東勝氣田致密底水氣藏封堵底水壓裂技術研究

梁志彬

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006）

東勝氣田杭錦旗區塊位于鄂爾多斯盆地北部，屬于低孔低滲透致密儲層，需經壓裂改造才能獲得經濟有效開發，該區塊目前有三級地質儲量9 372.05×108m3，其中含水儲量5 580×108m3，占比接近60%[1]，如何實現含水儲量的有效動用是目前亟需攻克的難題。杭錦旗區塊錦66 井區屬于低孔、低滲、低豐度的巖性構造氣藏，主力氣層盒2 層埋深2 200～2 400 m，平均孔隙度11.49%，平均滲透率2.72×10-3μm2，底水氣層發育，縱向上遵循上氣下水的分布規律，氣層和水層之間無隔層和夾層較薄，氣層、水層分布不連續，無統一的氣水界面，壓裂改造后部分井產水量大，制約了產能的進一步提升[2]。國內外底水氣藏的增產改造工藝以控縫高壓裂[3-5]和改變相滲壓裂為主[6，7]，控縫高壓裂在錦66 井區由于采用小排量、小規模施工，壓后增產效果較差，改變相滲壓裂技術采用較大規模施工，有一定增產效果，但壓裂后會溝通水層，也會出現含水率較高、有效期短的現象，長期生產存在井筒積液的問題。本文提出了一種遇氣溶解、遇水固結的底水封堵材料對氣藏的底水層進行堵水壓裂，達到對底水氣藏壓裂改造控水增氣的目的。

1 封堵底水壓裂技術基本原理

東勝氣田錦66 井區底水氣藏儲層物性差，砂體內含有氣層和水層，水層位于砂體下部，氣層和水層間無隔層或隔層較薄，壓裂改造既要增加儲層改造體積，又要控制裂縫高度，以免溝通水層，兩者之間存在矛盾。封堵底水壓裂技術是以造長縫、不控縫高、擴大改造體積和封堵底部水層為目標，以遇氣溶解、遇水固結材料為載體，并配套以相應的壓裂工藝，實現對底水的封堵和氣層的支撐，達到控水增氣的目的。

封堵底水壓裂施工步驟為：（1）前置液階段大排量施工壓開氣層和底部水層并造長縫，前置液中攜帶遇氣溶解、遇水固結堵水材料；（2）小排量頂替并停泵，使得堵水材料在裂縫內充分沉降并固結，封堵已壓開的水層裂縫；（3）進行加砂壓裂作業，支撐上部氣層；（4）壓裂作業結束后，關井，待堵水材料在水層裂縫內固結形成非滲透性固化塊，同時上部氣層中的堵水材料遇氣溶解后，開井排液、生產。由于在裂縫下部水層由堵水材料膠結形成的非滲透性固化塊能對底水起到堵水作用，同時延長堵水有效期，上部支撐劑使氣層具備正常導流能力，保留氣體流通通道，從而降低產水量，提高產氣量。

2 封堵底水材料研制及性能評價

成功實施底水氣藏封堵底水壓裂的關鍵是封堵底水層的堵水材料。為能封堵底水層，要求封堵底水材料能快速下沉至裂縫下部，并在儲層溫度下具有較強的固化膠結能力，且固化后滲透率低，底水不能通過裂縫進入上部氣層。

2.1 封堵底水材料研制

封堵底水材料研制的總體思路為該材料能夠遇水固結、遇氣溶解（見圖1）。遇氣溶解能力實現方面通過天然氣組分分析，采用相似相溶原理優選溶劑，共優選出4 種滿足相溶結構的基礎材料：A、B、C、D，根據所篩選的4 種溶劑的溶解度參數，優化得到最優的混合溶劑比例：A:B:C:D=3.5:1.5:1.0:4；在遇水固結能力實現方面，在主體溶劑中加入固結添加劑，在水分子的H 鍵結合條件下實現固結，本堵水材料固結添加劑通過室內多次實驗，優選為萜烯樹脂。在主體材料確定后，為滿足儲層溫度條件，通過添加劑控制其軟化溫度，實現60～100 ℃溫度下的“軟化-遇水-固結”過程。堵水材料的密度為1.9 g/cm3，粒徑為40～70 目或20～40 目。

圖1 混合溶劑材料在類天然氣中的溶解情況（0 h、24 h、48 h）

2.2 封堵底水材料封堵能力評價

將封堵底水材料與支撐劑按1:1 比例混合（均為20～40 目），加入地層水，將其鋪置于實驗儀器導流室內，加閉合壓力45 MPa，加熱至90 ℃，使堵水材料固結，實驗測試4 h 完成固結。之后連接流程，在45 MPa的閉合壓力、90 ℃下定壓驅替，從1 MPa 開始以5 MPa為間隔增加驅替壓力（每個壓力穩10 min）測定滲透率，直至驅替壓力達到20 MPa。實驗結果：1 MPa 時通水時出口端有液體流出（平均流量0.2 mL/min），13 min后無液滴出現。不斷提高驅替壓差至20 MPa（導流室長度17.78 cm），均未突破，封堵性能較好（見圖2）。

圖2 堵水材料封堵能力測試

2.3 封堵底水材料氣溶解性能評價

將堵劑固結后取適量稱重放入密封瓶，采用排水集氣法充甲烷至密封瓶內，水浴加熱至90 ℃，取出堵劑稱重；重復做實驗，測試不同時間下的溶解率。實驗結果表明，加熱6 h 堵劑的溶解率可達到69%～78%。

2.4 封堵底水材料沉降能力評價

取20～40 目，密度為3.0 g/cm3的陶粒和20～40 目，密度為1.9 g/cm3的堵水材料按不同體積比混合，將二者混合均勻，在堵劑與支撐劑混合物中加入清水，模擬二者在混砂車中攪拌混合，將堵劑和支撐劑的混合物放入裝滿液體的量筒中，從倒入液面開始直至所有顆粒沉入底部記錄整個時間，用液面高度除以時間則為沉降速度。實驗結果（見表1），堵水材料與支撐劑混合后沉降速度大于純堵水材料的沉降速度，靜止沉降速度大于攪拌沉降速度。

表1 堵水材料沉降速度測試

3 封堵底水壓裂工藝參數優化設計

3.1 封堵底水材料加量計算

為了使堵水材料充分沉降，且在裂縫遠端鋪置的下沉劑濃度達到最高，起到盡可能避免后期生產裂縫遠端的底水突破至產層出水，可以選擇堵水材料從氣層上部加入最佳，因此，裂縫兩端形成兩個砂丘，中部砂堤高度最低。

假設水層都壓開，通過模擬計算堵水材料和支撐劑不同混合比例（1:1、1:0.5、1:0），在支撐縫長分別為80 m、100 m、120 m、140 m、160 m 情況下，對應不同水層厚度所需的堵水材料加量（見圖3～圖5）。

圖3 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:1）

圖4 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:0.5）

圖5 不同縫長、水層厚度下堵水材料用量（1:0）

東勝氣田錦66 井區水層厚度一般為5～6 m，支撐縫長為150 m，根據以上優化結果，同時考慮成本，采用堵水材料與支撐劑按1:0.5 比例混合加入，下沉劑加量為4～5 m3。

3.2 堵水材料泵注排量優化

注入的水材料既要保證到達人工裂縫遠端鋪置一定的濃度，又要保證向下沉降形成足夠的遮擋，排量過大，可能突破氣水層所在的砂體，排量過小，可能未形成足夠長的人工裂縫。對于東勝氣田錦66 井區，氣層與水層之間無隔層或隔層較薄，為避免人工裂縫過度延伸，設計最高排量不超過5.0 m3/min，同時考慮常用壓裂管柱結構和盡量增加裂縫長度，一般設計堵水材料泵注排量為3.0～4.0 m3/min。

在主加砂壓裂之前進行小排量頂替，目的是形成的人工裂縫保持張開，堵劑充分沉降，表現出施工過程中壓力平穩，當注入裂縫內的液量等于裂縫內液體向地層濾失的液量即達到理想情況，堵水材料處于平穩狀態，設計頂替排量1.0～1.5 m3/min。

3.3 停泵時間優化

東勝氣田錦66 井區壓裂液采用0.4%HPG 壓裂液體系，基液黏度45 mPa·s 左右，根據前期沉降速度測試結合壓裂人工裂縫縫高（20～25 m），優化停泵時間2～3 h。

4 結論與認識

（1）底水封堵材料具有在60～100 ℃下遇水固結、遇氣溶解的特性，堵水材料在東勝氣田儲層條件下固結后封堵壓力可達20 MPa，遇氣溶解率達70%以上，對底水氣藏具有良好的封堵底水能力。

（2）底水封堵材料密度1.9 g/cm3，在胍膠壓裂液中具有良好的沉降性能，能夠滿足裂縫內底水封堵材料快速沉降的目的，有利于堵水材料封堵底水層。

（3）優化出不同支撐縫長下對應不同水層厚度堵水材料的加量，對現場施工提供了有利的支撐。