張盼盼,楊開利,蒲陽峰,張明浪

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 延長(zhǎng)氣田采氣二廠,陜西 榆林 718500)

關(guān)于致密砂巖壓裂過程中壓裂液的濾失速度的研究,國外許多學(xué)者在經(jīng)過許多現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)驗(yàn)探索后,提出了各種有關(guān)濾失速度的計(jì)算框架。由于裂縫中壓裂液壓力大小會(huì)對(duì)濾失速度產(chǎn)生影響,學(xué)者們以裂縫里面壓裂液壓力的濾失速度為重點(diǎn),提出了相關(guān)的計(jì)算模型[1]。以壓裂裂縫這一狀態(tài)為基礎(chǔ),學(xué)者們又通過研究裂縫里不斷改變的壓裂液,對(duì)以濾失速度為重點(diǎn)的模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2]。水力壓裂濾失的快慢由于會(huì)受地層里天然裂縫的影響,因此以該問題為重點(diǎn)的研究被提出[3]。國內(nèi)對(duì)于砂巖氣藏的研究也較多。對(duì)壓裂液濾失快慢產(chǎn)生影響的原因進(jìn)行研究,且在天然裂縫性儲(chǔ)存中,關(guān)于壓裂液濾失快慢的模型被提出[4]。按照壓裂液濾失過程中的滲流理論和高滲透儲(chǔ)層壓裂液濾失這些因素,對(duì)影響高滲層壓裂液濾失快慢的因素進(jìn)行探討[5-6]。但是,水鎖損害對(duì)致密砂巖氣藏的壓裂也會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此,研究一種基于液氮增能的壓裂方法,并設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 理論基礎(chǔ)

1.1.1致密砂巖氣藏

致密砂巖氣藏是聚集在滲透率小于0.1×10-3μm2,而且孔隙度小于10%砂巖中的氣藏[7]。

1.1.2水鎖損害

在鉆井、完井、修井和開采作業(yè)中,當(dāng)某種不相混溶相滲進(jìn)儲(chǔ)層,或者多孔介質(zhì)中本來所具有的不相混溶相飽和度擴(kuò)大,都會(huì)對(duì)相對(duì)滲透率產(chǎn)生負(fù)面影響,這就會(huì)讓儲(chǔ)層滲透率和油氣相對(duì)滲透度呈現(xiàn)顯著變小的趨勢(shì)。此時(shí),當(dāng)不相混溶相是水相時(shí),此類現(xiàn)象就是水鎖效應(yīng),為烴相時(shí)稱作烴鎖效應(yīng)[8-9]。水鎖效應(yīng)會(huì)造成水鎖損害,也就是指油井作業(yè)過程中水進(jìn)入油層所產(chǎn)生的影響[10-11]。

1.2 液氮增能壓裂技術(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1液氮增能特性

1)液氮性質(zhì)

氣體狀態(tài)下的液氮被稱為氮?dú)?氮?dú)鈱儆趩钨|(zhì),本身無色無味無傷害,且具有較弱的化學(xué)性質(zhì),對(duì)于大部分液體都只是微溶[12-13]。

2)混氮?dú)饬黧w的流動(dòng)情況

對(duì)于混氣液體,其流動(dòng)情況是根據(jù)混入氣體的量所控制的。當(dāng)混氣液體里面的氮?dú)飧啥戎当?2%低的時(shí)候,氣體將會(huì)呈球形氣泡的狀態(tài)分布在液相里,當(dāng)?shù)獨(dú)飧啥忍幱?4%～96%時(shí),液相和氣相會(huì)彼此不相容,此時(shí)若有適宜的發(fā)泡劑或穩(wěn)定劑,那么可以形成泡沫,當(dāng)?shù)獨(dú)飧啥雀哂?6%時(shí),此時(shí)液膜會(huì)因?yàn)槠浔〉奶匦?不易容于大體積的氣體,因此會(huì)形成霧,很難以此與氣體分離。

1.2.2液氮增能壓裂液的主要作用

根據(jù)液氮增能的特點(diǎn),給出液氮增能壓裂液的主要功能有:混氮降濾作用;混氮助排作用;協(xié)助攜砂、懸砂作用;地層損害最小。

1.2.3液氮增能設(shè)計(jì)方法——恒定內(nèi)相技術(shù)

國外學(xué)者提出,采取恒定內(nèi)相手段能夠增加砂液比。并且,利用恒定泡沫質(zhì)量能夠提高支撐劑的使用,減少液體和液氮的排量,從而讓泡沫大小保持固定[17]。然而,使用恒定井底總排量,能夠增強(qiáng)加砂后的泡沫質(zhì)量[18]。

1.2.4液氮增能的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)計(jì)算液柱壓力

本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是川西地區(qū)典型低壓致密砂巖氣藏,按照現(xiàn)場(chǎng)狀況,將儲(chǔ)層垂直深度設(shè)置為1 500 m,將壓裂液排量設(shè)置為4.0 m3/min,將液氮排量分別設(shè)置為100、12、150、180、200、250 Sm3/min,以此得到液柱的壓力[20]。

2)儲(chǔ)存增能

在能量進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí),此時(shí)利用高壓可以壓縮儲(chǔ)層里的壓裂液以及氣相。因此,要實(shí)現(xiàn)液氮的助排作用,就需要用3段分段壓裂技術(shù),然后設(shè)定250 sm3/min的排量,以此進(jìn)行液氮的伴注。

1.3 水鎖損害實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究

1.3.1實(shí)驗(yàn)材料

該研究采用的實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料

1.3.2水鎖損害評(píng)價(jià)試驗(yàn)

在各類作業(yè)實(shí)施時(shí),由于低滲透率的氣藏里含有的流體會(huì)對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生影響,因此給定的實(shí)驗(yàn)方法如下,首先對(duì)干巖樣品的氣相滲透率進(jìn)行測(cè)量,然后利用高壓氣體來對(duì)巖心的氣測(cè)滲透率進(jìn)行測(cè)量。并給出水鎖損害程度的公式:

式中:I是指水鎖損害程度;K0是指未受到水鎖損害的巖心氣測(cè)滲透率;Ki是在各種時(shí)間下水鎖損害后的巖心氣測(cè)滲透率。

實(shí)驗(yàn)中,將直徑2.5 cm,長(zhǎng)3～4 cm的巖心放在Hassler巖心夾持器中。在實(shí)驗(yàn)過程中,沒有必要把巖心取出來,這樣既能提高實(shí)驗(yàn)精度,還能讓操作變得簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 水鎖損害實(shí)驗(yàn)流程

選取川西地區(qū)致密氣藏各類儲(chǔ)層巖樣來完成巖心的制備,將其烘干、冷卻后放在Hassler巖心夾持器里,以便于測(cè)量氣測(cè)滲透率。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫下,將巖心的一個(gè)端面放在其相應(yīng)層段的地層水中,通過不同時(shí)間的自吸和足夠長(zhǎng)時(shí)間后的氣驅(qū)來完成對(duì)應(yīng)氣測(cè)滲透率的測(cè)量工作。最后,分別計(jì)算水鎖損害程度,實(shí)驗(yàn)過程中采取的氣體是非濕潤(rùn)的氮?dú)狻?/p>

1.3.3探究壓力與水鎖損害程度的關(guān)系

在油氣增產(chǎn)過程中,壓裂時(shí)產(chǎn)生的外部壓力會(huì)將地層水與外部流體進(jìn)行壓縮,然后使得儲(chǔ)層中的含水量增加,從而增加水鎖損害程度。實(shí)驗(yàn)中,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巖心附加不同的力度進(jìn)行模擬,然后對(duì)各種壓力下的水鎖損害程度進(jìn)行評(píng)估,并以此為現(xiàn)場(chǎng)的壓裂過程等增量工作奠定理論基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)中,在出口端面施加不同大小的壓力,壓力由低到高,使相應(yīng)地層水進(jìn)入巖心造成水鎖損害。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為相鄰的層段巖心,并分別給到0、5、7.5、10 MPa的壓力來完成實(shí)驗(yàn)。此外,為了得到整個(gè)區(qū)域的氣藏狀況,利用10 MPa的壓力對(duì)各類巖心進(jìn)行水鎖損害實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于液氮增能技術(shù)的返排效果

2.1.1排液管內(nèi)液柱壓力的變化

通過計(jì)算,得到排液管內(nèi)液柱壓力的變化如圖2所示。

圖2 液氮伴注管柱井底壓力對(duì)比結(jié)果

由圖2可知,融入液氮后,排液管柱內(nèi)的液體密度減小,液柱的井底靜態(tài)壓力也隨之減小。在采取100 Sm3/min的排量完成伴注時(shí),液柱壓力減小了2.38%;液氮排量增加了3倍,出現(xiàn)1.1 MPa的井底液柱靜壓減低,壓力減小了6.72%。以上結(jié)果說明壓后井底液柱壓力、增加返排壓差時(shí)液氮伴注的可行性。

2.1.2儲(chǔ)層增能效果

當(dāng)使用3段分段壓裂,并利用250 sm3/min的排量完成液氮的伴注時(shí),其壓力剖面如圖3所示。

圖3 水平井分段壓裂儲(chǔ)層液氮增能結(jié)果

由圖3可知,與第3段相比,第1段的增能范圍小,而且按次序依次降低。產(chǎn)生此情況的原因是液氮增能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)分布較散,所以盡量讓水力裂縫返排一起產(chǎn)生,這樣全部段返排時(shí)的運(yùn)排壓差就會(huì)基本保持相同。

2.2 水鎖損害模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1水鎖損害程度

通過模擬實(shí)驗(yàn),得到不同自吸時(shí)間下的水鎖損害程度如圖4所示。

圖4 水鎖損害程度研究結(jié)果

由圖4可知,川西地區(qū)的致密氣藏在自吸地層水時(shí),其損害程度在0.40～0.45。巖心在最開始自吸時(shí),隨著自吸時(shí)間的不斷增大,水鎖損害程度也在不斷加深。然而,當(dāng)自吸到120～150 min左右,其水鎖損害的程度變得基本不明顯了。

2.2.2壓力對(duì)水鎖損害程度的影響

通過模擬實(shí)驗(yàn),得到壓力對(duì)水鎖損害程度的影響如圖5所示。

(a)不同壓力

由圖5可知,壓力越大,而且持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),水鎖損害程度越高;壓力較小時(shí),隨著加壓時(shí)間的增大,水鎖損害也會(huì)持續(xù)增強(qiáng)。當(dāng)壓力較大時(shí),加壓時(shí)間越少,其損害程度就增強(qiáng)得越明顯,但在此之后基本上就會(huì)變得平緩。而且到一定時(shí)間就不會(huì)擴(kuò)大了。上述結(jié)果說明,致密巖心中水飽和度到達(dá)一定值時(shí),過多地層水的引入不會(huì)對(duì)其水鎖損害程度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

為提高致密砂巖氣藏壓裂時(shí)的返排能力,采用液氮對(duì)氣藏的壓裂方式進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用液氮對(duì)氣藏進(jìn)行壓裂時(shí),返排時(shí)的運(yùn)排壓差雖然較不一致,但其仍然能夠降低井底液柱壓力,整體上提高返排能力。此外,在設(shè)計(jì)相關(guān)水鎖實(shí)驗(yàn)對(duì)影響水鎖損害的因素進(jìn)行探索時(shí)發(fā)現(xiàn),壓力越大,加壓時(shí)間越長(zhǎng),水鎖損害越嚴(yán)重。這說明,可以通過減小壓力來減小水鎖損害的程度。研究不足之處在于,利用液氮對(duì)氣藏返排壓差要求進(jìn)行優(yōu)化時(shí),沒有開展氣藏地層壓力模擬,為液氮優(yōu)化提供精確依據(jù),后續(xù)將完善此問題。