杜現(xiàn)飛， 張 翔， 唐梅榮， 黃蓬剛

(1 中國石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田開發(fā)國家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6-8油藏資源量大，分布穩(wěn)定，是長(zhǎng)慶油田實(shí)現(xiàn)5 000×104t長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要資源基礎(chǔ)[1]。該類油藏巖性致密、物性差，縱向上砂泥層共生、層內(nèi)泥質(zhì)及鈣質(zhì)隔夾層發(fā)育，巖石力學(xué)、地應(yīng)力、脆性等參數(shù)變化較大[2]，前期采用混合水體積壓裂工藝難以實(shí)現(xiàn)各段油層充分動(dòng)用，單井產(chǎn)量較低(試油產(chǎn)量一般為4～8 t/d)，因此急需研究應(yīng)用新型壓裂技術(shù)。本文針對(duì)致密薄互層壓裂地質(zhì)特征，業(yè)內(nèi)首次開展大型物理模擬和可視化平行板實(shí)驗(yàn)剖析了前期低產(chǎn)因素，提出了提高儲(chǔ)層縱向動(dòng)用程度和增加橫向支撐裂縫長(zhǎng)度的技術(shù)方向，通過優(yōu)選目的層段和射孔位置、優(yōu)化射孔方式、革新加砂程序，最終形成了適用于致密薄互層的定點(diǎn)多級(jí)脈沖式壓裂技術(shù)。

一、致密薄互層油藏特點(diǎn)

以鄂爾多斯盆地合水南地區(qū)長(zhǎng)6-8致密薄互層為研究對(duì)象，通過對(duì)目標(biāo)區(qū)塊油藏地質(zhì)特點(diǎn)及儲(chǔ)層特征研究，可以發(fā)現(xiàn)該類油藏一般具有下面典型特征：

(1)儲(chǔ)層巖性復(fù)雜，縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率低。研究區(qū)塊儲(chǔ)層巖性主要為灰色泥質(zhì)粉砂巖與淺灰色油跡細(xì)砂巖、褐灰色油斑細(xì)砂巖和灰黑色泥巖不等薄互層，且儲(chǔ)層橫向變化大，物性較差?？紫抖刃∮?1%，滲透率小于0.3 mD，為超低滲-致密儲(chǔ)層。

(2)縱向上巖性、力學(xué)參數(shù)變化頻次高，層間差異大?？v向上含油井段主要分布在10～25 m之間，油層較多，平均5層/井，通常砂泥互層，平均砂泥比1 ∶7；巖性平均每米1.47次變化，最小尺度僅1 cm左右；層間動(dòng)態(tài)彈性模量最大差異20 GPa，靜態(tài)彈性模量最大差異15 GPa，水平最小地應(yīng)力差2.5～5.5 MPa。

(3)層內(nèi)水平兩向應(yīng)力差大，巖石脆性指數(shù)低。研究區(qū)塊層內(nèi)兩向水平地應(yīng)力差5.5～7 MPa，巖石脆性指數(shù)40%以下，與盆地其他區(qū)塊相比，體積壓裂難以形成復(fù)雜裂縫，縱向多層充分改造難度大[3]。

二、薄互層水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律

1.物理模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在給定的三軸圍壓條件下，采用混凝土試件進(jìn)行了15組物模實(shí)驗(yàn)(見表1)，研究層間力學(xué)性質(zhì)差異以及薄互層厚度、不同層數(shù)條件下對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響[4-5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

薄互層間力學(xué)性質(zhì)差異導(dǎo)致水力裂縫在縱向上擴(kuò)展的能力變?nèi)?，隨著層間最小水平地應(yīng)力差和彈性模量差的增加，對(duì)水力裂縫的縫高擴(kuò)展抑制作用愈加明顯，水力裂縫進(jìn)入高應(yīng)力層的面積逐步減小。

水力裂縫穿越薄互層時(shí)發(fā)生曲折擴(kuò)展，儲(chǔ)層厚度一定時(shí)，薄互層層厚變薄(或?qū)訑?shù)增加)，將增加縫高曲折擴(kuò)展的程度(見表2)。

表1 薄互層物模實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)匯總表

注：試件大小為30 cm×30 cm×60 cm。

表2 上下層不同彈性模量、最小水平應(yīng)力差條件下裂縫形態(tài)表

2. 數(shù)值模擬分析

由于在實(shí)驗(yàn)室尺度下，裂縫寬度不易被測(cè)量，故采用數(shù)值模擬手段研究水力裂縫在薄互層間擴(kuò)展時(shí)縫寬的變化[6-7]。數(shù)值模擬結(jié)果(圖1、圖2)表明：水力裂縫在層間擴(kuò)展時(shí)，縫高擴(kuò)展受到抑制，且高應(yīng)力、高彈性模量層中的縫寬較窄；隨著層間最小水平地應(yīng)力差和彈性模量差的增大，縫寬緊縮程度越明顯。

圖1 不同層間最小水平地應(yīng)力差下縫寬-縫高界面

圖2 不同層間彈性模量差下縫寬-縫高界面

三、支撐劑運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)不同液體的攜砂性能和現(xiàn)有加砂方式的工藝有效性，利用大型可視化平板裂縫模擬系統(tǒng)，尋求能夠減緩滑溜水壓裂時(shí)支撐劑沉降并提高有效支撐縫長(zhǎng)的加砂方式。

1. 實(shí)驗(yàn)方案

常溫常壓下，保持支撐劑類型、排量不變，通過對(duì)比不同液體和加砂方式下支撐劑在可視化平板中的砂堤長(zhǎng)度，研究支撐劑在裂縫中的沉降運(yùn)移規(guī)律[8]。具體方案見表3。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，相比胍膠基液，滑溜水?dāng)y砂性能差，恒定砂比注入時(shí)支撐劑易沉降導(dǎo)致橫向輸送距離較短(2 m左右)；采用脈沖式注入方式可改善支撐劑鋪置剖面，增加近井筒裂縫鋪砂濃度，提高橫向輸送距離50%。

表4 不同液體類型和加砂方式下支撐劑鋪砂情況表

四、定點(diǎn)多級(jí)脈沖式壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)

1. 優(yōu)選射孔位置及工藝

根據(jù)物模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于層間應(yīng)力差和彈性模量差的射孔位置優(yōu)選圖版(圖3)。

圖3 巖石力學(xué)參數(shù)-射孔位置優(yōu)選圖板

區(qū)域I：優(yōu)選高應(yīng)力層或高彈性模量層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅱ：優(yōu)選高彈性模量層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅲ：優(yōu)選高應(yīng)力層進(jìn)行射孔；區(qū)域Ⅳ：對(duì)全部目標(biāo)層實(shí)施射孔并分級(jí)改造。利用水力噴砂射孔工藝特有的定點(diǎn)射孔、點(diǎn)源起裂、裂縫導(dǎo)向性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，控制薄互層人工裂縫起裂位置及擴(kuò)展方向[9]，提高縱向多薄層裂縫系統(tǒng)復(fù)雜程度。

2. 優(yōu)化脈沖加砂間隔時(shí)間

數(shù)值模擬了不同脈沖間隔下支撐劑的分布特征，模擬結(jié)果表明，脈沖時(shí)間越短，支撐劑趨向連續(xù)鋪置；脈沖時(shí)間過長(zhǎng)，支撐劑鋪置過稀，裂縫將會(huì)閉合。

脈沖間隔60 s時(shí)，有效支撐縫長(zhǎng)較120 s時(shí)增加20%左右，考慮到現(xiàn)場(chǎng)脈沖加砂裝置的實(shí)際性能，優(yōu)化脈沖間隔為100 s。

五、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)合水油田儲(chǔ)層特征，優(yōu)化了定點(diǎn)多級(jí)脈沖式壓裂工藝參數(shù)，累計(jì)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)74口井，試油產(chǎn)量由前期的4～8 t/d提高到19.5 t/d，投產(chǎn)初期較對(duì)比井日增油1.2 t/d以上，增產(chǎn)效果顯著。

1. 工藝及參數(shù)優(yōu)化

由于合水油田致密薄互層縱向上巖石力學(xué)、地應(yīng)力、脆性等參數(shù)差異大導(dǎo)致難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)，且裂縫擴(kuò)展形態(tài)多變、裂縫有效支撐程度低，優(yōu)化采用定點(diǎn)多簇射孔、縱向多級(jí)壓裂、混合壓裂液體系和脈沖式加砂方式，結(jié)合儲(chǔ)層滲透率和縱向儲(chǔ)隔層配置條件，運(yùn)用三維壓裂軟件進(jìn)行了壓裂參數(shù)優(yōu)化，模擬結(jié)果見表5。

2. 實(shí)例分析

合水油田N185井油層厚度15.8 m，滲透率0.11 mD，孔隙度10.1%，縱向砂泥互層疊合，層間靜態(tài)彈性模量差最大22 GPa，最小水平地應(yīng)力差最大5.5 MPa。建立該井縱向巖性-力學(xué)參數(shù)剖面，利用可壓性及物性綜合評(píng)價(jià)體系優(yōu)選出3個(gè)射孔簇進(jìn)行多級(jí)改造(圖4)。

該井采用水力噴射環(huán)空加砂壓裂方式[10]，優(yōu)化單級(jí)液量400 m3，單級(jí)砂量40 m3，施工排量6.0 m3/min，砂比12.0%，脈沖次數(shù)16次；最終試排日產(chǎn)油55.34 t，較鄰井籠統(tǒng)體積壓裂提高2～4倍；縫高測(cè)試和裂縫擬合表明，儲(chǔ)層縱向動(dòng)用程度提高50%，橫向有效支撐縫長(zhǎng)增加30%，實(shí)現(xiàn)了薄互層充分動(dòng)用的工藝目的。投產(chǎn)初期日產(chǎn)油3.23 t，與鄰井籠統(tǒng)體積壓裂相比平均日增油1.2 t以上。

表5 合水油田長(zhǎng)7儲(chǔ)層壓裂參數(shù)模擬結(jié)果

圖4 N185井縱向工程甜點(diǎn)優(yōu)選結(jié)果

六、結(jié)論

(1)裂縫擴(kuò)展規(guī)律物模實(shí)驗(yàn)證實(shí)：薄互層間力學(xué)性質(zhì)差異使得水力裂縫在縱向上擴(kuò)展的能力變?nèi)酰α芽p穿越薄互層時(shí)易發(fā)生曲折擴(kuò)展，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層縱向動(dòng)用程度較低。

(2)支撐劑運(yùn)移規(guī)律物模實(shí)驗(yàn)證實(shí)：常規(guī)階梯式加砂方式，相比高黏液體系，滑溜水壓裂液由于黏度較低，支撐劑易沉降使得充填效果不理想，從而導(dǎo)致橫向支撐裂縫長(zhǎng)度較短。

(3)提出了針對(duì)薄互層儲(chǔ)層特征的定點(diǎn)多級(jí)脈沖式壓裂工藝設(shè)計(jì)方法，通過定點(diǎn)射孔控制裂縫起裂和擴(kuò)展，通過多級(jí)壓裂改造縱向多個(gè)目標(biāo)層，通過脈沖式加砂改善支撐劑充填效果。

(4)在合水油田長(zhǎng)7儲(chǔ)層累計(jì)試驗(yàn)74口井，平均試排產(chǎn)量由前期的4～8 t/d提高到19.5 t/d，投產(chǎn)產(chǎn)量較對(duì)比井增油1.2 t/d以上，采用該工藝可以實(shí)現(xiàn)致密薄互層提高縱向動(dòng)用程度和增加橫向支撐裂縫長(zhǎng)度的目標(biāo)。

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