寇雙鋒，陳紹寧，何 樂(lè)，廖 闊

（1.中國(guó)石油川慶鉆探井下作業(yè)公司，四川成都610052；2.中國(guó)石油川慶鉆探蘇里格項(xiàng)目經(jīng)理部，四川成都610052）

蘇里格氣田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和陜西省境內(nèi)，是致密砂巖氣藏的典型代表，具有“低滲透率、低壓力、低豐度”等特征，壓裂改造后方能獲得工業(yè)氣流，但單井產(chǎn)能較低，自投入開(kāi)發(fā)以來(lái)低成本戰(zhàn)略便成為重要的效益開(kāi)發(fā)保障[1]。近年來(lái)為進(jìn)一步降低作業(yè)成本，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始使用石英砂替代陶粒，美國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂石英砂用量占比平均超過(guò)71%，部分地區(qū)支撐劑已全部采用石英砂，可降低完井成本近20%[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)石英砂用于壓裂改造的研究主要局限于閉合壓力小于35 MPa的情況[3-5]，蘇里格氣田最小主應(yīng)力在43～48 MPa[6]，尚未見(jiàn)到石英砂用于此類(lèi)致密砂巖壓裂改造的相關(guān)報(bào)道。通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了蘇里格氣田不同類(lèi)型儲(chǔ)層對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力的需求，利用試井資料對(duì)當(dāng)前常規(guī)工藝的裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為蘇里格氣田石英砂用于壓裂是可行的，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)石英砂選型、石英砂與陶粒的混合方式及比例對(duì)導(dǎo)流能力的影響進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上形成了不同類(lèi)型儲(chǔ)層的石英砂應(yīng)用方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的效果。

1 蘇里格致密砂巖氣藏的人工裂縫導(dǎo)流能力分析

1.1 儲(chǔ)層分類(lèi)及其滲透率

水力壓裂形成的人工裂縫導(dǎo)流能力需求取決于儲(chǔ)層的滲透率。蘇里格氣田根據(jù)孔隙類(lèi)型、孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層物性等將儲(chǔ)層分為四大類(lèi)[1]。I類(lèi)儲(chǔ)層是蘇里格氣田中最好的儲(chǔ)層，滲透率＞0.82×10-3μm2，但所占比例很少，小于10%；II類(lèi)儲(chǔ)層為中等儲(chǔ)層，滲透率（0.1～0.82）×10-3μm2，占整個(gè)儲(chǔ)層的10%左右；III類(lèi)儲(chǔ)層屬差儲(chǔ)層，滲透率（0.03～0.1）×10-3μm2，占30%～35%；IV類(lèi)屬非有效儲(chǔ)層（表1）。

1.2 裂縫導(dǎo)流能力的需求

利用數(shù)值模擬方法，對(duì)生產(chǎn)所需的人工裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行了分析。蘇里格氣田（主要產(chǎn)層為盒8、山1組）屬于典型的干氣氣藏，天然氣中甲烷含量高，不含H2S，凝析油量極小，故選擇三維黑油模型。模擬器選用商業(yè)化軟件Eclipse油藏模擬軟件。采用塊中心網(wǎng)格建立單井?dāng)?shù)值模型，平面上采用10 m×10 m的網(wǎng)格，為模擬壓裂縫形態(tài)，在生產(chǎn)井以及壓裂縫周?chē)鷮?duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，裂縫所在網(wǎng)格寬度加密至5 mm左右，達(dá)到實(shí)際壓裂縫寬的水平。模擬儲(chǔ)層深度3 300 m，儲(chǔ)層厚度15 m，地層壓力系數(shù)0.8，地層滲透率III類(lèi)儲(chǔ)層0.1 ×10-3μm2、II類(lèi)儲(chǔ)層0.5 ×10-3μm2、I類(lèi)儲(chǔ)層1.0 ×10-3μm2，地層孔隙度III類(lèi)儲(chǔ)層6%、II類(lèi)儲(chǔ)層8%、I類(lèi)儲(chǔ)層10%，含氣飽和度統(tǒng)一為50%，裂縫半長(zhǎng)70 m。

一般而言，在儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率較低時(shí)，人工裂縫在較低的導(dǎo)流能力下就可實(shí)現(xiàn)較好的改造效果，地層內(nèi)氣體的滲流也達(dá)到了較為標(biāo)準(zhǔn)的雙線性流動(dòng)狀態(tài)；而在儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率較高時(shí)，則需要大幅度提高人工裂縫導(dǎo)流能力才能滿(mǎn)足此種狀態(tài)[7]。本次模擬結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，儲(chǔ)層類(lèi)別與人工裂縫導(dǎo)流能力最佳的對(duì)應(yīng)關(guān)系為I類(lèi)儲(chǔ)層94 μm2·cm，II類(lèi)儲(chǔ)層65 μm2·cm，III類(lèi)儲(chǔ)層25 μm2·cm（圖1）。

圖1 不同導(dǎo)流能力3年累計(jì)產(chǎn)量對(duì)比Fig.1 Cumulative production comparison within 3 years under different flow conductivity

1.3 常規(guī)工藝的裂縫導(dǎo)流能力

蘇里格氣田壓裂改造工藝相對(duì)較為穩(wěn)定，基本原則為降傷害、控縫高、造長(zhǎng)縫，工藝措施為低前置液比、適當(dāng)砂濃度、低排量的適度規(guī)模壓裂工藝，壓裂液采用低傷害胍膠壓裂液，支撐劑選擇20/40目中等強(qiáng)度陶粒。從壓后關(guān)井壓力恢復(fù)試井分析結(jié)果看（表2、表3），當(dāng)前壓裂措施形成的人工裂縫導(dǎo)流能力達(dá)到了130 μm2·cm左右。結(jié)合上述分析，裂縫導(dǎo)流能力還存在降低空間，這也為石英砂的應(yīng)用提供了前提條件。

表1 蘇里格氣田孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table1 Classification and evaluation criteria of pore structure of Sugeli gasfield

2 石英砂陶粒組合支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)

2.1 有效應(yīng)力計(jì)算

加載在支撐劑上的有效應(yīng)力和孔隙壓力有關(guān)，對(duì)于主裂縫垂直于最小主應(yīng)力方向的情況，加載在主裂縫支撐劑上的有效應(yīng)力為閉合壓力（理論上與最小主應(yīng)力相等）與孔隙壓力的差值，生產(chǎn)過(guò)程中孔隙壓力逐漸降低，因而作用在支撐劑上的有效應(yīng)力隨之增加[8]，即：

式中：Pa為作用在支撐劑上的有效應(yīng)力，MPa；σmin為最小主應(yīng)力，MPa；Pw為井底流壓力（近似孔隙壓力），MPa。

蘇里格區(qū)塊的最小主應(yīng)力在43～48 MPa[6]，假設(shè)氣井廢棄壓力為3 MPa，則作用在支撐劑上的最大有效應(yīng)力為40～45 MPa，因而本次實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注各種支撐劑在該區(qū)間的導(dǎo)流能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及材料

按SY/T 6302-2009《壓裂支撐劑充填層導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》，采用NF-II型導(dǎo)流儀進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試，其中測(cè)試介質(zhì)為N2，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，測(cè)試流量為100 mL/min，鋪砂濃度為10 kg/m2，實(shí)驗(yàn)所用陶粒、石英砂具體參數(shù)見(jiàn)表4。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：①40/70目、20/40目石英砂導(dǎo)流能力對(duì)比，篩選合適的粒徑規(guī)格；②石英砂與陶粒采用均勻混合、石英砂后尾追陶粒兩種方式下的導(dǎo)流能力對(duì)比，優(yōu)選混合方式；③最佳混合方式下，石英砂與陶粒不同混合比例的導(dǎo)流能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，篩選最佳的混合比例。

表2 蘇59-A井試井解釋結(jié)果Table2 Well test interpretation results of well-Su-59-A

表3 蘇5-A井試井解釋結(jié)果Table3 Well test interpretation results of well-Su-5-A

表4 實(shí)驗(yàn)所用陶粒及石英砂基本參數(shù)Table4 Basic parameters of ceramsite and quartz sand used in tests

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 不同規(guī)格石英砂破碎率與導(dǎo)流能力

圖2為40/70目、20/40目石英砂破碎率和導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出閉合壓力大于30 MPa后，兩種規(guī)格的石英砂破碎率均明顯增大，導(dǎo)流能力均快速下降。同一閉合壓力下，20/40目石英砂支撐劑顆粒承受的擠壓力更大，破碎率更高，但一方面剩余未破碎的支撐劑仍能提供較好的支撐，另一方面部分破碎的顆粒粒徑仍然較大，因而可提供相對(duì)較高的導(dǎo)流能力。閉合壓力在40～50 MPa區(qū)間時(shí)，20/40目石英砂的導(dǎo)流能力為40/70目石英砂的1.5～2.8倍，更加適合蘇里格氣田的應(yīng)用。

圖2 40/70目、20/40目石英砂破碎率和導(dǎo)流能力對(duì)比Fig.2 Comparison of crushing rate and flow conductivity of 40/70 and 20/40 mesh quartz sand

2.3.2 石英砂與陶粒不同混合方式的導(dǎo)流能力

圖3為20/40目石英砂與陶粒混合比例為1∶1時(shí)兩種混合方式的導(dǎo)流能力。與石英砂后尾追陶粒方式相比，均勻混合方式在閉合壓力超過(guò)30 MPa后導(dǎo)流能力更高。究其原因，均勻混合方式下陶粒和石英砂均勻分散在支撐面上，由于陶?？箶D壓能力遠(yuǎn)大于石英砂，陶粒的支撐作用使得石英砂的破碎率更低，因而所能提供的導(dǎo)流能力更高。閉合壓力在40～50 MPa時(shí)，均勻混合的導(dǎo)流能力為尾追方式的1.3～1.4倍，為更佳的混合方式。

2.3.3 石英砂與陶粒按不同比例均勻混合的導(dǎo)流能力

圖3 20/40目石英砂與陶粒采取不同混合方式的導(dǎo)流能力對(duì)比（比例1∶1）Fig.3 Comparison of flow conductivity of 20/40 mesh quartz sand and ceramsite when they are mixing in different modes（1∶1）

圖4為20/40目石英砂與陶粒按照不同比例均勻混合時(shí)的導(dǎo)流能力?？梢钥闯鎏樟５膶?dǎo)流能力隨閉合壓力的增加僅略有下降，隨著混合石英砂比例的提升，支撐裂縫的導(dǎo)流能力明顯下降，特別是閉合壓力超過(guò)30 MPa后由于石英砂破碎率急劇加大導(dǎo)致導(dǎo)流能力也相應(yīng)大幅度降低。

應(yīng)當(dāng)注意的是，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)由于受溫度、壓力、鋪置濃度、鋪置狀態(tài)等所限，不能完全真實(shí)反映實(shí)際人工裂縫的導(dǎo)流能力，其絕對(duì)值對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參考意義較小，但從相對(duì)變化中考察石英砂的混入對(duì)導(dǎo)流能力的影響則是較為可行的。閉合壓力在40～50 MPa時(shí)，石英砂的導(dǎo)流能力為陶粒的20%～46.7%；石英砂與陶粒混合比例為7∶3的導(dǎo)流能力為陶粒的23.9%～56.7%；混合比例為1∶1的導(dǎo)流能力為陶粒的46%～74.6%；混合比例為3∶7的導(dǎo)流能力為陶粒的73%～89.7%。

圖4 20/40目石英砂與陶粒按照不同比例均勻混合時(shí)的導(dǎo)流能力對(duì)比Fig.4 Comparison of flow conductivity of 20/40 mesh quartz sand and ceramsite when they are mixing in different proportions

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)方案

如前所述，常規(guī)人工裂縫導(dǎo)流能力遠(yuǎn)超過(guò)需求，可在陶粒中混入不同比例的石英砂來(lái)降低裂縫導(dǎo)流能力，在滿(mǎn)足改造需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)改造成本的最小化。具體而言，當(dāng)前常規(guī)工藝提供的裂縫導(dǎo)流能力為130 μm2·cm左右，I類(lèi)儲(chǔ)層最佳裂縫導(dǎo)流能力為94 μm2·cm，則石英砂與陶?；旌媳壤龖?yīng)小于1∶1；II類(lèi)儲(chǔ)層最佳裂縫導(dǎo)流能力為65 μm2·cm，則石英砂與陶?；旌媳壤龖?yīng)小于7∶3；III類(lèi)儲(chǔ)層最佳裂縫導(dǎo)流能力為25 μm2·cm，則可嘗試全部采用石英砂。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

3.2.1 桃7-A井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

桃7-A井為蘇里格桃7區(qū)塊中部的一口開(kāi)發(fā)井，目的層位為山西組山1段、石盒子組盒8段，埋深3 290～3 370 m，目的層砂體厚度8～12 m，有效厚度6.1～11.5 m，孔隙度4.99%～5.8%，滲透率（0.07～0.12）×10-3μm2，氣測(cè)全烴峰值55% ～ 69.5%，為典型的III類(lèi)儲(chǔ)層。該井分3層壓裂，全部采用20/40目石英砂，單層加砂量15～20 m3，施工排量2.4 m3/min，砂比23.6% ～24%（表5）。

本井壓后測(cè)試產(chǎn)量2.32×104m3/d，無(wú)阻流量4.81×104m3/d，投產(chǎn)井口壓力20.3 MPa，生產(chǎn)90天后井口壓力 16.04 MPa，累產(chǎn) 118.789×104m3，井口壓降速率0.047 3 MPa/d，單位壓降產(chǎn)量27.885×104m3/MPa，與鄰井對(duì)比，全部采用石英砂并未影響壓后效果（表6）。

3.2.2 桃7-B井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

桃7-B井為蘇里格桃7區(qū)塊南部的一口開(kāi)發(fā)井，目的層位為石盒子組盒8段，埋深3 440～3 490 m，目的層砂體厚度5～13 m，有效厚度2.2～4.6 m，孔隙度4.8% ～ 7.9%，滲透率（0.05～ 0.14）×10-3μm2，氣測(cè)全烴峰值35.9%～76.1%，為III類(lèi)儲(chǔ)層。該井分3層壓裂，全部采用20/40目石英砂，單層加砂量15～20 m3，施工排量2.4 m3/min，砂比24%～25.5%（表7）。

本井壓后測(cè)試產(chǎn)量2.112×104m3/d，無(wú)阻流量3.39×104m3/d，投產(chǎn)井口壓力21.3 MPa，生產(chǎn)90天后井口壓力15.18 MPa，累產(chǎn)101.813×104m3，井口壓降速率0.069 MPa/d，單位壓降產(chǎn)量16.636×104m3/MPa，與鄰井對(duì)比，全部采用石英砂同樣未影響壓后效果（表8）。

表5 桃7-A井與鄰井壓裂改造情況對(duì)比Table5 Comparison of fracturing reconstruction of well-Tao-7-A and adjacent wells

表6 桃7-A井與鄰井壓裂改造后效果對(duì)比Table6 Comparison of effect after fracturing reconstruction of well-Tao-7-A and adjacent wells

表7 桃7-B井與鄰井壓裂改造情況對(duì)比Table7 Comparison of fracturing reconstruction of well-Tao-7-B and adjacent wells

表8 桃7-B井與鄰井壓裂改造后效果對(duì)比Table8 Comparison of effect after fracturing reconstruction of well-Tao-7-B and adjacent wells

4 結(jié)論與建議

1）蘇里格致密砂巖分為3類(lèi)有效儲(chǔ)層，不同類(lèi)型儲(chǔ)層對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的需求差異較大，數(shù)值模擬表明，最佳的裂縫導(dǎo)流能力為I類(lèi)儲(chǔ)層94 μm2·cm，II類(lèi)儲(chǔ)層65 μm2·cm ，III類(lèi)儲(chǔ)層25 μm2·cm 。常規(guī)壓裂措施形成的裂縫導(dǎo)流能力可達(dá)到130 μm2·cm左右，有一定降低空間，石英砂用于壓裂是可行的。

2）石英砂陶粒組合支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)表明，20/40目石英砂與陶粒均勻混合是較好的組合方式。當(dāng)閉合壓力為40～50 MPa、鋪砂濃度為10 kg/m2時(shí)，20/40目石英砂與陶粒均勻混合比例為1∶0、7∶3、1∶1、3∶7的導(dǎo)流能力為陶粒的20%～46.7%、23.9%～56.7%、46%～74.6%、73%～89.7%。

3）通過(guò)綜合分析認(rèn)為對(duì)于I類(lèi)儲(chǔ)層20/40目石英砂與陶粒混合比例應(yīng)小于1∶1，II類(lèi)儲(chǔ)層混合比例應(yīng)小于7∶3，III類(lèi)儲(chǔ)層可全部采用石英砂（2口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也驗(yàn)證了此點(diǎn)）。

4）本文給出的蘇里格氣田石英砂替代陶粒的實(shí)施方案，可在滿(mǎn)足改造需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)改造成本的最小化，若進(jìn)行規(guī)模性推廣應(yīng)用，則將會(huì)大幅降低支撐劑成本，進(jìn)而帶動(dòng)氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。