改進(jìn)Appalachian盆地Utica頁(yè)巖水力壓裂方法的研究

編譯:鄒一鋒 (油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

審校:郭建春 (油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

改進(jìn)Appalachian盆地Utica頁(yè)巖水力壓裂方法的研究

編譯:鄒一鋒 (油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

審校:郭建春 (油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

應(yīng)用于Utica頁(yè)巖油藏的很多增產(chǎn)措施都告失敗,失敗的原因歸咎于幾個(gè)因素,包括信息組成、排驅(qū)壓力、過(guò)早的前置液濾失等。研究中首先統(tǒng)計(jì)油藏的地質(zhì)數(shù)據(jù),然后使用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)描述Utica頁(yè)巖的巖石礦物成分和力學(xué)性質(zhì)。高百分比的酸溶性碳酸鹽和白云巖表明有必要進(jìn)行低注入壓力下的酸化處理。因?yàn)榇嬖谔烊涣芽p,酸處理是直井和水平井的主要增產(chǎn)措施,也可在稠化酸或加砂壓裂之前進(jìn)行酸壓,或者用交聯(lián)壓裂液處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了黏土、潛在生成的細(xì)小硅化物和有機(jī)物、低溫生物活性、潛在垢的產(chǎn)生、注入流體返排等的影響。通過(guò)酸強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系來(lái)說(shuō)明酸的溶解性。列出了頁(yè)巖氣體壓裂、基質(zhì)酸化、加砂壓裂的導(dǎo)流能力數(shù)據(jù)。在可供選擇的添加劑組合和表面活性劑類型下,對(duì)吸附性以及所得的氣體相對(duì)滲透率進(jìn)行比較,這將優(yōu)化流體返排和氣體相對(duì)滲透率。研究中獲得的信息可以用于優(yōu)化Appalachian盆地Utica頁(yè)巖油藏的壓裂措施。

水力壓裂 頁(yè)巖 酸化處理返排

1 儲(chǔ)集層特征

有關(guān)Utica頁(yè)巖孔隙度和滲透率的數(shù)據(jù)較少。然而,通過(guò)一家商業(yè)實(shí)驗(yàn)室分析少數(shù)Utica頁(yè)巖樣品,表明了這些巖石的致密性。4個(gè)樣本的孔隙度范圍為 3.7%～6.0%,而滲透率的范圍為0.000 080～0.003 583 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。Utica頁(yè)巖的致密性可以通過(guò)電子掃描顯微圖像觀察到,偶爾有大顆粒的石英分布在黏土顆粒骨架上。

結(jié)合Utica頁(yè)巖樣品吸附等溫線分析和計(jì)算含氣飽和度,結(jié)果顯示在 Utica頁(yè)巖孔隙中大約有25%的氣體。

2 流體遴選標(biāo)準(zhǔn)

選擇獲取天然氣的方法是非常重要的,并且要考慮每種增產(chǎn)方法的成本。力學(xué)性能表明水平井可能是一個(gè)可行的選擇。不管鉆的是直井還是接近直井,都有多種增產(chǎn)方法可供選擇,每種增產(chǎn)方法都要根據(jù)礦物成分來(lái)選擇流體和添加劑類型。

流體的選擇需要考慮到:儲(chǔ)層黏土含量高、潛在硅化物和有機(jī)質(zhì)微粒的產(chǎn)生、酸溶解度、低溫微生物活性、潛在水垢的產(chǎn)生、注入液的返排。

2.1 黏土和微粒的影響

因?yàn)轲ね梁扛咝枰褂?KCl來(lái)穩(wěn)定黏土?？梢允褂镁酆衔镱惖酿ね练€(wěn)定劑來(lái)減輕黏土的運(yùn)移。在此情況下,分子量較低的穩(wěn)定劑將黏土和有機(jī)物控制在原地,避免黏土和有機(jī)物堵塞支撐劑的注入,并不會(huì)損害脆性巖石骨架的滲透率,這些對(duì)氣體流動(dòng)機(jī)理來(lái)說(shuō)是首要的。如果是加砂壓裂,流動(dòng)的微粒對(duì)產(chǎn)層導(dǎo)流能力會(huì)有影響。通常鋪砂濃度為1.0 lb/ft2(1 lb/ft2=4.886 kg/m2)的30/50目支撐劑填充層在5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)閉合壓力下的導(dǎo)流能力為900 mD·ft。增加的黏土微?？墒巩a(chǎn)層填充層的滲透率降到預(yù)期值的一半以下。

首先用混雜有未經(jīng)清洗的Utica頁(yè)巖碎片的20/40目石英砂塞滿1 ft(1 ft=30.48 cm)長(zhǎng)的填充柱。水以80 mL/min的速度流過(guò)填充柱,測(cè)量滲透率與時(shí)間的關(guān)系。在測(cè)試中只用清水,滲透率將逐步降到原始值的50%以下。用2%KCl,滲透率下降情況與前者相似,滲透率略高是由于巖石膨脹減少。在這項(xiàng)測(cè)試中,如果巖石填充柱用2% HCl和5 gpt(gal/t,1 gal=3.785 L)的微粒穩(wěn)定劑處理,在流量測(cè)試過(guò)程中的清水滲透率保持在110 D以上。這標(biāo)志著該微粒穩(wěn)定劑成功地將微?？刂圃诹嗽?從而防止巖石填充柱滲透率降低,也就大大地減少了微粒從巖石填充柱中分離出來(lái)。

2.2 酸溶解度測(cè)試

對(duì)粉碎Utica頁(yè)巖樣品進(jìn)行酸溶解度測(cè)試,巖樣是從紐約州收集的巖石露頭。先用2%KCl溶液把粉碎頁(yè)巖上的微粒清洗掉,在測(cè)試前先放到溫度超過(guò)125℉的烤箱中烘干。每次測(cè)試放5.0 g干燥的Utica頁(yè)巖到燒杯中,然后和不同濃度的 HCl反應(yīng)一定時(shí)間。然后將每個(gè)樣本洗凈,烘干,并稱重,最后確定巖石的溶解百分比。在一定酸濃度和接觸時(shí)間作用下,測(cè)得巖樣的酸溶解度在30%至38%之間。5%HCl足以溶解巖石中的酸溶性物質(zhì)。在實(shí)際工作設(shè)計(jì)中,要適當(dāng)控制酸的溶解度,確保酸能到達(dá)預(yù)期的穿透深度。

2.3 低溫微生物活性

在相對(duì)低溫80～125℉下,非常適合微生物活動(dòng)。注入水中必須要有足夠的殺菌劑,以防止厭氧細(xì)菌生長(zhǎng)。當(dāng)井已經(jīng)完井或正在生產(chǎn),添加劑將要在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間內(nèi)防止細(xì)菌生長(zhǎng)。

2.4 阻垢劑

注入水在碳酸鹽巖/白云巖環(huán)境中有可能結(jié)垢并堵塞天然裂縫或支撐劑充填層,這可以通過(guò)在注入流體或支撐劑充填層中加少量的阻垢劑來(lái)預(yù)防。

2.5 注入液的返排

頁(yè)巖井返排率在15%至30%是很常見(jiàn)的,因此在地層中會(huì)留下大量的流體。這些滯留在地層中的流體降低了氣相相對(duì)滲透率。有很多方法可以減少流體入侵和滯留,包括氣體壓裂、泡沫壓裂和利用表面活性劑幫助流體返排的水力壓裂或酸壓。

3 裂縫性巖心實(shí)驗(yàn)

如果巖石力學(xué)性能不容許進(jìn)行壓裂,一種可以選擇的完井方式是用添加有水基液助排劑的酸液體系對(duì)天然裂縫進(jìn)行基質(zhì)酸化。這種方法對(duì)水平井非常有效。一旦這些天然裂縫被壓開(kāi),就可注入支撐劑,以增加這些裂縫的導(dǎo)流能力。注入各種流體后,進(jìn)行多次測(cè)試來(lái)確定裂縫導(dǎo)流能力:①注氮?dú)庵荒苣M氣體壓裂和測(cè)量對(duì)甲烷氣體的導(dǎo)流能力;②注3%的HCl溶液其后跟著注氮,并確定對(duì)甲烷氣的導(dǎo)流能力;③注3%HCl溶液其后跟著注支撐劑 (5/30目)濃度為 1lb/ft2稠化水/酸壓裂液。這些測(cè)試資料說(shuō)明,最好用酸進(jìn)行預(yù)處理確保裂縫破裂和起裂。多數(shù)壓裂應(yīng)該采用加有添加劑的水基壓裂或泡沫壓裂。

4 處理液優(yōu)化測(cè)試

4.1 頁(yè)巖填充柱吸附試驗(yàn)

評(píng)價(jià)吸附的主要方法是測(cè)量注入流體的表面張力。數(shù)據(jù)的解釋是基于這樣一個(gè)前提:當(dāng)含有表面活性物質(zhì)的流體通過(guò)填充柱時(shí),一些表面活性劑被吸附到巖石介質(zhì)中去。因此,流體流到離注入點(diǎn)越遠(yuǎn)的位置,流體的表面張力就越高。在這項(xiàng)研究中,表面張力活性的任何改變都被認(rèn)定為表面活性劑被吸附到頁(yè)巖填充柱中的巖石骨架上了。

4.2 表面活性劑的選擇

測(cè)試選定的表面活性劑包括:含有12 mol環(huán)氧乙烷的非離子型C10直鏈醇 (AE)、含有11 mol環(huán)氧乙烷的醇醚支鏈非離子型微乳液 (ME)、含有15 mol環(huán)氧乙烷的陽(yáng)離子型乙氧化胺 (CA)、含乙氧乙醇基的氟表面活性劑 (FS)。

4.3 吸附測(cè)試設(shè)備

吸附測(cè)試:向巖石填充柱注入測(cè)試流體使之通過(guò)圓柱。巖石填充柱長(zhǎng)4 ft,內(nèi)徑1.50 in(1 in=

25.4 mm)。填充柱安裝在一個(gè)垂直的位置上。巖石填充柱每隔1 ft就有一個(gè)用來(lái)收集液體的分流孔。本巖石填充柱塞滿8/12目的粉碎Utica頁(yè)巖,使流體運(yùn)移貫穿整個(gè)頁(yè)巖填充柱。然后把干燥的氮加壓裝置直接連到4.5 gal蓄電池上,利用加壓裝置將處理過(guò)的流體注入到頁(yè)巖填充柱中。這種裝置在30 psi下運(yùn)行。

在注入各種表面活性劑之前,先用2%KCl鹽水溶液將頁(yè)巖填充柱飽和,以穩(wěn)定黏土。在每隔1 ft的間隔上收集樣品,并測(cè)量每個(gè)樣品的表面張力。因?yàn)楸砻婊钚詣┤芤喝〈?%KCl溶液,使表面張力下降。重復(fù)進(jìn)行這些步驟,直至從整個(gè)4 ft長(zhǎng)填充柱上的每個(gè)端口都收集了61倍孔隙體積的流體為止。

測(cè)試結(jié)果表明ME滯留量最少,而FS滯留量最多。以前的研究表明,在表面活性劑測(cè)試中,即使在濃度劇減的情況下,ME仍是最有效的。該三相微乳狀液的泰森多邊形結(jié)構(gòu)表明該表面活性劑性能對(duì)整個(gè)地區(qū)的頁(yè)巖具有很好的適用性,使之成為更有效的流體。據(jù)預(yù)測(cè),頁(yè)巖基質(zhì)表面堆積較高的ME表面活性劑為返排過(guò)程提供了一些被俘獲的表面活性劑,從而更好地促進(jìn)裂縫中液體的返排。

4.4 頁(yè)巖巖心的排液測(cè)試

Bannion等對(duì)巖心流動(dòng)相吸收實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了描述。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,低滲透巖心用2%KCl飽和,并用2 gpt AE和2 gpt ME處理。結(jié)果顯示,AE在1500 psi時(shí)返排率為10%,在3000 psi時(shí)返排率為20%。ME至少在100 psi時(shí)才開(kāi)始返排,在1500 psi時(shí)返排率為30%,在4500 psi時(shí)返排率為80%。

相吸收實(shí)驗(yàn)表明,改變毛細(xì)管壓力有利于液體在低壓下流動(dòng)。但也有人觀察到,用ME處理過(guò)的巖心水飽和度小于10%,氣測(cè)相對(duì)滲透率是傳統(tǒng)方法的2倍。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

初期在Utica地區(qū)進(jìn)行了不同規(guī)模的壓裂。因?yàn)樗械捻?yè)巖都有不同程度的天然裂縫存在,研究表明大部分油藏增產(chǎn)措施是否成功與油藏體積有關(guān)。使這些含油體積較大的Appalachian頁(yè)巖層產(chǎn)量達(dá)到更大,初期的施工規(guī)模為25×104～50×104gal壓裂液和50×104lb(1 lb=0.454 kg)的支撐劑,現(xiàn)在的施工規(guī)模是近1×106gal壓裂液和1× 106lb的30/50目支撐劑。

為什么設(shè)計(jì)用量這么大?這取決于油層厚度。微地震表明,有更多的油藏體積成為可以增產(chǎn)的油藏體積。同時(shí),該地區(qū)更大規(guī)模的增產(chǎn)措施可能增加油藏增產(chǎn)體積 (SRV)和最終估算的儲(chǔ)量(EUR)。施工規(guī)模的優(yōu)化需要微震信息。

從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看,水力壓裂成本要相對(duì)低些。必要的添加劑包括用以降低60%的泵送壓力的降阻劑、殺菌劑和提高流體返排率的添加劑組合。支撐劑需要實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)支持其性能,以確保油藏壓力衰竭時(shí)裂縫的導(dǎo)流能力。有些Barnett施工人員通過(guò)增加壓裂液量和提高支撐劑密度獲得了良好的增產(chǎn)效果。有的加入等量的氮?dú)怏w積。正如上文所指出的那樣,其他添加劑可能是有益的,包括防垢劑和微粒穩(wěn)定劑。

隨著B(niǎo)arnett地區(qū)技術(shù)的進(jìn)步,水平井鉆井活動(dòng)日益增多。對(duì)于Utica頁(yè)巖油藏,也將有越來(lái)越多的水平井。一旦鉆井,完井技術(shù)就是個(gè)問(wèn)題。因?yàn)椴荒苓M(jìn)行多次壓裂,尤其是在泊松比低的地區(qū),所以加入穩(wěn)定劑酸洗交叉天然裂縫可能是有益的。

6 結(jié)論

(1)巖石充填柱吸附試驗(yàn)表明,ME微乳液的吸附最少,而含氟表面活性劑和陽(yáng)離子吸附最多。微乳配方將吸附降低到最小并允許表面活性劑滲入地層。

(2)酸溶解性實(shí)驗(yàn)顯示,38%的Utica頁(yè)巖溶解于5%HCl,并且高濃度酸不能提高溶解度,除非酸液與巖石的比例較低。

(3)裂縫性巖心實(shí)驗(yàn)表明:閉合應(yīng)力為500 psi時(shí),氣體壓裂的導(dǎo)流能力為200 mD·ft;閉合壓力為2 500 psi時(shí),幾乎沒(méi)有導(dǎo)流能力;在所有測(cè)試閉合壓力下,用3%HCl處理后,導(dǎo)流能力變?yōu)樵瓉?lái)的2倍。

(4)50/30目支撐劑在鋪砂濃度為1 lb/ft2時(shí),閉合壓力達(dá)到5 000 psi,導(dǎo)流能力保持為850 mD ·ft。在預(yù)處理液或前置液中使用酸有利于壓開(kāi)裂縫并使支撐劑順利進(jìn)入裂縫。

(5)Utica頁(yè)巖地層含有黏土和微粒,可以使用KCl和聚合物類的黏土穩(wěn)定劑來(lái)抑制這些黏土和微粒。如果微粒不能穩(wěn)定下來(lái),那么它的運(yùn)移可以使支撐劑的導(dǎo)流能力減半。

資料來(lái)源于美國(guó)《SPE 111063》

2009年世界主要國(guó)家石油產(chǎn)量 單位:108t

趙平供稿

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.010

2009-03-27)