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        非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)在致密砂巖儲層改造中的應(yīng)用

        2014-10-24 02:59:38穆海林劉興浩劉江浩陳艷輝劉建中蘇丹丹
        天然氣勘探與開發(fā) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:脆性分段砂巖

        穆海林 劉興浩 劉江浩 陳艷輝 劉建中 蘇丹丹

        (中國石油天然氣集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司)

        近幾年,隨著頁巖氣和致密油等非常規(guī)領(lǐng)域改造技術(shù)和理念的進(jìn)步與革新,體積壓裂技術(shù)成為這類儲層的主流改造技術(shù),是低滲、特低滲透儲層經(jīng)濟開發(fā)的關(guān)鍵。能不能把非常規(guī)儲層體積壓裂的技術(shù)借鑒到致密砂巖儲層改造之中,實現(xiàn)對該類儲層“廣義”的體積改造而獲得最佳的改造效果呢?本文在非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)基礎(chǔ)上,通過巴90井儲層改造的施工情況進(jìn)行實例分析,論證了非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)在致密砂巖儲層改造應(yīng)用的可行性。

        1.體積壓裂技術(shù)的發(fā)展與概念

        1.1 水平井體積壓裂的發(fā)展歷程

        致密油氣在國外發(fā)展較早,其中美國最具有代表性。20世紀(jì)80年代初,美國致密氣勘探開發(fā)率先獲得重大突破,并進(jìn)入快速發(fā)展階段,20世紀(jì)80年代中期開始研究水平井壓裂增產(chǎn)技術(shù),最初是沿水平井段進(jìn)行籠統(tǒng)壓裂。2002年以后,隨著致密氣、頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和水平井的大規(guī)模應(yīng)用,許多公司開始嘗試水平井分段壓裂技術(shù)。在隨后的幾年里,微地震實時監(jiān)測技術(shù)的提高和工廠化作業(yè)模式的日益成熟,壓裂段數(shù)越來越多,作業(yè)效率越來越高。2007年開始,水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù),開始在北美大規(guī)模應(yīng)用。

        我國水平井體積壓裂技術(shù)起步較晚,2006年針對水平井分段改造進(jìn)行攻關(guān),目前形成了雙封單卡壓裂技術(shù)、封隔器滑套分段壓裂技術(shù)和水力噴砂分段壓裂技術(shù)的三大主體技術(shù)。2008年中國石油開始試驗應(yīng)用縫網(wǎng)壓裂技術(shù),2009年開始試驗應(yīng)用體積壓裂技術(shù),2010年初步建立了體積壓裂技術(shù)體系。

        1.2 體積壓裂的概念

        體積壓裂指通過分段多簇射孔,借助多段壓裂工具,利用轉(zhuǎn)向材料,優(yōu)選液體黏度和支撐劑粒徑,優(yōu)化施工排量和加砂方式等合理組合的工藝方法,在形成一條或多條主裂縫的基礎(chǔ)上,繼續(xù)在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫、并在次生裂縫基礎(chǔ)上形成二級次生裂縫。以此類推,達(dá)到主裂縫和多級次生裂縫交織,一定量次的裂縫與儲層天然裂縫相溝通而形成裂縫網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對儲層長、寬、高三維方向的全面改造(圖1)。體積壓裂技術(shù)是在縫網(wǎng)壓裂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它的核心理念是打碎儲層基質(zhì),形成網(wǎng)絡(luò)裂縫,實現(xiàn)儲層流體從基質(zhì)到裂縫的最短距離滲流,大幅度降低儲層基質(zhì)中油氣流動的驅(qū)動壓差(圖2)。

        圖1 水平井分段體積改造裂縫監(jiān)測圖

        圖2 縫網(wǎng)壓裂裂縫形態(tài)示意圖

        2 適合體積壓裂的儲層地質(zhì)條件

        2.1 巖石脆性特征對形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

        巖石的脆性特征通過脆性指數(shù)進(jìn)行表征。在美國頁巖氣藏大量實踐的基礎(chǔ)上,總結(jié)得出的適應(yīng)美國頁巖儲層的巖石脆性指數(shù)的兩種計算方法。

        式中:

        B—巖石脆性指數(shù)

        Q—巖石石英含量

        C—碳酸鹽礦物含量

        L—黏土礦物含量

        RICKMAN提出的巖石力學(xué)法:

        式中:

        Ε—楊氏模量

        υ—泊松比

        脆性儲層壓裂過程中可產(chǎn)生剪切破壞,在高排量施工時更易產(chǎn)生多級次生裂縫,儲層石英、碳酸巖等脆性礦物含量的高低決定儲層的脆性特征,是實現(xiàn)儲層體積壓裂的物質(zhì)基礎(chǔ)。儲層巖石脆性越高,壓裂時其破裂形態(tài)復(fù)雜,其形成的網(wǎng)狀裂縫形態(tài)越復(fù)雜。

        2.2 儲層裂縫發(fā)育情況對形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

        圖3 水力裂縫與天然裂縫相交示意圖

        在含天然裂縫儲層進(jìn)行壓裂改造時,水力裂縫與天然裂縫會產(chǎn)生交互拓展 (圖3)。當(dāng)水力裂縫與天然裂縫平行時,天然裂縫在水力裂縫靠近過程中產(chǎn)生的應(yīng)力作用下,很可能出現(xiàn)剪切滑移,尤其是水平層理發(fā)育儲層,剪切滑移是主要反映方式。剪切應(yīng)力的急劇變化使得天然裂縫面很容易發(fā)生剪切破壞而形成次生裂縫。當(dāng)水力裂縫與天然裂縫呈60°相交時,產(chǎn)生剪切滑移的可能性較小,而當(dāng)水力裂縫與天然裂縫垂直相交的結(jié)果是水力裂縫直接穿過天然裂縫。同時,在含天然裂縫的儲層,σHmax-σHmin值較小,(σHmax-最大水平主應(yīng)力,σHmin-最小水平主應(yīng)力)。 壓裂施工中在裂縫延伸壓力作用下,更易發(fā)生轉(zhuǎn)向。

        裂縫在含天然裂縫和水平層理發(fā)育的儲層延伸過程中產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向(圖4),能形成不完全閉合的網(wǎng)絡(luò)裂縫,所以儲層天然裂縫和水平層理發(fā)育是實現(xiàn)體積改造的前提。

        圖4 裂縫剪切、滑移

        2.3 水平應(yīng)力差異對形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

        水平應(yīng)力差異通過水平應(yīng)力差異系數(shù)進(jìn)行表征,計算方法為:

        (σHmax-σHmin)/σHmin

        裂縫的延伸遵循能量最小原則,常規(guī)壓裂過程中,裂縫延伸方向受控的力學(xué)條件是:

        σHmax+T>P≥σHmin+T

        P—裂縫延伸壓力

        T—巖石抗張強度

        當(dāng)P>σHmax+T時,裂縫可擺脫水平應(yīng)力的束縛,改變延伸和擴展方向。當(dāng)壓裂過程中,采用技術(shù)手段使裂縫延伸壓力的增加量△P>σHmax-σHmin,就可以滿足裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的力學(xué)條件。由此可知:當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)越小時,σHmax-σHmin越小,在壓裂施工中,裂縫越易發(fā)生轉(zhuǎn)向而形成網(wǎng)絡(luò)縫。

        綜上所訴,網(wǎng)絡(luò)裂縫形成也需要儲層具備相應(yīng)的地質(zhì)條件,它包括巖石脆性特征、裂縫發(fā)育情況、水平應(yīng)力差異三個方面。在體積壓裂中,巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應(yīng)力差異越小,體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

        3 體積壓裂的主要工藝技術(shù)措施

        在儲層具備體積改造的地質(zhì)條件下,體積改造的技術(shù)關(guān)鍵是如何在致密儲層造縫和如何形成縫網(wǎng)。利用低黏度壓裂液通過高排量施工可對低孔低滲的致密儲層進(jìn)行充分造縫并產(chǎn)生次生裂縫,而形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵是如何使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。根據(jù)裂縫延伸受控力學(xué)的力學(xué)條件公式,在壓裂施工中通過提高裂縫延伸壓力,使△P>σHmax-σHmin是裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的必要條件。

        3.1 利用應(yīng)力干擾提高裂縫延伸壓力

        通過優(yōu)選裂縫發(fā)育、脆性特征強的井段進(jìn)行分段分簇射孔,進(jìn)行多點限流壓裂,降低井筒附近的壓力損失,同時利用段間、簇間壓裂時產(chǎn)生的縫間應(yīng)力干擾,提高裂縫延伸壓力,促使裂縫轉(zhuǎn)向,充分造縫而產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng),最大限度提高儲層的改造體積(圖5)。對于體積改造而言,通過分段分簇射孔,多點限流,充分利用應(yīng)力干擾而迫使裂縫轉(zhuǎn)向、分叉產(chǎn)生次生裂縫是形成網(wǎng)絡(luò)裂縫的關(guān)鍵,而其它技術(shù)是裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的輔助手段。

        圖5 不同射孔方式壓裂效果示意圖

        3.2 通過提高砂比或使用大粒徑支撐劑提高裂縫延伸壓力

        壓裂施工過程中,通過提高砂比或使用大粒徑支撐劑,使支撐劑對已形成的水力裂縫進(jìn)行封堵,從而提高裂縫的延伸壓力,通過應(yīng)力場的變化形成新的裂縫而實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過某井高砂比壓裂施工曲線圖(圖6)得知,該井通過長時高砂比施工,后期在排量和砂比不變情況下,施工壓力由25 MPa上升至28 MPa,裂縫的延伸壓力上升3 MPa,后壓力下降至26 MPa,說明新的裂縫被壓開,成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

        圖6 高砂比壓裂施工曲線

        3.3 通過暫堵劑提高裂縫延伸壓力

        壓裂施工過程中,實時向地層加入油溶性或水溶性暫堵劑,可配合支撐劑一同加入,對已形成的支撐裂縫進(jìn)行封堵,形成高應(yīng)力區(qū),裂縫延伸壓力升高后壓開新的裂縫,實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過束探1H井體積壓裂第一段施工曲線(圖7)可看出,加酸停泵后,在前置液段塞中加入油溶性暫堵劑,排量穩(wěn)定不變前提下,施工壓力由43 MPa上升至52 MPa,暫堵劑封堵效果明顯。

        圖7 暫堵劑應(yīng)用壓裂施工曲線

        3.4 利用人工遮擋提高裂縫延伸壓力

        依據(jù)儲層改造的需要,需要控制裂縫的延伸方向。在壓裂施工過程中,實時向地層加入上浮劑或下沉劑,建立人工遮擋層,形成高應(yīng)力區(qū)域,提高裂縫在該區(qū)域的延伸壓力,迫使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。該工藝最典型的是二次加砂工藝,通過一次加砂停泵后形成的高應(yīng)力支撐劑遮擋層,控制裂縫向上延伸,既可控制溝通下部儲(水)層,亦可提高儲層的縱向改造程度。該工藝實例分析可詳見本文巴90井實例分析。

        4 非常規(guī)體積壓裂技術(shù)理念對致密砂巖儲層改造的啟示

        4.1 致密砂巖儲層的特點

        致密砂巖儲層巖性非均質(zhì)性強,巖石類型主要由(長石)巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、石英砂巖、中粒及細(xì)粒巖屑砂巖等巖石類型。因石英與長石與脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,從巖石成分分析,致密砂巖儲層巖石脆性指數(shù)較高。致密砂巖儲層破壞性成巖作用(膠結(jié)、壓實和充填作用)導(dǎo)致原生孔隙大量減少以及次生孔隙欠發(fā)育,只有局部發(fā)育裂縫,儲層物性差,表現(xiàn)為低孔低滲和特低孔特低滲的物性特征。從致密砂巖儲層的特點分析,脆性特征強,存在裂縫發(fā)育的致密砂巖儲層是適合通過體積壓裂技術(shù)進(jìn)行儲層改造的。

        4.2 常規(guī)壓裂經(jīng)典理論

        常規(guī)壓裂是以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),假設(shè)壓裂人工裂縫為張開型,且沿井筒射孔層段形成雙翼對稱裂縫,以一條主裂縫實現(xiàn)對儲層滲流能力的改善,它最大的制約是垂直主裂縫方向儲層的滲流能力未得到改善,即主裂縫的垂向上仍然是基質(zhì)向裂縫的“長距離”滲流。

        4.3 非常規(guī)體積壓裂理念對致密砂巖儲層改造的啟示

        致密砂巖儲層具備巖性致密、非均質(zhì)性強、層內(nèi)應(yīng)力差異大等特點,當(dāng)對多層進(jìn)行壓裂改造時,采用常規(guī)壓裂工藝進(jìn)行籠統(tǒng)壓裂往往對“差層”改造不徹底,達(dá)不到最佳的改造效果。雖然致密砂巖儲層并不完全具備體積壓裂的地質(zhì)條件,且受鄰層、隔層的影響,施工規(guī)模往往受到制約,不能進(jìn)行大排量的分段體積改造,但如果把體積壓裂的理念應(yīng)用于該類儲層、特別是多層、復(fù)雜巖性儲層的壓裂改造中,在確保有效縫長的基礎(chǔ)上,采用體積壓裂的技術(shù)手段,壓后形成多條主裂縫,同時控制裂縫延伸方向,優(yōu)化壓裂后裂縫形態(tài),實現(xiàn)多主縫和微裂縫的溝通,最大限度提高儲層縱向剖面的動用程度,實現(xiàn)“廣義”的體積改造,一定能夠提高壓裂改造的效果。

        5 現(xiàn)場應(yīng)用實例分析

        巴90井是位于內(nèi)蒙古錫盟東烏珠穆沁旗珠恩嘎達(dá)布其鎮(zhèn)177°方位12.9 km的一口探井,構(gòu)造位置為巴音都蘭凹陷北洼槽巴77x井東構(gòu)造-巖性圈閉。儲層深度:2354.2~2367.0 m,厚度12.8 m/1層,砂礫巖儲層,有效孔隙度平均5.45%,滲透率平均1.56 mD。

        5.1 儲層地質(zhì)特點

        儲層解釋雖為單層,但層內(nèi)巖性復(fù)雜,非均質(zhì)性強,取心分析,2362 m下部巖性較純,為細(xì)砂巖,上部為砂礫巖和凝灰?guī)r,微裂縫發(fā)育。測井曲線分析結(jié)合物性分析報告表明儲層上部含泥質(zhì)較重,非常致密,儲層上下巖性、物性差異大。應(yīng)力曲線分析(圖8),2362 m上部應(yīng)力值高,下部應(yīng)力值低,壓裂改造時,裂縫主要在下部延伸,儲層縱向改造難度很大。

        圖8 巴90井應(yīng)力曲線

        5.2 壓裂改造的針對性工藝技術(shù)措施

        借鑒非常規(guī)儲層體積壓裂的理念,對巴90井壓裂改造的具體措施如下:

        (1)射孔優(yōu)化。由于儲層是單層,無法進(jìn)行分段分簇射孔優(yōu)化,根據(jù)儲層的巖性和應(yīng)力分析,優(yōu)化射孔井段2355.0~2364.0 m,避免壓裂裂縫在下部儲層的過度延伸。

        (2)采用清潔酸+胍膠復(fù)合壓裂模式。儲層巖心酸蝕實驗證明儲層巖心溶蝕率較高,采用清潔酸+胍膠的復(fù)合壓裂方式進(jìn)行改造,提高壓后效果,優(yōu)化酸液配方為10%HCL+2%HF+3%多氫酸+2%VES+2%緩蝕劑+1%鐵穩(wěn)劑。

        (3)壓裂改造采用二次加砂模式。第二次加砂利用第一次加砂停泵裂縫閉合后支撐劑形成的高應(yīng)力遮擋,逼迫裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向,向上延伸。

        (4)壓裂液采用變濃度壓裂液。一次加砂采用常規(guī)壓裂液,優(yōu)化稠化劑濃度為0.45%,二次加砂采用低濃度壓裂液,優(yōu)化壓裂液濃度為0.35%。

        (5)采用多級變排量施工。第一次加砂低排量起步,多級變排量施工,控制裂縫高度,造長縫重點改造下部儲層,確保壓后的效果,優(yōu)化施工排量3.0~4.5 m3/min。第二次加砂采用低黏度壓裂液進(jìn)行高排量施工,突破上部應(yīng)力遮擋,充分改造上部致密儲層,最大限度的提高儲層縱向剖面的動用程度,優(yōu)化施工排量為4.5~7.0 m3/min。

        5.3 施工簡況

        2013年4月20日對巴90井進(jìn)行了復(fù)合壓裂施工,施工中注入互溶劑10 m3,清潔酸40 m3,隔離液25 m3,一次加砂破裂壓力29.04 MPa,施工加入20/40目陶粒23.46 m3,平均砂比24.02%,二次加砂破裂壓力36.21 MPa,施工加入20/40 目陶粒29.78 m3,平均砂比22.90%(圖9)。

        5.4 壓后效果評價

        (1)微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果分析

        圖9 巴井壓裂施工曲線圖

        從巴90井微地震裂縫監(jiān)測圖(圖10)及解釋成果表可以看出(表1),該井壓裂后形成西北—東南向和東北—西南向兩條主裂縫,兩條主裂縫融匯成縫網(wǎng),縫網(wǎng)長度360 m,縫網(wǎng)寬度330 m,儲層改造達(dá)到預(yù)期的效果。

        圖10 巴90井微地震裂縫監(jiān)測圖

        表1 巴90井微地震裂縫監(jiān)測成果表

        (2)增產(chǎn)效果

        巴90井壓前日產(chǎn)油0.69 m3,壓后日產(chǎn)油12.47 m3,乳化水1.48 m3,返排率24%,增產(chǎn)效果明顯。

        6 結(jié)論與認(rèn)識

        (1)巖石的脆性特征、裂縫發(fā)育情況及水平應(yīng)力差異是非常規(guī)儲層體積壓裂的三個地質(zhì)條件,巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應(yīng)力差異越小,體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

        (2)分段分簇射孔、壓裂液黏度、施工排量、裂縫內(nèi)凈壓力是非常規(guī)儲層體積壓裂的主要工程因素,實施的關(guān)鍵如何通過以上工藝技術(shù)使裂縫產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向。

        (3)致密砂巖儲層在應(yīng)用非常規(guī)儲層體積改造技術(shù)時要充分考慮儲層的地質(zhì)條件。

        (4)應(yīng)用非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)理念,致密砂巖儲層在進(jìn)行壓裂改造時,應(yīng)考慮如何在形成長縫的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高儲層的縱向剖面的動用程度,從而提高壓后效果。

        (5)非常規(guī)儲層體積壓裂中分段、分簇射孔、使用低粘度壓裂液進(jìn)行高排量施工、裂縫轉(zhuǎn)向等核心技術(shù)應(yīng)用到脆性特征強、局部裂縫發(fā)育的致密砂巖儲層可以提高儲層改造的效果。

        1 陳作,薛承瑾,蔣廷學(xué).頁巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國的應(yīng)用建議[J].天然氣工業(yè),2010,30(10):30-32.

        2 孫海成,湯達(dá)禎,蔣廷學(xué),等.頁巖氣儲層壓裂改造技術(shù)[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(4):90-93,97.

        3 謝和平,陳忠輝.巖石力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

        4 黃鋼,王曉冬,惠鋼,等.壓裂直井井網(wǎng)流線模擬研究[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(5):100-103,107.

        5 趙政璋,杜金虎.致密油氣[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012.11.

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