超低滲油藏老井體積壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

蘇良銀, 常 篤, 齊 銀, 黃 婷, 李向平, 達(dá)引朋

(1中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

超低滲油藏受儲(chǔ)層巖性致密和非達(dá)西滲流等因素影響，油井生產(chǎn)后產(chǎn)油量遞減快，側(cè)向井注水不見(jiàn)效，低產(chǎn)井大面積分布。目前國(guó)外采用注水井網(wǎng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行重復(fù)改造的報(bào)道文獻(xiàn)較少，主要針對(duì)水平井采用補(bǔ)孔分段和籠統(tǒng)重復(fù)壓裂工藝為主[1-4]。國(guó)內(nèi)主要針對(duì)天然微裂縫發(fā)育的致密油等非常規(guī)儲(chǔ)層進(jìn)行了體積壓裂[5-7]，但改造后主要以能量衰竭式開(kāi)發(fā)為主。針對(duì)超低滲水驅(qū)開(kāi)發(fā)形成的低產(chǎn)井重復(fù)壓裂研究較少，前期主要以增加裂縫穿透比為主的重復(fù)壓裂措施進(jìn)行治理。但受儲(chǔ)層巖性致密和地應(yīng)力條件制約等影響，該工藝措施面臨規(guī)模增產(chǎn)難和含水上升快等矛盾。本文在充分結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)特征和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上明確了油藏剩余油分布特征，利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行了地應(yīng)力變化研究和增產(chǎn)潛力分析，提出了適應(yīng)性較強(qiáng)的以增加裂縫帶寬為主要目標(biāo)的重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)思路，形成了“全程多級(jí)暫堵+體積改造”工藝相結(jié)合的重復(fù)壓裂改造模式。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用300余口井，增油量是常規(guī)重復(fù)壓裂的2倍以上,為該類低產(chǎn)井治理提供了有效技術(shù)手段。

一、儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1. 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

油藏埋藏深度2 000～3 000 m，儲(chǔ)層厚度10～30 m, 孔隙度為11%～12%，滲透率為0.3～0.4 mD，原始儲(chǔ)層壓力低16～19 MPa，開(kāi)發(fā)難度大。儲(chǔ)層非均值性強(qiáng)，層內(nèi)夾層多，滲透率變異系數(shù)(Vk)為0.65。區(qū)域研究及取心結(jié)果表明，天然微裂縫發(fā)育，密度0.76～1.08條/m。

2. 油藏開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

油藏平均單井產(chǎn)量低，其中單井產(chǎn)量小于0.5 t/d的低產(chǎn)井占開(kāi)井?dāng)?shù)比例為28%，嚴(yán)重影響了油田的整體開(kāi)發(fā)水平。壓力測(cè)試及分析表明，油藏注采驅(qū)替系統(tǒng)建立緩慢，壓力保持水平低(89%)是導(dǎo)致低產(chǎn)井大面積分布的主要原因。后期采用大砂量重復(fù)壓裂工藝進(jìn)行改造，措施后初期日增油不足1 t，且生產(chǎn)滿3個(gè)月產(chǎn)油量遞減40%，含水上升快，有效期短。

二、增產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)

1. 儲(chǔ)層地應(yīng)力變化研究

為了進(jìn)一步明確老井重復(fù)壓裂裂縫延伸規(guī)律，針對(duì)典型井組進(jìn)行了巖心試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。巖心三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定壓力條件下，隨著油水飽和度的增加，巖石力學(xué)參數(shù)也在變化。當(dāng)油水飽和度每增長(zhǎng)10%，巖石彈性模量減少0.68 GPa，泊松比增加0.01，抗拉強(qiáng)度減小0.20 MPa。

同時(shí)，針對(duì)典型井組進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖1所示，模擬反九點(diǎn)井網(wǎng)，井網(wǎng)井排距480×130 m，針對(duì)油藏深度2 150 m，有效厚度35.4 m，孔隙度9.5%，滲透率0.38 mD，原始地層壓力19.8 MPa，生產(chǎn)時(shí)間1～8年等油藏生產(chǎn)條件進(jìn)行計(jì)算。模擬結(jié)果如圖1所示，地應(yīng)力第1年影響范圍約為15 m，方向變化不大。 注采8年后，水平最大主應(yīng)力呈現(xiàn)條帶狀分布，明顯影響范圍約為30 m。同時(shí)，隨著注采時(shí)間的延長(zhǎng)，水平最大地應(yīng)力方向發(fā)生一定變化，約為10°～30°，兩向應(yīng)力差下降1 MPa，下降幅度小。因此重復(fù)壓裂裂縫延伸可能會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，但產(chǎn)生新縫所需要克服的水平兩向應(yīng)力差值依然較大。

圖1 應(yīng)力差隨生產(chǎn)時(shí)間變化圖

2. 重復(fù)改造增產(chǎn)潛力分析

計(jì)算表明，與其它低滲透油藏相比，超低滲油藏單井泄流面積是其0.5倍，泄流面積有待進(jìn)一步提高[8]。近年來(lái)，針對(duì)超低滲油藏低產(chǎn)井，采用了增加裂縫穿透比等重復(fù)壓裂措施，雖然取得了一定效果，但依然面臨裂縫性見(jiàn)水和側(cè)向不見(jiàn)效等問(wèn)題。為了進(jìn)一步優(yōu)化重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)方法，研究了不同重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響。在前述反九點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同裂縫網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)產(chǎn)量的影響效果。模型參數(shù)：裂縫半長(zhǎng)150～250 m，單一縫寬0.025 m，裂縫滲透率10 D，裂縫網(wǎng)絡(luò)帶寬60～100 m。

如圖2模擬計(jì)算結(jié)果表明，單井產(chǎn)量隨裂縫帶長(zhǎng)與帶寬的增加而增加。裂縫網(wǎng)絡(luò)越寬，措施后產(chǎn)油量增加越大，措施后穩(wěn)產(chǎn)效果越好。

三、工藝技術(shù)研究

1. 體積壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化

微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，與普通重復(fù)壓裂相比，體積壓裂改造技術(shù)可以有效增加裂縫帶長(zhǎng)和帶寬[9-11]。生產(chǎn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大部分井措施后產(chǎn)油量遞減依然較快，證明形成的裂縫帶寬不足以建立起有效的油水井驅(qū)替系統(tǒng)。同時(shí)，隨著裂縫帶長(zhǎng)的增加，油井見(jiàn)水風(fēng)險(xiǎn)增加，措施后易導(dǎo)致含水率上升。如圖3數(shù)值模擬結(jié)果表明，超低滲油藏帶寬增加40～60 m、帶長(zhǎng)增加20～70 m，可提高采出程度3%～4%，開(kāi)發(fā)5年的油井最優(yōu)裂縫帶寬為80～100 m。因此在既有井網(wǎng)條件下，需要進(jìn)一步提升裂縫凈壓力，開(kāi)啟側(cè)向新縫，增加側(cè)向裂縫帶寬，提高裂縫復(fù)雜程度。

圖2 不同裂縫條件下的產(chǎn)油量對(duì)比圖

圖3 不同改造工藝模擬對(duì)比圖

綜合巖石力學(xué)條件和長(zhǎng)期注采條件下的應(yīng)力變化，現(xiàn)今儲(chǔ)層應(yīng)力差與抗張強(qiáng)度之和約4.5～8.5 MPa。如圖4所示，通過(guò)該區(qū)域儲(chǔ)層巖石破壞條件研究表明，產(chǎn)生新縫增加裂縫帶寬所需克服的裂縫凈壓力值要求較高。裂縫內(nèi)的凈壓力可以根據(jù)Notle(1991)年考慮端部效應(yīng)和彈性斷裂力學(xué)條件下的凈壓力方程進(jìn)行表征[12]。在一定的儲(chǔ)層條件下，提升裂縫凈力可控的施工條件主要為增加施工排量。因此，要實(shí)現(xiàn)5 MPa以上的裂縫縫內(nèi)凈壓力，需要施工排量≥10 m3/min以上，這在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中受到了井筒、設(shè)備、環(huán)境等多方面因素的制約。

(1)

式中：pNet—凈壓力，MPa；E—楊氏模量，MPa；H—裂縫高度，m；Q—施工排量，m3/min；μ—液體黏度，mPa·s；L—裂縫半長(zhǎng)，m；pTip—裂縫尖端壓力，MPa。

因此，為了提升裂縫凈壓力，進(jìn)一步增加裂縫帶寬，需要通過(guò)人工暫堵干預(yù)，才能形成復(fù)雜裂縫。

圖4 不同裂縫開(kāi)啟所需凈壓力值

2. 全程多級(jí)暫堵技術(shù)

全程多級(jí)暫堵技術(shù)，即在壓裂過(guò)程中，加入多級(jí)暫堵劑致使縫內(nèi)多次橋堵抑制裂縫帶長(zhǎng)增長(zhǎng)，同時(shí)升高縫內(nèi)凈壓力開(kāi)啟側(cè)向支縫并增加裂縫帶寬，最后進(jìn)行體積壓裂技術(shù)，進(jìn)一步提高裂縫復(fù)雜程度。

(1)暫堵時(shí)機(jī)優(yōu)化。利用全三維壓裂軟件，對(duì)超低滲油藏典型井進(jìn)行裂縫參數(shù)計(jì)算。如圖5計(jì)算結(jié)果表明，隨著壓裂時(shí)間的延長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)縫寬不斷增加，要實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)裂縫縫長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裂縫多級(jí)暫堵，優(yōu)化在前置液前期加入暫堵劑(縫寬在0.5～0.7 cm)。如圖6所示，立足不同粒徑暫堵劑進(jìn)入裂縫所需縫寬要求，按照粒徑大于縫寬1/3～2/3縫寬原則，優(yōu)選配套相應(yīng)的暫堵劑。結(jié)合區(qū)塊儲(chǔ)層特征要求，為提升暫堵效率，每種系列堵劑采用4種尺寸按照不同比例進(jìn)行組合優(yōu)化使用進(jìn)一步提升暫堵效果。

圖5 不同排量條件下動(dòng)態(tài)縫寬對(duì)比圖

圖6 堵劑進(jìn)入裂縫的最小動(dòng)態(tài)縫寬圖

(2)暫堵級(jí)數(shù)優(yōu)化?？紤]施工條件，每級(jí)暫堵劑從地面開(kāi)始加入到完全進(jìn)入裂縫內(nèi)實(shí)現(xiàn)裂縫橋堵升壓,所需時(shí)間為10～15 min。結(jié)合每級(jí)之間隔離液和施工后滿足頂替要求，優(yōu)化暫堵級(jí)數(shù)為2～3級(jí)。第一級(jí)在前置液階段加入，實(shí)現(xiàn)裂縫端部封堵；二級(jí)、三級(jí)在攜砂液階段加入，進(jìn)一步提升裂縫凈壓力。

(3)配套技術(shù)參數(shù)。為了降低裂縫帶長(zhǎng)，采用滑溜水、線性膠和交聯(lián)凍膠組合液體設(shè)計(jì)模式。前置液階段以開(kāi)啟老縫為目的，前置液比例由20%↓10%，液體以滑溜水為主。攜砂液前段以暫堵升壓為目的，液體以線性膠為主，考慮暫堵劑攜帶性能即可。攜砂液后期以提高裂縫復(fù)雜程度為目的，液體采用交聯(lián)凍膠為主。

四、應(yīng)用效果

在X超低滲油藏以補(bǔ)充地層能量、增加裂縫帶寬、提高驅(qū)替效果為目的進(jìn)行重復(fù)壓裂試驗(yàn)300余口井，措施前平均單井日產(chǎn)油0.7 t，措施后單井日產(chǎn)油提高到2.3 t，平均單井日增油1.5 t以上，是常規(guī)重復(fù)壓裂增產(chǎn)效果的2倍，且后期穩(wěn)產(chǎn)效果較好，措施效果持續(xù)有效。裂縫壓力測(cè)試表明，縫內(nèi)凈壓力上升6～8 MPa，實(shí)現(xiàn)了側(cè)向開(kāi)啟新縫的條件。同時(shí)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，體積壓裂的裂縫帶寬由常規(guī)壓裂的60～80 m↑100 m實(shí)現(xiàn)了工藝目的。

五、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)超低滲透油藏物性差，滲流阻力大，油藏壓力保持水平低，低產(chǎn)井大面積分布，采用常規(guī)的加大砂量重復(fù)壓裂方式不能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的有效動(dòng)用。

(2)超低滲油藏開(kāi)發(fā)時(shí)間短，儲(chǔ)層地應(yīng)力變化較小，水平地應(yīng)力呈帶狀分布，近井地帶兩向應(yīng)力差下降僅1～3 MPa，影響范圍小。同時(shí)，重復(fù)壓裂通過(guò)增加裂縫帶寬，提高裂縫復(fù)雜程度可以增加措施后產(chǎn)油量，是有效動(dòng)用剩余油和提高單井產(chǎn)量的關(guān)鍵。

(3)按照“增加裂縫帶寬”為主要目標(biāo)的體積壓裂設(shè)計(jì)思路，形成了全程多級(jí)暫堵+體積改造相結(jié)合的重復(fù)壓裂技術(shù)模式?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，縫內(nèi)凈壓力明顯上升，裂縫帶寬明顯增加，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果顯著提高，為同類油藏開(kāi)展低產(chǎn)井治理提供了技術(shù)思路。