蘇里格氣田致密性砂巖儲層深度改造技術(shù)

劉 鑫 ，青 松

（1.中國石油蘇里格南作業(yè)分公司，陜西西安 710021；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021）

1 儲層地質(zhì)特征及應(yīng)對的技術(shù)措施

1.1 地質(zhì)特征

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地北部，其儲層地質(zhì)特征是，盒8是辮狀河沉積，以巖屑砂巖為主，具有孔喉半徑小、排驅(qū)壓力大的特點(diǎn)。儲層滲透率小于1×10-3μm2，孔隙度小于 10%。儲層內(nèi)隔夾層較嚴(yán)重，又是特別致密的砂巖儲層，屬于低滲、低孔、低壓氣田，開采難度很大。

1.2 技術(shù)措施

針對盒8致密性砂巖儲層，經(jīng)過十多年來的研究探索，找到了一種解決這類儲層開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，深度改造技術(shù)[1-3]。即在儲層中打長段水平井，并進(jìn)行科學(xué)的分段壓裂，在每段壓出長縫后，再進(jìn)行脈沖壓裂，使長縫里又形成網(wǎng)狀的小裂縫（見圖1）。這種組合式壓裂技術(shù)，形成人工三維裂縫，加大了儲層的泄氣面積，提高了氣井的產(chǎn)量，取得了較好的開發(fā)效果，這種方法通常也叫體積壓裂技術(shù)[4-10]。

2 三維裂縫模型

體積壓裂技術(shù)是在三維立體上構(gòu)成網(wǎng)狀裂縫（見圖2），在物理模型的基礎(chǔ)上建立三維數(shù)學(xué)模型，基本方法是將立體網(wǎng)狀裂縫分成若干個(gè)離散單元，然后用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行整合，形成三維裂縫模型。其基本數(shù)學(xué)方程包括三個(gè)方面：（1）裂縫面與縫寬之間關(guān)系的彈性方程；（2）縫內(nèi)液體流動(dòng)與壓力梯度之間關(guān)系的液體流動(dòng)方程；（3）裂縫應(yīng)力強(qiáng)度與巖石力學(xué)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度之間的關(guān)系。首先給出各自相應(yīng)的數(shù)學(xué)基本方程，然后進(jìn)行推導(dǎo)運(yùn)算得出三維裂縫方程。

圖1 水平井分段壓裂加脈沖壓裂示意圖

圖2 三維裂縫物理模型

2.1 彈性方程

水力壓裂網(wǎng)狀裂縫所求解的是三維彈性力學(xué)問題。也就是裂縫內(nèi)壓裂液體積的壓力P（x，y，t）變化所引起的應(yīng)力位移場的變化，其數(shù)學(xué)方程為：

式中：Δp－壓力在各坐標(biāo)上的平均增量，kPa；P－裂縫內(nèi)液體壓力垂直于裂縫壁面的壓應(yīng)力，kPa；Ee－等效彈性模量，kPa；－梯度算子；W－裂縫寬度，m；R－被積函數(shù)積分點(diǎn)（x＇，y＇）與壓力作用點(diǎn)的距離，m。

經(jīng)過對裂縫壁面A的積分運(yùn)算，得到彈性線性方程：

式中：K－彈性剛度矩陣，kPa·m；－結(jié)點(diǎn)縫寬矢量（試驗(yàn)測試得到），m；T－彈性方程中得到的面積矩陣，結(jié)點(diǎn)壓力列矢量，kPa。

2.2 液體流動(dòng)方程

一般將壓裂液在裂縫內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)理想化，設(shè)為液體不可壓縮的層流狀態(tài)，這樣給出的液體流動(dòng)連續(xù)方程為：

式中：qx－單位長度上 x方向體積流量，m2/s；qy－單位長度上 y 方向體積流量，m2/s；q－合成流量，m2/s；L－裂縫總長度，m；w－單位時(shí)間上的裂縫寬度，m；t－時(shí)間，min；q1－裂縫單位面積上的體積注入速率，m3/s。

經(jīng)過對每個(gè)單元體線性變化 p（x，y）的函數(shù) J（p）進(jìn)行求解，最后可得到液體流動(dòng)方程組：

式中：D-流體流動(dòng)黏滯阻力矩陣，m3/（s·kPa）；CL－濾失系數(shù)，m3·（s·kPa）；T－彈性方程中得到的面積矩陣，m2；－結(jié)點(diǎn)壓力矢量，kPa；遠(yuǎn)場孔隙壓力，kPa；－結(jié)點(diǎn)縫寬矢量，m；t－單位流動(dòng)時(shí)間，min井底壓裂液注入綜合影響矢量，m3/s。

從方程（4）中可以看出，對牛頓流體而言p和w是線性關(guān)系；對非牛頓流體，p和w是非線性關(guān)系。另外把壓裂液視為不可壓縮的液體，從泵輸出去的總液量，減去管線內(nèi)液量、濾失量和返排的液量，就可粗略估算出儲層內(nèi)裂縫的總?cè)莘e。

2.3 壓力強(qiáng)度與巖石破裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系

這類理論在彈性斷裂力學(xué)資料中，介紹的已非常多。這里不再論述，直接從單元體積守恒方程得出：

式中：v－縫端的法向速度，m/s；縫端單位長度上的法向流量，m2/s；d－環(huán)狀裂縫的寬度，m；氣藏孔隙壓力，kPa；Δs－沿縫端距離，m；dv/dt-裂縫擴(kuò)展后的單元體積變化率，m3；單元內(nèi)的平均裂縫寬度，m；CS-初濾失系數(shù)，m3·（s·kPa）。

從上式可計(jì)算出裂縫的擴(kuò)展速度。

2.4 三大要素聯(lián)立式求出三維裂縫方程

把式（2）、式（4）代入式（5），經(jīng)過運(yùn)算，最終得到聯(lián)立方程，即三維裂縫方程：

式中：θ－無因次參數(shù)；Δt－時(shí)間步長，s；K-1－彈性剛度的逆矩陣結(jié)點(diǎn)壓力矢量，kPa應(yīng)力在（0，0，0）得到的矢量，kPa。

從聯(lián)立方程（6）中可求得三維裂縫擴(kuò)展中的各種數(shù)值。

從上面可詳細(xì)了解三維裂縫物理模型和數(shù)學(xué)模型的形成，在實(shí)際工作中，運(yùn)算可用三維壓裂軟件在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，非常簡捷方便。

3 支撐劑及裂縫導(dǎo)流能力

支撐劑的種類很多，有石英砂、鋼珠、鋁珠、玻璃球、塑料球、胡桃木、樹脂包裹、陶粒等等。支撐劑的選用有很多因素，但最主要是與壓裂裂縫閉合壓力有直接的關(guān)系，支撐劑強(qiáng)度必須大于閉合應(yīng)力。針對蘇里格氣田井深3 000 m～3 500 m的儲層特征和現(xiàn)場施工情況，進(jìn)行了細(xì)致的研究和大量的室內(nèi)測試試驗(yàn)（見表1），按API支撐劑選用標(biāo)準(zhǔn)，確定用中密度高強(qiáng)度20～40目的陶粒砂。它破碎率低，能保持很好的滲透率。

表1 各種壓裂液經(jīng)過陶粒支撐縫的導(dǎo)流能力（鋪砂濃度10 kg/m2，閉合應(yīng)力30 MPa）

4 壓裂液及添加劑

蘇里格致密性砂巖儲層，物性差、孔喉小，外來液體易吸附而堵塞孔喉，表現(xiàn)出強(qiáng)水鎖特征，親水性很強(qiáng)；儲層的壓力系數(shù)低、需排驅(qū)壓力高，因此壓裂液返排困難，容易滯留在地層造成傷害；儲層中巖屑和黏土礦物含量高，易發(fā)生膨脹運(yùn)移堵塞孔喉，降低儲層的有效滲透率。因此對壓裂液及添加劑的性能要求很高。

4.1 儲層傷害機(jī)理研究

通過對含氣儲層巖心的試驗(yàn)（見圖3），可以看出液體滯留在巖心的時(shí)間與傷害程度成正比關(guān)系；從巖心微觀分析，壓裂液殘?jiān)鼘ξ⒘芽p、支撐裂縫堵塞是儲層傷害的主要因素。以降低儲層傷害為目的，開發(fā)新型的低傷害、低吸附、低濾失、易返排、防膨性好的壓裂液體系是主攻的方向。

4.2 低濃度胍膠壓裂液研發(fā)

在致密氣藏儲層傷害機(jī)理研究基礎(chǔ)上，以降低相對分子質(zhì)量、降低黏滯阻力為主攻方向，研發(fā)出適合蘇里格氣田儲層的陰離子表面活性劑、低濃度胍膠兩種新型低傷害壓裂液。其中低濃度胍膠壓裂液性能特點(diǎn)（見表2），臨界膠聯(lián)濃度低（0.12%～0.25%），耐溫?cái)y砂性能好（100℃），現(xiàn)場使用效果較好。

表2 低濃度胍膠壓裂液的基本性能

4.3 壓裂液配伍試驗(yàn)

在常溫下把添加劑按要求順序放入壓裂液進(jìn)行配伍試驗(yàn)，配好的液體常溫下放置4 h，無沉淀、絮狀物和渾濁現(xiàn)象，證明配伍性良好。在高溫下把添加劑按要求順序放入壓裂液進(jìn)行配伍試驗(yàn)，配好的液體在90℃水浴中放置4 h，無沉淀、絮狀物和渾濁現(xiàn)象，證明在高溫下配伍性也很好。

4.4 壓裂液流變性能

把基液和膠聯(lián)劑按100：0.8膠聯(lián)后，采用PVS高溫高壓流變儀在90℃下對其液體進(jìn)行耐溫耐剪切性能評價(jià)。90℃、170 s-1剪切60 min后，壓裂液的黏度為155 mPa·s左右，能滿足蘇里格氣田壓裂需要。另外也證明該壓裂液體系在90℃的狀態(tài)下，具有良好的耐溫、耐剪切性能。

4.5 助排劑研究

圖3 壓裂液滯留時(shí)間對儲層傷害的關(guān)系

液體在儲層中滯留的時(shí)間越長，對儲層的傷害越大。因此需要研究一種快速、返排率高的助排劑。經(jīng)過對各種助排劑的篩選和試驗(yàn)研究，研發(fā)出TGF-1新型助排劑（見表3）。其性能是表面張力21 mN/m～23 mN/m，臨界膠束濃度0.09%，接觸角58.40°。

表3 TGF-1高效助排劑性能對比表

這種高效助排劑，毛細(xì)管阻力降低，有利于提高壓裂液的返排效率減少對儲層的傷害。該助排劑在地層吸附情況下具有良好的表界面分離性能,助排劑各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國際同類產(chǎn)品性能相當(dāng),有較寬的濃度和溫度范圍，有效地提高了致密儲層壓裂液返排效率。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果分析

在蘇里格氣田各區(qū)塊進(jìn)行深度改造試驗(yàn),到目前已壓裂水平井上百口井。12口井的資料（見表4），可以看出深度改造的水平井，試氣產(chǎn)量大幅度上升，單井平均日產(chǎn)5.0×104m3，取得了良好的改造效果。

從表4中也可看出，單井最大加砂量1 092.0 m3，最大入井液量12 877.0 m3，最高施工排量達(dá)11 m3/min，平均試氣無阻流量76.6×104m3/d，水平井深度改造井的產(chǎn)量是直井的4～5倍，效果十分顯著。

表4 深度壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)情況

6 結(jié)論

（1）針對蘇里格氣田砂巖儲層特征，采用了深度壓裂技術(shù)，即水平井分段壓裂加脈沖壓裂，形成組合式壓裂技術(shù)。

（2）根據(jù)三維壓裂裂縫特點(diǎn)，建立三維裂縫物理和數(shù)學(xué)模型，為三維壓裂裂縫奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）依據(jù)儲層裂縫閉合應(yīng)力，按照API支撐劑選用標(biāo)準(zhǔn)，確定選用中密度高強(qiáng)度陶粒砂作支撐劑。

（4）為了降低儲層傷害，研發(fā)了陰離子表面活性劑和低濃度胍膠兩種新型壓裂液。同時(shí)也為了提高壓裂液返排效率，又研發(fā)了TGF-1新型助排劑。

（5）在蘇里格氣田進(jìn)行了試驗(yàn)，從12口井的資料分析可以看出，收到了較好的效果。

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