瑪北油田三疊系低滲砂礫巖儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)

洪 揚(yáng)，吳 濤

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司第三鉆井公司，天津 300280；2.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

近年來(lái)，針對(duì)三疊系砂礫巖的油氣勘探持續(xù)推 進(jìn)，相繼發(fā)現(xiàn)了以瑪北油田為代表的地層—巖性油氣藏。后期的評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)階段，位于瑪湖凹陷北斜坡區(qū)（簡(jiǎn)稱瑪北）的瑪北油田三疊系砂礫巖低孔低滲儲(chǔ)層的改造效果不理想。國(guó)內(nèi)學(xué)者及科研人員對(duì)低孔低滲砂礫巖力學(xué)特征及對(duì)壓裂改造的影響因素展開(kāi)了研究［1-3］，對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)技術(shù)也有所嘗試，效果良好［4-10］。

砂礫巖儲(chǔ)層改造工藝的文獻(xiàn)多是針對(duì)厚度大、滲透率低和礫石抗壓機(jī)理單一等特點(diǎn)的砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行探索和實(shí)踐。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系百口泉組為低孔低滲砂礫巖層，多套疊置?？v向油氣顯示跨度大且各套砂礫巖地層壓力大等多種因素影響的復(fù)雜儲(chǔ)層，粗粒碎屑巖儲(chǔ)層壓裂改造工藝的配套技術(shù)系列急需探索總結(jié)。結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地三疊系百口泉組低孔低滲砂礫巖儲(chǔ)層改造工藝的“一井一策”勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，以瑪北油田為例，系統(tǒng)總結(jié)了砂礫巖儲(chǔ)層組合的特殊性和滿足不同組合類型儲(chǔ)層需要的壓裂改造配套工藝技術(shù)系列。

1 儲(chǔ)層特征及壓裂改造難點(diǎn)

準(zhǔn)噶爾盆地三疊紀(jì)已基本形成了統(tǒng)一的水體，早三疊世繼承了二疊紀(jì)晚期干旱炎熱的古氣候，導(dǎo)致湖盆邊緣粗碎屑沉積分布。盆地西北緣三疊系下統(tǒng)百口泉組發(fā)育扇三角洲沉積體系，儲(chǔ)層主要為扇三角洲前緣水下分流河道的砂礫巖和少量砂巖。

已鉆井的儲(chǔ)層物性分析結(jié)果顯示，三疊系百口泉組儲(chǔ)層巖性以砂礫巖為主，其次為礫巖。礫石大小不等，最大礫徑為45 mm，一般為2～40 mm，多呈次圓狀，分選性差。礫石成分以凝灰?guī)r和花崗巖為主，巖性致密。巖石成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低。儲(chǔ)層整體為典型的低孔、低滲砂礫巖儲(chǔ)層，平均孔隙度為7.69%，滲透率平均為0.33×10-3μm2。

三疊系百口泉組沉積厚度為110～190 m，整體為向上變細(xì)的湖侵二級(jí)沉積層序。在湖平面整體上升的背景下曾發(fā)育多期的水體進(jìn)退，水下分流河道亞相砂礫巖與濱淺湖相的細(xì)粒沉積形成多套垂向上的三級(jí)甚至四級(jí)沉積旋回，砂礫巖儲(chǔ)層呈現(xiàn)縱向上的多套疊置特征。

依據(jù)砂礫巖層多套疊置、縱向油氣顯示跨度大且各套砂礫巖層的地層壓力大的特點(diǎn)，儲(chǔ)層壓裂改造難點(diǎn)主要分為以下幾點(diǎn)：①三疊系百口泉組砂層跨度60～80 m，上下兩套砂層組之間存在2～6 m的泥巖夾層，砂層組內(nèi)部存在1～4 m的薄泥巖夾層，為砂泥巖交互型儲(chǔ)層；②儲(chǔ)層物性較差，油氣產(chǎn)量不高，地層壓力較高，壓力系數(shù)為1.60～1.74，射孔后會(huì)產(chǎn)出油氣，影響后續(xù)壓裂改造實(shí)施；③儲(chǔ)層厚度大，主要油氣層位于儲(chǔ)層上部，水層距油層約4～6 m，其間發(fā)育2～6 m的泥巖隔層，而裂縫具有向下延伸的趨勢(shì)，縱向上無(wú)高應(yīng)力遮擋層，裂縫高度容易失控，有聯(lián)通水層的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)砂泥交互型儲(chǔ)層組合、圍巖應(yīng)力差大及易出水的特點(diǎn)，“一井一策”的壓裂組合工藝能滿足不同類型儲(chǔ)層的需要。

2 直井壓裂改造技術(shù)

2.1 常壓分層壓裂增產(chǎn)改造

針對(duì)砂泥交互型儲(chǔ)層組合，首選分層壓裂改造技術(shù)，其中封隔器解封和管柱工藝是關(guān)鍵技術(shù)［11］。分層壓裂選層原則：油氣顯示、物性與縱向應(yīng)力有機(jī)結(jié)合，射開(kāi)油氣顯示好、物性好、應(yīng)力小的單套砂體分別進(jìn)行壓裂改造。在瑪北油田的開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，各套儲(chǔ)層的壓力如果與圍巖壓力相近，那么分層壓裂主要采用的是Y441-114型封隔器。

2.1.1 工作原理

Y441-114型封隔器采用液壓座封、雙向錨定、上提下放管柱逐級(jí)解封的方式工作。當(dāng)封隔器下行至設(shè)計(jì)井深，從油管內(nèi)加液壓，液壓力通過(guò)中心管傳壓孔傳至液缸，推動(dòng)下活塞下行，將卡瓦撐開(kāi)并錨定在管套上，同時(shí)活塞上行，壓縮封隔件密封油套環(huán)空。需要解封時(shí)，上提管柱，中心管隨管柱上行，剪斷解封剪釘，封隔件釋放，再上行，卡瓦脫離套管，封隔器解封。

2.1.2 管柱結(jié)構(gòu)

以4層壓裂為例，分層壓裂封隔器管柱自下而上由承接管+Y441壓裂封隔器（帶坐封球座）+一級(jí)壓裂滑套+Y441壓裂封隔器+二級(jí)壓裂滑套+Y441壓裂封隔器+三級(jí)壓裂滑套+Y441壓裂封隔器+水力錨+防磨安全接頭+洗壓井閥組成（圖1）。

圖1 分層壓裂管柱示意圖

2.1.3 工藝技術(shù)特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱壓裂5層，壓裂后可實(shí)現(xiàn)合采。

（2）封隔器采用液壓坐封方式，壓裂前可實(shí)現(xiàn)循環(huán)替液，有效防止儲(chǔ)層污染。

2.1.4 施工流程

（1）工具入井：按設(shè)計(jì)要求連接工具下井到設(shè)計(jì)位置，并校準(zhǔn)工具下入位置，坐井口，將油管內(nèi)壓井液替出。

（2）封隔器座封：從井口投25 mm鋼球，等鋼球到位，油管打壓10，15，20，25，30 MPa，分別穩(wěn)壓3 min，繼續(xù)打壓到32～35 MPa時(shí)，將球座打掉至承接管內(nèi)。

（3）壓裂：采取投球打開(kāi)壓裂滑套的方式自下而上逐級(jí)壓裂，承接管開(kāi)口處投球后直接落至井底。

（4）解封：上提管柱80～110 kN，最上級(jí)壓裂封隔器解封，然后壓裂封隔器分級(jí)打撈、解封起出。

2.1.5 應(yīng)用效果

開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)15井次，最多分4層，單層最大進(jìn)砂量70 m3，最高施工壓力68 MPa，最大下深3 304 m，成功率100%。

2.2 套管橋塞分層壓裂工藝

瑪北油田三疊系百口泉組儲(chǔ)層物性較差，常規(guī)試產(chǎn)時(shí)油氣產(chǎn)量不高，個(gè)別區(qū)塊地層壓力較高，壓力系數(shù)為1.60～1.74，射孔就能產(chǎn)出油氣。地層連續(xù)產(chǎn)出油氣時(shí)，提射孔槍、下壓裂管柱均需要泥漿壓井，會(huì)對(duì)油層產(chǎn)生污染。下入油管分層壓裂封隔器后將無(wú)法替出井筒內(nèi)泥漿，泥漿沉淀后，分層封隔器將會(huì)無(wú)法提出，導(dǎo)致工程事故。這類儲(chǔ)層無(wú)法實(shí)現(xiàn)油管封隔器分層壓裂改造的目的，需選用射孔橋塞工具實(shí)現(xiàn)分層壓裂的目的。

套管橋塞分層壓裂工藝原理：井口防噴設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電纜帶壓射孔，第一段射孔后若井筒內(nèi)起壓也可提出射孔槍。射孔后對(duì)第一段進(jìn)行壓裂改造，壓裂結(jié)束后帶壓下入速鉆橋塞，對(duì)第二段進(jìn)行射孔，然后進(jìn)行第二段的壓裂改造。如此類推，理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)級(jí)射孔、壓裂改造?，敱庇吞镩_(kāi)發(fā)實(shí)踐中，射孔、壓裂改造最多是5段。橋塞帶單流凡爾，壓裂結(jié)束后可以實(shí)現(xiàn)合采。若井筒出砂，可以下連續(xù)油管鉆掉井筒的橋塞，確保井筒內(nèi)油氣的暢通，實(shí)施生產(chǎn)測(cè)井等工藝以評(píng)價(jià)壓裂效果。

壓裂后，累計(jì)退液241.93 m3，4 d后采用2.0 mm油嘴試產(chǎn)，產(chǎn)油36.50 m3／d，累計(jì)產(chǎn)油593.32 m3，含油92.00%。

開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，瑪北油田共5井選用套管橋塞分層壓裂工具，高效、安全實(shí)施了壓裂施工作業(yè)，壓裂后均獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流，日產(chǎn)油量遠(yuǎn)高于鄰井實(shí)施大段合壓措施的產(chǎn)油量（圖2）。

2.3 二次加砂改造工藝

瑪北油田三疊系儲(chǔ)層改造除前述的分層壓裂工藝外，在改造儲(chǔ)層提高產(chǎn)能過(guò)程中還面臨兩個(gè)難點(diǎn)：一是儲(chǔ)層厚度大，主要油氣層位于儲(chǔ)層上部，而裂縫具有向下延伸的趨勢(shì)，加之地層閉合時(shí)間長(zhǎng)，支撐劑沉降，影響上部主要油氣層的改造效果；二是縱向上無(wú)高應(yīng)力遮擋層，裂縫高度容易失控，有溝通水層的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)三疊系砂礫巖儲(chǔ)層的改造難點(diǎn)，提出了二次加砂的儲(chǔ)層改造工藝。

二次加砂壓裂是將設(shè)計(jì)的總砂量通過(guò)合理的二次泵注加入油層，第一次壓裂完畢后停泵一段時(shí)間，等待支撐劑沉降，促使井筒周圍應(yīng)力重新分布。等裂縫閉合后，再進(jìn)行第二次加砂壓裂。第一次壓裂形成的支撐劑砂堤，可為下一次壓裂提供一定應(yīng)力遮擋［12-13］。相比常規(guī)加砂壓裂，二次加砂壓裂能充填裂縫，提高裂縫導(dǎo)流能力，控制裂縫向下延伸。

第一次加砂后的支撐劑會(huì)向裂縫的底部沉降運(yùn)移，在下部形成一個(gè)應(yīng)力集中的穩(wěn)定遮擋層，裂縫沿高度方向的延伸受阻，這與以往采用的下沉劑控縫高具有同樣的效果。第一次加砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)采用的下沉劑用量，第一次加砂凈壓力控制得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)更好的控下縫高的效果，從而保證二次加砂時(shí)，裂縫不再向下延伸。

瑪湖凹陷北斜坡區(qū)三疊系砂礫巖儲(chǔ)層，二次加砂日產(chǎn)油量明顯高于一次加砂鄰井的日產(chǎn)油量，壓裂增產(chǎn)效果明顯（圖3）。

圖3 二次加砂與一次加砂壓裂效果對(duì)比

3 水平井壓裂改造

瑪湖凹陷北斜坡三疊系砂礫巖儲(chǔ)層的水平井改造工藝主要包括裸眼封隔器投球滑套壓裂技術(shù)和套管橋塞多簇射孔聯(lián)作壓裂技術(shù)。

3.1 裸眼封隔器投球滑套壓裂技術(shù)

針對(duì)裸眼封隔器完井的水平井，在采取投球打開(kāi)壓裂滑套的方式逐級(jí)壓裂基礎(chǔ)上，開(kāi)展了纖維轉(zhuǎn)向一級(jí)多縫技術(shù)的研發(fā)，在室內(nèi)開(kāi)展纖維轉(zhuǎn)向壓裂實(shí)驗(yàn)。第一次壓裂，形成了兩條近南北向的裂縫，壓裂結(jié)束時(shí)添加高濃度纖維，停泵10 min后再次進(jìn)行壓裂。第二次壓裂，形成了一條近南西向的裂縫，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)纖維縫內(nèi)暫堵可提高縫內(nèi)凈壓力，實(shí)現(xiàn)液體轉(zhuǎn)向，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)向裂縫。

纖維轉(zhuǎn)向一級(jí)多縫技術(shù)是在同一級(jí)裸眼段內(nèi)實(shí)施二次加砂，在第一級(jí)壓裂加砂末端加入高濃度纖維攜砂對(duì)裂縫端口實(shí)施暫堵，停泵60 min后在同一裸眼段實(shí)施第二次壓裂，壓裂液進(jìn)入地層后將從裸眼段內(nèi)應(yīng)力相對(duì)薄弱處起裂。

水平井X91-H井水平段最小水平應(yīng)力小于0.3 MPa。選用纖維轉(zhuǎn)向一級(jí)多縫技術(shù)，加砂結(jié)束時(shí)加入高濃度纖維暫堵，纖維濃度由2～4 kg／m3增加至10～12 kg／m3，為減少砂堵的風(fēng)險(xiǎn)，砂濃度由600 kg／m3降至240 kg／m3。電法監(jiān)測(cè)資料顯示，12級(jí)壓裂形成23條裂縫，基本達(dá)到了同一裸眼段內(nèi)形成2條裂縫。

3.2 套管橋塞多簇射孔壓裂配套技術(shù)

套管完井的水平井射孔后進(jìn)行壓裂改造，為保持水平段人工裂縫間距合理，需要控制人工裂縫的起裂點(diǎn)。射孔井段較短，大多為0.5～1.0 m，射孔孔眼的摩阻很大，施工泵壓需增加30.0～40.0 MPa。開(kāi)發(fā)實(shí)踐中選用土酸酸化預(yù)處理可使施工泵壓大幅下降。土酸配方組成：15.0%HCL+2.0%HF +2.0%緩蝕劑+0.3%降阻劑+1.0%助排劑+1.0%破乳劑+3.0%黏土穩(wěn)定劑。X92-H井施工排量為3 m3／min，施工泵壓為61.5～63.5 MPa，酸液進(jìn)入地層后施工泵壓降至25.9 MPa，壓裂施工順利實(shí)施（圖4）。

圖4 X92-H井第12級(jí)壓裂施工曲線

水平井水力泵入式快鉆橋塞壓裂技術(shù)具有封隔可靠、分段壓裂級(jí)數(shù)不受限制、裂縫布放位置精準(zhǔn)等特點(diǎn)。套管橋塞射孔壓裂工藝能夠在壓裂結(jié)束后利用連續(xù)油管鉆掉井內(nèi)橋塞，自主完成水平井油管鉆磨橋塞，X92-H井完成12個(gè)橋塞的鉆磨，每個(gè)橋塞鉆磨時(shí)間平均為38 min，最快用時(shí)9 min。

現(xiàn)場(chǎng)共實(shí)施了水平井壓裂改造3井次，其中裸眼封隔器投球滑套壓裂2井次，橋塞射孔聯(lián)作壓裂1井次，開(kāi)發(fā)效果良好（表1）。

表1 瑪北油田三疊系百口泉組水平井壓裂施工統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）對(duì)儲(chǔ)層多套、有泥巖隔層且縱向油氣顯示跨度大的儲(chǔ)層，實(shí)施油管封隔器分層壓裂工藝。壓裂前可實(shí)現(xiàn)循環(huán)替液，壓裂后可實(shí)現(xiàn)合采。

（2）儲(chǔ)層物性差且地層壓力高，射孔即出油，無(wú)法實(shí)現(xiàn)油管封隔器分層壓裂改造的儲(chǔ)層，采用套管橋塞分層壓裂工藝。該工藝可下連續(xù)油管鉆掉井筒的橋塞，可確保井筒內(nèi)油氣的暢通實(shí)現(xiàn)合采，實(shí)施生產(chǎn)測(cè)井等工藝以評(píng)價(jià)壓裂效果。

（3）油氣層多位于厚砂層的上部且裂縫向下延伸易溝通水層的情況，實(shí)施二次加砂的儲(chǔ)層改造工藝。該工藝可實(shí)現(xiàn)支撐劑向上鋪置，提高油層上部裂縫導(dǎo)流能力，改變地應(yīng)力狀態(tài)，控制縫高擴(kuò)展，增加裂縫長(zhǎng)度。

（4）儲(chǔ)層物性差，直井壓裂改造后油氣產(chǎn)量不高，或初期油氣產(chǎn)量較高，但產(chǎn)量遞減快，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，實(shí)施水平井裸眼封隔器投球滑套壓裂和橋塞射孔聯(lián)作壓裂的儲(chǔ)層改造工藝。該工藝具有封隔可靠、分段壓裂級(jí)數(shù)不受限制、裂縫布放位置精準(zhǔn)的特點(diǎn)，同時(shí)能夠在壓裂結(jié)束后利用連續(xù)油管鉆掉井內(nèi)橋塞。