽83X井和賽79井進(jìn)行了大型加砂壓裂改造，壓后兩口井分別獲得原油產(chǎn)量40.2t/d和18.7t/d[6]。

2003年，中國(guó)石化西南分公司專門設(shè)立了針對(duì)新場(chǎng)上沙溪廟組JS23氣藏難動(dòng)用儲(chǔ)量開發(fā)的大型加砂壓裂技術(shù)研究專題，成功地進(jìn)行了多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并獲得了良好的增產(chǎn)效果。近幾年來，又不斷完善和創(chuàng)新，加砂規(guī)模由專題研究期間的45m3～60m3不斷增大到現(xiàn)在的100m3(川孝495)～155m3(川孝491)～200m3(川孝495-1)，壓后天然氣的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果顯著提高[7]。

2 新場(chǎng)沙溪廟組氣藏大型加砂壓裂改造難點(diǎn)

中大型加砂壓裂加砂規(guī)模大(砂量可大于200m3)，施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，要求壓裂液必須具有較強(qiáng)的耐溫抗剪切性，以確保其長(zhǎng)時(shí)間施工的攜砂能力；需要較大的施工排量以確保足夠的造縫寬度和造縫長(zhǎng)度，進(jìn)而確保攜砂液在縫中的順利輸運(yùn)而不致發(fā)生砂堵。新場(chǎng)沙溪廟組氣藏近年來部署的開發(fā)井多為斜井，而斜井的大型壓裂則尤其如此。

2.1 壓裂液濾失和返排困難對(duì)儲(chǔ)層的傷害大

新場(chǎng)JS21和JS22氣藏以酸敏性礦物綠泥石為主，分別達(dá)66.83%和90.30%，速敏性礦物伊利石次之，分別為13.44%和9.70%；JS23氣藏以伊利石和綠泥石為主，分別達(dá)47.69%和39.81%，水敏性礦物蒙脫石則以伊/蒙混層形式出現(xiàn)，并高達(dá)10.17%；JS24氣藏伊利石、綠泥石和水敏性礦物高嶺石含量較高，分別達(dá)36.16%、29.02%和26.49%，伊/蒙混層相對(duì)較低，為8.33%。

儲(chǔ)層粘土礦物中的蒙脫石會(huì)發(fā)生水化膨脹，膨脹后的體積急劇增大，使原本細(xì)小的孔隙喉道進(jìn)一步減小，甚至完全堵塞，可將濾失進(jìn)入孔隙的壓裂液和孔隙中儲(chǔ)集的油氣封閉，引起嚴(yán)重的水鎖傷害；附著于孔隙和喉道表面的伊利石微小顆粒，在縫內(nèi)壓裂液高速流動(dòng)的作用下，會(huì)脫落而發(fā)生微粒運(yùn)移，堵塞細(xì)小的孔隙喉道及微裂縫，使孔隙中儲(chǔ)集的油氣不能暢通地流向井筒，引起嚴(yán)重的速敏傷害；綠泥石含有大量的鐵和鈣鎂成份，在壓裂液破膠后的弱酸性環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生二次沉淀而堵塞孔隙喉道和微裂縫，引起嚴(yán)重的酸敏傷害，影響天然氣增產(chǎn)效果差。

另一方面，新場(chǎng)J2s氣藏原始地層壓力雖然較高，屬異常高壓氣藏，但經(jīng)10多年來的開發(fā)，地層壓力已明顯降低，給壓裂液殘液的返排帶來很大困難，致使壓裂液殘液的返排率低(79井次的平均返排率為67.64%)，大量殘液滯留在儲(chǔ)層中，導(dǎo)致對(duì)儲(chǔ)層嚴(yán)重的水敏和酸敏傷害，大大影響壓后天然氣的增產(chǎn)效果。

2.2 儲(chǔ)層巖石致密化程度高使得水力裂縫延伸困難而容易發(fā)生砂堵

新場(chǎng)J2s氣藏巖石的平均孔隙度9.65%，主峰值在8%～11%之間；平均滲透率0.176mD，主峰值在0.1mD～0.2mD之間。儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育部位，滲透率可達(dá)幾個(gè)毫達(dá)西，微裂縫欠發(fā)育部位，滲透率又可小到0.001mD以下，表明新場(chǎng)J2s氣藏儲(chǔ)層滲透率的非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)差，多為小孔-微喉，部分中孔-微喉。儲(chǔ)層滲透率的非均質(zhì)性和孔隙結(jié)構(gòu)差對(duì)加砂壓裂施工極為不利，當(dāng)裂縫延伸進(jìn)入微裂縫發(fā)育區(qū)時(shí)，壓裂液濾失增大，影響主裂縫縫長(zhǎng)和縫寬的有效延伸，致使攜砂液泵送困難而導(dǎo)致砂堵。而且，巖石的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度很大，分別為1.03×104MPa～2.5×104MPa和58.1MPa～99.6MPa，而新場(chǎng)地區(qū)最小水平主應(yīng)力也較大，在40.81MPa～46.40MPa范圍，水力裂縫的延伸十分困難，大型加砂壓裂改造的難度很大。

2.3 斜度井裂縫彎曲而誘發(fā)多裂縫，主裂縫延伸困難，施工難度大

新場(chǎng)J2s氣藏絕大多數(shù)開發(fā)井都是部署在同一井場(chǎng)的大斜度定向井，且許多井的斜井段方位與該區(qū)最大水平主應(yīng)力分布方向的夾角較大。由于水力裂縫在斜井段的最初起裂方向不受地應(yīng)力控制，只與射孔方位相關(guān)而具有很大的隨機(jī)性，因此，巖石破裂初期形成的裂縫方向與最大水平主應(yīng)力方向不一致，但裂縫在延伸過程中卻嚴(yán)格受地應(yīng)力控制而最終會(huì)平行于最大水平主應(yīng)力(垂直于最小主應(yīng)力)，這就決定著裂縫從起裂到平行于最大水平主應(yīng)力之前的延伸軌跡是成彎曲形態(tài)的(即裂縫在近井帶彎曲)。裂縫的彎曲不僅會(huì)增大壓裂流動(dòng)摩阻(彎曲摩阻)，導(dǎo)致井口壓力升高和施工難度加大，而且裂縫在近井帶彎曲延伸很容易誘發(fā)多裂縫，而多裂縫對(duì)壓裂液濾失分流作用比天然微裂縫更大，主裂縫縫寬和縫長(zhǎng)延伸更加困難，達(dá)不到容納設(shè)計(jì)加砂量的造縫體積，極易發(fā)生砂堵，致使大斜度井大型加砂壓裂施工難度很大。

3 新場(chǎng)J2s氣藏中大型加砂壓裂工藝技術(shù)對(duì)策

3.1 優(yōu)選壓裂液體系

針對(duì)中大型壓裂施工時(shí)間長(zhǎng)和新場(chǎng)J2s氣藏壓裂改造中的儲(chǔ)層傷害大的難題，在模擬J2s氣藏溫度和壓力條件下，對(duì)組成壓裂液配方的主要添加劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，重點(diǎn)優(yōu)選了稠化劑、粘土穩(wěn)定劑(防膨劑)、助排劑、膠聯(lián)劑和破膠劑等添加劑種類和使用濃度，優(yōu)選獲得的壓裂液配方體系攜砂能力強(qiáng)，防膨性能好，表面張力低，施工降摩阻低，傷害性低，巖心滲透率平均傷害率只有23%，比常規(guī)壓裂液傷害率30%-50%低。在優(yōu)選破膠劑用量方面，主要采用了快速同步破膠技術(shù)，滿足了壓后快排強(qiáng)排液工藝對(duì)破膠速度的要求。

3.2 采用高效強(qiáng)排快排液工藝

針對(duì)新場(chǎng)J2s氣藏儲(chǔ)層敏感性傷害和經(jīng)10多年開發(fā)后的地層壓力已明顯衰減而排液困難的問題，采用液氮拌注工藝，以通過液氮在地層中形成泡沫而體積膨脹來增大排液的驅(qū)動(dòng)壓力，加速壓裂液殘液快速而徹底返排；并在確保凍膠壓裂液快速破膠的前提下，采取施工結(jié)束后立即開井用大油嘴排液的快排強(qiáng)排工藝，以加快排液速度，縮短壓裂液殘液在地層中的滯留時(shí)間，提高殘液返排率，降低殘液在地層中的滯留量，進(jìn)而降低壓裂液殘液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。而且，采用尾追纖維支撐劑排液工藝，即在加砂的尾期階段拌入纖維支撐劑，通過纖維的高度纏繞將支撐劑包裹成團(tuán)而不致被高速流動(dòng)的殘液帶出縫口，進(jìn)而防止了支撐劑的回流，消除了安全隱患。

3.3 針對(duì)斜井壓裂中裂縫彎曲和多裂縫問題采用針對(duì)性的壓裂工藝

針對(duì)新場(chǎng)J2s氣藏儲(chǔ)層天然微裂縫和斜井多裂縫對(duì)壓裂液濾失分流及斜井水力裂縫在近井帶彎曲致使主裂縫延伸困難而容易砂堵的難題，采用在前置液階段拌入小粒徑陶粒粉砂工藝，防止了壓裂液的濾失分流，并采用大排量施工工藝(≥5m3/min～6m3/min)，以促使主裂縫縫寬和縫長(zhǎng)的有效延伸而防止砂堵。采用在前置液中拌入低濃度支撐劑段塞工藝，以沖蝕近井帶窄小而彎曲延伸的主裂縫，降低壓裂液流動(dòng)阻力(摩阻)。通過采用這些工藝，有效解決了原來小規(guī)模加砂壓裂容易砂堵的難題，大大降低了砂堵的幾率和壓裂液的濾失，確保了大型加砂壓裂施工的成功率和降低了壓裂液濾失帶來的儲(chǔ)層傷害。

4 中大型壓裂技術(shù)在新場(chǎng)沙溪廟組氣藏開發(fā)中的應(yīng)用效果

針對(duì)新場(chǎng)J2s氣藏大型加砂壓裂改造的難題而采用相應(yīng)的工藝技術(shù)對(duì)策之后，顯著提高了加砂壓裂施工的成功率，降低了儲(chǔ)層傷害，并獲得了工藝技術(shù)上的不斷改進(jìn)和完善，加砂規(guī)模也從原來的45m3～60m3增加到了目前的100m3以上，甚至能成功完成155m3(CX 491井)和200m3(CX 495-1井)的特大型加砂壓裂施工，壓后天然氣增產(chǎn)效果得到了顯著提高。表1是近年以來新場(chǎng)J2s氣藏大型壓裂與小規(guī)模壓裂增產(chǎn)效果的統(tǒng)計(jì)對(duì)比情況。

表1 新場(chǎng)J2s氣藏小規(guī)模壓裂與中大型壓裂增產(chǎn)效果對(duì)比表

由表1可見，采用中大型壓裂的平均單層增加天然氣無(wú)阻流量顯著高于小規(guī)模壓裂的平均單層增加無(wú)阻流量。新場(chǎng)JS21和JS23采用小規(guī)模壓裂施工43層次，總增加天然氣無(wú)阻流量71.4143×104m3/d，平均單層增加無(wú)阻流量?jī)H1.6608×104m3/d，平均增產(chǎn)倍數(shù)9.1倍。JS22和JS24采用小規(guī)模壓裂施工66層次，總增加天然氣無(wú)阻流量226.2806×104m3/d，平均單層增加天然氣無(wú)阻流量3.4285×104m3/d，平均增產(chǎn)倍數(shù)12.6倍。JS21和JS23氣藏采用中大型壓裂施工25層次，增加天然氣總無(wú)阻流量190.7655×104m3/d，平均單層增加天然氣無(wú)阻流量7.6306×104m3/d，平均增產(chǎn)倍數(shù)達(dá)27.6倍，是小規(guī)模壓裂平均單層增產(chǎn)倍數(shù)的3倍。JS22和JS24氣藏采用中大型壓裂施工51層次，總增加天然氣無(wú)阻流量486.6666×104m3/d，平均單層增加天然氣無(wú)阻流量9.5425×104m3/d，平均增產(chǎn)倍數(shù)19倍，是小規(guī)模加砂壓裂平均單層增產(chǎn)倍數(shù)的1.5倍。表明大型壓裂的造縫長(zhǎng)度大，溝通的天然氣儲(chǔ)滲區(qū)域大，供氣半徑大，故增產(chǎn)效果顯著。

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)新場(chǎng)上沙溪廟組氣藏儲(chǔ)層巖石低滲致密，儲(chǔ)滲物性差，孔喉細(xì)小，孔隙結(jié)構(gòu)差，連通性差，單井控制范圍小，天然氣初產(chǎn)量低，絕大多數(shù)開發(fā)井都需要加砂壓裂改造才能投產(chǎn)。但經(jīng)10多年來的開發(fā)， J2s氣藏儲(chǔ)量品位或豐度已顯著降低，小規(guī)模加砂壓裂改造效果已明顯變差,必須采用中大型加砂壓裂改造才能有效提高單井天然氣的增產(chǎn)效果和延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期。

(2)新場(chǎng)J2s氣藏儲(chǔ)層粘土礦物含量高，敏感性強(qiáng)，儲(chǔ)層孔滲性的非均質(zhì)性強(qiáng)，在微裂縫發(fā)育帶和斜井多裂縫發(fā)育的近井帶，壓裂液濾失量大；隨著天然氣開發(fā)程度的增加，地層壓力已明顯降低，壓后壓裂液殘液返排困難，返排速度和返排率低，壓裂液滯留地層量大，給儲(chǔ)層帶來的水鎖、酸敏等敏感性傷害嚴(yán)重。優(yōu)選性能優(yōu)良的添加劑和采用液氮拌注助排、快速同步破膠、快排強(qiáng)排液和尾追纖維防出砂等工藝技術(shù)能有效提高壓裂液的返排速度和返排率，降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層帶來的嚴(yán)重傷害，顯著提高支撐裂縫的導(dǎo)流能力，進(jìn)而提高天然氣的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果。

(3)斜井水力裂縫的起裂方向不受地應(yīng)力控制而具有很大的隨機(jī)性，但在裂縫延伸過程中卻嚴(yán)格受地應(yīng)力的控制而平行于最大水平主應(yīng)力。因此，斜井水力裂縫在近井帶彎曲，并容易誘發(fā)多裂縫而導(dǎo)致壓裂液的大量濾失，使得在裂縫延伸端口處沒有足夠的壓裂液聚集而蹩起足夠的裂縫延伸壓力，裂縫寬度和縫長(zhǎng)延伸困難，致使近井帶裂縫窄小而極易發(fā)生砂堵。采用在前置液中拌入小粒徑粉陶降濾和低濃度支撐劑段塞沖蝕及大排量施工工藝，能有效降低壓裂液的濾失，確保主裂縫的有效延伸和降低裂縫在近井帶的彎曲，有利于大攜砂液量的長(zhǎng)時(shí)間輸運(yùn)，進(jìn)而確保大型加砂壓裂施工的順利進(jìn)行。

(4)中大型加砂壓裂造縫長(zhǎng)度大，溝通的天然氣儲(chǔ)滲富集區(qū)域大，泄氣面積或供氣半徑大，因此，增產(chǎn)效果遠(yuǎn)比小規(guī)模壓裂顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀，是解決新場(chǎng)J2s低孔滲致密氣藏天然氣剩余儲(chǔ)量和難動(dòng)用儲(chǔ)量有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)手段，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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