火山巖儲層低傷害壓裂技術(shù)及其應(yīng)用

摘 要

摘要：吐哈油田三塘湖盆地火山巖地層具有巖石成分復(fù)雜、儲層基質(zhì)物性差、天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)強(qiáng)、地應(yīng)力梯度高、敏感性強(qiáng)、自然產(chǎn)能低等特點(diǎn)，這給壓裂增產(chǎn)改造增加了不少難度
摘要：吐哈油田三塘湖盆地火山巖地層具有巖石成分復(fù)雜、儲層基質(zhì)物性差、天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)強(qiáng)、地應(yīng)力梯度高、敏感性強(qiáng)、自然產(chǎn)能低等特點(diǎn)，這給壓裂增產(chǎn)改造增加了不少難度。針對其地質(zhì)復(fù)雜性，在室內(nèi)研究評價的基礎(chǔ)上，形成了針對該區(qū)塊儲層壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)方案，包括：①低傷害的乳化壓裂液體系；②小粒徑陶粒多段支撐劑段塞、30～50目和20～40目陶粒組合加入方式；③測試壓裂G函數(shù)分析選擇合理排量；④高比例液氮助排等。研究成果在三塘湖盆地卡拉崗組探井應(yīng)用10井次，施工成功率為90%，有效率為100%。結(jié)果表明，乳化壓裂液與三塘湖盆地強(qiáng)水敏火山巖具有良好的適應(yīng)性，防膨率為70%～80%，傷害率為20%～30%，壓后壓裂液排液效率較水基壓裂液提高約30.0%，單井壓后最高產(chǎn)量達(dá)25.12m3/d，達(dá)到了低傷害壓裂的要求。
關(guān)鍵詞：三塘湖盆地；火山巖；水敏；壓裂；乳化；低傷害；支撐劑；研究
1 儲層特點(diǎn)及壓裂技術(shù)難點(diǎn)
1.1 儲層特點(diǎn)
    1) 巖性復(fù)雜。儲層巖性以玄武巖為主，其次為安山巖，巖石中礦物成分復(fù)雜，大體分為黏土、碎屑巖、碳酸鹽巖和其他巖性等，其中以碎屑巖和碳酸鹽巖為主。碎屑巖中主要為石英、鉀長石、斜長石等，其中以斜長石為主；碳酸鹽巖中含有方解石、白云石、沸石等。
2) 儲層巖石中黏土礦物含量高。黏土礦物中以膨脹性蒙脫石為主，黏土線性膨脹大，水敏性極強(qiáng)。巖石中黏土礦物含量10%～30.0%，其中蒙脫石含量為70%～80%，巖心粉清水線性膨脹量達(dá)到4.0mm，水敏指數(shù)0.71～0.95，水敏性極強(qiáng)(見圖1、表1)。
 

表1 水敏性評價結(jié)果表
井號
井段(m)
Kw2(10-3μm2)
Kw(10-3μm2)
水敏指數(shù)
評價結(jié)果
馬8
1627.89～1646.52
4.92
1.19
0.76
強(qiáng)水敏
馬17
1515.00～1550.00
11.31
10.30
3.04
2.94
0.73
0.71
強(qiáng)水敏
強(qiáng)水敏
馬19
1560.26～1565.26
3.93
0.39
0.90
極強(qiáng)水敏
    3) 滲透率和孔隙度低，非均質(zhì)性強(qiáng)。儲層孔隙度主要分布在6%～14%，縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)。下部火山巖基質(zhì)孔隙度普遍很低，在3%～8%，滲透率小于0.05×10-3μm2，頂?shù)椎幕鹕綆r儲層物性明顯變好，在14%～16%，最高為25%，儲層滲透性也有明顯改善。
    4) 發(fā)育節(jié)理縫、網(wǎng)狀縫、誘導(dǎo)縫、斜交縫等。
    5) 最小主地應(yīng)力梯度高。最小主地應(yīng)力梯度基本在0.018MPa/m以上，有超過0.025MPa/m。
    6) 地層溫度與壓力系數(shù)低。地層溫度50℃，地層壓力系數(shù)為0.5～1.0。
1.2 壓裂技術(shù)難點(diǎn)
    1)壓裂液體系選擇。地層水敏性極強(qiáng)，要求高防膨率低傷害的壓裂液體系，此外，地層溫度與壓力系數(shù)低，還需兼顧壓裂液低溫條件下快速破膠和壓后快速排液。
    2) 多裂縫起裂與延伸。地層巖性復(fù)雜、裂縫發(fā)育，裂縫起裂與延伸條件影響因素多，容易多裂縫起裂與延伸，形不成主裂縫，導(dǎo)致早期砂堵，同時排量選擇不合理也使多裂縫開啟，濾失加大，使施工失敗。
    3) 縫寬小，高砂液比進(jìn)入困難。地應(yīng)力高，最小主地應(yīng)力梯度超過0.018MPa/m，必然影響裂縫寬度，加之多裂縫影響，使得裂縫寬度窄小，大粒徑支撐劑和高砂液比進(jìn)入地層困難。
    4) 縫長優(yōu)化。地層在平面上和垂向上非均質(zhì)非常強(qiáng)，地質(zhì)建模與實(shí)際符合率差，油藏模擬優(yōu)化裂縫長度缺乏理論依據(jù)[1]。
2 儲層壓裂技術(shù)
    吐哈三塘湖盆地火山巖地層地質(zhì)特征表明，壓后欲取得較好的改造效果，即要在地層中形成深穿透的水力裂縫，增加溝通裂縫的幾率，亦要選用高防膨效率壓裂液體系和助排措施，提高排液效率，降低水敏傷害，同時優(yōu)選合理的施工排量減少多裂縫開啟和選擇合適的支撐劑粒徑與加入方式提高施工成功率，通過攻關(guān)研究，形成了如下技術(shù)措施。
2.1 高防膨效率的低傷害的乳化壓裂液體系
油基、泡沫和乳化壓裂液是目前對付強(qiáng)水敏地層壓裂改造的主要液體體系，因油基壓裂液在低溫下存在破膠困難和施工時的重大安全隱患，二氧化碳泡沫壓裂液要形成泡沫必須滿足一定的溫度條件，由于地層溫度低，在大部分裂縫中，壓裂液溫度小于CO2起泡溫度，不能形成泡沫，限制了它在儲層中的使用[2]，而乳化壓裂液通過油相的乳化形成油水兩相降低濾失，同時大大減少了水相的用量，可以起到較好的防膨作用，安全隱患較油基小得多，因此選用乳化壓裂液體系作為強(qiáng)水敏地層的壓裂液體系。研究表明，油相：水相=1:1的乳化壓裂液體系防膨效率可以達(dá)到76.15%，較水基壓裂液提高50.0%，濾失系數(shù)降低60.0%～70.0%(見圖2、表2)。

2.2 形成主裂縫技術(shù)
    裂縫發(fā)育地層一般采用前置段高黏度多段膠塞來堵塞裂縫，減少多裂縫開啟，以形成主裂縫，鑒于吐哈三塘湖盆地的地層溫度低，膠塞破膠困難，采用多段小粒徑陶粒堵塞微裂縫以形成主裂縫，此外，通過加砂壓裂前的小型測試壓裂G函數(shù)分析天然裂縫張開壓力優(yōu)化施工排量[3]。
2.3 支撐劑的組合加入技術(shù)
    針對地應(yīng)力高、地層濾失大、裂縫寬度小的特點(diǎn)，通過室內(nèi)30～50目和20～40目陶粒組合導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)表明，30～50目和20～40目陶粒以1:4組合加入，不會顯著影響導(dǎo)流能力(導(dǎo)流能力降低小于10.0%)，而可以以小粒徑陶粒填充窄裂縫，待形成一定寬度后再加入20～40目陶粒，可以提高施工成功率(圖3)。
 

2.4 高比例前置液氮助排和快速排液技術(shù)
    采用前置液氮技術(shù)，液氮比例在20%以上，壓后快速破膠快速排液(壓后30min開井排液)。
    此外，為確保乳化壓裂安全施工，使用Ø88.9mm壓裂管柱和高強(qiáng)度壓裂井口盡量降低施工壓力以及制訂壓裂施工緊急處理方案與消防車上井隨時待命等安保措施，以保證施工安全。
3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果
3.1 加砂壓裂施工
    應(yīng)用乳化壓裂液體系在吐哈油田三塘湖盆地探井上進(jìn)行了7口井10井次的壓裂試驗(yàn)，壓裂成功率90%，單井加砂量18.0～41.10m3，平均砂液比20.0%～27.6%，排量控制到4.0～5.0m3/min，施工壓力47.2～84.2MPa，停泵壓力15.8～64.3MPa，區(qū)域上各井施工壓力變化大，反映出各井力學(xué)性質(zhì)的差異大。
3.2 乳化壓裂液摩阻與排液效率
    乳化壓裂液因存在油水兩相摩阻較高，在4.0～4.6m3/min排量下，摩阻系數(shù)為10.3～14.8MPa/1000m，相當(dāng)于清水摩阻的55%。水基壓裂液由于前置了液氮或拌注液氮，摩阻也有所提高，相當(dāng)于清水摩阻的40%左右，也就是說乳化壓裂液摩阻較水基壓裂液提高約15%。
    乳化壓裂液的返排效果較水基壓裂液好，表現(xiàn)在自噴排液效率在40%以上，最終排液效率在60%以上。而水基壓裂液自噴排液效率均在40%以下，大多集中在20%～30%，最終排液效率在50%以下(見表3)。
表3 壓裂液返排數(shù)據(jù)表
井號
井段(m)
液體類型
自噴返排率(%)
最終返排率(%)
馬18
1423.0～1445.0
水基
26.70
31.00
牛東7-13
1540.0～1580.0
水基
20.64
27.99
牛東8-5
1550.0～1600.0
水基
25.73
49.91
平均
 
水基
24.40
36.30
馬3
1883.0～1906.0
乳化
53.30
71.30
馬8
1360.0～1372.0
乳化
59.54
86.64
馬19
1520.0～1558.0
乳化
41.60
68.70
馬19
2595.0～2610.0
乳化
48.99
82.13
馬24
1582.0～1610.0
乳化
61.93
68.10
馬25
2212.0～2231.0
乳化
54.08
73.89
平均
 
乳化
53.20
75.10
3.3 水力裂縫特征
    在馬24井為代表的壓后壓力雙對數(shù)曲線上，壓力與壓力導(dǎo)數(shù)成鐵軌狀，水力裂縫特征明顯，說明壓后在地層中形成了主裂縫(圖4)。
 

3.4 壓后效果
    馬24等井經(jīng)過壓裂改造后獲得了不同程度的增產(chǎn)效果，壓裂有效率100%，并認(rèn)識了地層的含油氣特性。10井次中4井次獲得工業(yè)油流，馬24井獲得了25.12m3/d的產(chǎn)量，4井次獲得低產(chǎn)油流，2井次于層，新增了地質(zhì)儲量。
4 結(jié)論
    1) 乳化壓裂液在合適的配方和助排措施下防膨效率高、濾失小，排液效率高，對地層傷害小，與低壓、強(qiáng)水敏地層具有較好的適應(yīng)性。
    2) 小粒徑陶粒多段支撐劑段塞、30～50目和20～40目陶粒組合加入方式、合適的施工排量等工藝措施與裂縫發(fā)育、地應(yīng)力高的火山巖地層具有良好的適應(yīng)性，大大提高了火山巖地層的施工成功率，10井次壓裂試驗(yàn)施工成功率達(dá)到90%，并在地層中形成了主裂縫。
    3) 乳化壓裂后獲得良好的增產(chǎn)效果，馬24井壓后獲得25.12m3/d的產(chǎn)量，擴(kuò)大了勘探面積，升級了儲量，對油田產(chǎn)量接替具有重要意義，研究形成的火山巖地層乳化壓裂技術(shù)為該類地層的勘探開發(fā)提供了技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳作，孟祥燕，杜長虹，等.異常高地應(yīng)力致密砂巖儲層壓裂技術(shù)研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(12)：92-94.
[2] 單文文，丁云宏.2004年油氣藏改造技術(shù)新進(jìn)展[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004：20-24.
[3] NOLTE K G，MANIERE J L，OWENS K A. After-closure analysis of fracture calibration tests[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，San Antonio，Texas：SPE，1997.
 
(本文作者：陳作1 莊維禮2 杜長虹1 鄭偉1 易新斌1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國石油吐哈油田公司勘探事業(yè)部)