宋志同,王峻源, 徐偉寧,李 寧,馮學(xué)東,吳保中

(1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司試油公司,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部,四川成都 610212)

頁巖氣儲(chǔ)層改造過程中原則上應(yīng)盡量避開斷層,若斷層是富集氣區(qū)域,有效溝通天然裂縫對產(chǎn)量有極大的提升,但施工過程中既要合理溝通斷層又要克服斷層的應(yīng)力集中及強(qiáng)濾失等不利影響,這是頁巖氣儲(chǔ)層改造的難點(diǎn)。

研究區(qū)屬于長寧區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖,厚度大、壓力系數(shù)較高(2.0)、脆性指數(shù)高(65.0%～72.5%)、孔隙度中等(4%～5%),有寧39、寧41號(hào)兩條非均質(zhì)斷層。該區(qū)域天然裂縫發(fā)育,聯(lián)通性較強(qiáng),因此在壓裂過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測,實(shí)時(shí)調(diào)整施工參數(shù),避免套管變形。

前人對天然裂縫應(yīng)力不均、濾失、孔眼進(jìn)液差異大等問題做了大量的研究工作[1-6],但對頁巖氣儲(chǔ)層改造中斷層影響的探討和研究相對較少,因此開展斷層對頁巖氣儲(chǔ)層改造中的影響及應(yīng)對措施具有重要意義。

1 復(fù)合暫堵壓裂工藝

1.1 復(fù)合暫堵機(jī)理

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝技術(shù)相對較成熟,包括對暫堵球材質(zhì)、數(shù)量、大小等都做了大量的理論探索和礦場實(shí)踐[7-8]。針對長寧M區(qū)塊地質(zhì)與工程參數(shù)提出的復(fù)合暫堵壓裂工藝,經(jīng)砂液沖蝕打磨后射孔孔眼大部分呈不規(guī)則的形狀,多為雙翼型、多邊型等,因此當(dāng)壓裂過程中需要段內(nèi)暫堵時(shí),選用的暫堵球是規(guī)則的球體,無法做到完全封堵,這種情況下就會(huì)加大孔眼邊緣水力沖擊磨蝕作用,邊緣高速進(jìn)液時(shí),已入座的暫堵球會(huì)有滑脫的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出復(fù)合暫堵工藝,投暫堵球的同時(shí)加入暫堵劑(投球旋塞打開之后緊接著投送暫堵劑),不同粒徑暫堵劑就能彌補(bǔ)暫堵球周圍空隙,實(shí)現(xiàn)完全封堵,此時(shí)孔眼不進(jìn)液,液體壓力全部作用在暫堵球上,增加了暫堵球入座的穩(wěn)定性。

1.2 復(fù)合暫堵強(qiáng)度修正模型

現(xiàn)場應(yīng)用的一種成熟可靠的水溶性暫堵劑,具有清潔無污染、承壓效果好、滲透率恢復(fù)率高、溶解時(shí)間可控、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)壓裂規(guī)模、裂縫網(wǎng)絡(luò)特征、裂縫形態(tài)、嵌入比例,暫堵劑用量修正公式[9]。

(1)

式中:G為縫內(nèi)暫堵壓裂時(shí)的暫堵劑用量,kg;Δd為濾餅厚度,cm;ρa(bǔ)為暫堵劑視密度,g/cm3;k為暫堵劑嵌入比例(40%);h為動(dòng)態(tài)裂縫高度,mm;w為動(dòng)態(tài)裂縫寬度,mm;α為損耗系數(shù),一般為1.3～1.5。

1.3 復(fù)合暫堵壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化

天然裂縫帶(斷層)的存在能夠降低巖石壁面強(qiáng)度,便于水力裂縫起裂與擴(kuò)展。水力裂縫與斷層真正有效溝通才能形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),獲得更大的儲(chǔ)層改造體積[10]。斷層與天然微裂縫不同,具有強(qiáng)濾失、抗張強(qiáng)度大、影響范圍大、凈壓力低、水力裂縫延伸困難、易脫砂等特征,很難同時(shí)發(fā)生張性破壞、剪切破壞。針對斷層的改造目的是有效溝通,及時(shí)控制單翼過渡改造,同時(shí)也減小砂堵施工的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.1 暫堵球參數(shù)優(yōu)化

1)暫堵球在頁巖氣縫網(wǎng)轉(zhuǎn)向壓裂中的應(yīng)用較成熟,但對不同區(qū)塊、不同儲(chǔ)層、不同層段之間存在地質(zhì)參數(shù)差異(應(yīng)力差、地層應(yīng)力、楊氏模量、泊松比、原始儲(chǔ)層壓力、天然裂縫逼近角、傾角、抗張強(qiáng)度等),需對該儲(chǔ)層暫堵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2)長寧M區(qū)塊某平臺(tái)應(yīng)力差為7～10 MPa,適合暫堵轉(zhuǎn)向壓裂利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐,暫堵球數(shù)量優(yōu)選為總孔眼的1/3～1/2,最多不超過總孔眼數(shù)的1/2,原因是投球過多易造成超壓,影響施工。投球數(shù)量不宜過少(原則上不少于總孔眼數(shù)的1/3),投球數(shù)量過少,沿井筒兩翼裂縫差異大,改造不均勻。另外,如果段間沒有應(yīng)力差或者小于1 MPa,則可以選擇不投暫堵球(層間應(yīng)力差異小,靠孔眼磨阻則可以迫使液體分流,均勻進(jìn)液),根據(jù)施工壓力及地面裂縫監(jiān)測情況選擇具體投球時(shí)機(jī)。

3)基于現(xiàn)場實(shí)踐,通過井下電視分析施工后各簇孔眼磨蝕情況,如圖1所示?？籽鄄灰?guī)則現(xiàn)象,最大孔眼磨蝕面積是初始孔眼面積3倍之多,單純靠投圓球型暫堵球已無法實(shí)現(xiàn)全密封。因此,需要優(yōu)化暫堵球粒徑、暫堵劑配比等復(fù)合暫堵參數(shù)。不同施工階段暫堵球直徑選擇為:1/3～1/2總液量時(shí)選擇15 mm,1/2總液量時(shí)選擇19 mm,施工中后期選擇22 mm。

1.3.2 暫堵劑參數(shù)優(yōu)化

1)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝中,暫堵劑的濃度起到至關(guān)重要的作用。采用重復(fù)壓裂模擬軟件(Re-Frac)進(jìn)行暫堵劑濃度優(yōu)化,輸入?yún)?shù)為:埋藏深度、水平應(yīng)力差、壓力梯度、裂縫預(yù)測寬度、射孔直徑大小、暫堵劑用量、排量大小、井筒容積、嵌入比等參數(shù),模擬結(jié)果顯示,暫堵劑濃度為80～100 kg/m3時(shí)效果最佳。

2)通過現(xiàn)場實(shí)踐總結(jié)出長寧M區(qū)塊暫堵劑最佳配比組合,大大增加了斷層干擾的儲(chǔ)層改造封堵轉(zhuǎn)向效果。圖2是儲(chǔ)層均勻的不同段單獨(dú)投暫堵球(19顆15 mm暫堵球)和配合暫堵劑的復(fù)合暫堵工藝(不同配比300 kg暫堵劑+19顆15 mm暫堵球)的對比?？紤]施工限壓(95 MPa),暫堵劑顆粒粉末最優(yōu)配比參數(shù)為24～33,有效地封堵了孔眼附近不規(guī)則間隙,減小了濾失、脫砂風(fēng)險(xiǎn),轉(zhuǎn)向效果明顯(壓力漲幅5～7 MPa),后續(xù)施工平穩(wěn)。顆粒比例過低起不到封堵暫堵球周圍間隙的作用,轉(zhuǎn)向效果不明顯,顆粒比例過高易造成縫口和孔眼過渡封堵引起瞬間超壓,影響后續(xù)施工。

圖2 復(fù)合暫堵與暫堵球封堵效果對比

2 礦場實(shí)踐

復(fù)合暫堵壓裂工藝在長寧區(qū)塊已成功應(yīng)用多口井,不同儲(chǔ)層的復(fù)合暫堵壓裂工藝參數(shù)不同,有斷層穿行的水平井,復(fù)合暫堵參數(shù)需實(shí)時(shí)調(diào)整。長寧 HX-Y井是一口開發(fā)井,水平段B靶點(diǎn)附近有斷層穿過,目前的監(jiān)測手段不能充分了解斷層的性質(zhì)及儲(chǔ)層情況,后期壓裂過程中不可避免會(huì)溝通斷層,這就需要提前做好應(yīng)對措施,避免脫砂嚴(yán)重造成砂堵風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 井況概述

長寧HX-Y井測井資料顯示, 5 140.0～5 308.0 m井段斯通利波衰減明顯,指示裂縫發(fā)育。螞蟻體裂縫預(yù)測井段5 275.0～5 425.0 m強(qiáng)響應(yīng)。

水平段長1 946.0 m,A點(diǎn)3 550.0 m后測井解釋井段3 550.0～5 456.0 m(段長1 906.0 m)。Ⅰ類優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層鉆遇1 764.60 m,鉆遇率94.7%;Ⅱ類儲(chǔ)層鉆遇78.7m,鉆遇率4.2%;Ⅲ類儲(chǔ)層鉆遇19.7 m,鉆遇率1.1%。

2.2 壓裂設(shè)計(jì)

長寧HX-Y井共設(shè)計(jì)30段分段壓裂。按照有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)的原則,主體段每段分6簇射孔,孔密度16孔/m,每簇射孔段長0.5 m,相位角為60°,總孔數(shù)48孔。復(fù)合暫堵壓裂工藝設(shè)計(jì)暫堵球?yàn)榭偪讛?shù)的1/2,確保每簇射孔孔眼均能有效開啟。

本井設(shè)計(jì)6段復(fù)合暫堵壓裂段,分別為6～7段、11～12段、16～17段,其中6～7段采取上述暫堵劑用量公式復(fù)合暫堵,效果不理想?？紤]斷層特征及該區(qū)塊裂縫延伸形態(tài)對公式中動(dòng)態(tài)縫寬6～7 mm,暫堵劑嵌入比40%,損耗系數(shù)1.3～1.5進(jìn)行修正;修正后的動(dòng)態(tài)縫寬7～8 mm,暫堵劑嵌入比50%,損耗系數(shù)1.6～2.0。表1為修正前后暫堵劑用量對比。

表1 修正前后暫堵劑用量統(tǒng)計(jì)

2.3 施工應(yīng)用

長寧HX-Y井設(shè)計(jì)排量為16 m3/min,施工壓力為75～85 MPa,暫堵球采用液壓旋塞開啟,不受排量影響。現(xiàn)場施工中為了滿足暫堵劑濃度要求,保障壓裂泵頭的正常供液,可將復(fù)合暫堵工藝排量降至14 m3/min。微地震監(jiān)測顯示,需要復(fù)合暫堵工藝時(shí),可開動(dòng)液壓旋塞投暫堵球,旋塞打開后同時(shí)開始投暫堵劑。在球入座孔眼時(shí)形成壓差,尾追的暫堵劑濃度隨之增加,鑲嵌在暫堵球周圍間隙,配合暫堵球進(jìn)行封堵孔眼,剩余的的暫堵劑通過液體轉(zhuǎn)向伴隨液體進(jìn)入裂縫內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)暫堵。施工曲線判斷暫堵球、暫堵劑到位漲壓情況時(shí),排量恢復(fù)至16 m3/min。繼續(xù)改造前期進(jìn)液少的孔眼,表2為復(fù)合暫堵施工參數(shù)及到位后壓力漲幅。

表2 復(fù)合暫堵施工參數(shù)及效果統(tǒng)計(jì)

2.3.1 復(fù)合暫堵效果分析

復(fù)合暫堵參數(shù)優(yōu)化后暫堵效果明顯,暫堵材料到位后壓力漲幅顯著提高,微地震事件點(diǎn)成兩翼均勻分布,證明復(fù)合暫堵工藝是成功的。

圖3是長寧HX-Y-6段施工曲線及微地震事件點(diǎn)。本段施工排量16 m3/min,砂量140.23 t,液量1 869 m3。施工液量為800 m3時(shí)微地震事件點(diǎn)較少,能級(jí)較低,在第10段位置出現(xiàn)微地震事件點(diǎn),判斷斷層的影響導(dǎo)致人工裂縫與斷層溝通。第10段附近天然裂縫比較發(fā)育,造成段間溝通,此時(shí)決定投暫堵球和暫堵劑200 kg,暫堵材料到位的壓力漲幅1.5 MPa,壓力漲幅不大。復(fù)合暫堵之后,微地震事件點(diǎn)沒有明顯增加,在第10段右側(cè)出現(xiàn)5個(gè)微地震事件點(diǎn),判斷孔眼沒有完全封堵,存在間隙。本段受斷層影響,微地震事件點(diǎn)共25個(gè),判斷改造不充分。

圖3 長寧HX-Y-6段復(fù)合暫堵壓裂施工曲線和微地震事件點(diǎn)對比

圖4是長寧HX-Y-12段施工曲線及微地震事件點(diǎn),本段施工排量16 m3/min,砂量140.35 t,液量1 854 m3。施工液量為900 m3時(shí),微地震事件點(diǎn)較多,事件點(diǎn)多集中在井筒左側(cè),此時(shí)決定投暫堵球和暫堵劑300 kg,暫堵球數(shù)量不變,暫堵劑增加為300 kg,暫堵材料到位后壓力漲幅為7 MPa,壓力漲幅明顯。復(fù)合暫堵之后微地震事件明顯增加,井筒右側(cè)大量出現(xiàn)且能級(jí)較大。未壓裂層段沒有發(fā)現(xiàn)微地震事件點(diǎn),本段總微地震事件點(diǎn)共80個(gè),是第6段事件點(diǎn)的3倍之多。綜上所述,調(diào)整后的復(fù)合暫堵工藝壓力漲幅明顯、封堵效果好、微地震事件點(diǎn)多、改造充分。

利用Meyer軟件模擬長寧HX-Y井第6段和第12段G函數(shù)分析曲線。從G函數(shù)對比可以看出,兩個(gè)曲線都存在天然裂縫特征,HX-Y井第6段表現(xiàn)為波動(dòng)小,有天然裂縫特征,停泵后裂縫端部繼續(xù)延伸;HX-Y井第12段表現(xiàn)為曲線前期快升快降、后期波動(dòng)較大,有明顯天然裂縫,多裂縫特征明顯。G函數(shù)分析認(rèn)為,第12段裂縫復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于第6段,與微地震事件點(diǎn)吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合暫堵工藝的可行性。

2.3.2 測試結(jié)果

對長寧HX-Y井壓裂改造30段,復(fù)合暫堵壓裂6段,壓后試氣測試,采用穩(wěn)壓逐步增加油嘴的方式。10 mm油嘴產(chǎn)氣量為31.5×104m3/d,壓力為25.5 MPa,測試產(chǎn)量高于同區(qū)塊常規(guī)壓裂改造井。表3為相鄰平臺(tái)同樣受斷層影響而沒有采取復(fù)合暫堵轉(zhuǎn)向工藝措施的兩口井與該井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比。

3 結(jié)論

1)針對斷層影響的壓裂段,采用復(fù)合暫堵壓裂工藝,可以有效地避免斷層的不利影響,增大改造體積。測試產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)期均高于同區(qū)塊常規(guī)壓裂改造井。

2)結(jié)合微地震及斷層特征,實(shí)時(shí)修正暫堵材料使用參數(shù),有效克服了暫堵球密封不嚴(yán)、濾失嚴(yán)重、裂縫復(fù)雜程度不夠等技術(shù)難題。