張彬奇

(中海石油〈中國〉有限公司天津分公司，天津 300452)

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測試壓裂分析技術(shù)在渤海B油田的應(yīng)用

張彬奇

(中海石油〈中國〉有限公司天津分公司，天津 300452)

測試壓裂分析技術(shù)是水力壓裂施工前獲取儲層物性參數(shù)和分析壓裂液性質(zhì)的手段，是壓裂施工順利進行的技術(shù)保證。結(jié)合渤海某油田沙河街油藏壓裂工程，介紹了測試壓裂應(yīng)用過程和理論基礎(chǔ)，并簡單介紹幾種求取地層閉合壓力的數(shù)學(xué)方法。閉合壓力是壓裂施工關(guān)鍵參數(shù)之一，不同數(shù)學(xué)計算方法推導(dǎo)出的閉合壓力不盡相同，現(xiàn)場壓裂工程師要根據(jù)實際測試結(jié)果選取可靠的數(shù)值。壓降曲線擬合是在模型中反推出地層關(guān)鍵參數(shù)的方法，擬合完畢即得到針對施工地層的壓裂模型，在此基礎(chǔ)上進行主壓裂設(shè)計和裂縫預(yù)測是較為準確的，以此進行施工也是安全的。

高壓低滲油藏；水力壓裂；測試壓裂；擠注測試；裂縫閉合壓力

海上壓裂施工，一是受平臺甲板面積限制，大型設(shè)備無法擺放，一般都由壓裂船完成壓裂施工；二是施工過程中若出現(xiàn)提前脫砂等井下復(fù)雜情況，現(xiàn)場處理能力有限，一旦發(fā)生事故，損失較大。因此,施工程序必須依照實際情況而定，地層參數(shù)要盡量準確，過程控制也要嚴格，才能避免提前脫砂或是砂埋鉆具的復(fù)雜情況發(fā)生。測試壓裂的目的就是準確獲取地層參數(shù)的方法，保證施工的安全避免復(fù)雜情況的發(fā)生。以渤海某油田沙河街油藏壓裂為例，介紹測試壓裂過程和軟件模型。

1 測試壓裂分析理論基礎(chǔ)

測試壓裂就是在主壓裂施工前進行的小規(guī)模壓裂，只是膠液中不加支撐劑,泵入速度采用最大設(shè)計泵排量。施工過程是將膠聯(lián)液泵入地層后立即停泵，觀察壓降曲線，并做數(shù)值分析，以此得到關(guān)鍵地層數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)，即管柱水力摩阻、近井眼摩阻、地層破裂壓力、裂縫閉合壓力、膠液造縫效率和膠液濾失系數(shù)等。根據(jù)測試結(jié)果計算出前置液量、攜砂液量、加砂量，并制訂相應(yīng)的工藝措施等。

1.1 測試壓裂的意義

測試壓裂是水力壓裂數(shù)字化的基礎(chǔ)，是確認儲層能否進行壓裂施工的重要手段，對于水力壓裂施工具有重要的意義。因為測試壓裂能夠得到一系列數(shù)值，如破裂壓力值。而有了這些數(shù)值，就能夠有效地降低以下風(fēng)險：(1)前置液過少造成提早脫砂；(2)前置液過多造成部分裂縫無充填劑的工程浪費。

1.2 測試壓裂的內(nèi)容

測試壓裂分為2步：鹽水擠注測試和膠液擠注測試。

1.2.1 鹽水擠注測試

鹽水擠注測試包括3部分：階梯升排量測試和階梯降排量測試以及平衡測試。

階梯升排量測試中，通過提高泵排量直到地層被壓開后再提高1個或2個泵排量階梯，如圖1所示，通過排量與壓力的關(guān)系可以確定地層破裂壓力和裂縫延伸壓力(略大于破裂壓力0.34～1.38 MPa)。

圖1 階梯升排量測試

階梯降排量測試主要用于確定近井眼摩阻的情況。通過逐漸降低泵速，觀察記錄泵壓變化，可以確定近井眼摩阻大小和類型。近井眼摩阻分為炮眼主導(dǎo)型和近井眼裂縫彎曲型。

當排量、壓力降低到一定程度便可進行平衡測試，用于確定裂縫的閉合壓力。平衡測試要求壓裂工程師根據(jù)地層性質(zhì)確定出測試排量，才能準確得出裂縫閉合壓力。另外裂縫閉合壓力還可以根據(jù)擠注測試后壓降曲線擬合函數(shù)，用不同的方法線性化來推斷裂縫閉合壓力大小。如壓降函數(shù)時間平方根方法、log-log方法、G函數(shù)方法等。

在平衡測試中，一部分液體以高泵速注入，以打開裂縫。然后降低泵速至泵入量等于漏失量，此時裂縫會慢慢閉合，泵注壓力不變，當裂縫閉合后泵入液體向儲層基質(zhì)滲漏，滲流阻力大，泵壓會上漲，記錄壓力曲線拐點值即可計算出地層閉合壓力。

1.2.2 膠液擠注測試

膠液擠注測試包括注入、停泵與停泵觀測壓力降等部分。注入測試中泵入一定體積的壓裂膠液，結(jié)束后停泵觀測壓降曲線，得出擬合函數(shù)。再對擬合函數(shù)取對數(shù)函數(shù)、微分函數(shù)和對微分函數(shù)再次微分得G-函數(shù)等數(shù)學(xué)方法確認裂縫閉合壓力，計算壓裂液濾失系數(shù)、壓裂液效率、揚氏模量和液體效率。

根據(jù)地層特點和擠注測試壓降曲線，選取合適的裂縫模型，如PKN、KGD或者RAD模型。在最佳無因次裂縫導(dǎo)流能力計算縫長，縫寬和縫高。

這些數(shù)值的計算都由軟件來完成，目前現(xiàn)場常用的壓裂軟件有FracPro PT和FracCADE等軟件。這些軟件除了對上述參數(shù)的分析外，還可以用于推測自然裂縫等非理想裂縫形態(tài)的存在，并且修正應(yīng)力場等功能。

1.3 測試壓裂數(shù)據(jù)處理技術(shù)

渤海某油田壓裂使用FracCADE軟件。此軟件可以對測井資料進行初步分析，主要是聲波測井和伽瑪曲線。另外，為準確獲取地層資料，除測試期間適當延長壓降觀測時間之外，綜合比較施工井鄰井資料也是重要的一步。

測試壓裂之前要通過對本地區(qū)或者壓裂層位進行巖心試驗或者通過測井資料分析地層參數(shù)來確定初步的壓裂施工規(guī)模和做初步的壓裂施工設(shè)計。根據(jù)測井資料確定的地層參數(shù)的流程如圖2所示。

圖2 測試壓裂數(shù)據(jù)處理流程圖

1.4 測試壓裂技術(shù)施工程序

測試壓裂施工程序比較簡單，在階梯升/注入階段要進行支撐劑段塞測試。所謂的攜砂段塞是一個或幾個較短的含砂階段加入到階梯升/注入壓裂穩(wěn)定注入階段，主要目的在于檢測地層對于支撐劑的敏感性大小，判斷支撐劑在裂縫中發(fā)揮作用的大小，如果壓力上升比較大，那么就難以實現(xiàn)主壓裂的高砂比；反之則容易實現(xiàn)主壓裂的高砂比。通常每個攜砂段塞的用砂量為1～2 m3，其砂比變化約為120～240 kg/m3。后續(xù)膠液中不用添加支撐劑，主要程序分幾個步驟完成。表1是渤海B油田測試壓裂的施工程序。

2 測試壓裂分析在渤海B油田的應(yīng)用

測試壓裂本身涉及一部分費用，但是這部分費用將有利于提高設(shè)計的準確性，降低施工風(fēng)險，所以海上油田壓裂施工一般不會省去此工藝。尤其是對于地層資料少的施工層段，測試壓裂必不可少。

表1 測試壓裂技術(shù)的程序

2.1 渤海B油田地質(zhì)及工程概況

渤海海域是目前我國海洋油氣產(chǎn)量的重要海域。渤海灣盆地構(gòu)造體系有網(wǎng)狀、帚狀和雁列等不同級序多種類型的體系。B油田為河流相沉積，凹陷古近系沙河街組砂巖為中成巖期—晚成巖期，砂巖顆粒小，存在高溫及異常高壓，咸水低溫鈣質(zhì)沉淀膠結(jié)，溶蝕了大量粉砂巖儲層中礦物成分，產(chǎn)生了次生孔隙(巖屑、長石與碳酸鹽巖膠結(jié)物等溶蝕形成)和原生粒間孔隙(受異常壓力保護產(chǎn)生)，在深埋條件下其特征有：粒度小(粉砂)、埋藏深(超過3000 m)、成巖演化程度高、物性差、壓力系數(shù)高的特征。因此，測試壓裂分析對準確地進行壓裂設(shè)計和現(xiàn)場壓裂施工尤為重要。以本油田CX井為例，基本數(shù)據(jù)為：射孔段4076.8～4079.8 m，最大井斜25.1°，射孔槍外徑5 in(1 in=25.4 mm)，孔密度為40孔/m，相位45°/135°雙螺旋；射孔彈為四川692廠的HMX型，藥量25 g，穿深462 mm，孔徑9.9 mm。

2.2 測試壓裂施工過程

CX井加砂壓裂之前進行了測試壓裂施工作業(yè)，測試曲線見圖3和圖4。圖3中1～1001 s是鹽水擠注測試階段泵速為2 m3/min時泵壓為69 MPa，環(huán)空壓力在20 MPa附近波動；1001～6001 s是泵速為0時的泵壓和環(huán)空壓力的壓降曲線；6001～6051 s是膠聯(lián)液擠注測試階段泵速為3 m3/min時泵壓和環(huán)空壓力的變化；6051～10001 s為停泵后泵壓和環(huán)空壓力的壓降曲線；10001～11001 s為關(guān)閉地面閥門截斷鉆桿/油管后泵壓和環(huán)空壓力曲線。圖4中包含3種測試的擠注測試曲線：階梯升測試、階梯降測試和平衡測試；即通過階梯升排量至測試排量，然后階梯降至停泵后的階梯降測試曲線，停泵后泵壓及環(huán)空壓力變化曲線為平衡測試曲線。

2.3 近井筒摩阻分析與計算

圖3 CX井測試壓裂施工曲線圖

圖4 CX井測試壓裂分析曲線圖

本井圖3的測試數(shù)據(jù)利用FracCADE軟件對地層各個參數(shù)進行分析，其中利用以下理論知識對近井筒摩阻進行分析。

通過階梯降測試中相應(yīng)泵速下的壓力與瞬間停泵時壓力之差可以得出管柱總摩阻，管柱總摩阻又等于近井筒摩阻與管線流體摩阻之和，近井筒摩阻等于彎曲摩阻與射孔孔眼摩阻之和。

所以，首先從測試壓裂的數(shù)據(jù)中準確地提取瞬間停泵時的壓力求得管柱總摩阻，再利用式(1)、式(2)求得管線流體摩阻和射孔孔眼摩阻，從而，近井筒摩阻就等于管柱總摩阻與管線流體摩阻之差，彎曲摩阻等于近井筒摩阻與射孔孔眼摩阻之差。分析結(jié)果見圖5。

DataFrac軟件管線流體摩阻計算：

ΔPpipe fric=fH(Q/A)1.1～1.7

(1)

式中：ΔPpipe fric——管線流體摩阻，MPa；f——摩擦系數(shù)，f根據(jù)圖板查出具體數(shù)值；H——井深，m；Q——注入排量，m3/min；A——油管內(nèi)截面積，in2。

炮眼摩阻計算：

(2)

圖5 近井筒摩阻分析結(jié)果

式中：Ppf——炮眼摩阻，10-1MPa；ρ————壓裂液密度，kg/m3；Q——注入排量，m3/min；n——射孔炮眼數(shù)量；d——炮眼平均直徑，mm；ISIP——停泵瞬間的壓力，MPa。

2.4 確定裂縫閉合壓力

確定裂縫的閉合壓力常有2種方法，一種是平衡測試試驗法，另一種是工程計算法求取。平衡測試試驗法是在擠注測試階梯降排量時推測出合適的排量使得泵入的液體量等于裂縫中液體的濾失量，在這種狀態(tài)下裂縫會慢慢閉合，當裂縫閉合后，泵入的液量將向基巖濾失，此時滲流阻力會突然增大，表現(xiàn)在壓力曲線上即為泵壓曲線走平一段時間后突然上升，此上升點所對應(yīng)的壓力即為裂縫的閉合壓力。此種方法雖然簡單，但實際操作很困難，壓裂工程師要對地層很了解才能找到合適的排量使得泵入的液量等于裂縫濾失的液量。現(xiàn)場大多是通過工程計算得出裂縫的閉合壓力。

CX井采用工程計算法求取閉合壓力如圖6所示。圖3中的測試數(shù)據(jù)先對泵壓P和時間T曲線進行擬合得到數(shù)學(xué)函數(shù)，再將此函數(shù)線性化如圖6中實線所示，并從線性化曲線上找到拐點所對應(yīng)的壓力值即為裂縫的閉合壓力。從圖3測試壓裂曲線中提取瞬時降泵速的壓力Psd為81.00 MPa，瞬間停泵壓力ISIP為75.81 MPa，平衡壓力Peq為76.58 MPa，從而擬合出裂縫閉合壓力為75.81 MPa。

2.5G函數(shù)分析法完善壓力降曲線分析

流體濾失更好的表達方法是Castillo(1987年)常采用的G曲線，CX井分析如圖7。測試壓裂停泵以后，初始裂縫穿透的擴展會增加液體濾失的速度，相應(yīng)地會使G圖的初始斜率變得陡峭，隨后在撤退中壓降速率的減少，主要由于裂縫面積的減少或因在裂縫端部區(qū)或相對較高的液體損失的消除。結(jié)果在泵注期間裂縫穿透變化在G圖上一凹向剖面，其斜率mG是連續(xù)變化的。對3個裂縫幾何模型，該條件發(fā)生在擴展和退回傳遞附近。大量的數(shù)值模擬表明，當井筒靜壓力達到停泵時靜壓力Pnet.si值大約3/4時這種條件產(chǎn)生：

圖6 閉合壓力估算圖

Pnet/Pnet.si=3/4

(3)

圖7 在關(guān)井期間對于非理想裂縫特征條件下G圖動態(tài)概念

G圖的斜率可被設(shè)計為m3/4且由3/4點來估算。此斜率被用于消除停泵期間裂縫穿透變化的影響。在3/4點選擇斜率的正確性由Pater等(1996年)根據(jù)實驗方法建立的。利用FracCADE軟件分析得出CX井的液體濾失效率為0.27。

2.6 主壓裂設(shè)計

利用以上得出的數(shù)據(jù)，選擇合適的壓裂模型應(yīng)用FracCADE軟件再次獲取地層相關(guān)參數(shù)，初步模擬施工參數(shù)，優(yōu)化施工曲線，在最佳無因次裂縫導(dǎo)流能力下計算裂縫的縫長縫寬，確定主壓裂加砂多少以及施工規(guī)模，做主壓裂施工設(shè)計，如表2所示。

表2 CX井壓裂施工設(shè)計

(1)通過支撐劑敏感性測試，發(fā)現(xiàn)支撐劑在該井儲層效果明顯，儲層對其承受能力強，作業(yè)可使用較高砂比，5PPA為此井的最高砂比設(shè)計；

(2)為降低作業(yè)壓力，主壓裂前置液期間可放入支撐劑段塞打磨孔眼；

(3)儲層具有低滲透性，物性差的特點，不具有好的遮擋層，主壓裂應(yīng)使用低粘清潔壓裂液，既能減少對儲層的傷害，又能對縫高進行控制；

(4)在27%的低壓裂效率情況下，主壓裂設(shè)計應(yīng)采用3.2 m3/min左右的較大排量，來達到液體濾失減少，造縫效率提升的效果；

(5)在83.36 MPa的破裂壓力，0.022 MPa/m的壓力梯度，3.2 m3/min的作業(yè)排量條件下，井口壓力預(yù)計約為79.9 MPa，因此，選擇105 MPa井口，使用3臺2000型主壓車進行作業(yè)。

3 結(jié)論

(1)本次CX井通過擠注測試中的階梯升排量測試可以確認地層的破裂壓力為83.36 MPa，壓力梯度為0.022 MPa/m。隨后進行鹽水頂替階段確定管柱水力摩阻、近井筒摩阻、裂縫閉合壓力，通過用壓裂軟件進行壓力降曲線分析并用平方根分析法和G函數(shù)分析法加以完善，準確確定地層巖石性質(zhì)參數(shù)。隨后結(jié)合本井儲層特性及預(yù)計施工壓力，確定最終的壓裂施工參數(shù)。從本口井壓裂施工結(jié)果來看，壓裂測試分析技術(shù)取得的參數(shù)準確可靠，施工過程中諸多參數(shù)與設(shè)計相符，施工過程順利，為該油田同層位儲層的下步開發(fā)積累豐富的經(jīng)驗。

(2)測試壓裂分析是壓裂施工設(shè)計的基礎(chǔ)，所得關(guān)鍵參數(shù)裂縫閉合壓力可以通過多種方法求得。

(3)儲層的延伸壓力梯度可由階梯升排量分析得出，孔眼摩阻、近井筒摩阻參數(shù)可由階梯降排量測試得出，通過以上數(shù)據(jù)可對井口施工壓力進行估算，為壓裂井口及車組的選擇提供依據(jù)。

(4)壓降測試分析是獲取壓裂液效率參數(shù)、儲層裂縫特征、閉合應(yīng)力的重要方法。

(5)根據(jù)獲取的資料可進行有針對性地壓裂施工設(shè)計，從而能夠進行合理規(guī)模的壓裂施工設(shè)計，有效地減少施工風(fēng)險。

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Application of Mini-frac Analytical Technique in B Oilfield of Bohai/

ZHANGBin-qi

(CNOOC China Limited, Tianjin Branch, Tianjin 300452, China)

The mini-frac analytical technique is a means of obtaining the reservoir physical parameters and the analysis on fracturing fluid properties before the hydraulic fracturing construction and is also the technical assurance of smooth fracturing construction. This paper introduces the application process and theoretical basis of the test fracturing from the field construction work and briefly introduces several mathematical methods to find the formation closure pressure. Closure pressure is one of the key parameters of fracturing construction, which are not the same for being derived from different mathematical methods; the reliable values should be selected according to the actual test results. The pressure drop curve fitting is a method to reversely calculate the key formation parameters in the model. After fitting, the fracturing model for the construction stratum is obtained. On this basis, the main fracturing design and the fracture prediction are relatively accurate, the construction is also safe.

high pressure and low permeability reservoir; hydraulic fracturing; test-frac; squeeze injection test; fracture closure pressure

2016-08-08；

2017-02-14

國家科技重大專項“海上稠油油田高效開發(fā)示范工程”(編號：2011ZX05057)

張彬奇，男，漢族，1979年生，從事海洋石油鉆完井技術(shù)和管理工作，天津市塘沽區(qū)渤海石油路海洋石油大廈B座，zhangbq2@cnooc.com.cn。

TE242

A

1672-7428(2017)06-0033-05