范志坤，任韶然，張 亮，羅 炯

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580;2.中油華北油田分公司，河北 任丘 062550)

引 言

近年來(lái)，隨著壓裂技術(shù)在油氣井增產(chǎn)增注過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害問(wèn)題日益凸顯。根據(jù)流體性質(zhì)的不同，壓裂液傷害可分為液相傷害、固體傷害、壓裂液濾餅及濃縮傷害等［1－2］。液相損害主要是指地層黏土與壓裂液接觸后發(fā)生膨脹、分散、運(yùn)移等水敏現(xiàn)象。固體損害主要指破膠后的壓裂液殘留固相顆粒阻塞喉道與支撐裂縫的現(xiàn)象。壓裂液濾餅及濃縮傷害是指由于濾失作用，裂縫表面形成致密的濾餅，同時(shí)濾液進(jìn)入地層裂縫內(nèi)形成濃縮壓裂液，引起破膠困難，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力大大降低的現(xiàn)象。為了克服水基壓裂液在壓裂施工過(guò)程的諸多問(wèn)題，可以采用氣體作為壓裂介質(zhì)(如N2和CO2等)。氣體壓裂具有對(duì)儲(chǔ)層傷害小、壓裂液返排速率快等優(yōu)點(diǎn)，可較好地解決超低滲儲(chǔ)層中水力壓裂遇見(jiàn)的問(wèn)題。LPG(液化石油氣)作為1種特殊壓裂介質(zhì)，成分組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由丙烷組成，還有少量的乙烷、丙烯、丁烷和添加劑成分。添加劑成分主要是由磷酸鹽酸脂與硫酸鋁反應(yīng)生成的稠化劑，由于該稠化劑的碳鏈長(zhǎng)度與儲(chǔ)層流體相近，通過(guò)調(diào)節(jié)稠化劑的濃度可以獲得理想的壓裂液黏度，從而獲得較好的攜砂效果［3］。LPG壓裂介質(zhì)由美國(guó)GASFRAC能源服務(wù)公司首先提出和利用，其在攜砂過(guò)程中具有液態(tài)介質(zhì)的特征，而在壓裂過(guò)程中又體現(xiàn)出氣體的特征，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，特別在北美地區(qū)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［2］。與常規(guī)壓裂液相比，LPG具有密度低，表面張力低，與儲(chǔ)層流體完全兼容的特點(diǎn)。有效地克服了常規(guī)水基壓裂液儲(chǔ)層污染嚴(yán)重、返排率低等缺點(diǎn)［4－6］。本文分析了LPG壓裂介質(zhì)的壓裂特點(diǎn)、作用機(jī)理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，為L(zhǎng)PG壓裂技術(shù)在中國(guó)的研究和應(yīng)用提供了理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 LPG壓裂技術(shù)特點(diǎn)

LPG壓裂液的使用完全避免了壓裂施工過(guò)程中水的使用，與水基壓裂液相關(guān)的水敏、鹽敏、潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)等儲(chǔ)層傷害可以完全消除。同時(shí)，LPG壓裂還避免了施工結(jié)束后返排水基壓裂液的處理工作，消除了壓裂液對(duì)于環(huán)境的影響，具有較好的環(huán)境效益。與常規(guī)水力壓裂技術(shù)相比，LPG壓裂技術(shù)的壓裂液返排率高、有效裂縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，且壓裂液可以和儲(chǔ)層流體混相，提高原油的最終采收率。

1.1 壓裂液返排率高

壓裂液返排率是評(píng)價(jià)壓裂效果的1個(gè)重要參數(shù)。壓裂液返排率越高，即滯留在儲(chǔ)層中的壓裂液越少，對(duì)儲(chǔ)層的傷害也就越?。?－8］。Tannich指出，在壓裂施工返排階段，近井地帶的壓裂液飽和區(qū)首先返排，隨著壓降漏斗的逐漸擴(kuò)散，儲(chǔ)層深部的壓裂液將會(huì)與近井地帶的儲(chǔ)層流體競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入裂縫，如果儲(chǔ)層能量不足以克服毛細(xì)管力和流體流動(dòng)的摩擦阻力，壓裂液將被束縛在儲(chǔ)層孔隙內(nèi)不能產(chǎn)出，導(dǎo)致“水鎖”現(xiàn)象的發(fā)生?！八i”影響油氣向井筒的運(yùn)移，造成壓裂增產(chǎn)措施的失效，甚至影響儲(chǔ)層的整體開(kāi)發(fā)效果［9］。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:水基壓裂液的返排率一般都較低，壓裂施工結(jié)束后，將會(huì)有30% ～80%的壓裂液滯留在儲(chǔ)層中，對(duì)儲(chǔ)層造成巨大的傷害［10］。而LPG壓裂液由于其相對(duì)密度低、表面張力低，破膠降黏快，再加上獨(dú)特的氣化膨脹特性，返排阻力很小，施工結(jié)束后可以完全依靠自身能量在1～2 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)徹底返排，且經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，可重復(fù)使用。LPG壓裂液的返排率為80% ～100%，且大多都在90% 以上［4］。

1.2 有效裂縫長(zhǎng)度長(zhǎng)

有效裂縫長(zhǎng)度是指在油氣井生產(chǎn)或者注入過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)或者注入做出貢獻(xiàn)的裂縫長(zhǎng)度(圖1)。在壓裂施工過(guò)程中，壓裂產(chǎn)生的裂縫在壓力降低后并不能完全被支撐劑所支撐。對(duì)于支撐裂縫，由于“水鎖”現(xiàn)象等儲(chǔ)層傷害的發(fā)生，也僅有部分裂縫對(duì)生產(chǎn)井具有增產(chǎn)效果［9，11］。

圖1 壓裂有效裂縫示意圖

LPG壓裂介質(zhì)經(jīng)過(guò)稠化劑處理，黏度可以控制為100～1 000 mPa·s，具有較好的攜砂能力，并能夠均勻地鋪砂，鋪砂結(jié)束后，壓裂液氣化破膠，破膠時(shí)間可以控制在0.5～4.0 h之間。因此，LPG壓裂可以獲得較長(zhǎng)的支撐裂縫，考慮到LPG壓裂液較高的返排率，LPG獲得的支撐裂縫長(zhǎng)度幾乎等于有效裂縫長(zhǎng)度。

1.3 與油氣的混相作用

LPG壓裂液與儲(chǔ)層流體具有較好的兼容性，尤其在油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，LPG可以與原油發(fā)生一次混相，界面張力為零，LPG可以和原油以任意比例互溶混合，從而獲得較高的洗油效率。另外，LPG壓裂液破膠后，黏度較低，與原油混相后可以降低原油的黏度，提高原油的流度，從而獲得較高的波及系數(shù)［12］。原油采收率為洗油效率與波及系數(shù)的乘積，因此，經(jīng)過(guò)LPG壓裂，不僅可以獲得較高的采油速度，還能夠獲得較高的原油采收率。

2 LPG壓裂工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

2.1 LPG壓裂技術(shù)的適用范圍

2008年LPG壓裂技術(shù)在加拿大Cardium致密氣藏首次投入使用，截至2012年3月底，已經(jīng)進(jìn)行了1 000多次壓裂施工，施工儲(chǔ)層涵蓋了油藏、致密氣藏、凝析氣藏等多種儲(chǔ)層類型，顯示出了LPG壓裂液較好的儲(chǔ)層兼容性。LPG壓裂技術(shù)適用于水敏性較為嚴(yán)重的低滲透油氣藏，尤其對(duì)于超低滲的非常規(guī)氣藏，LPG壓裂相對(duì)于其他壓裂技術(shù)，顯示出了更大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 LPG壓裂技術(shù)施工特點(diǎn)

LPG壓裂施工設(shè)備除常規(guī)壓裂施工設(shè)備外，需要增加LPG壓裂液儲(chǔ)運(yùn)、泵注及控制等設(shè)備。其具體的施工工藝流程也和常規(guī)壓裂有所不同。在試壓階段，首先需要將支撐劑添加到密閉容器中，然后利用氮?dú)庋h(huán)整個(gè)管匯系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)的密封性。在壓裂階段，首先向支撐劑容器注入LPG，并利用氮?dú)饧訅?，使LPG保持在液態(tài)。然后向井筒注入經(jīng)過(guò)稠化的LPG壓裂液充滿井筒，并利用壓力泵對(duì)井筒進(jìn)行加壓，直至儲(chǔ)層破裂。最后打開(kāi)支撐劑閥門(mén)，將攪拌均勻的攜砂液注入井筒，進(jìn)行裂縫延伸鋪砂，待注入量達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模，停泵，關(guān)井。在壓裂液返排階段，首先利用氮?dú)馇謇淼孛婀芫€。然后放噴返排壓裂液。由于壓力的下降和儲(chǔ)層熱量的吸收，LPG壓裂液氣化后破膠，無(wú)需抽汲裝置，即可利用自身的膨脹能返回地面管線。返排的壓裂液可以存儲(chǔ)在地面容器，經(jīng)過(guò)處理后重復(fù)循環(huán)使用，也可以經(jīng)管線延伸后點(diǎn)燃處理。

2.3 LPG壓裂技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)

由于LPG常溫常壓下屬于易燃易爆氣體，因此施工過(guò)程中的壓裂液儲(chǔ)罐、管線、閥門(mén)、泵等都需要適應(yīng)LPG的特性而特殊設(shè)計(jì)。整個(gè)壓裂過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在施工過(guò)程的各個(gè)階段，儲(chǔ)罐與管線中都有很高的壓力，施工的各個(gè)流程都需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆阑鸱辣踩O(shè)計(jì)。

2.4 實(shí)例應(yīng)用

以Cardium儲(chǔ)層的1口致密氣井的LPG壓裂施工為例，對(duì)比分析常規(guī)水基壓裂液與LPG壓裂液的增產(chǎn)效果。Cardium儲(chǔ)層位于加拿大的阿爾伯塔省，地質(zhì)年代屬于白堊系，該地區(qū)儲(chǔ)層主要由砂巖和泥巖組成。儲(chǔ)層巖性為致密砂巖，井深為1 300 m，完井方式為套管射孔完井，射孔段厚度為4.3 m。儲(chǔ)層孔隙度為10%，滲透率為0.1×10－3μm2，含水飽和度為 20%。

在LPG壓裂施工過(guò)程中，該井采用114.3 mm套管注入。共計(jì)注入100 m3LPG壓裂液，32 t 30/50目的石英砂，加砂濃度為320 kg/m3。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:壓裂形成了1條長(zhǎng)度為88 m的裂縫，其中，有效裂縫長(zhǎng)度為83 m，比率為94%。在壓裂液返排階段，23 h后即達(dá)到了100%的返排率。

利用裂縫優(yōu)化軟件模擬了該井的有效裂縫長(zhǎng)度對(duì)儲(chǔ)層累計(jì)產(chǎn)氣量的影響(圖2)。由圖2可知:有效裂縫的長(zhǎng)度可以影響儲(chǔ)層的累計(jì)產(chǎn)氣量。100%有效裂縫長(zhǎng)度比50%有效裂縫長(zhǎng)度單井5 a的累計(jì)產(chǎn)量高出32%，因此LPG壓裂技術(shù)與水力壓裂技術(shù)相比，可以獲得較高的最終采收率。

圖2 有效裂縫長(zhǎng)度對(duì)累計(jì)產(chǎn)量的影響模擬

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果顯示:裂縫導(dǎo)流能力為2.787 μm2·cm，表皮系數(shù)為－4.66。圖3、4是該井與同一區(qū)塊基本井況相近、壓裂規(guī)模相近的1口常規(guī)壓裂井的產(chǎn)量對(duì)比圖。由圖3可知，分別取開(kāi)井初期生產(chǎn)30、60及90 d的日產(chǎn)氣量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LPG壓裂井的日產(chǎn)氣量比常規(guī)壓裂井高出55%～75%。由圖4可知，較長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)產(chǎn)氣量也證實(shí)了LPG壓裂的優(yōu)異表現(xiàn)，分別取生產(chǎn)時(shí)間為3、6及9個(gè)月的累計(jì)產(chǎn)氣量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LPG壓裂井的累計(jì)產(chǎn)氣量比常規(guī)壓裂井高出50%～70%。

圖3 LPG壓裂與常規(guī)壓裂初期日產(chǎn)氣量對(duì)比

目前，LPG壓裂技術(shù)尚屬較新的壓裂工藝，正處在推廣應(yīng)用的初步階段，缺乏長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。但短期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，LPG壓裂技術(shù)的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于相同規(guī)模的水力壓裂效果。

3 結(jié)論及建議

(1)LPG壓裂液具有黏度低、表面張力低，與儲(chǔ)層流體完全兼容的特點(diǎn)。有效地克服了常規(guī)水基壓裂液儲(chǔ)層污染嚴(yán)重、返排率低等缺點(diǎn)。

圖4 LPG壓裂與常規(guī)壓裂累計(jì)產(chǎn)氣量對(duì)比

(2)與常規(guī)水力壓裂技術(shù)相比，LPG壓裂技術(shù)的壓裂液返排率高、有效裂縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，且壓裂液可以和儲(chǔ)層流體混相，提高原油的最終采收率。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)都表明，LPG壓裂技術(shù)的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于同等規(guī)模水力壓裂施工的增產(chǎn)效果。

(4)LPG壓裂液對(duì)于水源相對(duì)匱乏地區(qū)的儲(chǔ)層、水敏性較強(qiáng)的儲(chǔ)層以及低壓、低滲儲(chǔ)層都顯示出較好的應(yīng)用潛力。建議在頁(yè)巖氣、致密氣、煤層氣等非常規(guī)超低滲儲(chǔ)層的開(kāi)采中，有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)利用此項(xiàng)技術(shù)。

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