延長油田上古生界氣藏壓裂改造工藝技術分析

王香增 高瑞民 吳金橋 申 峰 汶鋒剛

延長石油(集團)有限責任公司 研究院 （陜西 西安 710075）

延長油田上古生界氣藏壓裂改造工藝技術分析

王香增 高瑞民 吳金橋 申 峰 汶鋒剛

延長石油(集團)有限責任公司 研究院 （陜西 西安 710075）

延長油田上古生界氣藏儲層連續性較差、含氣砂體變化快、非均質性強，具有典型的低孔、低滲、低壓、低豐度、低產的特點，儲層壓裂改造工藝難度較大。在近幾年的天然氣勘探過程中，通過不斷的研究、試驗和現場應用，總結出一套基本適應于本區上古生界氣藏石盒子組、山西組、本溪組等儲層的壓裂改造工藝，現場施工后取得了較好的效果。為此，從射孔工藝、加砂壓裂工藝特別是壓裂液體系、支撐劑、施工主要參數的確定、壓裂配套工藝等多個方面進行了闡述，并對現場的施工情況和室內的研究結果加以分析和佐證，最后對延長油田上古生界氣藏的下一步壓裂改造工作提出了建議。

延長氣田 鄂爾多斯盆地 上古生界氣藏 特低滲透 壓裂工藝

延長油田地理位于陜西省北部，構造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部，面積約1.07×104km2。自1907年在我國大陸完鉆第一口油井并獲工業油流以來，延長油田對中生界的石油勘探開發已有上百年的歷史，但對古生界的天然氣勘探起步很晚，到2006年僅完鉆了3口天然氣探井。2006年以后，延長油田加大了天然氣的勘探步伐，到2008年底，共完鉆天然氣探井72口，試氣49口/67層。試氣結果顯示，除個別井層外，氣井基本無自然產能，必須通過儲層改造才具有工業開采價值。

延長油田通過在上古生界氣藏開展水力加砂壓裂，先后在本溪組、太原組、山西組、石盒子組和石千峰組等多個層位獲得工業氣流或低產氣流，特別是在山西組、石盒子組及本溪組獲得了高產天然氣流（y1井本溪組無阻流量15.3×104m3/d、y2井石盒子組無阻流量4.0×104m3/d、y3井山西組無阻流量大于120×104m3/d），顯示出較好的壓裂改造效果和良好的天然氣勘探開發前景。

儲層地質特征

延長油田含氣層系縱向分布在下古生界下奧陶統馬家溝組、上古生界上石炭統本溪組、下二疊統太原組和山西組、中二疊統石盒子組以及上二疊統石千峰組，其中主力氣層為上古生界本溪組、山西組、石盒子組，氣藏主要受控于近南北向分布的河道砂體帶及三角洲砂體帶，系典型的巖性圈閉氣藏。氣藏巖性主要為碎屑砂巖，分選多以中偏好；儲層埋深2 200～3 000m，溫度在76～100℃之間，滲透率0.01～3.16mD（平均0.18mD），孔隙度0.71%～21.84%（平均7.77%），含氣飽和度4.37%～99.37%（平均65.25%），屬于典型的低孔、低滲、致密砂巖氣藏。儲層敏感性特征表現為較強水敏、中等堿敏、無-弱酸敏、無-弱速敏、無-中等偏弱鹽敏。

壓裂改造工藝及分析

1 射孔工藝

延長油田上古生界氣藏具有典型的低滲、低壓特點，在鉆井過程基本未見直接明顯的油氣顯示。鉆井普遍設計為直井，井身結構采用Φ244.5mm表層套管和Φ139.7mm的油層套管，射孔方式完井。

（1）射孔方式

本區石千峰組、石盒子組、山西組氣層的壓力系數為0.61～0.96，低于清水靜液柱壓力，射孔后井口普遍無顯示，主要采用電纜傳輸射孔方式。

本區本溪組氣層壓力系數在0.98～1.19之間，屬正常壓力系統，部分井射孔后出現溢流現象。考慮到電纜傳輸射孔存在一定的危險性，本區本溪組采用油管傳輸射孔與壓裂聯作方式。

（2）射孔完井液

本區射孔液基本配方為清水+0.5%氣井黏土穩定劑+0.5%氣井助排劑。射孔液與儲層巖石、流體配伍，對地層傷害小，同時滿足射孔施工要求，成本低且配制方便。

（3）主要射孔參數

普遍使用102型射孔槍、裝127彈，布孔方式為60°相位螺旋布孔，孔密16孔/m。本區的射孔參數不僅能保證穿透泥漿侵入帶，而且孔眼摩阻低，滿足壓裂時輸送中高濃度支撐劑的需求。

（4）射開程度

本區單層壓裂時，氣層射開程度為1/3～2/3（有效厚度≤5m，射開2m）；多層壓裂時調整各層的射開程度，以達到均衡改造的目的。國內外研究成果表明[1]，過長的射孔段或多的射孔段有可能導致多裂縫，多裂縫限制了裂縫長度的進一步延伸，從而減少泄氣面積，影響最終的增產效果。

2 水力加砂壓裂工藝

（1）壓裂液體系

延長油田上古生界氣藏（石千峰組、石盒子組、山西組、本溪組）采用的壓裂液體系為有機硼延遲交聯羥丙基胍膠壓裂液，基本配方為0.45%～0.50%羥丙基胍膠+0.5%氣井助排劑+0.5%起泡劑+0.5%黏土穩定劑+0.1%殺菌劑+0.12%～0.20%Na2CO3，交聯劑為有機硼，破膠劑為過硫酸銨與膠囊破膠劑。

壓裂液的主要性能為：壓裂液基液黏度大于48 mPa·s,pH值9.0～11.0,延遲交聯時間60～90s;90℃、170s-1下連續剪切120min,黏度保持在140mPa·s以上（圖1）；70℃下，過硫酸銨加量0.01%，60min內完全破膠，破膠液黏度小于5.0mPa·s；破膠液表面張力24.5mN/m，殘渣含量小于500mg/L，對本區石盒子組的巖心傷害率小于30.0%。

該壓裂液體系耐溫抗剪切性能好，能夠滿足76～100℃儲層壓裂施工的要求；具有60～90s的延遲交聯時間，可以減小施工過程中沿程摩阻，降低地面施工泵壓；壓裂液破膠徹底，破膠液表面張力低，有利于壓后快速返排，降低壓裂液對儲層的傷害程度。總的來說，該有機硼延遲交聯羥丙基胍膠壓裂液體系基本能夠滿足本區上古生界氣藏壓裂改造的需要。

（2）支撐劑

延長油田使用粒徑0.425～0.85mm、體積密度1.72g/cm3、強度52MPa的中低密度高強度陶粒作為上古生界氣藏壓裂用支撐劑。

根據本區石千峰組、石盒子組、山西組3次小型測試壓裂的解釋結果，本區上古生界儲層的閉合應力在34.55～44.97MPa之間。采用API標準，鋪砂濃度10kg/m2，考查了不同閉合壓力下中低密度高強度陶粒在清水和胍膠壓裂液破膠液介質中的導流能力，如圖2所示。

從圖 2中可以看出，在模擬地層閉合壓力（40MPa）下，中低密度高強度陶粒在清水和胍膠壓裂液破膠液兩種介質中的導流能力都保持在100μm2.cm以上。另外，從壓裂排液情況看，出砂情況不嚴重，說明人工支撐裂縫對支撐劑的夾持能力較強。因此，在本區上古生界氣藏選用強度52MPa的中低密度高強度陶粒能夠滿足壓裂改造及裂縫導流能力的要求。

（3）壓裂工藝

①單（合）層壓裂。采用Y344封隔器結合平衡壓力保護套管、Φ73.0mm油管注入進行單（合）加砂壓裂，是延長油田天然氣勘探區應用最多的一種壓裂工藝，技術成熟，施工成功率高。加砂規模較大時，下Φ88.9mm油管進行壓裂；②分層壓裂。對于兩個相距較遠、中間有較好遮擋層的氣層，采用不動管柱機械封隔器連續分層壓裂工藝，壓裂管柱結構一般（自上而下）為油管掛+外加厚油管+水力錨+Y344封隔器+滑套導壓閥+Y344封隔器+外加厚油管+節流器+喇叭口。目前，本區已開展了十幾次不動管柱機械分層（兩層）壓裂作業，全部獲得成功，為本區進一步開展分層（兩層及兩層以上）壓裂合層開采創造了有利條件。

（4）壓裂施工主要參數

通過軟件模擬，結合現場加砂壓裂施工實踐，本區上古生界石盒子組、山西組、本溪組主力氣層的壓裂施工主要參數總結如表1所示。

①前置液比例。前置液比例是壓裂設計中的一個重要參數，前置液比例過大，濾失到地層的壓裂液量大，對地層傷害加大，對低滲-特低滲儲層尤為不利；前置液比例過小，前期造縫不充分，可能造成后期施工壓力過高甚至砂堵。本區上古生界主力氣層壓裂施工的前置液比例控制在25.0%～35.0%，既能保證施工安全，又不會對儲層造成較大的傷害；②施工排量。施工排量是壓裂設計的關鍵參數，它會影響施工泵壓和支撐裂縫的幾何尺寸[2]。本區上古生界儲層壓裂施工的排量為2.6～3.4m3/min。一方面要確保加砂順利進行，另一方面要合理控制支撐裂縫縫高。由于本區主要采用Φ73.0mm油管注入壓裂方式，施工排量一般不超過3.5m3/min，要進行較大規模的加砂壓裂，為提高施工排量，須采用Φ88.9mm油管注入，如 y3井山西組加砂 71m3，排量達到4.5m3/min；③加砂規模。本區對上古生界氣藏壓裂以適度加砂規模為主，加砂規模在25.0～45.0m3之間，對石盒子組、山西組等主力氣層逐步開展大規模加砂試驗，從目前的試氣結果看，除y3井，均未見到與加砂規模對等的產氣量。本區本溪組儲層微裂縫較為發育，壓裂施工過程中，壓裂液濾失量大，極易砂堵，加砂規模控制在20.0～35.0m3之間。對于低滲-特低滲砂巖氣藏而言，造長縫是提高壓裂改造效果的關鍵因素[2,3]，而增大加砂規模是造長縫的主要措施。由于本區上古生界儲層呈現整體橫向的非均質性，砂體變化較快，因此，具體的加砂規模要綜合考慮待施工井的產層物性及各種可能的具體影響因素后再最終確定；④平均砂比。本區石盒子組、山西組等儲層，平均砂比為20.0%～25.0%；本溪組由于壓裂施工過程中砂堵較為嚴重，一般控制砂比在22.0%以下。適當采用低砂比壓裂工藝，以造長縫為主，能夠降低施工難度，確保致密砂巖儲層壓裂改造的順利進行。

（5）壓裂配套工藝

①液氮伴注助排工藝。本區采取全程液氮伴注（頂替過程除外），提高壓裂液的返排率，液氮伴注比例6.0%～9.0%，排量150～250L/min。延長油田上古生界氣藏壓力系數低，屬于低壓氣藏，加砂壓裂后僅靠儲層自身能量難以實現快速徹底地排出破膠殘液，采用液氮伴注助排工藝，可使壓裂液的平均返排率達到80%以上，減小壓裂液對儲層的傷害；②強制裂縫閉合快速返排工藝。壓裂車停泵后20～50min內開井，采用3mm油嘴放噴排液，當井口壓力低于8MPa后，適當放大油嘴尺寸或用針形閥控制放噴，確保排液連續。在裂縫完全閉合前，返排液量不超過300L/min；裂縫閉合后，排量不超過600L/min。當停止自噴后，及時采用抽汲的方式繼續進行誘噴，誘噴成功后用油管控制放噴排液，盡量減少壓裂液在儲層中的滯留時間。本區上古生界儲層孔隙度低、滲透率低、壓力低，具有較強的水鎖傷害傾向[4]，壓裂后采取強制裂縫閉合快速返排工藝，可以降低壓裂液對地層的傷害和最大限度維持支撐裂縫導流能力；③支撐劑段塞工藝。支撐劑段塞工藝是指在泵注前置液的過程中[5]，以較低砂比的形式泵入一段或幾段支撐劑，其目的是打磨裂縫、降低近井簡效應。在本區上古生界部分儲層壓裂施工中，加入0.5～1.0m3中低密度陶粒，沖刷孔眼，降低孔眼摩阻。應用支撐劑段塞工藝，能夠有效降低多裂縫等近井筒效應的影響，平滑裂縫，在一定程度上保證了順利加砂的實現。

認識與建議

（1）加砂壓裂工藝是延長油田上古生界氣藏儲層改造、增產上儲的關鍵技術。從2006年以來，延長油田對上古生界氣藏開展了近百井次的壓裂改造，通過室內研究和現場實踐，已形成一套儲層壓裂改造工藝，該工藝基本能滿足延長油田上古生界氣藏低成本勘探開發的戰略目標。

（2）通過對壓裂液體系的評價和分析，該有機硼延遲交聯羥丙基胍膠壓裂液體系能夠滿足延長油田上古生界氣藏壓裂改造的需要，但仍有改進的余地，建議優化壓裂液添加劑種類，進一步降低壓裂液的殘渣含量；建議采用高效氣井助排劑（如氟碳表面活性劑），進一步降低破膠液的表面張力，提高壓裂液的助排性能；大部分地層水水型為CaCl2，對Ca2++ Mg2+含量較高的井層壓裂時，建議換用其他類型的pH值調節劑（如NaOH），解決壓裂液與地層水的配伍性問題。另外，建議根據不同儲層巖石、流體的性質，優化出與之配伍的壓裂液配方系列，進一步提高壓裂液的效能。

（3）延長油田上古生界氣藏本溪組壓裂施工砂堵幾率較高，建議根據儲層地質特征，分析可能的砂堵原因，并采取有針對性的措施，如優化射孔段、前置液粉陶降濾、支撐劑段塞打磨裂縫、適當控制砂比、優化施工參數等，降低壓裂砂堵風險，進一步提高本溪組壓裂改造效果。

（4）延長油田上古生界氣藏縱向上氣層段多，且薄厚不均，建議完善、推廣應用一體化的分層壓裂工藝技術，實現一次施工壓開多層，縮短作業時間、降低儲層傷害、提高單井產量。

（5）延長油田上古生界氣藏具有低孔、低滲、致密的特點，儲層連續性差，非均質性強，建議開展小區域壓裂效果與施工參數的類比分析、大規模加砂試驗、支撐裂縫高度監測等措施，進一步優化壓裂施工參數組合，實現施工參數與儲層匹配，達到高效改造儲層的目的。

[1]埃克諾米德斯 米卡爾J，諾爾特肯尼斯G.油藏增產措施[M].3版.北京：石油工業出版社，2002.

[2]劉兆江.低滲致密氣藏壓裂增產技術[J].斷塊油氣田，2008，15（5）：103-105.

[3]孫勇，任山，王世澤.川西低滲致密氣藏難動用儲量壓裂關鍵技術研究[J].鉆采工藝，2008，31（4）：68-70.

[4]張智勇，丁云宏，胥云.低滲砂巖氣藏壓裂改造中水鎖傷害的防治措施[J].油氣井測試，2009，18（1）：58-59.

[5]沈建國，陸燈云，劉同斌.支撐劑段塞沖刷的水力壓裂新工藝[J].天然氣工業，2003，23（Z1）：96-98.

The upper paleozoic gas reservoirs in Yanchang Oilfields are characterized by the poor continuity,the rapid change of gasbearing sand-bodies,and the strong uneven property,and possess the typical features of low holes,low permeability,low pressure,low degree of richness and low production,so it is very difficult to apply the fracturing reform technology to the gas reservoirs.In recent years of natural gas exploration,after the continuous researches,tests and field uses,a series of fracturing reform technologies are summarized,which are adaptable to the upper paleozoic gas reservoirs of Shihezi group,Shanxi group,Benxi group and so on in Yanchang region,and thus getting the better effect after the field construction.Therefore,an explanation of fracturing reform technology is conducted from the following aspects like perforation technology,fracturing technology with sand,especially the confirmation of fracturing liquid system,supporting agent and construction main parameters,and fracturing collocation technology.Then,this reform technology has been analyzed and proved by the field construction state and the result of research in the room.Finally,some suggestions are presented aiming at the next step of fracturing reform work about the upper paleozoic gas reservoirs of Yanchang oilfields.

Yanchang gas fields;Ordos Basin;upper paleozoic gas reservoirs;lowest permeability;fracturing technology

王香增（1968-），男，高級工程師，博士后，目前主要負責延長石油(集團)公司所屬資源（煤、石油、天然氣、鹽）的勘探、開發及能源的高效利用等方面的科研、設計、生產應用及管理工作。

2010-05-21