致密砂巖氣藏壓后返排技術設計優化研究

張盼盼,楊開利,蒲陽峰,張明浪

(陜西延長石油(集團)有限責任公司 延長氣田采氣二廠,陜西 榆林 718500)

關于致密砂巖壓裂過程中壓裂液的濾失速度的研究,國外許多學者在經過許多現場勘察和實驗探索后,提出了各種有關濾失速度的計算框架。由于裂縫中壓裂液壓力大小會對濾失速度產生影響,學者們以裂縫里面壓裂液壓力的濾失速度為重點,提出了相關的計算模型[1]。以壓裂裂縫這一狀態為基礎,學者們又通過研究裂縫里不斷改變的壓裂液,對以濾失速度為重點的模型進行了設計[2]。水力壓裂濾失的快慢由于會受地層里天然裂縫的影響,因此以該問題為重點的研究被提出[3]。國內對于砂巖氣藏的研究也較多。對壓裂液濾失快慢產生影響的原因進行研究,且在天然裂縫性儲存中,關于壓裂液濾失快慢的模型被提出[4]。按照壓裂液濾失過程中的滲流理論和高滲透儲層壓裂液濾失這些因素,對影響高滲層壓裂液濾失快慢的因素進行探討[5-6]。但是,水鎖損害對致密砂巖氣藏的壓裂也會產生一定影響。因此,研究一種基于液氮增能的壓裂方法,并設置實驗對其效果進行了驗證。

1 材料與方法

1.1 理論基礎

1.1.1致密砂巖氣藏

致密砂巖氣藏是聚集在滲透率小于0.1×10-3μm2,而且孔隙度小于10%砂巖中的氣藏[7]。

1.1.2水鎖損害

在鉆井、完井、修井和開采作業中,當某種不相混溶相滲進儲層,或者多孔介質中本來所具有的不相混溶相飽和度擴大,都會對相對滲透率產生負面影響,這就會讓儲層滲透率和油氣相對滲透度呈現顯著變小的趨勢。此時,當不相混溶相是水相時,此類現象就是水鎖效應,為烴相時稱作烴鎖效應[8-9]。水鎖效應會造成水鎖損害,也就是指油井作業過程中水進入油層所產生的影響[10-11]。

1.2 液氮增能壓裂技術設計

1.2.1液氮增能特性

1)液氮性質

氣體狀態下的液氮被稱為氮氣,氮氣屬于單質,本身無色無味無傷害,且具有較弱的化學性質,對于大部分液體都只是微溶[12-13]。

2)混氮氣流體的流動情況

對于混氣液體,其流動情況是根據混入氣體的量所控制的。當混氣液體里面的氮氣干度值比52%低的時候,氣體將會呈球形氣泡的狀態分布在液相里,當氮氣干度處于54%～96%時,液相和氣相會彼此不相容,此時若有適宜的發泡劑或穩定劑,那么可以形成泡沫,當氮氣干度高于96%時,此時液膜會因為其薄的特性,不易容于大體積的氣體,因此會形成霧,很難以此與氣體分離。

1.2.2液氮增能壓裂液的主要作用

根據液氮增能的特點,給出液氮增能壓裂液的主要功能有:混氮降濾作用;混氮助排作用;協助攜砂、懸砂作用;地層損害最小。

1.2.3液氮增能設計方法——恒定內相技術

國外學者提出,采取恒定內相手段能夠增加砂液比。并且,利用恒定泡沫質量能夠提高支撐劑的使用,減少液體和液氮的排量,從而讓泡沫大小保持固定[17]。然而,使用恒定井底總排量,能夠增強加砂后的泡沫質量[18]。

1.2.4液氮增能的實驗設計

1)計算液柱壓力

本實驗的研究對象是川西地區典型低壓致密砂巖氣藏,按照現場狀況,將儲層垂直深度設置為1 500 m,將壓裂液排量設置為4.0 m3/min,將液氮排量分別設置為100、12、150、180、200、250 Sm3/min,以此得到液柱的壓力[20]。

2)儲存增能

在能量進行存儲時,此時利用高壓可以壓縮儲層里的壓裂液以及氣相。因此,要實現液氮的助排作用,就需要用3段分段壓裂技術,然后設定250 sm3/min的排量,以此進行液氮的伴注。

1.3 水鎖損害實驗設計探究

1.3.1實驗材料

該研究采用的實驗材料如表1所示。

表1 實驗材料

1.3.2水鎖損害評價試驗

在各類作業實施時,由于低滲透率的氣藏里含有的流體會對基質產生影響,因此給定的實驗方法如下,首先對干巖樣品的氣相滲透率進行測量,然后利用高壓氣體來對巖心的氣測滲透率進行測量。并給出水鎖損害程度的公式:

式中:I是指水鎖損害程度;K0是指未受到水鎖損害的巖心氣測滲透率;Ki是在各種時間下水鎖損害后的巖心氣測滲透率。

實驗中,將直徑2.5 cm,長3～4 cm的巖心放在Hassler巖心夾持器中。在實驗過程中,沒有必要把巖心取出來,這樣既能提高實驗精度,還能讓操作變得簡單。實驗流程如圖1所示。

圖1 水鎖損害實驗流程

選取川西地區致密氣藏各類儲層巖樣來完成巖心的制備,將其烘干、冷卻后放在Hassler巖心夾持器里,以便于測量氣測滲透率。在標準大氣壓和室溫下,將巖心的一個端面放在其相應層段的地層水中,通過不同時間的自吸和足夠長時間后的氣驅來完成對應氣測滲透率的測量工作。最后,分別計算水鎖損害程度,實驗過程中采取的氣體是非濕潤的氮氣。

1.3.3探究壓力與水鎖損害程度的關系

在油氣增產過程中,壓裂時產生的外部壓力會將地層水與外部流體進行壓縮,然后使得儲層中的含水量增加,從而增加水鎖損害程度。實驗中,通過對現場的巖心附加不同的力度進行模擬,然后對各種壓力下的水鎖損害程度進行評估,并以此為現場的壓裂過程等增量工作奠定理論基礎。

實驗中,在出口端面施加不同大小的壓力,壓力由低到高,使相應地層水進入巖心造成水鎖損害。實驗對象為相鄰的層段巖心,并分別給到0、5、7.5、10 MPa的壓力來完成實驗。此外,為了得到整個區域的氣藏狀況,利用10 MPa的壓力對各類巖心進行水鎖損害實驗。

2 結果與分析

2.1 基于液氮增能技術的返排效果

2.1.1排液管內液柱壓力的變化

通過計算,得到排液管內液柱壓力的變化如圖2所示。

圖2 液氮伴注管柱井底壓力對比結果

由圖2可知,融入液氮后,排液管柱內的液體密度減小,液柱的井底靜態壓力也隨之減小。在采取100 Sm3/min的排量完成伴注時,液柱壓力減小了2.38%;液氮排量增加了3倍,出現1.1 MPa的井底液柱靜壓減低,壓力減小了6.72%。以上結果說明壓后井底液柱壓力、增加返排壓差時液氮伴注的可行性。

2.1.2儲層增能效果

當使用3段分段壓裂,并利用250 sm3/min的排量完成液氮的伴注時,其壓力剖面如圖3所示。

圖3 水平井分段壓裂儲層液氮增能結果

由圖3可知,與第3段相比,第1段的增能范圍小,而且按次序依次降低。產生此情況的原因是液氮增能在較長的時間內分布較散,所以盡量讓水力裂縫返排一起產生,這樣全部段返排時的運排壓差就會基本保持相同。

2.2 水鎖損害模擬實驗結果

2.2.1水鎖損害程度

通過模擬實驗,得到不同自吸時間下的水鎖損害程度如圖4所示。

圖4 水鎖損害程度研究結果

由圖4可知,川西地區的致密氣藏在自吸地層水時,其損害程度在0.40～0.45。巖心在最開始自吸時,隨著自吸時間的不斷增大,水鎖損害程度也在不斷加深。然而,當自吸到120～150 min左右,其水鎖損害的程度變得基本不明顯了。

2.2.2壓力對水鎖損害程度的影響

通過模擬實驗,得到壓力對水鎖損害程度的影響如圖5所示。

(a)不同壓力

由圖5可知,壓力越大,而且持續時間越長,水鎖損害程度越高;壓力較小時,隨著加壓時間的增大,水鎖損害也會持續增強。當壓力較大時,加壓時間越少,其損害程度就增強得越明顯,但在此之后基本上就會變得平緩。而且到一定時間就不會擴大了。上述結果說明,致密巖心中水飽和度到達一定值時,過多地層水的引入不會對其水鎖損害程度產生影響。

3 結語

為提高致密砂巖氣藏壓裂時的返排能力,采用液氮對氣藏的壓裂方式進行了改進,實驗結果表明,利用液氮對氣藏進行壓裂時,返排時的運排壓差雖然較不一致,但其仍然能夠降低井底液柱壓力,整體上提高返排能力。此外,在設計相關水鎖實驗對影響水鎖損害的因素進行探索時發現,壓力越大,加壓時間越長,水鎖損害越嚴重。這說明,可以通過減小壓力來減小水鎖損害的程度。研究不足之處在于,利用液氮對氣藏返排壓差要求進行優化時,沒有開展氣藏地層壓力模擬,為液氮優化提供精確依據,后續將完善此問題。