致密碳酸鹽巖應(yīng)用“體積加砂”壓裂技術(shù)探討

問(wèn)曉勇， 李憲文， 張燕明， 肖元相， 郝瑞芬

(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)

鄂爾多斯盆地下古碳酸鹽巖油氣資源豐富，開(kāi)發(fā)規(guī)模逐年擴(kuò)大。勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域由靖邊氣田本部拓展到古隆起東側(cè)、盆地東部，勘探開(kāi)發(fā)層位也由前期的上組合馬五1-4，拓寬到上、中、下組合三套含氣層系。位于中央古隆起東側(cè)的碳酸鹽巖新領(lǐng)域成為碳酸鹽巖氣藏新的增長(zhǎng)點(diǎn)，是下一步增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)[1-5]。

一、古隆起東側(cè)下古開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與難點(diǎn)

目前，以古隆起東側(cè)蘇里格某區(qū)塊為代表的中組合馬五5氣藏主體采用組合酸酸壓技術(shù)，開(kāi)展了交聯(lián)酸攜砂及清潔轉(zhuǎn)向酸技術(shù)試驗(yàn)，同時(shí)也采用了稠化酸酸壓、多級(jí)注入等改造措施。統(tǒng)計(jì)的45口井，其中小于4×104m3/d的井有21口，占總井?dāng)?shù)47.7%?？傮w低產(chǎn)井比例較高，需進(jìn)一步分析蘇里格氣田地質(zhì)特征，提取改造難點(diǎn)[6-7]。

1. 孔縫充填程度高

古隆起東側(cè)碳酸鹽巖中組合巖性致密，孔隙、裂縫充填程度高，導(dǎo)致地層儲(chǔ)存和運(yùn)移效率低，進(jìn)而導(dǎo)致氣井低產(chǎn)。結(jié)合下古酸壓偶極聲波成像測(cè)井資料分析，下古酸壓注入酸液流動(dòng)方向往往沿著易于反應(yīng)、濾失的方向流動(dòng)，從而導(dǎo)致酸壓裂縫延伸傾向于反應(yīng)上部灰?guī)r，造成儲(chǔ)層段改造效果較差。

2. 酸液有效作用距離短

古隆起東側(cè)下古儲(chǔ)層溫度在110℃～120℃。在地層溫度較高條件下，常規(guī)酸液體系酸巖反應(yīng)速度快，有效作用時(shí)間短，縮短了酸液有效作用距離。

3. 酸液濾失嚴(yán)重

隨注酸時(shí)間不斷增加，酸液會(huì)在基質(zhì)中形成酸蝕蚓孔，從而分流主縫中的酸液。同時(shí)由于裂縫發(fā)育，更加劇了酸液濾失,兩種因素綜合影響下，導(dǎo)致酸液有效作用距離大幅縮短。

4. 高導(dǎo)流酸蝕裂縫難以保持

古隆起東側(cè)碳酸鹽巖中組合埋深3 700～4 000 m，閉合壓力60～80 MPa。酸蝕后裂縫壁面形成的凸起強(qiáng)度較低，在裂縫壁面形成軟化層。酸蝕裂縫導(dǎo)流能力較加砂裂縫導(dǎo)流能力在高閉合壓力下保持率較差，因此遠(yuǎn)離井筒裂縫幾乎喪失導(dǎo)流能力。

為了提高致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層單井產(chǎn)量，針對(duì)以上改造難點(diǎn)，結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)特征，借鑒國(guó)內(nèi)外改造經(jīng)驗(yàn)，嘗試?yán)盟由皦毫褜?shí)現(xiàn)深度改造，提高儲(chǔ)層產(chǎn)量。

二、“體積加砂”壓裂可行性分析

1. 非常規(guī)體積改造成功模式

以美國(guó)Eagle Ford頁(yè)巖為例，該非常規(guī)儲(chǔ)層的體積改造獲得了巨大成功[8-9]。其改造機(jī)理為先形成主裂縫縫長(zhǎng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，有效溝通天然裂縫；后在主縫基礎(chǔ)上形成多縫直至形成“縫網(wǎng)”系統(tǒng)，擴(kuò)大儲(chǔ)層滲流體積。該區(qū)塊儲(chǔ)層改造使用“階梯排量(Step Rate)+膠液前置(Gel Ahead)”SRGA壓裂技術(shù)：利用交聯(lián)液和低排量造縫，有效實(shí)現(xiàn)了近井地帶簡(jiǎn)單縫、遠(yuǎn)井地帶復(fù)雜縫的目標(biāo)，有效解決了裂縫發(fā)育區(qū)域加砂難的問(wèn)題，單段加砂量得到顯著提高。

2. 古隆起東側(cè)體積改造可行性

體積改造的影響因素[10-11]包括儲(chǔ)層厚度、天然微裂縫發(fā)育程度、巖石脆性、水平應(yīng)力差、壓裂工藝等。根據(jù)測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，馬五5、馬五6發(fā)育較為連續(xù)的整裝厚層，具備改造物質(zhì)基礎(chǔ)。

古隆起東側(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙類型以溶孔、晶間孔為主，發(fā)育一定程度天然微裂隙(圖1)，但原生和次生充填程度較高。

圖1 古隆起東側(cè)與北美頁(yè)巖天然裂縫發(fā)育程度對(duì)比

古隆起東側(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)處于47.3%～59.5%(表1)，與Eagle ford頁(yè)巖以及四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖較接近，相對(duì)砂巖儲(chǔ)層更易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

表1 不同區(qū)塊巖石力學(xué)特性對(duì)比

Doe和Boyce[12]實(shí)驗(yàn)證明水平應(yīng)力比小于1.5時(shí)，隨應(yīng)力比減小，裂縫分支和多裂縫越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到古隆起東側(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層平均應(yīng)力差7.5～8.3 MPa，水平兩向應(yīng)力比1.11～1.17，能形成一定復(fù)雜裂縫。研究表明，當(dāng)裂縫延伸凈壓力大于兩個(gè)水平主應(yīng)力差與巖石抗張強(qiáng)度之和，可形成以主縫和分支裂縫相組合的復(fù)雜裂縫。計(jì)算分析，碳酸鹽巖儲(chǔ)層形成復(fù)雜裂縫所需凈壓力為12.5～15.5 MPa。隨注入排量增加，裂縫凈壓力逐漸增加，但幅度很小。此外，受地面管線和井下管柱的壓力限制，依靠提高排量難以在致密儲(chǔ)層中產(chǎn)生復(fù)雜縫。

三、“體積加砂”壓裂技術(shù)思路

考慮到儲(chǔ)層致密、閉合壓力高、地層壓力系數(shù)低[13-14]的特點(diǎn)，以增大儲(chǔ)層改造深度、降低儲(chǔ)層傷害為思路，形成“多體系、高增能、低傷害”的“體積加砂”壓裂技術(shù)是提高致密碳酸鹽巖深層大厚段單井產(chǎn)量的關(guān)鍵。存在的難點(diǎn)包括：①破裂壓力高，縫高失控；②加砂困難；③地層壓力系數(shù)低，入井液量大。需針對(duì)性解決以上難點(diǎn)。

1. 前置酸預(yù)處理

使用酸液預(yù)處理可降低破裂壓力(圖2)，降低破裂壓力可控制裂縫縫高。以小排量注入20%的酸液預(yù)處理，降低破裂壓力5.6～11.8 MPa，縫高減少8.5～20 m，可控制裂縫在產(chǎn)層中較好地延伸。

圖2 酸預(yù)處理前后破裂壓力對(duì)比

2. 膠液前置+滑溜水段塞式加砂提高改造深度

儲(chǔ)層埋藏深，造成壓裂裂縫延伸壓力高。彈性模量高，導(dǎo)致裂縫較窄，加砂困難?？箯垙?qiáng)度和抗壓強(qiáng)度高，破裂壓力較高。采用滑溜水體系，加入定制的超細(xì)支撐劑，采用全程段塞式加砂，大幅提高改造深度，通過(guò)擴(kuò)大泄流面積達(dá)到增產(chǎn)目的?？傮w形成“膠液前置+滑溜水前置液+滑溜水段塞式加砂”三段式混合壓裂模式(表2)。

3. 儲(chǔ)層增壓提高返排效率

針對(duì)古隆起東側(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層低壓、濾失大的特點(diǎn)，從降濾、增壓角度出發(fā)，提出前置CO2增能壓裂思路。計(jì)算表明,孔隙度5%～6%、壓力系數(shù)0.75～0.80時(shí)所需CO2注入150 m3左右。采用?88.9 mm油管注入，推薦施工排量在3.5～5.0 m3/min。

表2 三段式混合壓裂模式

結(jié)合古隆起東側(cè)碳酸鹽巖深層大厚段地質(zhì)特征，以改善儲(chǔ)層滲流條件、實(shí)現(xiàn)集造縫和補(bǔ)充能量為一體的壓裂改造目標(biāo)，提出實(shí)現(xiàn)“體積加砂”壓裂工藝設(shè)計(jì)思路如圖3。

圖3 “體積加砂”壓裂工藝設(shè)計(jì)思路

四、“體積加砂”壓裂工藝方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

結(jié)合前期實(shí)踐認(rèn)識(shí)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，制定了“體積加砂”壓裂的方案設(shè)計(jì)參數(shù)(表3)，為碳酸鹽巖深層大厚段儲(chǔ)層提高單井產(chǎn)量提供技術(shù)支撐。

按照上述“體積加砂”壓裂的方案設(shè)計(jì)對(duì)研究區(qū)一口試驗(yàn)井進(jìn)行改造(表4)，并與相鄰井常規(guī)酸

壓改造效果對(duì)比,“體積加砂”壓裂井無(wú)阻流量是常規(guī)酸壓井的2.6倍(表5)，試驗(yàn)井“體積加砂”壓裂效果明顯好于相鄰井常規(guī)酸壓效果，表明“體積加砂”壓裂技術(shù)在古隆起東側(cè)碳酸鹽巖深層大厚段儲(chǔ)層具有良好的改造效果，可在研究區(qū)進(jìn)行推廣。

表3 “體積加砂”壓裂的方案設(shè)計(jì)

六、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)古隆起東側(cè)區(qū)域下古碳酸鹽巖因儲(chǔ)層致密、酸液有效作用距離短、濾失高以及酸蝕裂縫導(dǎo)流能力保持難等原因，不適合常規(guī)酸壓改造。

(2)經(jīng)過(guò)古隆起東側(cè)下古碳酸鹽巖與美國(guó)頁(yè)巖地質(zhì)與巖石力學(xué)特征對(duì)比與分析，兩種儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的相似性，致密“體積加砂”壓裂具有可行性。

(3)設(shè)計(jì)了前置注酸(降破裂壓力、控制逢高)、前置CO2(儲(chǔ)層增能、降濾失)、膠液前置(造主縫)、滑溜水+基液(開(kāi)啟分支縫)的體積加砂壓裂工藝。

表4 試驗(yàn)井壓裂施工參數(shù)與泵注程序

準(zhǔn)備膠囊破膠劑54 kg，加量按0.01%人工加入。

表5 “體積加砂”壓裂與常規(guī)酸壓壓裂效果對(duì)比

(4)試驗(yàn)井體積加砂壓裂效果明顯好于相鄰井常規(guī)酸壓效果?？梢栽谔妓猁}巖深層大厚段儲(chǔ)層改造中推廣應(yīng)用。