鐘 森 王興文 慈建發(fā)

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

致密砂巖氣藏提高返排效果技術對策

鐘 森 王興文 慈建發(fā)

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

壓后排液是氣井增產(chǎn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，直接影響壓裂改造的效果。巖心實驗顯示影響排液速度的主要因素為壓裂液濾失后形成的啟動壓力以及返排壓差，支撐劑回流受到地層閉合壓力和破膠液黏度的影響。川西致密氣藏由于水敏性強、水鎖傷害嚴重，需要快速排液降低傷害，提出了水平井高效返排技術對策。一是采用液氮增能助排工藝為地層提供較大返排壓差，并優(yōu)化形成了“階梯”降排量的伴注模式；二是采用纖維加砂工藝提高支撐劑在裂縫內(nèi)的穩(wěn)定性，在分段壓裂每段施工末期進行一定比例的尾追。高效返排技術在中淺層應用超過30井次，提高了返排速度和最終返排率，保證了壓裂改造的效果。

分段壓裂 快速排液 液氮增能 纖維加砂 致密氣藏

0 引言

川西沙溪廟、蓬萊鎮(zhèn)組屬于致密砂巖氣藏，地層平均滲透率小于1 mD，隨著開發(fā)進度的推進，目前開始動用邊界區(qū)、差氣區(qū)，單井鉆遇的儲層普遍以Ⅱ、Ⅲ類為主。采用水平井分段壓裂投產(chǎn)，隨著注入規(guī)模的增大，出現(xiàn)返排慢、返排率低、出砂堵塞井筒的問題，嚴重影響了改造效果和后期生產(chǎn)。川西致密氣藏由于水敏性強、水鎖傷害嚴重，需強制裂縫閉合、快速排液，但返排速度過快導致支撐劑回流［1］。為解決這一矛盾，提出了高效返排技術，目標是增加返排壓差和支撐劑的穩(wěn)定性，關鍵技術包括液氮增能助排和纖維固砂工藝。

1 返排效果的影響因素

1.1 壓裂液返排影響因素分析

川西致密氣藏普遍存在“水鎖效應”，壓裂液侵入地層形成濾失帶，導致氣相滲流阻力增大，形成氣體流動的啟動壓力［2］。室內(nèi)通過破膠液對巖心的注入模擬裂縫壁面的濾失帶，濾失后形成啟動壓力增加，返排率降低。返排率降低反過來又增加了氣體穿過壓裂液濾失帶所需的啟動壓力。如圖1所示，啟動壓力從1.9 MPa增加到5 MPa，返排率降低30%左右，可見啟動壓力對返排影響十分顯著［3］。

圖1 啟動壓力與壓裂液返排率關系圖

壓裂結束后開井排液，地層與縫內(nèi)壓力存在正壓差，從而推動破膠液流動，通過巖心驅替實驗，得到返排壓差和返排率的關系，如圖2所示。返排壓差小于2 MPa時，巖心排不出液，增加至5 MPa排液仍困難，在最短時間內(nèi)要使返排率增大，則相應的返排壓差必須大于7 MPa。

1.2 支撐劑回流的影響因素分析

開井排液時，縫內(nèi)支撐劑的穩(wěn)定性主要受到兩個方面的影響，一是地層閉合應力對其夾持作用，二是液體的“拖拽”作用。通過支撐劑在縫內(nèi)的受力分析，計算得到不同閉合壓力下的臨界出砂流速，如圖3所示。閉合壓力越大，臨界出砂流速越快，即地層對支撐劑夾持越緊，返排液越不容易帶動支撐劑流動。

圖2 驅替壓差與巖心返排率的關系圖

圖3 閉合壓力與支撐劑臨界回流速度關系圖

室內(nèi)采用不同黏度基液來模擬壓裂液不同破膠階段，評價破膠液黏度對支撐劑穩(wěn)定性的影響。50 mPa·s、18 mPa·s表示壓裂液破膠不徹底，9.5 mPa·s、5 mPa·s表示壓裂液破膠良好，實驗結果如表1所示。壓裂液破膠不徹底，返排液黏度越高，測得的臨界流速越低，其攜帶支撐劑返排的能力越強，所以，開井排液的時候要保證壓裂液完全破膠。同時，實驗也表明閉合壓力越高，支撐劑越穩(wěn)定（即臨界流速越高）。

表1 支撐劑在不同壓裂液黏度、閉合壓力下的臨界回流速度表

壓裂液返排受到多種因素的綜合影響，為解決快速排液和出砂之間的矛盾，提出了以增加返排壓差克服啟動壓力和提高支撐劑穩(wěn)定性為目標的高效返排技術，即以液氮增能助排壓裂、尾追纖維加砂為關鍵技術，實現(xiàn)高效返排。

2 液氮增能助排工藝技術

采用液氮增能助排工藝進行加砂壓裂，相當于在地層裂縫中注入一段高壓氣墊，既降低了壓裂液的濾失傷害，也提高了壓后的返排壓差，有效彌補地層返排能量的不足。液氮增能提高返排壓差的途徑，一是降低管柱內(nèi)的液柱壓力，二是提高儲層的壓力。

2.1 水平井液氮增能效果分析

液氮的加入降低了管柱內(nèi)的液體密度，進而降低液柱的井底靜態(tài)壓力［4］。儲層垂深1 500 m，壓裂液排量4.0 m3/min，液氮排量從100 sm3/min增加至300 sm3/min，井底液柱壓力降低了2.39%～6.71%，最大降低了1.0 MPa，如圖4所示。

圖4 液氮伴注管柱井底壓力計算圖

氣態(tài)氮氣進入地層，由于高壓作用被壓縮，提高了地層壓力，返排時氮氣體積膨脹推動侵入儲層的液體向人工裂縫內(nèi)運動，達到助排的作用。按照5段分段壓裂，液氮伴注排量200 sm3/min、250 sm3/min，壓裂結束時的壓力剖面如圖5所示。儲層壓力平均分別增加1.09 MPa、1.82 MPa，平均增加幅度約3%和5%。增能幅度隨著施工時間的增加有所減小，即第5段到第1段逐步降低，主要因為長時間的擴散導致能量損失。

結合液柱壓力降低、地層壓力增加，計算出采用200 sm3/min液氮排量總返排壓差增加1.78 MPa，250 sm3/min液氮排量增加量為2.67 MPa。

圖5 液氮伴注儲層增能效果圖

2.2 水平井分段液氮伴注設計

液氮的返排能力與伴注氮氣的干度有密切關系，氮氣干度指氮氣所占體積與液體和氣體體積之和的比值。壓裂液自噴返排的最小氮氣干度為［5］：

式中，Smin為最小氮氣干度，%；ρl為壓裂液密度，g/cm3；ρgm為一定P、T下氮氣的密度，g/cm3；Pe為地層壓力，MPa；h為液柱高度，m；Δp為啟動壓力與摩阻及氣體滑脫損失之和，MPa。

假設氮氣全部排出，由式（2）計算氮氣自噴返排的最小體積用量：

式中，K為經(jīng)驗系數(shù)，取1.5～3，視施工規(guī)模而定；為液氮密度，取0.808 23 g/cm3。

致密氣藏中液氮能量的擴散時間為2～3 h，每段施工40～50 min，液氮增能有效期為后3～4段。優(yōu)化不同施工時間下的混氣比，形成“階梯”降排量液氮伴注模式，液氮排量從300 sm3/min降至150 sm3/min，如圖6所示。先施工的井段由于擴散時間長，增能壓力降低較大，設計較高的液氮排量，末段擴散時間短，降低液氮排量［6］。ρN2

3 纖維加砂壓裂技術

為發(fā)揮液氮增能助排作用，壓后應采用大油嘴快速返排，前期在閉合應力低的區(qū)域快排時出現(xiàn)大量出砂的情況。借鑒直井纖維防砂工藝，通過室內(nèi)實驗優(yōu)化加入比例，現(xiàn)場完善加注工藝，形成了水平井全程尾追纖維防砂技術［7-9］。

圖6 全程液氮伴注排量設計圖

3.1 纖維加砂室內(nèi)評價

室內(nèi)通過配伍性、分散性和懸砂性評價，選擇了性能較好的短纖維（5～10 mm）材料。采用導流儀測量裂縫出砂的臨界流速，結果如表2所示，纖維加入使臨界出砂流速明顯提高，即提高了支撐裂縫的穩(wěn)定性，減少了回流量。纖維混合濃度越高，臨界出砂流速越高，閉合應力為20～30 MPa時，伴注纖維濃度為7‰～9‰（纖維與支撐劑的質量比）即能實現(xiàn)控制支撐劑回流的目的。

表2 伴注纖維后支撐劑的臨界出砂流速表

添加纖維后，裂縫內(nèi)導流能力發(fā)生改變，室內(nèi)實驗結果見圖7，纖維的加入對支撐劑的導流能力的影響不大，即纖維不會對支撐劑的導流能力造成損害。閉合應力為20～30 MPa時，為保持較高裂縫導流能力，伴注濃度優(yōu)化為7‰～9‰。

圖7 不同閉合應力下纖維對導流能力影響評價圖

3.2 纖維加砂工藝設計

1）纖維加入后壓裂液的攜砂性能大大提高，進而稠化劑濃度從初期的0.38%降低至目前的0.3%，胍膠濃度降低21%，殘渣含量降低17.4%，大大降低了儲層傷害。

2）從經(jīng)濟角度考慮，采用尾追伴注方式，在縫口至裂縫40～60 m形成纖維網(wǎng)絡支撐，即在攜砂液的最后2～3個階段進行纖維伴注，尾追濃度按照7‰～9‰設計，剩2～3 m3支撐劑時停止加入。

3）水平井每段均尾追纖維，采用過頂替保證大部分纖維進入地層，同時在頂替階段混注一定量的纖維降解劑，防止纖維在油管中影響投球開滑套。

4）現(xiàn)場采用纖維泵送機，通過機械分散的方式進行纖維的拌入，實現(xiàn)了加入的均勻性、計量準確性。

4 高效返排技術應用效果

目前，水平井的壓裂改造中普遍應用液氮增能及尾追纖維工藝，累計應用超過50井次，在總液量大規(guī)模增加的基礎上，仍實現(xiàn)了初期返排率（12 h）的快速提高，平均達到45%以上，較以前提高10%；最終平均返排率高于75%，提高了12%左右。壓后絕大多數(shù)井未出砂，實現(xiàn)了快速排液和控制支撐劑回流的目的，單井產(chǎn)量也有較大的提高。

5 結論及認識

1）致密氣藏返排速度和最終返排率的影響因素主要有壓裂液濾失形成的啟動壓力及返排壓差，支撐劑回流受到地層閉合應力、壓裂破膠液的黏度大小影響，影響程度可以通過工藝和技術的改進大幅度降低。

2）利用液氮的低密度和增能作用，增大壓后返排壓差，實現(xiàn)快速排液，采用“階梯”降排量伴注方式，從作業(yè)初期到后期逐步降低伴注排量。

3）快速排液時控制支撐劑回流的對策是纖維防加砂工藝，室內(nèi)實驗優(yōu)化纖維添加濃度為7‰～9‰，采用尾追注入方式，并完善了保證井筒清潔的過頂替、降解劑添加工藝。

4）高效返排技術在川西水平井上應用效果良好，得到大范圍推廣，縮短了返排時間，提高了最終返排率，有效控制了支撐劑回流，水平井大規(guī)模改造的效果得到保障。

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（編輯：李臻）

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2095-1132（2016）05-0028-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 007

修訂回稿日期：2016-08-01

國家重大專項：“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2016ZX05048）下設專題“薄層窄河道致密砂巖氣藏水平井壓裂關鍵技術”（編號：2016ZX05048004-003）。

鐘森（1981-），工程師，從事致密天然氣儲層改造科研設計工作。E-mail：senyu521@126.com。