李月麗，何 青，秦玉英，徐兵威，李國(guó)鋒，張永春

(中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院,河南鄭州 450006)

1 大牛地氣田概況

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地東北部，上古生界自下而上發(fā)育著太1、太2、山1、山2、盒1、盒2和盒3七套氣層，埋深2 500～2 900 m，平均孔隙度為8.46%，平均滲透率0.78×10-3μm2，平均含氣飽和度57%，平均壓力系數(shù)0.92，屬典型的低孔、低滲、低壓儲(chǔ)層。

2012年，大牛地氣田大8～大10井區(qū)盒1、太2儲(chǔ)層采用水平井多級(jí)管外封隔分段壓裂工藝獲得顯著改造效果，平均單井無(wú)阻流量9.5×104m3/d，單井最高無(wú)阻流量34.1×104m3/d，成為中國(guó)石化首個(gè)以水平井開發(fā)建成的10億方產(chǎn)能建設(shè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了大牛地氣田水平井開發(fā)的規(guī)模化和工業(yè)化推廣應(yīng)用，同時(shí)為大牛地氣田難動(dòng)用儲(chǔ)量的有效動(dòng)用提供了有力的技術(shù)支撐。

為進(jìn)一步提高大牛地氣田的儲(chǔ)量動(dòng)用程度，加快華北分公司天然氣開發(fā)的步伐，評(píng)價(jià)體積壓裂理念在大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)用的可行性，本文開展了裸眼水平井段內(nèi)多縫體積壓裂研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。

2 體積壓裂理論

體積壓裂是指在水力壓裂過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層在長(zhǎng)、寬、高三維方向的全面改造，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。

體積壓裂理論的內(nèi)涵可概括為以下三點(diǎn)：①使天然裂縫不斷擴(kuò)張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將可以滲流的有效儲(chǔ)層打碎，使裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積最大，壓裂形成剪切縫，大量剪切縫交叉形成裂縫網(wǎng)絡(luò)；②采用多種方法在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫條數(shù)(天然裂縫也可能開啟)，這些裂縫累積控制的泄流體積隨著裂縫的條數(shù)、縫長(zhǎng)、縫寬、縫高等因素變化而變化(段內(nèi)壓裂多條裂縫，壓裂形成張性縫)；③利用儲(chǔ)層兩向水平應(yīng)力差值與裂縫延伸凈壓力的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裂縫延伸凈壓力大于兩個(gè)水平主應(yīng)力的差值與巖石抗張強(qiáng)度之和(即兩次破裂壓力之差)，形成以主縫和分支裂縫相組合的網(wǎng)絡(luò)裂縫[1-6]。

大牛地氣田儲(chǔ)層巖石的彈性模量小于3.0×104MPa，泊松比小于0.3，其水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.39，巖石以張性破裂為主。因此，第二種體積壓裂模式適合于大牛地氣田，即采用多種方法在有限的井段內(nèi)增加水力裂縫條數(shù)，其累積控制的泄流體積隨著裂縫的條數(shù)、縫長(zhǎng)、縫寬、縫高等的增加而增加，從而使得裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積最大，達(dá)到改造體積最大化的目的。

3 體積壓裂實(shí)施控制技術(shù)

經(jīng)過(guò)近年的探索和攻關(guān)，多級(jí)管外封隔分段壓裂工藝已成為大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層水平井應(yīng)用成熟的水平井分段壓裂工藝。為了進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，大牛地氣田探索試驗(yàn)了致密砂巖氣藏體積壓裂實(shí)施控制技術(shù)——水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)，該技術(shù)是將水平井段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)與裸眼預(yù)置管柱完井技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并應(yīng)用專用暫堵劑在壓裂施工過(guò)程中暫堵已加砂縫，從而造出新的裂縫，以此不斷地增加裂縫條數(shù)。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于每次投送暫堵劑的數(shù)量及每條裂縫的規(guī)?？刂坪土芽p間距的控制。

3.1 實(shí)施方法

水平井段內(nèi)多簇壓裂控制技術(shù)的實(shí)施方法是在壓裂施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)地向地層中加入高強(qiáng)度水溶性暫堵劑，該劑為粘彈性的固體小顆粒，遵循流體向阻力最小方向流動(dòng)的原則，暫堵劑顆粒進(jìn)入地層中的裂縫或高滲透層，在高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，可以形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使后續(xù)工作液不能向裂縫和高滲透帶進(jìn)入，從而壓裂液進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化，最終在兩個(gè)封隔器之間形成多簇裂縫。壓裂施工結(jié)束后，產(chǎn)生橋堵的暫堵劑將溶于地層水或壓裂液，實(shí)現(xiàn)段內(nèi)先前封堵裂縫的開啟，增加水平井各段改造體積。

3.2 暫堵劑主要性能評(píng)價(jià)

水平井段內(nèi)多縫壓裂過(guò)程中使用的暫堵劑在施工過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，其抗壓強(qiáng)度和溶解性能等直接關(guān)系著壓裂施工的成敗和壓裂改造效果的好壞。

3.2.1 抗壓強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)

(1)分散態(tài)突破壓力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)使用A、B、C、D四個(gè)巖樣分別測(cè)定壓實(shí)后濾餅厚度為5、1、0.5、0.7 cm的突破壓力；暫堵劑的使用量采用排開體積計(jì)量，用80 ℃的壓裂液浸泡3～5 min后開始測(cè)試。表1說(shuō)明當(dāng)模擬壓實(shí)后濾餅厚度1 cm和5 cm時(shí)，分散態(tài)暫堵劑通過(guò)二次交聯(lián)形成封堵濾餅，突破壓力分別為23 MPa和44 MPa；當(dāng)模擬壓實(shí)后濾餅厚度小于1 cm時(shí)，分散態(tài)暫堵劑不能形成有效的封堵濾餅，并隨著驅(qū)替不斷溶解流出。

表1 分散態(tài)突破壓力測(cè)試結(jié)果

(2)膠結(jié)態(tài)突破壓力測(cè)試。鑒于分散態(tài)暫堵劑的突破壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此次實(shí)驗(yàn)采用將暫堵劑溶解后風(fēng)干的方法，制成厚度為0.9 cm和0.5 cm的濾餅，分別使用D、E兩個(gè)巖樣進(jìn)行突破壓力的測(cè)試。表2說(shuō)明暫堵劑一旦形成濾餅后，突破壓力就很高，濾餅厚度達(dá)到或超過(guò)0.9 cm就很難突破。這說(shuō)明暫堵劑在膠結(jié)態(tài)情況下，其厚度大于或等于0.9 cm時(shí)23 MPa不能突破，厚度在0.5 cm時(shí)其突破壓力為12.3 MPa，突破壓力梯度為大于2.175 MPa/mm。

表2 膠結(jié)態(tài)突破壓力測(cè)試結(jié)果

3.2.2 溶解性能評(píng)價(jià)

壓裂施工結(jié)束后，封堵裂縫的暫堵劑的溶解性能以及溶解時(shí)間對(duì)壓裂改造效果起關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)試暫堵劑在不同溶液介質(zhì)中的溶脹時(shí)間，結(jié)果表明暫堵劑在3.3小時(shí)后完全溶于壓裂液(圖1)。說(shuō)明該暫堵劑在壓裂液中溶解性能較好，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成新的傷害。

圖1 80℃下暫堵劑在不同溶液中的溶解曲線

4 體積壓裂實(shí)施效果評(píng)價(jià)

大牛地氣田應(yīng)用體積壓裂共實(shí)施了兩口井，均獲得了較好的改造效果，本文以A井為例進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。

A井是部署在鄂爾多斯盆地大牛地氣田盒1氣層的一口水平井，錄井顯示該井的水平段總長(zhǎng)度為1 215 m，鉆遇砂巖總長(zhǎng)度為1 215 m，占水平段總長(zhǎng)度的100%；鉆遇具有全烴顯示的砂巖總長(zhǎng)度為884 m，占水平段總長(zhǎng)度的72.76%；鉆遇泥巖段總長(zhǎng)度為0 m；最大全烴凈增值63.4%，平均全烴凈增值13.5%；巖性主要為巖屑砂巖，物性相對(duì)較好，平均孔隙度為11.11%，平均滲透率為0.80×10-3μm2。

A井為裸眼預(yù)置管柱完井，采用多級(jí)管外封隔分段壓裂工藝投產(chǎn)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，即水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低、閉合應(yīng)力低、破裂壓力低、抗張強(qiáng)度低的井段優(yōu)先起裂，并綜合測(cè)、錄井顯示結(jié)果、隨鉆伽馬成果、物探AVO數(shù)據(jù)和反演剖面綜合分析、巖石力學(xué)參數(shù)解釋成果、破裂壓力剖面分析，對(duì)A井設(shè)計(jì)了7段17簇裂縫。

A井于2012年11月3日進(jìn)行壓裂，成功實(shí)施了7段17簇的壓裂施工，累計(jì)入地壓裂液5834.1 m3，累計(jì)加入陶粒665.0 m3。2012年12月4日進(jìn)行求產(chǎn)作業(yè)，累計(jì)排液3 165.9 m3，返排率53.7%，油壓9.8 MPa，平均日產(chǎn)氣量6.9×104m3，平均日產(chǎn)液24.8 m3，氯根7 600 mg/L，無(wú)阻流量11.1×104m3/d。

將單段內(nèi)三簇裂縫的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行凈壓力擬合分析，結(jié)果表明后續(xù)兩簇壓裂時(shí)，前置液階段的凈壓力分別較前簇壓裂的壓力上升了2.1 MPa和4.6 MPa，破裂壓力梯度分別為0.0125 MPa/m、0.0134 MPa/m、0.0152 MPa/m，這表明A井段內(nèi)多簇分段壓裂成功實(shí)現(xiàn)了裂縫轉(zhuǎn)向。此外，將A井與同層位的兩口鄰近水平井的壓后效果進(jìn)行比較，鄰井B井的無(wú)阻流量為6.2×104m3/d，鄰井C井的無(wú)阻流量為2.9×104m3/d，A井的壓后無(wú)阻流量是鄰井的1.8～3.8倍，由此可見，A井采用多簇分段壓裂技術(shù)施工后，取得了明顯的改造效果，實(shí)現(xiàn)了體積壓裂改造，提高了單井產(chǎn)量。

5 結(jié)論與建議

(1)大牛地氣田體積壓裂主要是通過(guò)增加水力裂縫條數(shù)來(lái)增加裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積，達(dá)到增加改造體積的目的。

(2)大牛地氣田體積壓裂主要實(shí)現(xiàn)手段是裸眼水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)，即將水平井段內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)與裸眼預(yù)置管柱完井技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并應(yīng)用專用暫堵劑在壓裂施工過(guò)程中封堵已加砂縫，開啟新的裂縫，增加裂縫條數(shù)。

(3)裸眼水平井段內(nèi)多簇壓裂技術(shù)應(yīng)用的暫堵劑室內(nèi)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該暫堵劑封堵性能好、承壓能力高，且可完全溶于壓裂液，能夠達(dá)到段內(nèi)開啟多簇裂縫的目的。

(4)大牛地氣田體積壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明：A井壓后無(wú)阻流量達(dá)11.1×104m3/d，是鄰井的1.8～3.8倍，取得了明顯的增產(chǎn)改造效果。

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