深層致密砂巖氣藏復合轉向體積酸壓技術

2020-07-21 01:56:54羅志鋒袁學芳趙立強范文同高俞佳

鉆采工藝 2020年1期

劉舉，羅志鋒，袁學芳，趙立強，范文同，高俞佳

(1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 2西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室 3中國石油塔里木油田分公司塔中油氣開發部)

體積壓裂改造技術是指在形成一條或者多條主裂縫的同時,通過分段多簇射孔、高排量、大液量、低黏液體、轉向材料、轉向技術等的應用,實現對天然裂縫、巖石層理的溝通，讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網絡系統，將可以進行滲流的有效儲集體“打碎”，形成三維立體裂縫網絡[1]。國外Barnett頁巖氣、Bakken和Eagle Ford致密油[2]、國內龍馬溪組頁巖氣[3]、蘆草溝組致密油[4]等，常采用滑溜水壓裂液迫使水力誘導裂縫/天然裂縫發生張性、剪切、錯斷和滑移形成復雜網絡裂縫，隨后采用滑溜水、線性膠或交聯壓裂液攜帶低濃度支撐劑，建立網絡裂縫導流能力，實現體積壓裂改造。

庫車地區克深、大北等氣田的巖石脆性指數、天然裂縫發育程度和現今地應力機制均有利于實現體積壓裂，但超高水平地應力差(>20 MPa)并不利于形成復雜網絡裂縫。前期大物模實驗、纖維轉向體積加砂壓裂先導性試驗和微地震監測結果均表明在超深、超高水平應力差的裂縫性儲層可形成復雜網絡裂縫[5]。體積壓裂形成的裂縫為張剪并存的復合型裂縫，趙順超[6]等采用試驗手段論證了裂縫性致密砂巖儲層水力和酸巖反應共同作用下可獲得一定裂縫導流能力。塔里木油田不斷探索、研究和實踐，形成了縫網體積酸壓技術。即通過前置酸液體系溶解水力激活的天然裂縫，利用含氟酸液體系解除鉆完井液傷害及刻蝕裂縫壁面，獲得較高的導流能力，同時輔以暫堵轉向，形成復雜立體縫網，實現縱橫向充分改造。

一、儲層基本特征及對改造的要求

庫車山前氣藏位于中國西北塔里木盆地北部，主要產層為白堊系巴什基奇克組(K1bs)，儲層埋深為5 300～7 000 m，儲層厚度為50～300 m，基質物性差(孔隙度1.5%～7.5%，平均7.3%；滲透率0.01～0.1 mD，平均0.08 mD)，地層溫度150℃～180℃，儲層壓力90～140 MPa,鉆井液漏失嚴重。

地球化學和地質力學研究表明,巖石脆性指數分別為83.4%(由巖石礦物組成計算)和54.8%(由巖石力學參數計算)；儲層現今地應力為走滑斷層機制(SH>Sv>Sh)，最小水平主應力梯度約為2.15 MPa/100 m，垂向應力梯度約為2.43 MPa/100 m，最大水平主應力梯度約為2.5～2.75 MPa/100 m；水平主應力差在20～35 MPa之間。巖石脆性指數、天然裂縫發育程度和現今地應力機制均有利于實現體積壓裂，但超高的水平地應力差并不利于形成復雜網絡裂縫。韓秀玲[7]等采用天然裂縫激活臨界應力GMI準則論證了隨地層孔隙壓力的增加，剪切滑移的天然裂縫數目增多，可形成具有一定復雜程度的網絡裂縫，趙順超[6]等通過室內試驗研究了剪切滑移裂縫的酸巖刻蝕形態和裂縫導流能力，論證了體積酸壓改造的可行性。

油藏改造體積是決定體積壓裂改造效果的重要設計參數[8]。基于儲層認識，庫車山前裂縫性致密砂巖儲層力求溝通較多的天然裂縫，同時構建復雜縫網多級導流能力。另外，對于該類巨厚儲層，還應采用分層壓裂手段，盡可能提高儲層縱向改造動用程度，最大化油藏改造體積。

二、體積酸壓技術理念及實現過程

1. 天然裂縫激活機制

體積酸壓過程中，隨著孔隙壓力的增加，天然裂縫易發生剪切錯動或張性破壞而激活，有利于形成復雜網絡裂縫。其中當裂縫面受到的剪應力大于抗剪強度時，天然裂縫發展為剪切縫，發展為剪切縫的力學條件為[9]：

τn≥τo+(σn-pf)tan(φf)pf<σn

(1)

式中：τn—天然裂縫面的剪應力，MPa；τo—天然裂縫的內聚力，MPa；σn—天然裂縫面上的正應力；pf—水力裂縫中的流體壓力，MPa；φf—內摩擦角°。

當縫內流體壓力大于天然裂縫面所受法向壓力，天然裂縫張性破壞，形成張性縫，力學條件為：

pf≥σn

(2)

最大水平主應力和最小水平主應力分別為σH和σh，天然裂縫面上的正應力和剪應力表示為：

(3)

采用上述模型，結合庫車山前地質力學及工程參數特征，計算獲取天然裂縫激活的凈壓力大小及其隨力縫夾角的變化規律(圖1)。天然裂縫剪切破壞所需要的凈壓力隨力縫夾角的增加先減小而后增加，而天然裂縫張性破壞所需的凈壓力隨著力縫夾角的增加而增加。天然裂縫張性激活所需要的凈壓力總是隨著主應力差的增加而增加，而剪切激活所需凈壓力在夾角小于50°時是隨著主應力差的增加而減小，在50°之后隨著主應力差的增加而增加。

圖1 天然裂縫被激活所需的最小凈壓力隨夾角的變化

2. 酸液解堵及刻蝕裂縫獲得網絡裂縫導流能力

庫車山前儲層裂縫發育但高鈣質充填，加之鉆井液大量漏失，造成自然產能低[10]。通過過濾現場鉆井液制成濾餅，并在水浴90℃條件下，對其進行酸溶實驗，實驗結果顯示，5%HCOOH+7%SA302+0.5%HF體系溶蝕率為23.2%，5%HCOOH+13%SA302+0.5%HF體系溶蝕率為24.9%，10%HCl+2%HF體系溶蝕率為28.3%，而8%HCOOH+2%HCl體系的溶蝕率為18.2%。

水力作用使天然裂縫張性或剪性激活后，采用酸液刻蝕裂縫壁面，改善裂縫導流能力，確保裂縫閉合后仍具有一定導流能力[11-12]。由于天然裂縫為鈣質全充填或半充填，采用鹽酸前置體系溶解碳酸鹽巖礦物，隨后采用含氟酸液體系刻蝕裂縫壁面，獲得導流能力。

圖2 不同閉合壓力下的導流能力

采用巴西法將巖心沿充填縫剖開(表征水力作用激活)，隨后在1 MPa圍壓和120℃下順序過基液(3% NH4Cl)，測定低閉合壓力下水力裂縫導流能力，過前置酸(9% HCl+3% HCOOH)、主體酸(9% HCl+3% HCOOH+2% HF)刻蝕酸蝕裂縫，最后改變閉合壓力測定酸蝕裂縫導流能力，酸液體系刻蝕非鈣質充填粗糙剪切滑移裂縫，如圖2所示，酸刻蝕后導流能力提高1.2～1.5倍，高閉合壓力下保持較好，導流能力達到500～1 500 mD·cm，通過處理前后裂縫形態對比。與碳酸鹽巖酸壓相比，砂巖酸壓酸蝕裂縫導流能力低很多，小1～2個數量級，僅僅依靠酸液溶蝕作用很難建立有效的滲流通道，因此為了彌補酸蝕裂縫導流能力的不足，有必要增加裂縫的復雜性，擴大滲流面積，達到體積改造的目的。

3. 體積酸壓技術實現過程

(1)根據天然裂縫走向與最大水平主應力方向之間的匹配關系，選擇適宜黏度的前置壓裂液，在造長縫時盡可能溝通天然裂縫，形成復雜網絡裂縫。

(2)采用小粒徑暫堵劑，進入裂縫網絡并在裂縫窄處橋堵，提高裂縫內流體壓力，使之前未激活的天然發生張性或剪性破裂，增加平面上網絡裂縫的復雜程度，增大油藏改造體積。

(3)采用適合儲層的酸液體系溶解張性或剪性開啟的天然裂縫內碳酸鹽巖充填礦物和鉆完井傷害物，并有效刻蝕裂縫壁面，形成網絡裂縫導流能力。

(4)由于儲層埋藏較深，機械分層壓裂工具不能安全、有效的使用，采用暫堵劑封堵已壓開層段裂縫入口，迫使壓裂液進入未壓開層段，實現縱向上的體積改造，最大化油藏改造體積。

三、暫堵轉向提高油藏改造體積

1. 縱向轉層和縫內轉向機理

鑒于儲層巨厚，且存在應力分層現象，在施工之前對儲層分級，選擇地應力相近的小層為同一級，級與級之間的應力差值不宜過大，并選擇每一級中裂縫發育段射孔，裂縫首先在應力最小、最易破裂的小層中產生，通過泵注不同粒徑組合的纖維球暫堵裂縫入口和分簇射孔孔眼，迫使井筒內壓力上升，壓裂液轉向至未壓開層段。縱向轉層條件是井底壓力變化Δpf大于或等于層間應力差ΔSh[13-14]。

當井底壓力變化大于層間應力差時，裂縫沿下一級分簇孔眼起裂，從而實現縱向轉層，提高儲層在縱向上的改造程度。縫內轉向包括兩種情況：①主裂縫壁面破裂形成分支縫；②激活溝通儲層內天然裂縫，形成復雜裂縫網絡。

2. 縱向轉層和縫內轉向效果

分“縱向轉層階段”和“縱向轉層+縫內轉向階段”兩階段探索了體積酸壓工藝在庫車低孔裂縫性氣藏的適用性。不同粒徑組合的縱向轉層和縫內轉向效果見表1。6 mm+3～4 mm纖維球與1 mm纖維球或纖維顆粒的組合方式縱向轉層效果最優，而6 mm纖維球、3～4 mm纖維球+纖維顆粒的組合方式縱向轉層效果一般，說明既封堵射孔孔眼又封堵縫口的效果比單獨封堵一個位置效果更好。1 mm纖維球單獨使用或與纖維顆粒(或纖維絲)組合使用均具有一定的縫內轉向效果，而單獨使用纖維顆粒進行縫內轉向則無明顯壓力顯示，說明纖維顆粒粒徑過小，不能在裂縫內窄處實現橋堵；1 mm纖維球橋堵后，纖維絲比纖維顆粒的封堵能力更強。

表1 不同粒徑組合的縱向轉層和縫內轉向效果

四、現場應用實例

A井改造井段為6 745～6 900 m，有效厚度為113.5 m,鉆井液漏失636.18 m3。成像測試在改造段共識別天然裂縫90條，多為充填或半充填裂縫，裂縫密度為0.59條/m，裂縫走向主要為近東西向。基于前文提到體積酸壓工藝的技術理念，根據最小主應力剖面、天然裂縫發育程度及方位、巖石可壓性指數等將整個改造井段劃分為三級改造，前置液采用低黏體系造復雜裂縫網絡；酸液均采用緩速酸體系(9%HCl+3%HCOOH和9%HCl+3%HCOOH+2%HF)溶解天然裂縫內的鈣質充填礦物、鉆完井傷害物，并刻蝕裂縫壁面形成網絡裂縫導流能力；為提高改造程度,第一級采用1 mm纖維球25 kg+纖維顆粒25 kg進行縫內轉向，第二級采用1 mm纖維球20 kg進行縫內轉向；第一、二級間采用6 mm+3～4 mm+1 mm纖維球封堵第一級縫口和射孔孔眼實現縱向轉層，第二、三級間采用6 mm纖維球封堵第二級射孔孔眼實現縱向轉層。如圖3所示,暫堵劑進入地層時兩級縱向轉層壓力分別升高9.3 MPa和2.5 MPa，縱向轉層效果較好，第二級縫內轉向壓力升高2.5 MPa，具有一定的縫內轉向效果。

圖3 A井體積酸壓施工曲線

本文中統計了先后18井次的“縱向轉層”體積酸壓、“縱向轉層+縫內轉向”體積酸壓及纖維轉向加砂壓裂改造前后無阻流量。“縱向轉層”體積酸壓改造前平均無阻流量為75.3×104m3/d，改造后平均無阻排量為302.3×104m3/d，平均增產4.02倍；“縫內轉向+縱向轉層”體積酸壓改造前平均無阻流量為52.4×104m3/d，改造后平均無阻排量為423.3×104m3/d，平均增產8.07倍；纖維轉向加砂壓裂改造前平均無阻流量為56.3×104m3/d，改造后平均無阻排量為279.5×104m3/d，平均增產4.96倍，且體積酸壓后的無阻流量與纖維轉向體積加砂壓裂相當，說明體積酸壓增產改造效果顯著。實施了縱向轉層和縫內轉向工藝的改造效果優于僅進行縱向轉層的體積酸壓工藝。