永和氣田壓裂優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用

劉松青

（中國石油長城鉆探工程有限公司國際鉆修分公司，北京100101）

永和氣田位于山西省永和縣、石樓縣及隰縣境內(nèi)，勘探開發(fā)區(qū)塊面積1 524 km2。區(qū)塊具有多層系含氣特點，含氣層位有千5、盒4、盒6、盒7、盒8、山1和山2，主力含氣層位為盒8和山2，埋深約1 700～2 300 m，為砂泥巖地層，是一個低滲、低壓、低豐度巖性氣藏。永和氣田絕大部分井層都需要采取壓裂增產(chǎn)措施才能投產(chǎn)，而采用常規(guī)的加砂壓裂容易導(dǎo)致壓裂液返排困難、對儲層造成傷害，也不符合低成本開發(fā)的要求。因此，有必要針對永和氣田不同地層壓裂設(shè)計參數(shù)、中高溫井壓裂液的耐溫耐剪切、攜砂和防膨助排性能等問題開展研究。

1 氣藏特征

永和氣田地表為黃土覆蓋，構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡與晉西撓褶帶之間的過渡帶，為東高西低的單斜構(gòu)造，構(gòu)造線近南北走向平均坡降6～8 m／km，傾角約1°。

永和氣田儲層孔隙度在1.63%～10.85%之間，平均值為5.16%；滲透率在（0.043～0.574）×10-3μm2之間，平均0.1408×10-3μm2。儲層孔隙類型有巖屑溶孔、粒間孔、晶間孔、雜基溶孔及收縮孔等。其中以巖屑溶孔為主，次為粒間孔、晶間孔及雜基溶孔等。壓汞資料統(tǒng)計表明，儲層孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強，具有“小孔喉、分選差、排驅(qū)壓力高、連續(xù)相飽和度偏低和主貢獻喉道小”的特點。

平均地溫梯度為3.27℃∕100 m，氣層段溫度在66.4～74.2℃之間，屬于正常溫度系統(tǒng)。地層壓力系數(shù)在0.74～0.93之間，平均值0.87，屬于低壓氣藏。

2 壓裂工藝技術(shù)研究［1-5］

2.1 壓裂設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

利用氣藏數(shù)值模擬軟件研究了不同物性條件下，氣井對裂縫長度和導(dǎo)流能力的不同需求等問題，并對永和氣田分別做了5種滲透率等級的裂縫參數(shù)優(yōu)化，基本涵蓋了永和氣田特低滲、低滲、平均滲透率及相對較高的滲透率情況。最終通過散點回歸的方法，得到有效滲透率與優(yōu)化縫長和導(dǎo)流的關(guān)系圖版，這是壓裂方案、施工參數(shù)和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)（表1）。

表1 永和氣田裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

利用3D 裂縫模擬軟件研究了裂縫縱向延伸規(guī)律，同時研究了不同物性條件下，壓裂方案優(yōu)化目標所需的施工參數(shù)，包括前置液百分數(shù)、排量、砂量和砂比等（表2、圖1～4）。

2.2 壓裂液配方優(yōu)化技術(shù)

2.2.1 壓裂液配方優(yōu)化

圖1 前置液量與動態(tài)比關(guān)系

圖2 排量與產(chǎn)層厚度關(guān)系

圖3 加砂量與縫長關(guān)系

圖4 平均砂比與導(dǎo)流能力關(guān)系

表2 壓裂加砂量、砂比、施工排量、支撐劑半長優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

稠化劑：0.5%～0.55%遼河瓜膠或0.45%～0.5%特級瓜爾膠；交聯(lián)劑：0.3%～0.25%有機硼交聯(lián)劑；助排劑：0.3%FR-CL／LH-Ⅺ；粘土穩(wěn)定劑：1.0%KCl；起泡劑：0.3%EOR-HTFO／LH-Ⅶ；溫度穩(wěn)定劑：0.08%；殺菌劑：0.1%甲醛；pH 值調(diào)節(jié)劑：0.12%Na2CO3、0.02%～0.03%NaOH；破膠劑：0.0015%～0.03%膠囊破膠劑＋0.002%～0.02～0.06%過硫酸銨。

2.2.2 壓裂液的性能參數(shù)

①基液性能：基液pH 值：9.0～10.0；基液粘度：57～69 mPa·s；交聯(lián)時間：70～110 min（性能良好，可形成挑掛的粘彈性凍膠）；②壓裂液在80℃的耐溫耐剪切性能：90 min時的粘度為98.5 mPa·s。

2.3 壓裂現(xiàn)場施工技術(shù)

2.3.1 變排量施工技術(shù)

永和地區(qū)含氣層在平面和縱向上連續(xù)性較差，壓裂施工壓力變化較大，通過調(diào)整排量才能保持裂縫的穩(wěn)定和恒速擴展，并防止壓裂過程中的砂堵問題。壓裂時，采用低排量泵注前置液或注入部分低粘混砂液，然后瞬間提高泵注排量（根據(jù)油層情況，可一次或多次地進行排量躍變），同時在保證不發(fā)生砂堵的前提下，盡可能快地逐次提高砂比，直至施工結(jié)束。通過排量的瞬間躍變，可在控制壓裂裂縫縫口高度向下延伸的同時，將支撐劑輸送至裂縫更深處，以增大支撐縫長、提高裂縫的導(dǎo)流能力。

（1）低排量泵注前置液。低排量泵注可在近井裂縫內(nèi)形成砂堤I區(qū)的砂堤沉降，在裂縫的底界面橋架一個低滲透或不滲透的人工隔層。該隔層有兩個作用：一是在隨后的攜砂液進裂縫時，它將限制或阻止高壓流體的高壓向下傳遞，從而改變縫內(nèi)垂直方向上流壓分布；二是它還起到了轉(zhuǎn)向劑的作用，使后來注入的攜砂液轉(zhuǎn)為向水平方向流動，盡可能將支撐劑帶入地層深處，增加有效縫長。

（2）瞬間提高排量。瞬間提高排量可使高濃度的I、Ⅱ區(qū)變薄、懸浮區(qū)Ⅲ變厚，能將更多的支撐劑帶入裂縫深處。由于濾失、摩阻損失等原因，砂堤在較遠處又會形成動平衡，若在瞬間提高排量，可破壞此平衡，將支撐劑推向更遠處。

2.3.2 變破膠劑比例施工技術(shù)

隨裂縫溫度場的變化，破膠劑的比例隨之變化，從而保證快速破膠。通過調(diào)整破膠劑比例來適應(yīng)不同溫度場的破膠時間，從而達到最佳的破膠效果。不同比例的過硫酸鹽在不同溫度時的破膠效果見表3，可以看出，在地層溫度為80℃以上時，具有較好的效果，在較低溫度時（50℃以下），破膠劑難以達到預(yù)期的效果。

2.3.3 組合支撐劑段塞壓裂技術(shù)

該壓裂技術(shù)是在施工過程中的不同階段加入不同粒徑的陶粒，分別填充在不同寬度的人工裂縫內(nèi)部，這既起到了降濾、又達到了合理支撐的目的。較大粒徑的顆?？纱蚰ヅc主裂縫連通較窄的拐彎處，使裂縫通道變得更光滑，流動阻力減小。具體來說，如果砂比不按照由小到大的程序進行，如一開始就采用較大的砂比和較大的砂粒，則會產(chǎn)生裂縫全部在縫口附近堵死的情況（圖5C）；如果采用常規(guī)的低砂比粉陶進行全程充填，此時仍存在多裂縫同時延伸的情況，效果仍很差（圖5A）。理想的工藝過程是一開始就采用低砂比、小粒徑顆粒，先封堵較窄的裂縫，隨著壓裂的進行，各裂縫逐漸變寬，此時可采用逐漸增大砂粒、適當增加砂比的辦法，這將產(chǎn)生較好的壓裂效果（圖5B）。組合支撐劑段塞壓裂技術(shù)的優(yōu)點：粉陶首先進入壓裂時形成的細微裂縫或地層本身的微裂縫中，而中陶可封堵較寬的裂縫，從而有效地堵塞多裂縫，這樣有利于主裂縫的形成，提高壓裂施工的成功率。

表3 不同溫度場內(nèi)不同比例破膠劑的降粘率

圖5 組合支撐劑段塞作用機理

2.4 液氮拌注施工技術(shù)

該技術(shù)采用氮氣泵注車將液體N2經(jīng)過地面或井口三通與壓裂液混合注入井內(nèi)，利用液體N2與壓裂液的混合液進行加砂壓裂施工。由于N2在溫度和壓力達到一定值后轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，與液體中的發(fā)泡劑、助排劑等聚合物匯合變成泡沫，分散在混合液中，使其體積膨脹，降低了液體密度，從而提高了液體的返排速度。

液氮拌注施工可以較好地解決低壓氣井的排液問題，液氮拌注比例一般控制在2.0%～4.0% （表4）。90%以上的壓裂井都能實現(xiàn)壓后排液一次成功，減少了對地層的二次污染。

表4 注氮排量及伴注比例推薦

3 現(xiàn)場實施

按照上述的壓裂設(shè)計思路，2011年對永和氣田進行了36 井次的壓裂施工，平均單層加砂40.14 m3，平均單層伴注液氮16 m3，平均返排率89.3%。其 中，永和1 4井山1層，射孔井段 為2 2 6 6.0～2 271.8 m，射孔厚度為5.8 m，測井解釋結(jié)果表明壓裂層段上下部有較好泥巖隔層，儲層物性較好。由于該井射孔厚度大，層間非均質(zhì)性較強，采用了大排量設(shè)計（3.0m3／min）；同時全程液氮伴注。本次施工累計泵入前置液35.8 m3、攜砂液147.6 m3、液氮14.0m3、頂替液6.8 m3、陶粒30.0m3。壓后30 min立即返排，返排86 m3后，油壓降為0，改用液氮氣舉，最終返排率達到90.6%。壓后試氣求產(chǎn)，產(chǎn)量達28 105 m3／d，取得了較好的壓裂增產(chǎn)效果。

4 結(jié)論

（1）永和氣田地層壓力系數(shù)低，壓后返排困難，常規(guī)壓裂對儲層傷害大，影響壓裂增產(chǎn)效果。

（2）永和氣田采用全程液氮伴注壓裂技術(shù)，增加了壓裂液返排能量，加快了壓后返排速度，降低了壓裂液對儲層的傷害。

（3）通過實驗優(yōu)選出傷害小、性價比高的壓裂液體系。現(xiàn)場實施證明該壓裂液體系能夠滿足永和氣田低成本開發(fā)戰(zhàn)略需求。

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