柴達(dá)木盆地生物泥巖氣壓防結(jié)合技術(shù)探索與啟示

劉永，雷豐宇，馮昕媛，謝貴琪，趙文凱

中國石油青海油田分公司 鉆采工藝研究院（甘肅 敦煌 736202）

三湖生物氣藏埋深淺、效益好，是青海油田主力產(chǎn)氣區(qū)的效益支柱，2020年年產(chǎn)氣54×108m3，占油田全年產(chǎn)氣量的85%，已連續(xù)11年保持在50×108m3以上。但隨著氣田的持續(xù)開發(fā)，出水、出砂、壓力下降等問題愈發(fā)突出，穩(wěn)產(chǎn)壓力增大。面對被動勘探的形勢和氣田穩(wěn)產(chǎn)的迫切需求，油田積極轉(zhuǎn)變思路，近兩年勘探開發(fā)中對三大氣田及其周緣精細(xì)挖潛，在氣田內(nèi)部針對泥巖段壓裂試氣，多口井獲得工業(yè)產(chǎn)能，日產(chǎn)氣（0.15~0.67）×104m3。同時在外圍針對泥巖保壓取心測得含氣量為2.1 m3/t，證實(shí)以往未受重視的第四系弱成巖、弱膠結(jié)的湖相泥巖具備儲集條件，且源儲一體，泥巖內(nèi)滯留具有開發(fā)價值的生物氣資源，是值得探索的勘探新領(lǐng)域。

1 氣藏改造難點(diǎn)分析

柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)是第四系生物成因氣藏,膠結(jié)疏松,有利儲層為成巖程度較低的砂泥巖儲層，泥質(zhì)巖類作為該區(qū)的生氣層，在較低的成巖程度和低壓實(shí)的作用下具備一定的儲層性質(zhì)，泥巖層的巖性為含砂泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。泥質(zhì)巖類的特點(diǎn)是高孔、低滲,孔隙度18%～30%、滲透率（0.01～10）×10-3μm2、喉道平均半徑小于0.05μm、排驅(qū)壓力大于1.2 MPa。巖心疏松、易碎且泥巖內(nèi)普遍發(fā)育砂巖夾層或砂質(zhì)條帶,薄片證實(shí)砂巖、泥巖處于未成巖-早成巖階段，顆粒之間為點(diǎn)接觸，膠結(jié)物含量低（<4.0%），膠結(jié)作用弱膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)[2]。泥質(zhì)巖類所含的黏土類型主要為伊利石,平均含量為52.71%；其次為綠泥石,平均含量為17.79%，部分巖樣中含蒙脫石,最高含量可達(dá)46%。整體具有高黏土、高泥質(zhì)、高礦化度、強(qiáng)敏感性的“三高一強(qiáng)”特征，且欠壓實(shí)、成巖性差,氣層極易出砂,防砂技術(shù)難度大。泥巖儲層增產(chǎn)工藝的主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）成縫難。泥巖層兩向應(yīng)力差及儲隔層應(yīng)力差小（最小主應(yīng)力20.5~21.5 MPa，最大主應(yīng)力24~25.5 MPa，平均應(yīng)力差3.7 MPa），儲層上下部無明顯應(yīng)力遮擋（儲隔層應(yīng)力差1 MPa以內(nèi)），對裂縫縱向延伸抑制作用不強(qiáng)等特征，抗壓強(qiáng)度4.3 MPa，強(qiáng)度較小，楊氏模量0.55 GPa，泊松比0.18。楊氏模量較小，抵抗變形能力弱，易發(fā)生塑性變形[3-4]。現(xiàn)有的研究成果表明，低滲地層塑性變形能力強(qiáng)，不容易產(chǎn)生剪切裂縫，有望形成對稱雙翼拉伸縫，裂縫的擴(kuò)展是“憋壓-延伸”不斷重復(fù)的過程,如圖1所示。

圖1 泥巖巖石壓裂模擬實(shí)驗(yàn)

2）易出砂。疏松砂巖儲層段粒徑測試，粒徑中指為40~70μm，平均63μm，出砂粒徑0.04~0.07 mm；泥巖段巖芯粒徑測試，粒徑中值分布在11.2~34.7μm，平均值24μm，泥巖層粒徑更細(xì)，防砂難度更大。

3）敏感強(qiáng)。泥巖儲層巖心敏感性實(shí)驗(yàn)表明，儲層強(qiáng)速敏、強(qiáng)水敏，水敏引起黏土膨脹，縮小滲流通道，堵塞孔候，速敏引起黏土剝落、運(yùn)移，泥質(zhì)細(xì)粉砂堵塞近井帶基質(zhì)孔隙，污染傷害儲層。選擇改造液體系需考慮防膨和返排，同時壓后要控壓放噴。泥巖儲層敏感性指標(biāo)詳見表1。

表1 泥巖儲層敏感性指標(biāo)匯總

4）易出水。澀頁H3-1井位于水侵區(qū)，泥巖層下部緊鄰的3-2-1a氣層已嚴(yán)重水侵，如圖2所示，目的層1 230~1 254 m（3-1-X）泥巖段，厚度24 m，措施改造易穿層，為評價泥巖層獨(dú)立貢獻(xiàn)帶來難度。

圖2 澀4-31井測井解釋成果圖

2 水平井壓裂充填改造針對性工藝術(shù)技術(shù)

針對該井泥質(zhì)巖類儲層地質(zhì)及儲層巖性、物性特征，在前期該區(qū)域壓裂充填防砂施工的基礎(chǔ)上，結(jié)合增產(chǎn)機(jī)理的認(rèn)識，提出“控水、控縫高”（兩控）、“防砂、防水鎖”（兩防）、“快返排”（一快）、“提產(chǎn)量”（一提）的“兩控、兩防、一快、一提”綜合水平井壓裂防砂分段改造配套技術(shù)。

2.1 定向射孔優(yōu)化排量復(fù)合控縫高技術(shù)

該井由于隔層不發(fā)育、儲隔層應(yīng)力差小且儲層下部發(fā)育水層，根據(jù)鄰井生產(chǎn)情況，下部水層水體能量大，該井改造時一定要避開水層。該井井眼軌跡穿行于優(yōu)質(zhì)泥巖中部，是該井評價泥巖層段獨(dú)立貢獻(xiàn)的有利一面。借鑒頁巖氣、致密油氣等非常規(guī)儲層定向高效射孔的優(yōu)化解決方案，特殊的布彈方式，在垂直于套管軸向同一橫截面的內(nèi)壁圓周上形成多個射孔孔眼，改變井筒內(nèi)同一橫截面的地應(yīng)力分布，從而有效控制水力壓裂裂縫沿著井筒徑向擴(kuò)展，達(dá)到最佳改造效果（相位角180°，平面射孔）。

根據(jù)儲層巖石力學(xué)、地應(yīng)力參數(shù)，采用水力壓裂模擬軟件對該井單段壓裂施工不同排量縫高擴(kuò)展進(jìn)行模擬，并根據(jù)已施工直井情況對模擬結(jié)果進(jìn)行修正，掌握“縫高—排量”的裂縫擴(kuò)展規(guī)律（圖3）。根據(jù)計算結(jié)果，6 m3/min的排量下縫高擴(kuò)展高度為21.61 m，可以滿足壓裂在水平井靶層（24 m）內(nèi)擴(kuò)展；同時施工時受液體濾失、泵車效率等影響，實(shí)際縫高不會超過此理論值，裂縫縱向失控風(fēng)險較小。

圖3 “縫高—排量”模擬結(jié)果

2.2 精細(xì)分段分簇技術(shù)

該井水平段長506 m，為實(shí)現(xiàn)水平段的均衡充分改造，參考國內(nèi)外水平井開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及壓裂軟件模擬結(jié)果，根據(jù)該井地質(zhì)資料，建立130×60×4=31 200網(wǎng)格地質(zhì)模型，使用Frsmart地質(zhì)工程一體化軟件，模擬井澀頁H3-1井，水平段長度506 m，垂深1 200 m，儲層壓力7.63 MPa，優(yōu)化段間距75~100m（圖4）。在水平井段長度一定的條件下，由于縫間干擾的影響，當(dāng)壓裂裂縫條數(shù)達(dá)到一定程度時，產(chǎn)量的增加幅度不再增加，而壓裂成本則隨著段數(shù)的增加而增加，不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

圖4 澀頁H3-1井人工裂縫分布

從圖5、圖6中可以看出，橫向裂縫數(shù)越多，累計產(chǎn)量越大，但隨著裂縫條數(shù)增加，累計增產(chǎn)幅度逐漸變緩。當(dāng)裂縫條數(shù)達(dá)到36條以上時，累產(chǎn)增加值增幅變緩，同時結(jié)合該井水平段長度、全烴、伽馬、聲波、儲層孔滲條件及兩口鄰井與井眼軌跡垂直距離，優(yōu)化簇數(shù)為34簇（簇間距9~19 m）。

圖5 水平井壓后日產(chǎn)量與裂縫條數(shù)關(guān)系

圖6 水平井壓后累計產(chǎn)量與裂縫條數(shù)關(guān)系

為確保每簇都能開啟且水平段不沉砂，應(yīng)控制每簇射孔數(shù)及每段總孔數(shù)，同時根據(jù)優(yōu)化的施工排量，使每段總孔眼摩阻大于簇間應(yīng)力差。根據(jù)極限限流理論數(shù)值模擬計算（圖7），排量6 m3/min時，每段總孔眼摩阻為2.4 MPa，大于射孔簇間應(yīng)力差（平均1.03 MPa），優(yōu)化每段射孔數(shù)為30~36個。

圖7 不同排量下孔眼數(shù)與孔眼摩阻關(guān)系

2.3 提產(chǎn)匹配改造規(guī)模優(yōu)化技術(shù)

在6 m3/min排量的基礎(chǔ)上，對不同裂縫長度方案進(jìn)行措施效果的數(shù)值模擬，對裂縫半長進(jìn)行優(yōu)選。通過對不同方案實(shí)施后180 d的累計產(chǎn)量、產(chǎn)能比（越大增產(chǎn)效果越好）變化規(guī)律分析（表2），發(fā)現(xiàn)裂縫半長達(dá)到56 m時，增產(chǎn)效果最好。

表2 6 m3/min排量下不同人工裂縫長度對產(chǎn)能的提升效果

在突出增產(chǎn)效果、統(tǒng)籌避免溝通水體的原則下優(yōu)選裂縫半長56 m；在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)用StimPlan專業(yè)軟件優(yōu)化出與之匹配的規(guī)模方案，追求“措施有效果、效果穩(wěn)得住”目標(biāo)。“方案4”計算無因次裂縫導(dǎo)流能力大于10，體積壓裂理論一般認(rèn)為該值大于10時；流體在改造體積內(nèi)容易達(dá)到“雙線性流”的滲流狀態(tài)，即滲流阻力最小、能量損耗最小，長遠(yuǎn)看可實(shí)現(xiàn)提高采收率的目的。“方案5、6、7”較“方案4”增產(chǎn)效果提升較小，但規(guī)模提升大，不利于控水，且裂縫導(dǎo)流能力較弱，因此可選擇“方案4”為最佳選項，具體見表3。

表3 不同人工裂縫長度對應(yīng)優(yōu)化后規(guī)模方案

2.4 低溫低傷害高性能易返排壓裂液體系

低效率壓裂液在泥巖中僅形成極短而窄的裂縫，裂縫兩側(cè)伴隨著一定范圍的剪脹高滲帶，難以容納支撐劑，無法實(shí)現(xiàn)充填防砂；高效率壓裂液可在泥巖中形成壓裂充填防砂工藝所需的短寬裂縫，裂縫壁面兩側(cè)存在輕微壓實(shí)現(xiàn)象，對滲透率的影響較小。

針對泥質(zhì)巖類儲層泥質(zhì)含量高、水敏性強(qiáng)、儲層溫度低等特點(diǎn)，避免泥質(zhì)遇水膨脹、剝落、運(yùn)移，污染傷害儲層，按照“少進(jìn)液、飽充填、多加砂”的原則，從防膨、助排、解水鎖3個方面，開展配伍性、破膠性能、傷害性能等9項實(shí)驗(yàn)。優(yōu)選低傷害低黏的高效交聯(lián)壓裂液體系，壓裂液基液稠化劑濃度由0.5%降至0.2%，降低壓裂液破膠液及固相殘渣對裂縫壁面、儲層基質(zhì)的傷害，采用“無機(jī)KCl高效+有機(jī)黏穩(wěn)長效”雙元防膨技術(shù)，減少泥巖水敏膨脹對儲層的污染傷害；優(yōu)選超低表面張力及潤濕反轉(zhuǎn)性能的高效助排劑及水鎖抑制劑，首末段全程伴注液氮，加快壓后破膠液返排，減少破膠液對氣藏水鎖、液鎖傷害，提高壓裂增產(chǎn)效果，具體結(jié)果見表4。

表4 壓裂液全套評價實(shí)驗(yàn)

2.5 組合粒徑防砂支撐劑體系

壓裂防砂對支撐劑的要求主要有3個方面：①支撐劑充填帶應(yīng)滿足高導(dǎo)流能力裂縫所產(chǎn)生的雙線性流動作用；②支撐劑充填帶能夠?qū)Φ貙由捌鸬搅己玫臉蚨伦饔?；③支撐劑?qiáng)度應(yīng)滿足疏松砂巖油藏裂縫閉合的需要[5]。

為提高近井地帶及裂縫口高壓充填裂縫導(dǎo)流能力，減少支撐劑嵌入地層，防止壓后出砂，達(dá)到長期穩(wěn)產(chǎn)的目的，對主支撐劑、固結(jié)砂粒徑及纖維加量進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果如下。

1）主支撐劑粒徑優(yōu)選：利用目的層段巖屑確定主支撐劑粒徑，將該井目的層段泥質(zhì)巖類巖屑研磨好后，使用馬爾文3000激光粒度儀進(jìn)行粒徑測試，粒徑中值分布在11.2~34.7μm。每5組取平均值，得到3組平均值，中值分別為14、24、27.8μm。根據(jù)實(shí)測粒徑中值數(shù)據(jù)，用Saucier等6種方法計算支撐劑粒徑，考慮到泥巖層粒徑細(xì)，且支撐劑粒徑太小滲透率下降幅度過大，按照“防粗疏細(xì)”的原則，采用組合擋砂介質(zhì)，選擇40~70目、30~50目支撐劑進(jìn)行壓裂充填，具體結(jié)果見表5。

表5 不同支撐劑允許通過地層砂粒徑值

2）覆膜砂優(yōu)選：澀北氣田出砂臨界生產(chǎn)壓差介于0.232~2.242 MPa，平均臨界生產(chǎn)壓差0.725 MPa；固結(jié)砂固結(jié)強(qiáng)度是平均臨界生產(chǎn)壓差2倍，即1.45 MPa。據(jù)此優(yōu)選出了圓球度更好的以陶粒為骨架的防砂材料，能夠膠結(jié)固化成防砂擋砂墻，防止地層出砂、支撐劑返吐和支撐劑嵌入地層，20~40目（50℃）固結(jié)砂，每段20 m3。

3）纖維加量優(yōu)化：纖維與支撐劑接觸時，摩擦系數(shù)增大，纖維特有的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能有效抑制水平井縫口出砂。加砂后期裂縫口追加一定濃度纖維（1~6 mm、0.15%），在排液及生產(chǎn)階段具有良好的防支撐劑返吐作用。通過纖維加量計算（圖8），每段添加纖維40 kg。

圖8 纖維加量優(yōu)化結(jié)果

對單段施工參數(shù)、規(guī)模進(jìn)行水力壓裂三維模擬，結(jié)果表明優(yōu)化后裂縫形態(tài)展布科學(xué)合理，單段縫網(wǎng)改造體積約為23.6×104m3，可以滿足開發(fā)需求，具體結(jié)果見表6。

表6 澀頁H3-1井壓裂單段優(yōu)化方案

針對澀頁H3-1井制定的段簇優(yōu)化方案（6段，每段5~7簇，每簇1 m射5~6孔），應(yīng)用儲層參數(shù)進(jìn)一步對全井段壓裂投產(chǎn)進(jìn)行演算，具體結(jié)果見表7。

表7 澀頁H3-1井1-6段壓裂施工模擬概況

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 壓裂施工情況

2020年11月5日，對該井進(jìn)行水力泵送復(fù)合橋塞分6段壓裂，施工總液量3 830.7 m3,加砂994.4 m3,最高砂比62%，最大排量6.6 m3/min，最高施工壓力17.8 MPa。尾追1~6 mm纖維300 kg。

3.2 壓后效果

澀頁H3-1井壓裂前無產(chǎn)量，壓后初期日產(chǎn)氣1.1×104m3，目前日產(chǎn)氣0.8×104m3，油套壓3.5/4.23 MPa，不產(chǎn)水砂，累計產(chǎn)氣282×104m3。壓后初期連續(xù)油管沖出微量壓裂砂，后期使用連續(xù)油管探?jīng)_砂，井筒內(nèi)無砂面，組合支撐劑防砂效果較好。

表8 各段壓裂施工參數(shù)表

3.3 壓后分析

從微地震監(jiān)測及分析結(jié)果看，澀頁H3-1井實(shí)時監(jiān)控裂縫的長寬高及方位（圖9），裂縫高度17~21 m，裂縫長度127~228 m，具體結(jié)果見表9，縫高得到了較好的控制，證實(shí)壓裂未壓穿泥巖層，壓裂措施改造總體形成了短而寬的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫形態(tài)達(dá)到了壓裂設(shè)計要求，壓裂改造效果較好。

表9 裂縫網(wǎng)絡(luò)解釋成果表

圖9 微地震監(jiān)測俯視圖

分析泥巖段上下常規(guī)砂巖氣層生產(chǎn)動態(tài)，進(jìn)一步證實(shí)壓裂并未溝通氣層，泥巖段自身具備產(chǎn)能。相鄰的（距離60 m）水平井澀H3-5，井目前針對緊鄰泥巖段上部的3-1-4b氣層生產(chǎn)，在澀頁H3-1井壓裂后生產(chǎn)壓力、產(chǎn)量穩(wěn)定。證明泥巖段壓裂未影響上部氣層。另外，開發(fā)動態(tài)研究表明，泥巖層下部緊鄰的3-2-1a氣層已嚴(yán)重水侵。澀頁H3-1井位于水侵區(qū)，泥巖段壓裂后未見水，證實(shí)未溝通下部水層。

4 結(jié)論

1）采用“兩控、兩防、一快、一提”的改造方式，形成壓裂-防砂-控水一體化技術(shù)，為澀北壓裂防砂工藝升級轉(zhuǎn)型提供借鑒，也為后續(xù)風(fēng)險勘探部署提供技術(shù)支撐。

2）采用定向射孔優(yōu)化排量復(fù)合控縫高技術(shù)，有效解決了該區(qū)域兩向應(yīng)力差小、上下隔層無明顯應(yīng)力遮擋，措施改造時裂縫縱向延伸易失控的難題。

3）“0.2%超級速溶胍膠低傷害低黏低溫液體”及雙元防膨體系，對泥質(zhì)巖類、高水敏儲層措施改造起到了保護(hù)作用，一定程度上減小了措施液對儲層的污染和傷害。