西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)體系探索與實(shí)踐

施榮富

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司）

近年來(lái)，隨著東海盆地西湖凹陷勘探力度逐漸增大，在該地區(qū)深部勘探目的層系（主要為花港組和平湖組）發(fā)現(xiàn)了大量低孔低滲油氣層，低孔低滲油氣儲(chǔ)量已呈現(xiàn)逐年迅速增長(zhǎng)的勢(shì)頭［1-2］。據(jù)初步估算，該地區(qū)低孔低滲油氣儲(chǔ)量占目前已發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)量的比重高達(dá)70%左右。然而，低孔低滲油氣層埋藏深、儲(chǔ)層物性差，自然條件下難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)性油氣流，因此通過(guò)技術(shù)手段對(duì)低孔低滲油氣層進(jìn)行儲(chǔ)層改造是獲得商業(yè)化產(chǎn)能的必經(jīng)之路。筆者通過(guò)不斷探索，開(kāi)展了水力加砂壓裂改造技術(shù)研究與實(shí)踐，通過(guò)壓裂改造提高了西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層滲流能力，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)低孔低滲油氣層的商業(yè)化產(chǎn)能，取得了很好的效果。文中重點(diǎn)闡述了西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)體系主要內(nèi)容，總結(jié)了該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造實(shí)踐歷程，并指出了目前壓裂作業(yè)中急迫解決的技術(shù)難題。

1 低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)體系探索

從2010年10月開(kāi)始，西湖凹陷開(kāi)展了8層水力加砂壓裂改造作業(yè)，通過(guò)不斷探索，目前已初步建立起一套海上低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)體系，包括壓裂選層技術(shù)、射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱技術(shù)和壓裂測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)施工工藝技術(shù)。

通過(guò)近2年來(lái)的壓裂測(cè)試探索和實(shí)踐，從壓裂層位的選取、測(cè)試管柱設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)壓裂測(cè)試施工等，已經(jīng)逐步建立起了一套海上探井壓裂測(cè)試技術(shù)體系。

1.1 壓裂選層技術(shù)

低孔低滲大氣區(qū)（田）發(fā)育的圈閉類型主要有巖性圈閉、成巖圈閉和毛細(xì)管壓力圈閉，這3種類型圈閉在我國(guó)天然氣儲(chǔ)量構(gòu)成中占有很大比例［3］。西湖凹陷低孔低滲油氣區(qū)主要形成于凹陷構(gòu)造深部，主要為構(gòu)造＋巖性類型圈閉，儲(chǔ)層孔隙空間小、吼道連通性較差，局部低孔低滲油氣層的巖石骨架顆粒所含束縛水較高［4-5］，因此選擇合適、合理的低孔低滲油氣層進(jìn)行壓裂改造是實(shí)現(xiàn)油氣層壓裂改造成功的前提與保證。根據(jù)目前已開(kāi)展的8層壓裂改造情況來(lái)看，在壓裂選層技術(shù)方面已取得以下認(rèn)識(shí)：

（1）壓裂層含油氣飽和度高，利于壓裂改造后的油氣產(chǎn)生

低孔低滲油氣層受其空間差異性的影響，氣水關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，因此，低孔低滲儲(chǔ)層物性是控制氣水分布的根本因素。在油氣成藏過(guò)程中，通常油氣優(yōu)先占據(jù)大孔喉，小孔喉中毛細(xì)管阻力大、界面壓力大，水難以被驅(qū)替。研究表明，尋找低孔低滲油氣層段內(nèi)的油氣富集“甜點(diǎn)”層位進(jìn)行壓裂是壓裂選層的重要考慮因素之一［6-8］。西湖凹陷低孔低滲層含油氣飽和度越高，越利于壓裂改造后的油氣產(chǎn)出，其壓裂后產(chǎn)能往往越高，如XH-2井綜合解釋儲(chǔ)層含氣飽和度為41%，壓裂后日產(chǎn)天然氣達(dá)9.6萬(wàn)m3。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，目前西湖凹陷已壓裂層含水飽和度一般在40%～50%；若含水飽和度達(dá)60%左右，壓裂后地層出水產(chǎn)能過(guò)大，往往影響天然氣的排出。

（2）壓裂層地層壓力系數(shù)高，利于儲(chǔ)層改造后壓裂液的快速返排

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造后壓裂液的返排速度與壓裂層本身的地層壓力系數(shù)存在一定的關(guān)系，地層壓力系數(shù)越高，壓裂后壓裂液的返排速度越高，如XX-2井地層壓力系數(shù)為1.501 5，壓裂后壓裂液返排速度平均達(dá)12.5 m3／h。更為重要的是，壓裂液的快速返排，大大降低了壓裂液本身對(duì)儲(chǔ)層的傷害。通過(guò)與長(zhǎng)慶油田壓裂層進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)一般在1.0左右時(shí)，其壓裂后壓裂液的返排速度大大低于西湖凹陷低孔低滲層。

（3）壓裂層上下圍巖要避免煤層和水層

西湖凹陷平湖組、花港組沉積時(shí)期總體為淺水環(huán)境，水下河道砂體與泥炭沼澤、薄煤層交替出現(xiàn)，煤層在油氣目的層段發(fā)育頻繁，而且深部煤層微裂縫發(fā)育，裂縫水大量充填含煤系地層中［9-10］。另外，煤層地應(yīng)力值低，易被壓裂開(kāi)，壓裂層段附近如果發(fā)育煤層沉積，在壓裂施工過(guò)程中壓裂縫易沿煤層展布而造成大量出水，對(duì)氣層的排出將會(huì)起到很大的抑制作用。

（4）合理設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模，減少壓裂液返排時(shí)間

海上壓裂施工與陸地壓裂施工存在很大的差異性，海上探井平臺(tái)施工面積狹小，作業(yè)費(fèi)用高昂，壓裂既要保證壓裂后儲(chǔ)層改善的效果，同時(shí)還要考慮作業(yè)時(shí)間，盡量減少壓裂液的返排時(shí)間，因此，針對(duì)不同氣層合理設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模顯得尤為重要。目前，西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造半縫長(zhǎng)控制在100～150 m、加砂量控制在20～30 m3時(shí)效果較為理想。

1.2 射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱技術(shù)

針對(duì)西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂測(cè)試作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并成功實(shí)踐射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱技術(shù)。射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱技術(shù)采用油管傳輸射孔與環(huán)空壓力響應(yīng)測(cè)試工具聯(lián)作，可在射孔、常規(guī)測(cè)試后進(jìn)行壓裂作業(yè)和測(cè)試作業(yè)。對(duì)井下工具進(jìn)行優(yōu)化配置后，射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 西湖凹陷低孔低滲層射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱圖［11］

該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層保護(hù)最大化，并大大降低了作業(yè)時(shí)間和減少了作業(yè)費(fèi)用。相對(duì)于常規(guī)測(cè)試管柱，射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱結(jié)構(gòu)做了許多調(diào)整與優(yōu)化，主要包括：①封隔器和流動(dòng)頭等設(shè)備采用103.35 MPa耐壓等級(jí)，工具性能大大提高；②對(duì)管柱進(jìn)行了很多精減，去掉了OMNI閥和RD取樣閥等；③管柱通過(guò)優(yōu)化下入2個(gè)循環(huán)閥，設(shè)計(jì)間距為300～500 m，防止了管柱內(nèi)沉砂而不能建立壓井循環(huán)；④根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)伸縮接頭數(shù)量3支，并將伸縮接頭倒置；⑤增加了自動(dòng)丟槍裝置；⑥環(huán)空壓力控制工具的各級(jí)控制壓力跨度增大，打平衡背壓，降低了封隔器上下壓差。

1.3 壓裂測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)施工工藝技術(shù)

西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂測(cè)試作業(yè)時(shí)間短，現(xiàn)場(chǎng)高壓作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)高，必須確保施工作業(yè)的一次成功，同時(shí)需獲得盡量多的地質(zhì)資料，為此采取了以下具體措施：

（1）設(shè)計(jì)二開(kāi)二關(guān)工作制度

針對(duì)該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂測(cè)試，設(shè)計(jì)了二開(kāi)二關(guān)工作制度，在初開(kāi)井和初關(guān)井獲得原始油氣藏參數(shù)和原始自然產(chǎn)能，在二開(kāi)井和二關(guān)井進(jìn)行壓裂及壓裂后產(chǎn)能求取，并獲得壓裂后的壓力恢復(fù)曲線，進(jìn)行壓裂后儲(chǔ)層改造效果評(píng)估。通過(guò)設(shè)計(jì)二開(kāi)二關(guān)工作制度，獲得了儲(chǔ)層壓裂前后的各項(xiàng)參數(shù)，為壓裂評(píng)價(jià)取全了各項(xiàng)資料。

（2）優(yōu)化射孔井段長(zhǎng)度

射孔井段長(zhǎng)度對(duì)壓裂縫高具有一定的控制作用。例如，在對(duì)XH-6井進(jìn)行壓裂作業(yè)中，射孔井段在4 220～4 226 m 時(shí)，壓裂縫高為44 m 左右；若射孔井段在4 205～4 226 m 時(shí)，壓裂縫高達(dá)57 m 左右。當(dāng)壓裂層上下圍巖發(fā)育煤層或水層時(shí)，在施工作業(yè)中應(yīng)盡量降低射孔井段的長(zhǎng)度。目前，該地區(qū)低孔低滲油氣層射孔井段長(zhǎng)度一般控制在6 m左右，或者射孔井段長(zhǎng)度取測(cè)試砂體厚度的1／4左右時(shí)，壓裂縫高控制效果比較理想。

（3）合理控制施工排量

施工排量對(duì)于裂縫的縫長(zhǎng)和縫高具有直接的控制作用，因此降低施工排量可以很好地降低壓裂縫高。例如，在XH-7井壓裂作業(yè)中，施工排量在2.5 m3／min下的壓裂縫高為44 m；若將施工排量提高至3.5 m3／min，壓裂縫高達(dá)49 m。當(dāng)壓裂層上下圍巖遮擋效果好，且沒(méi)有煤層或水層發(fā)育時(shí)，為了盡量提高裂縫的造縫展布能力，應(yīng)將施工排量提高至3.5～4.0 m3／min。若壓裂層附近發(fā)育煤層或水層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工必須降低施工排量，最大程度降低穿層風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際作業(yè)中施工排量應(yīng)控制在2.5 m3／min左右。

（4）合理優(yōu)化壓裂液性能配制

針對(duì)西湖凹陷壓裂層油氣藏特點(diǎn)，合理優(yōu)化了壓裂液性能配制。一是根據(jù)地層實(shí)際溫度，適當(dāng)調(diào)低了稠化劑濃度，最大程度降低對(duì)儲(chǔ)層傷害；二是優(yōu)化了壓裂液延遲交聯(lián)時(shí)間（如XX-2井壓裂液體系延遲交聯(lián)時(shí)間由之前的1 min提高到了3 min），有效地保護(hù)了壓裂液體系；三是優(yōu)化了泵注程序，降低了前置液量比例，在保證施工成功的前提下降低了壓裂液用量，減小了儲(chǔ)層傷害，并取消了前置液支撐劑段塞；四是針對(duì)氣層適當(dāng)加入起泡劑，提高助排效果，更有利于壓裂后迅速高效返排。

2 低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造實(shí)踐

2010年10月在西湖凹陷XX-1井花港組H11氣層進(jìn)行了第一口探井水力加砂壓裂作業(yè)，共加砂19 m3，泵入地層壓裂液239 m3，壓裂改造后天然氣日產(chǎn)量增加了近20倍，儲(chǔ)層壓裂改造取得了初步成功。

在第一口探井水力加砂壓裂改造取得初步成功后，又對(duì)壓裂層的油氣地質(zhì)條件、壓裂方案設(shè)計(jì)、施工參數(shù)等進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化。2011年4月，對(duì)XX-2井花港組H8氣層進(jìn)行水力加砂壓裂改造，共加砂35 m3，泵入地層壓裂液395 m3，壓裂改造后天然氣日產(chǎn)量增加了近100倍，低孔低滲油氣層產(chǎn)能得到了極大提高。隨后，在西湖凹陷多口探井中進(jìn)行了壓裂測(cè)試，均取得了一定的效果。

到目前為止，西湖凹陷已進(jìn)行8層水力加砂壓裂改造作業(yè)。從改造效果來(lái)看，儲(chǔ)層壓裂改造后天然氣日產(chǎn)量均取得了很大提高，但在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中也存在一些技術(shù)難題急需攻克，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）西湖凹陷平北地區(qū)平湖組低孔低滲層一般分布在4 200 m以下，而西次凹和中央構(gòu)造帶花港組低孔低滲層一般發(fā)育在3 600 m以下。由于西湖凹陷低孔低滲層段煤層普遍發(fā)育，這給壓裂施工增加了很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何更好地控制壓裂縫高，同時(shí)增加壓裂縫長(zhǎng)，這是目前該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂急迫解決的技術(shù)難題之一。

（2）通過(guò)目前壓裂結(jié)果來(lái)看，西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂后求產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)水嚴(yán)重，而這又大大降低了地層天然氣的產(chǎn)量。因此，如何能夠做到控水產(chǎn)氣，這是目前該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂所面臨的重要難題之一。分析認(rèn)為，壓裂過(guò)程中壓裂縫高過(guò)大而導(dǎo)致裂縫溝通上下圍巖中的煤層和水層，這是造成該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂后大量出水的直接原因之一。

（3）實(shí)踐證明，低孔低滲油氣性質(zhì)的準(zhǔn)確判斷對(duì)壓裂液的配制具有很大的指導(dǎo)作用。因此，如何針對(duì)氣層或油層設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的壓裂液，這是目前該地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層壓裂急迫解決的又一技術(shù)難題。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)西湖凹陷花港組、平湖組低孔低滲儲(chǔ)層開(kāi)展了水力加砂壓裂改造技術(shù)探索，壓裂后油氣層產(chǎn)能獲得了極大提升，目前已初步建立起一套海上低孔低滲儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)體系。實(shí)踐表明，在低孔低滲油氣層段尋找油氣富集“甜點(diǎn)”層位進(jìn)行壓裂是實(shí)現(xiàn)壓裂改造成功的重要基礎(chǔ)和保障；射孔-壓裂-測(cè)試一體化管柱技術(shù)的應(yīng)用，可大大提高海上作業(yè)效率，降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，提高壓裂改造的成功率；現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工中根據(jù)不同的地質(zhì)特征設(shè)計(jì)合理的壓裂液體系、射孔井段和施工排量等，這是達(dá)到儲(chǔ)層改造目的的重要手段。

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