蘇里格二三類儲層壓裂配套技術優化與應用

吳 凱，付 鵬，于世虎

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司，四川成都 610051）

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，主要產層為上古生界石盒子組和山西組，屬于低滲、低壓、低豐度、非均質性強的致密巖性氣藏，儲層縱向表現為“薄、多、散、雜”，平面上表現為“疊合連片”特征，同時具有中強應力敏感、弱堿敏、中強水敏、強水鎖等特點[1，2]。隨著蘇里格氣田開發進入中后期，儲層品位劣質化趨勢日益明顯，二三類儲層比例增加，改造難度越來越大，改造效果和經濟效益較差。

蘇里格二三類儲層的高效開發主要面臨以下難點[3－5]：

（1）儲層呈縱向分散狀，砂泥巖薄互分布明顯、層間非均質性強，單層有效厚度薄，無法進行密集分割精準改造；常規機械分層壓裂人工裂縫波及范圍有限，無法實現均勻深度改造，部分層位改造不充分，整體動用程度低，改造經濟效益較差。

（2）二三類儲層致密性強、孔隙率低（＜8%）、滲透率低（＜0.1 mD），對壓裂液傷害較為敏感。壓裂液破膠后的殘渣會堵塞孔喉，降低儲層滲流能力和支撐劑導流能力；壓裂液濾液侵入儲層引起黏土膨脹、分散、運移、孔隙結構破壞等水敏性傷害；壓裂液殘渣堵塞、濾液侵入、敏感性傷害都會影響改造效果。

（3）二三類儲層孔喉細小，壓力系數低，毛細管阻力較大，容易產生水鎖、賈敏效應，造成液相圈閉傷害，降低滲流能力，影響改造效果。另外，地層壓力低，壓裂后地層能量低，驅替壓差小，液體返排困難，返排率低，液體在儲層滯留時間長，加劇了液相圈閉傷害，影響增產效果。

針對蘇里格二三類儲層的特點，壓裂液未來發展的主要趨勢是“低傷害、低成本、高性能”，以胍膠為代表的植物膠體系性能穩定、工藝成熟，該體系優化改進的重點是降低殘渣含量[6]；以功能型共聚物、疏水締合為代表的一體化壓裂液體系具有可變黏、自交聯、低傷害、現配現用等優點，在川渝頁巖氣、致密氣等區取得了良好的應用效果，應加強該體系在蘇里格的適應性研究和應用試驗。

通過細化破膠劑加量、優化破膠工藝[7]，提高低溫破膠速率，控制殘渣量，減小固相堵塞傷害；同時優化液氮伴注工藝[8]，提升液氮使用能效，加快排液，縮短液體在地層滯留時間，降低液相圈閉傷害。

研究發現，采用暫堵材料封堵老縫，通過憋壓可以開啟新的裂縫[9]，達到轉向壓裂和多級改造的目的，實現縱向薄互層的精細化深度改造，增大改造體積，提高縱向多層的有效動用率，提升壓裂增產效果和經濟效益。

1 低傷害壓裂液體系

本工作以降殘渣、防水鎖、耐高溫、高攜砂為思路，開展二三類儲層配套低傷害壓裂液體系研發及應用試驗，分別開發低傷害胍膠壓裂液體系、一體化壓裂液體系、組合壓裂液體系，并在現場試驗應用成功。低傷害胍膠壓裂液平均巖心傷害率23%，比常規胍膠體系降低30%以上，液體成本降低10%，現場推廣應用200多井次，成為蘇里格二三類儲層高效開發和提質增效的有力保障。

1.1 低傷害胍膠壓裂液體系

針對胍膠殘渣含量高、傷害大等問題，以降低胍膠濃度來降低殘渣傷害為思路，研究表明羥丙基胍膠的臨界交聯濃度為0.285%，重疊濃度為0.36%，當胍膠濃度低于0.285%時，無法保證交聯效果和液體性能；當濃度高于0.36%時，繼續提高濃度對液體性能提升效果不大，反而會增加殘渣量[10]。蘇里格區塊儲層溫度在105～110 ℃，設計要求在儲層溫度條件下，以170 s-1剪切90 min 后黏度在100 mPa·s 以上，采用0.3%～0.35%低濃度胍膠體系能滿足施工需求，該配方添加劑成本降低10%。

1.1.1 基本性能 采用四川川慶井下科技有限公司低傷害胍膠壓裂液體系，基液黏度在27～36 mPa·s，交聯劑加量在0.35%～0.42%，交聯時間在30～100 s 可調，滿足不同工藝的成膠需求；該壓裂液采用“膠囊+過銨”破膠劑體系，在儲層溫度（90～110 ℃）下破膠時間30～150 min 可調可控，滿足快速破膠排液需求；破膠液殘渣含量在239～271 mg/L，與常規胍膠體系相比降低20%以上；低傷害胍膠壓裂液體系基本性能（見表1）。

表1 低傷害胍膠壓裂液體系基本性能

1.1.2 流變性能 流變性能決定了壓裂液的耐溫耐剪切性能和攜砂性能，很大程度上決定施工的成敗，是評價壓裂的關鍵指標之一，低傷害胍膠壓裂液的流變性能（見圖1）。由圖1 可知，在110 ℃下，以170 s-1速率連續剪切100 min 后，0.30%胍膠濃度的黏度始終保持在100 mPa·s 以上，0.32%胍膠濃度的黏度在130 mPa·s左右，0.35%胍膠濃度的黏度保持在150 mPa·s 左右，說明低傷害胍膠壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能，且可調范圍廣，可根據儲層溫度和工藝參數適當調整胍膠濃度。

圖1 低傷害胍膠壓裂液體系的流變性能

1.1.3 巖心傷害 按照SY/T 5107-2016[11]規定的巖心基質滲透率損害率測定程序，分別測定低傷害胍膠壓裂液、常規胍膠壓裂液對低滲透巖心（1 mD 左右）傷害率，結果（見表2）。由表2 可知，低傷害胍膠壓裂液對低滲巖心的損害率在20%左右，相對于常規胍膠體系對巖心傷害降低30%以上。

表2 低傷害胍膠壓裂體系對巖心損害情況

1.1.4 應用效果 自2019 年推廣應用以來，累計應用200 多口井，使用液量15×104m3以上，推廣率高達100%，節約成本750 多萬元。應用效果良好，動靜態符合率和平均無阻流量都有大幅度提高（見表3），高產井不斷，無阻流量超百萬立方米井4 口，其中E46-XX1 井喜獲測試無阻流量242.2×104m3/d，創造了蘇里格氣田上古生界直斜井測試產量新紀錄。

表3 低傷害胍膠壓裂體系推廣應用效果

1.2 一體化壓裂液體系

針對胍膠殘渣傷害大等問題，重點研究了殘渣傷害相對低的疏水締合自交聯聚合物，在頁巖氣變黏滑溜水的基礎上開發出了一體化壓裂液體系，該體系采用乳液聚合物為稠化劑，滿足在線混配，使用方便，同時具有以下優點[12，13]：乳液聚合物以中低相對分子質量為主，具有分散溶劑快，增黏效果好，減小機械降解的可能性；利用其分子結構中特有的疏水締合作用，通過調整加量實現滑溜水、線性膠、交聯液的無縫切換，操作簡單，快捷方便；利用疏水締合協同作用提高超分子聚集體的“有效黏度”，提升懸砂能力，減少稠化劑加量，降低殘渣；疏水長鏈中含有功能性單體，有效保障了耐鹽耐溫性能，同時賦予一劑多能功效。一體化壓裂液體系基本性能（見表4）。

表4 一體化壓裂液體系基本性能

由表4 可知，一體化壓裂液殘渣含量在80～100 mg/L，對巖心傷害率為15%～18%，同時具有溶解快、懸砂好、低摩阻、殘渣少、可在線混配等特點，現場應用方便，無需提前配液，僅改變加量可實現不同黏度液體體系的自由切換。一體化壓裂液屬于低黏高彈流體，兼具聚合壓裂液低殘渣和胍膠壓裂液耐高溫雙重優點，滿足返排液重復利用施工需求，節約大量的配液和返排液處理成本。

該產品已在蘇里格某井試驗成功，采用清水和返排液混合（混合后礦化度約5 000 mg/L）施工，泵注排量2.4～2.6 m3/min，前置液階段乳液稠化劑加量為0.9%～1%，加砂液階段加量逐漸降低至0.8%。施工過程中，乳液分散均勻，溶解起黏快，混砂均勻，懸砂性能好，施工泵壓平穩，加砂順利。

1.3 組合壓裂液體系

研究表明[14]，前置液采用滑溜水+基液組合時較單獨采用基液形成的水力裂縫帶寬大，裂縫較復雜，為配合蘇里格區域形成的“低黏度液體造縫、高黏度液體攜砂、多尺度支撐劑組合、高排量大規模注入”的體積壓裂工藝，開發了可交替注入的組合壓裂液體系。利用不同壓裂液和不同支撐劑的優勢特性[15]，前置液階段使用中黏滑溜水（5～10 mPa·s）作為前置液造縫，加砂液階段使用0.35%胍膠液攜帶20/40 目石英砂和陶粒。形成了“滑溜水（基液）造縫+膠液攜砂”的組合壓裂工藝，前置液殘渣含量降低60%左右，大大降低了前置液對儲層的傷害。通過液體類型的變換實現縫網的復雜化，通過支撐劑的多元化實現縫網的高效連通，為二三類儲層的高效開發打開新思路。

采用組合壓裂液體系，先后在桃7、蘇59 區塊開展應用試驗，并取得成功。在桃7 某井采用“滑溜水+低傷害胍膠”組合液體順利完成“石英砂+陶粒”壓裂施工，泵壓在32～33 MPa，壓力平穩（見圖2），摩阻低，壓裂改造后該井由靜態評價Ⅲ類提升為動態Ⅱ類井。在蘇59 某區塊采用“基液+低傷害胍膠”液體成功完成“粉砂+石英砂+覆膜石英砂”組合壓裂施工，改造效果顯著，獲得測試無阻流量131×104m3/d 的高產。

圖2 “滑溜水+低傷害胍膠”組合壓裂液試驗應用施工曲線

2 高效助排技術

對于低滲儲層壓裂液的“液相傷害”比“固相傷害”更明顯，且隨著壓裂液滯留時間的延長“液相傷害”的增加幅度更大[16，17]，實施“快壓快排”有利于縮短壓裂液在地層停留時間，有效降低傷害。針對蘇里格區塊地層壓力低，毛細管阻力大，壓后排液困難，返排率低，常規助排劑效果不佳等問題，采用微乳助排劑結合精細液氮伴注工藝形成高效助排技術，一方面大幅降低表界面張力，減少水鎖，另一方面為地層增能，提高驅排動力，使壓裂液快速返排，減少滯留，降低傷害，提升改造效果。

2.1 微乳助排劑

蘇里格二三類儲層致密性強，孔隙細微，常規助排劑難以高效進入巖石孔隙中，無法充分發揮助排作用。利用多元表面活性劑的協同增效作用，以Gemini 型表面活性劑、非離子表面活性劑和氟碳表面活性劑通過復配制備出微乳助排劑[18，19]。微乳助排劑體積極小、滲透性強，能夠進入致密孔隙和微裂縫中發揮作用；同時具有極強的降低表/界面張力能力和較好的潤濕性，是低壓低滲儲層的理想助排劑。

參照SY/T 5755-2016[20]中的方法對常規助排劑和微乳助排劑進行平行對比實驗，結果（見表5）。

表5 納米微乳液助排劑基本性能

由表5 可知，同等條件下，微乳助排劑的表/界張力遠低于常規助排劑；與處理后的天然巖心的接觸角大于常規助排劑，說明其對巖心的潤濕性能優于常規助排劑；助排率明顯高于常規助排劑，也說明微乳助排劑的助排效果更好。

2.2 精細化液氮伴注工藝

根據蘇里格儲層特點、排液規律并結合微乳助排劑的優勢，在現有的工藝參數上對液氮、助排劑的伴注工藝進行全面優化，形成了一套高效化、精細化的“液氮+微乳助排劑”助排工藝技術，優化后的液氮伴注工藝參數（見表6）。

表6 精細化液氮伴注工藝伴注參數

由表6 可知，在壓裂過程中，根據施工排量伴注液氮和微乳助排劑，并按泵注程序逐階遞減，既保證返排時氮氣和排劑的連續性，又減小了液氮、助排劑的用量，節約了成本。現場鄰井對比試驗表明：采用精細化液氮伴注工藝液氮使用量降低10%左右，助排劑用量降低12%，返排率提高7%左右，實現了降本增效。

3 復合暫堵壓裂技術

復合暫堵壓裂技術是利用組合暫堵材料（不同類型或尺寸）對炮眼或裂縫實施可控性封堵，通過憋壓開啟多級化裂縫或分支化裂縫，形成復雜裂縫網絡，實現油氣儲層的高效連通。復合暫堵技術能夠彌補機械分層壓裂的不足，通過多級人工應力干擾，對縱向薄互層、夾層等進行深度化和精細化改造，大幅提高儲層的有效動用率，提升改造效果和經濟效益[21]。

3.1 暫堵材料

暫堵轉向效果受制于要封堵的裂縫狀態（裂縫寬度、高度）和匹配的暫堵劑規格，根據現場施工情況，蘇里格儲層裂縫寬度一般分布在8～20 mm 為主，按照架橋理論可知，暫堵材料尺寸為3～5 mm 較佳。

通過數值模擬、室內研究，利用高強度、寬溫帶可降解環保型暫堵材料開發出了適合蘇里格區塊的系列化產品，包括暫堵球、暫堵顆粒、暫堵纖維等，產品基本性能（見表7）。該產品具有承壓能力強、適用范圍廣、溶解可控、低毒環保等特點，根據施工需求，產品尺寸可定制，組合方式靈活多變，滿足簇間均衡、縫內擴展等不同的暫堵轉向需求。

表7 蘇里格區塊常用暫堵材料基本性能

3.2 應用效果

2020 年蘇里格區塊累計實施復合暫堵壓裂施工28 井次，轉向成功率100%，其中采用“1～3 mm 顆粒+3～5 mm 顆粒+纖維”實施縫內轉向17 井次，平均上漲3 MPa 左右；采用“1～3 mm 顆粒+3～5 mm 顆粒+纖維+15 mm 暫堵球”縫口轉向11 井次，平均上漲9.5 MPa；壓力漲幅大，轉向效果明顯。

壓裂后排液順暢，平均返排率在51%左右，說明暫堵材料溶解較快，不影響排液；實施暫堵轉向施工井的平均產量高于整體平均產量，表明暫堵轉向效果好，暫堵材料傷害小。

4 結論

（1）開發了低傷害胍膠壓裂液、一體化可變黏壓裂液、組合壓裂液三種低傷害壓裂液體系，并在現場試驗應用成功。該體系累計應用200 多井次，節約成本750多萬元，成為蘇里格二三類儲層高效開發和提質增效的有力保障。

（2）研發了微乳液助排劑，其體積極小、滲透性強、表/界面張力低，潤濕性能好，助排率可達90.2%。該助排劑結合精細液氮伴注工藝形成高效助排技術，液氮使用量降低10%左右，助排劑用量降低12%，返排率提高7%左右，實現了降本增效。

（3）使用高強度寬溫帶可降解暫堵材料實施復合暫堵技術能夠對縱向薄互層、夾層等進行深度化和精細化改造，壓力上漲明顯，轉向成功率高達100%，壓后排液順暢，平均產量高于整體平均水平。