新型低伤害压裂改造技术的研究与试验——在松辽盆地南部深层复杂气藏中的应用

摘 要

摘要：松辽盆地南部深层致密气藏具有岩性多变、低孔、特低渗、埋藏深、杨氏模量高、压力高、温度高等特点，压裂改造加砂规模小、施工砂液比低且易发生早期脱砂现象。为此，研究了
摘要：松辽盆地南部深层致密气藏具有岩性多变、低孔、特低渗、埋藏深、杨氏模量高、压力高、温度高等特点，压裂改造加砂规模小、施工砂液比低且易发生早期脱砂现象。为此，研究了一种新的低伤害压裂技术，力求实现低伤害、深穿透、高导流的目标。其要点包括压前储层精细评价、耐高温耐剪切的低伤害压裂液体系、小粒径为主的高强度组合粒径支撑剂、压裂多级优化设计、螺旋式及段塞式加砂程序设计、新型压裂施工配套技术(如CO2增能助排、三变压裂液技术、多级高强度支撑剂段塞技术、前置阶段两次瞬时停泵压力测试、支撑剖面优化及控制、考虑应力敏感和循环应力载荷条件下的压后返排控制方法)等。经过两年来9井次的现场试验，成功率与有效率大幅提高，加砂规模及施工砂液比等也屡创历史新高，打开了松辽盆地南部深层致密气藏的勘探局面，为经济有效地开发该区块提供了重要的技术支撑。
关键词：松辽盆地；深层；致密层；气藏；低伤害；深穿透；导流能力；压裂
0 引言
    松辽盆地南部由于储层的复杂性，水力压裂技术一直没有取得突破性进展。为此，新型压裂技术研究从储层特性出发，借助于新型实验技术(如恒速压汞及核磁可动流体测试技术等)，注重储层宏观、微观及动态、静态资料的综合分析，精细评价岩性、电性、物性、含气性、就地条件下的岩石力学特性与弹塑性，可动流体分析、岩石微观孔喉结构分析、压前地层测试资料分析等，在掌握好储层特性的基础上，研制针对性强的低伤害压裂液体系、优选合适高效的支撑剂体系、优化最佳的缝长与导流能力、优选最佳的施工参数组合体系、采用针对性的压裂施工配套技术体系，力求实现低伤害、深穿透、高导流的目标，以达到既能彻底改造储层又能最大限度地挖掘储层潜力的目的。
1 压前储层综合评价研究
    主要评价方法是两个结合和一个比对。两个结合是宏观、微观的结合以及静态、动态的结合；一个比对是储层横向的比对，包括岩性、电性、物性、含气性、地应力特性、岩石力学特性、微观喉道及可动流体等。
    表1是按上述方法获得的9井次试验井层的基本情况。由表可见，9井次致密气藏压裂中，有4井次是火成岩，5井次是粉砂岩。其中，火成岩中的天然裂缝都较为发育。总体上看，岩心渗透率大部分小于0.01×10-3μm2，孔隙度大部分在5%以下，厚度大部分在1Om以下，就地条件下的杨氏模量大部分高于40000MPa，大部分地应力高于60MPa，大部分储层温度高于120℃，储层岩石的喉道直径大部分小于0.1μm。
由此可见，压裂改造的难度相当大。
表1 松辽盆地南部9井次储层基本参数表
井号
岩性
深度(m)
射孔厚度(m)
孔隙度(%)
岩心渗透率(10-3μm2)
孔隙压力(MPa)
地应力(MPa)
杨氏模量(MPa)
储层温度(℃)
喉道直径(μm)
储集类型
A
凝灰岩
2460.0
55.0
3.1
0.002
9.4
53.0
40670
80
0.10
裂缝型
B
辉绿岩
4000.0
35.0
10.7
0.003
48.0
76.0
58850
141
0.03
裂缝型
C
流纹岩
3080.0
11.2
13.0
0.070
21.9
65.0
16430
113
0.02
裂缝型
D
粉砂岩
4268.0
7.0
3.5
0.002
59.0
94.0
43480
150
0.10
基质型
E
粉砂岩
4302.0
4.5
4.6
0.003
59.5
91.0
43000
151
0.10
基质型
F
粉砂岩
4267.5
7.0
3.5
0.002
59.0
98.2
43480
150
0.10
基质型
G
粉砂岩
3577.0
12.5
4.6
0.022
35.8
54.0
29500
131
0.30
基质型
H
粉砂岩
3366.0
6.0
3.7
0.005
33.7
51.0
21440
124
0.30
基质型
I
凝灰岩
3703.0
39.0
5.2
0.060
44.4
70.0
49980
137
0.10
裂缝型
2 压裂改造难点及对策
2.1 针对基质低孔、特低渗，对外来液体的伤害异常敏感应采取的对策
    采用低伤害稠化剂GHPG；采用前置液两次瞬时停泵技术测试地应力与滤失情况，现场调节前置液量；针对天然裂缝发育的火成岩储层，合理优化粉陶用量，在降滤的同时严防对主裂缝导流能力的堵塞。
2.2 火成岩储层天然裂缝发育，难以形成主裂缝
    施工开始时采用低排量与高黏度压裂液组合，主要以降滤为目的。然后，快速提升裂缝净压力，以力争形成主裂缝。之后，加适量粉陶降滤与打磨。施工后期用高排量与低黏度压裂液组合。
2.3 粉砂岩储层无天然裂缝，基质向裂缝供气能力差，使压后产量递减快、有效期短
    综合采用低伤害、深穿透和高导流技术，如低伤害材料、高强度小粒径组合支撑剂体系组合、多级变排量控缝高技术、多级加砂技术等。
2.4 大部分井层深度大、温度高、地应力高、杨氏模量高，压裂裂缝窄，加砂规模受限，且易发生早期砂堵
  采用具有延迟交联功能的耐高温压裂液体系、小粒径高强度陶粒支撑剂组合体系、Ø88.9mm的注入管柱、多级高强度支撑剂段塞技术、低起步砂液比设计、有砂堵征兆设计采用螺旋式或段塞式加砂程序技术、加砂期间两级提排量技术等。
2.5 火成岩或粉砂岩因低孔、特低渗，大多具应力敏感特性，如何防止压裂施工中及排液期间的缝壁压实效应，以及循环应力载荷对支撑剂导流能力的破坏，难度很大
合理优化及控制自喷期间的油嘴大小及抽汲期间的动液面高低，防止裂缝吐砂和快抽快排现象的出现。
3 低伤害压裂液优选
    研究中共采用两种压裂液配方：一是中温压裂液体系，二是高温压裂液体系。
3.1 中温压裂液
    流变参数：60min，n=0.5638，k=1.7126Pa·sn。该压裂液配方的残渣含量仅为127mg/L，比常规压裂液体系低得多。该压裂液配方在70℃，170s-1剪切速率下，剪切90min后，压裂液黏度仍保持在200mPa·s之上且几乎保持恒定，完全能够满足施工需要。
3.2 高温压裂液
    流变参数：60min，n=0.5224，k=1.2661Pa·sn。该压裂液配方的残渣含量仅为206mg/L，也比常规压裂液体系低得多。该压裂液配方在130℃，170s-1剪切速率下，剪切120min后，压裂液黏度仍保持在150mPa·s之上，也能满足施工需要。
4 小粒径高强度支撑剂优选
    对异常高应力(＞60MPa)致密气藏而言，可选择全程小粒径支撑剂体系。原因有：①高应力条件下，小粒径与常规粒径支撑剂在相同铺置浓度下提供的导流能力相当；②而实际施工时，小粒径支撑剂可加入更多，铺置浓度也会更高。
    为了提高近井筒裂缝导流能力，可以尾追不同比例的常规粒径陶粒支撑剂。尾追的比例，可通过气藏模拟实现。
5 缝长、导流能力优化及相应的施工参数的优化
    缝长与导流能力的优化，主要基于气藏数值模拟的结果。由于本研究的井层都是评价井，可以不同缝长与导流能力下的压后产量(一般以1年为准)作为目标函数，以此可优选最佳的缝长与导流能力。但由于储层横向参数变化频繁，因此，可综合根据测井、岩心及地层测试等结果，判断储层参数尤其是渗透率的变化范围，为简便起见，可假设每个参数出现的频率相同。则最终的优化缝长与导流能力为上述不同渗透率下优化值的算术平均值[1～4]。
6 压裂施工配套措施
    在低伤害压裂液(超级瓜胶及优级瓜胶)及变粒径高强度支撑剂的前提下，综合应用了CO2增能助排技术、天然裂缝条件下的主裂缝控制技术(含火山岩裂缝延伸机理的分析)、综合降滤失技术、综合控缝高及提高压开程度技术、变排量压裂技术、支撑剂段塞技术、螺旋式加砂模式、段塞式加砂模式、支撑剖面优化及控制技术，以及压后返排与抽汲的动态优化及控制等技术，使火成岩储层在低伤害的前提下，加砂规模得以大幅度提高，进一步提高了压裂效果与加深了对储层的认识程度。
7 现场实施及效果概况
    在上述设计思路的指导下，进行了优化的设计及施工，其施工参数见表2。
表2 松辽盆地南部致密气藏低伤害大型压裂施工参数表
井号
总液量(m3)
前置液(%)
排量(m3/min)
支撑剂量(m3)
平均砂液比(%)
瞬时停泵压力1)(MPa)
返排率(%)
A
310
51.2
3.5～6.3
48.0
19.8
28.6
51.5
B
550
50.0
2.0～4.0
18.5
7.0
71.6
100.0
C
535
53.1
3.5～5.4
60.0
23.9
27.0
98.4
D
252
45.6
2.0～2.6
28.0
21.0
54.6
100.0
E
249
45.4
2.0～2.8
22.0
20.1
50.9
100.0
F
466
74.3
1.5～2.1
15.5
13.2
55.7
75.1
G
645
50.5
2.5～4.6
87.0
32.4
34.5
55.0
H
306
36.9
2.5～3.6
40.0
24.3
19.8
53.7
I
846
46.1
3.0～4.8
90.0
23.0
39.8
100.0
注：1)指井口压力值。
    需要指出的是，上述9井次压裂施工中，压裂液以无伤害超级瓜胶为主，支撑剂以30～50目或40～60目小粒径高强度陶粒为主，部分井较浅时采用了尾追一定比例常规粒径陶粒。
    9口井的最低产量为10000m3/d，最高为70000m3/d，平均产量为37000m3/d，但上述9口井存在压后初产量较高，但递减仍然较快的问题，值得今后继续深入研究。
8 结论与建议
    1) 松辽盆地南部致密气藏压裂改造的主要难点是：基质低孔、特低渗，对外来液体的伤害异常敏感；岩性以火成岩和粉砂岩为主，天然裂缝发育状况复杂多变，裂缝起裂与延伸难度较大；井深，摩阻高，排量受限；绝大部分井高温高压，压裂液易降解和引发早期脱砂；岩石一般较硬，即就地条件下的杨氏模量较高，造成压开缝宽有限，使施工砂液比和导流能力受限；一般具有应力敏感特征，易造成缝壁压实效应而严重制约地下天然气的产出。
    2)在上述压裂难点的基础上，有针对性开展有关研究，初步提出了适合松辽盆地南部致密气藏的低伤害大型压裂技术。其要点包括：精细的压前储层评价、无伤害耐高温的压裂液体系、小粒径支撑剂及其组合、压裂施工参数的多级优化、多种加砂程序设计(多级渐近式、螺旋式、段塞式)、新型工艺配套技术(CO2增能助排、多级支撑剂段塞、现场简易测试、主裂缝延伸方法、综合降滤、综合控缝高、多级变排量技术、支撑剖面优化及控制：考虑应力敏感及循环应力载荷因素的返排与抽汲优化方法)等。
    3) 经现场试验研究，上述针对致密气藏的低伤害大型压裂技术是适合松辽盆地南部储层特点的，与以往相比，在施工成功率、压裂液返排率和压后初产等方面，较以往有较大幅度提高，可在松辽盆地南部推广应用。
    4) 但压后产量递减快的现象仍然存在，因此，建议加强压后产气递减的影响因素及敏感性分析，为进一步提高致密气藏的压裂改造效果提供技术基础。
参考文献
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[2] 杨丙秀，丁云宏，王晓泉，等.苏里格气田分层压裂技术研究[J].天然气工业，2004，24(增刊A)：71-73.
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[4] 王鸿勋，张士诚.水力压裂设计数值计算方法EM].北京：石油工业出版社，1998：238-246.
 
(本文作者：蒋廷学1 才博2 翁定为2 1.中国地质大学(北京)；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)