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致密砂岩油藏直井体积压裂技术研究与实践

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页岩气开采 压裂技术 致密油藏
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1 致密砂岩油藏直井体积压裂 技术研究与 实践  林海霞  (中国石油吉林油田公司采油工艺研究院)  摘要   本文 借鉴国 内 外体积压裂理念与改造经验,在大安北扶杨 和高台子 油层 开展了体积压裂探索研究与实践,分析了体积压裂改造机理、对储层条件的要求和在大安北致密砂岩油藏开展体积压裂改造的可行性,探索了体积压裂 选井原则、压裂技术措施,在现场成功应用并取得好的改造效果和压后投产效果, 为同类致密砂岩油藏改造提供了有益的借鉴。  主题词   致密砂岩   体积压裂  滑溜水压裂   扶杨油层  吉林油田 大安北地区 扶杨 和高台子 油层储层 特征 为 物性差 (  中等偏强水敏、塑性强(平均模量 39366均水平两项主应力差 均泥质含量  ,采用 常规压裂 改造措施难以满足生产需求 ,需通过技术创新改变开发现状 ,这就使得直井体积压裂技术应用成为可能。  吴奇等人 结合国外研究给出了“体积压裂”的定义及作用 [1]。通过压裂的方式对储层实施改造,在形成一条或者多条主裂缝的同时,通过分段多簇射孔、高排量、大液量、低粘液体以及转向材料和技术的应用,实现对天然裂缝、岩石层理的沟通, 以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝,并在次生裂缝上 继续分枝形成二级次生裂缝,以此类推,尽最大可能增加改造体积,让主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统,将可以进行淋巴液的有效储集体“打碎”,使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大,极大地提高储层整体渗透率,实现对储层在长、宽、高三维方向的全面改造,增大渗流面积及导流能力, 广义的体积压裂包括以下 3 种模式 [2]: ①使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络,将可以渗流的有效储层打碎,使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大。②采用 多种方法在有限的井段内增加水力裂缝条数和密度(天然裂缝也可能开启),这些裂缝累积控制的泄流面积随裂缝的条数、缝长、缝宽、缝高等因素变化而变化。③利用储层水平两向应力差与裂缝延伸净压力的关系,实现裂缝延伸净压力大于两个水平主应力差值与岩石抗张强度之和,形成以主缝和分支裂缝相组合的枝状裂缝。  石的脆性指数  储层岩性具有显著的脆性特征,是实现体积改造的物质基础。大量 研究及现场试验表明:不同区域,储层岩石矿物组分差异较大,富含石英或者碳酸盐岩等脆性矿物的储层有利于产生复杂缝网,粘土矿 物含量高的塑性地层不易形成复杂缝网 [2]。 脆性指数越高,岩石越 容易形成复杂裂缝。一般来说,要形成复杂的网络系统, 岩石的脆性指数 要 不低于 50%。  目前,岩石脆性指数的计算有几种方法,一种方法是根据岩石矿物组成判断 [3],即取 岩石中石英含量与岩石中石英、碳酸盐及粘土总含量的比值作为该岩石脆性指数。一般石英含量超过 30%便数据库认为岩石具有较高的脆性指数。  岩石脆性指数的计算第二种方法则是根据岩石力学特性判断,由杨氏模量及泊松比计算得到 。 2 见 公式 ( 1)。  ( 1)  其中, 脆性指数, E 为杨氏模量, 泊松比, a 和 b 为常数 , a=1, b= 综合脆性指数即泊松比、均一化杨氏模量(无量纲)和脆性矿物的平均值,可综合反应岩石力学特征以及岩石矿物特征对岩石脆性的影响。以往计算表明,砂岩段的综合脆性指数明显高于页岩段,更有利于形成复杂裂缝。  对红 87 区块 59 层储层数据进行计算,得到扶杨油层和高台子油层 脆性指数 分别为 岩石 脆性指数 可以满足体积压裂对储层特征的要求。  表 1  红 87 区块致密砂岩储层岩石力学特征  层位  井段 (m) 静态泊松比  (无因次)  静态杨氏模量(脆性指数  (%) 扶杨  3266 台子  2203 然裂缝发育状况  储层发育良好的天然裂缝及层理是实现体积压裂改造的前提条件 。压裂形成缝网的难易程度与天然裂缝和水平层理 的自然状态(天然裂缝发育程度,是否为潜在缝或张开缝,裂缝内是否有填充物等)密切相关 [3]。 天然裂缝的开启所需要的缝内净压力与施工排量及压裂液的粘度密切相关。  通过成像测井分析,储层以垂直裂缝为主,纵向延伸长度 3一般不穿层。裂缝 倾角大,近于直立,与东西向夹角一般小于 12 度 , 分析裂缝性质为潜在缝。 通过岩心观察, 红岗北 扶 杨 油层裂缝密度  /米,天然裂缝发育 ,有利于形成缝网系统 。  图 1  红 97 井泉四段成像测井图  应力分析   两向应力差小,有 利于裂缝的转向和弯曲,进而可能形成复杂的缝网系统。对于裂缝较发育油藏,形成缝网压裂的力学条件可在天然裂缝扩展 基础上分析,缝网示意图如力 2 所示。  图 2 缝网示意图   3 根据 W 和 T 的破裂准则及二维线弹性理论,发生张性断裂所需裂缝缝内净压力 按式( 2) 计算。发生剪切 断裂 所需裂缝缝内净压力 按式( 3)计算。  ( 2)  发生张性断裂所需裂缝缝内净压力为  ( 3)  式中,  , δ  θ 为天然裂缝与人工主裂缝的夹角,( º); τ ο为天然裂缝内岩石的粘聚力, 因次。  在压裂过程中 ,当主裂缝内净压力满足式( 2)、式( 3)时,才能形成缝网系统。而根据式( 2)得到,当 θ =π /2 时 有最大值,最大值为 δ h。同理,根据式( 3)得到,当 θ =π /2 时有最大值,最大值为  ο/δ h。 ),天然裂缝一般 τ ο=0。因此,天然裂缝或地层弱面发生张性断裂和剪切断裂的最大值均为水平主应力差值 δ h。即当主裂缝内的净压力大于 δ 可以形成缝网系统。 因此,储层两向水平主应力差值越小,越有利于形成缝网系统。  表 2   红 87 区块岩石力学参数及地应力计算  层位  顶 (m) 底 (m) 声波时差  (us/m) 泥质含量(%) 静态泊松比 (无因次)  静态杨氏模量(抗张强度 (垂向应力 (水平最大 (水平最小 (水平应力差(3266  2203 井原则  通过对体积压裂机理和 实现体积压裂条件的分析,结合红岗北致密砂岩储层特点,认为红岗北直井体积压裂选井就遵循以下原则: ① 储层 渗透率越低 , 单井可采储量采出程 度低、剩余油资源量大 ,常规压裂效果差; ② 在平面上, 井距、排距越大越有利于 开展 体积压裂技术 ; ③ 在纵向上,砂岩厚度大于 夹层厚度要小于 用体积压裂可有效提高动用程度;  ④ 在含石英高的脆性储层开展体积压裂,有利于产生复杂缝网,岩石的脆性指数要不低于 50%; ⑤ 储层天然裂缝越发育,越有利于缝网形成; ⑥ 改造井岩石水平主应力差值越小 , 越容易形成复杂裂缝网络 ;  ⑦ 避开水区且目的层纵向可能扩展范围内上下无水层; ⑧ 固井质量好,无套损,套管钢级高,使排量提高成为可能。  术措施  根据体积压裂实现条件, 针 对致密油藏以“提高净压力,开启和支撑次生裂缝,进而形成树形网络裂缝”为关键点,在脆性指数、微裂缝发育程度、三向应力分析、抗张抗剪切强度研究基础上,在红岗北红扶杨和高台子油层有针对性地开展体积压裂实践。  排量、大液量、低砂比 压裂工艺   4 对于天然裂缝发育的储层,大量高滤失液体的注入有利于天然裂缝的开启,低砂比加砂可以支撑压开的天然裂缝。大量高滤失液体的注入同时使近井应力场重新分布,使水平两向应力差减小,应用 大排量提高缝内净压力,一旦净压力大于水平两向应力差和岩石抗张强度之和,新的压裂裂缝就 有可能产生。 红岗北体积压裂 研究 模式为: 排量 10入 滑溜水 ,单层 滑溜水 用量1200均 1616层总液量 1220均 1959层砂量 20均 35 用低粘、低伤害液体体系造复杂缝网  当液体类型为牛顿流体时,压裂液粘度越小,缝内压力变化越小,压力传导越远,能沟通更多的天然裂缝,且易使微裂缝产生错位和滑移,有效地增加缝网的波及面积,而小粒径支撑剂则更易进入到细小的裂缝 中起到支撑作用,也会提高裂缝导流能力。  由于致密砂岩储层特点和体积压裂 入地液量巨大的特点,要求压裂液要具有较低伤害、高返排能力的特点。在压裂的不同阶段分别采用滑溜水、线性胶、交联胍胶作为工作液,具有 较 低伤害、低粘度特点,同时采用了高性能的助 排剂和粘 土稳定剂 ,达到了强化排液的目的。  滑溜水 配方 由清水添加 阻剂  、 土稳定剂 和 乳助排剂 组成。 滑溜水 综合性能: 减阻剂 的 清水减阻率 粘土稳定剂防膨率 破乳助排剂 的 m,界面张力 m。  表 3   滑溜水体系性能指标评价(数据来自实验中心)  实验 温度( 20℃)  滑溜水性能  标准  表面张力( mN/m)  8 界面张力( mN/m)   接触角(°)   防膨率( %)   减阻率( %)   合粒径 低密度 陶粒支撑缝网系统  在前置液阶段先采用大排量注入滑溜水,开启 天然裂缝,采用段塞方式加入 40陶粒支撑天然裂缝; 之后以线性胶携带部分 40陶粒, 较高砂比阶段注入胍胶和 20 低密度 陶粒支撑主裂缝,  表 4   低密度陶粒性能指标 表  产品规格  20低 密度覆膜陶粒  20陶粒  项目  技术指标  实测指标范围  20筛析  > 1180μ m, % ≤  0 850m, % ≥ 90 94 95 425μ m 上, % ≤ 10  425μ m ≤ 2 2碎率, % / 9碎率, % / 度  ≥ 度  ≥ 溶解度, % ≤ 8 5 浊度,  100 5 82 体积密度, g/, g/。 高强度水溶性裂缝转向剂 不但 具有很好的封堵效果, 并且溶解性好,不会对地层造成新的伤害。这种 水溶性裂缝转向剂 封堵强度 >18m,在地层中 22时可以完全 溶解 。根据使用目的不同,有两种 粒 径类型, 粒径 5用于缝口转向, 粒径 1用于缝内转向 。  表 5   高强度水溶性裂缝转向剂 性能指标  序号  性能  值  1 粒径,  60℃溶胀时间, h  封堵强度, m >18 4 50× 4缝突破压力,  5 60℃完全溶解时间, h 22 60℃完全溶解粘度, 100 7 61℃完全溶解表面张力, mN/m <70 发 丢手式大通径分层压裂工具,实现套管压裂满足大排量注入  表 6  大通径封隔器技术参数  编  号  裂封隔器  裂封隔器  1 号过球滑套  2 号过球滑套  最大刚体外径(  Φ114 Φ114 Φ108 Φ108 最小内通径(  丢手前 Φ30, 丢手后 Φ60  Φ65 Φ53(投 Φ56 球)  Φ56 (投 Φ59 球)  最小内通径长度(  1000 1043 300 300 工作套管内径(  Φ124 Φ124 Φ124 Φ124 工作压力  ≤ 70 70 70 70  作  温  度  ≤ 90℃  ≤ 90℃  ≤ 90℃  ≤ 90℃  工具长度  1300 1530 68080封力  255启)  8启)  连接扣型  3 ½  ½  ½  ½ 封载荷   8 - 图 3 井下管柱 示意图   6 丢手式 大通径封隔器分层压裂管柱特点: ① 管柱设有抗阻机构,遇软、硬阻工具中途不坐封 ;② 管柱下井时内外连通,下井到位后可洗井、顶替 ; ③ 每级压裂滑套上都设有反扣丢开机构,一旦砂卡,正旋管柱可将遇卡工具丢到井里,以便进行二次作业(冲砂、打捞) ; ④ 管柱通径大、压裂滑套喷砂口大、压裂滑套及喷砂口采用耐磨处理,压裂时磨阻小可实现大排量体积压裂改造 ; ⑤ 一次管柱压裂三段,工作 压力 70度 90℃ ; ⑥ 采用 41 封隔器组合形式管柱压裂,压裂时采用套管内压裂,排量大、磨阻小,更适合于中、深井压裂 ; ⑦ 套管压裂可降低施工压力,为大规模体积改造提供优化空间。  缝监测 检验体积压裂改造效果  大 45 小层 2013 年 10 月 28 日施工,油管压裂,施工排量 裂压力 砂 35溜水 900用液量 1161本井 进行 了井下微地震 监测 ,监测结果证明压裂产生了主裂缝和次生裂缝, 主裂缝带长 278m,带 宽 77m,裂缝网络高度 100m, 主裂缝方向为北偏东 107 度 ; 次生裂缝带长 211m,带宽 37m, 裂缝网络高度 100m, 次裂缝方向为北偏东 173度。 监测结果显示,当 液量达到 534缝达到最大宽度; 当 液量达到 1021缝达到最大长度。 从监测结果看,压裂产生的裂缝网络系统 波及地质体体积 达到 方 ,实现了体积改造的目的。  图 4  大 45压裂微地震井监测 结果  表 7  大 45裂缝监测结果表  类别  裂缝网络长 (m) 裂缝网络宽 (m) 裂缝网络高 (m) 裂缝网络走 向  主裂缝  (W)119 (E)159 77 100 北偏东 107°  次裂缝  (N)97 (S)114 37 100 北偏东 173°  场应用  红岗北红 87 区块为 致密 砂岩油藏, 井距 400余和高台子油层裂缝较发育且上下无水层,适合应用体积压裂改造技术。采用大 排量、大液量、低砂比设计 思路 , 前置液使用 滑溜水 ,支撑剂使用组合陶粒, 丢手式 大通径封隔器分层压裂 工具使套管分层压裂成为可能 , 压后闷井蓄能,增加地层能量,实现滑溜水与原油置换 。 2014 年 红岗北红 87 区块 直井 体积压裂 现场 已 实施 14 口井, 最高施工排量 15m3/层最大入井液量 2616层最大砂量 60计压后投产的 5 口井,平均单井日产液 d,日产油 d,明显好于同区块常规压裂井。  表 8  红 87 区块施工参数及压后投产数据表  井号  小层号  压裂方式  施工参数  初期产量   7 砂量(前置液(总液量(排量(m3/投产天数(日产液(m3/d) 日产油(m3/d) 含水(%) 红 876+7 体积压裂 ,油管压  10/8 87 红 874+6+7 体积压裂 ,套管压  12/8     红 871+6+7 体积压裂 ,套管压  12/8     红 87Ⅲ  体积压裂 ,套管压  12/8     红 87Ⅲ  体积压裂 ,套管压   50 红 87Ⅲ  体积压裂 ,套管压  +6 体积压裂 ,套管压  30 12/8         红 8712 大通径封隔器套管压   +6 15/10 红 8710+11+12 体积压裂 ,套管压         红 875+6 体积压裂 ,油管压  8 G 体积压裂 ,油管压  6/4 红 8710+11+12 大通径封隔器套管压  14/10 14/10 红 8710+11 体积压裂 ,油管压  7/7         红 8710+11+12 体积压裂 ,油管压  7 44 红 8710+11+12 体积压裂 ,油管压  1185     平均         ( 1) 对红岗北致密 砂岩岩石脆性、储层天然裂缝发育状况、岩石抗张强度与三向应力等方面进行了研究,认为有开展体积压裂的物质基础和实现条件 。  ( 2) 结合红岗北致密砂岩 储层特点,通过对体积压裂机理和实现体积压裂条件的分析,提出了致密 砂岩油藏体积压裂选井原则 。  ( 3) 针对红岗北致密砂岩油藏,采用 丢手式 大通径封隔器 实现套管 分层压裂 ,满足大液量、大排量施工, 支撑剂使用 40和 20组合粒径陶粒,压裂液体系采用滑溜水和交联冻胶组合方式,可怜满足体积压裂施工需求。  ( 4) 红 87 区块致密砂岩储层直井体积压裂实践取得较好效果,进一步验 证了体积压裂在该类储层的可行性。  参考文献  [1]李进步 , 白建文 , 朱 李 安 等 天然气工业 , 2013, 33(9):65 [2]唐勇,王国勇,李志龙等 3 区块裸眼水平井段内多裂缝体积压裂实践与认识 2013,35(1):63 [3]石道涵,张兵,何举涛等  致密砂岩储层体积压裂可行性评价 自然科学版 ),2014, 29(1):52  8 序号  井号  层位  顶  底  静态泊松比  静态杨氏模量  脆性指数  1 红 879 2345 2341 4124 2 红 876+7 2330 5181 3 红 873+4 3299 4 红 876+7 1741 5 红 8710 2917 6 红 877 307 0314 7 红 871+2 3915 8 红 876+8+9 312 5213 9 红 871+2+3 4239 10 红 878+9 6035 11 红 876 286 3104 12 红 874 262 2011 13 红 874+6+7 2313 2676 14 红 8712 337 4898 15 红 8710+11 2667 16 红 879 2424 17 红 878302 3060 18 红 873+4+6+7 2270 2226 2135 19 红 876+7+8+9 2289 3553 20 红 874 0851 21 红 871 2226 1622 22 红 871+6+7 2262 2204 4738 23 红 878 2332 24 红 874 4787 25 红 874+6+7 278 1280 26 红 8712 369 4054 27 红 879+10 3099 28 红 876 307 2394 29 红 878+9 297 3677 30 红 874 3427 31 红 874 1662 32 红 871+2 2327 33 红 87306 3336 34 红 8712 3320 35 红 874+5+6 0559 36 红 875+6 3119 37 红 8712 2666 38 红 874+5+6 2755 39 红 8710+11+318 6872 40 红 874+5+6 213 3328  9 41 红 8710+11+12 3166 42 红 875+6 251 3187 43 红 875 4553 44 红 8712 2260 3269 45 红 8710+11+12 4679 46 红 876 3790 47 红 8710+11 2275 4702 48 红 8710+11+12 3580 49 红 8710+11+12 2295 3392 平均    3263 序号  井号  层位  顶  底  静态泊松比  静态杨氏模量  脆性指数  1 红 87Ⅲ  2182 3648 2 红 87Ⅲ  3502 3 红 87Ⅲ  2232 1191 4 红 87Ⅲ  2484 5 红 87Ⅲ  191 2624 6 红 87Ⅲ  1490 7 红 87Ⅲ  2612 8 红 87Ⅲ  2226 2215 2783 9 红 87Ⅲ  2183 9868 10 红 87Ⅲ  1830 平均    GⅢ  2203 序号  井号  层位  顶  底  声波时差  泥质含量  静态泊松比  静态杨氏模量  岩石抗张强度  垂向应力  水平最大  水平最小  水平应力差  1 红 879 2345 2341 4124 51 2 红 876+7 2330 5181 51 3 红 873+4 3299 50 4 红 876+7 1741 50 5 红 8710 2917 51 6 红 877 307 0314 50 7 红 871+2 3915 49 8 红 876+8+9 312 5213 51 9 红 871+2+3 4239 50 10 红 878+9 6035 50 11 红 876 286 3104 50 12 红 874 262 2011 49  10 13 红 874+6+7 2313 2676 50 14 红 8712 337 4898 51 15 红 8710+11 2667 51 16 红 879 2424 50 17 红 878302 3060 50 18 红 873+4+6+7 2270 2226 2135 49 19 红 876+7+8+9 2289 3553 50 20 红 874 0851 49 21 红 871 2226 1622 48 22 红 871+6+7 2262 2204 4738 49 23 红 878 2332 51 24 红 874 4787 50 25 红 874+6+7 278 1280 50 26 红 8712 369 4054 52 27 红 879+10 3099 51 28 红 876 307 2394 50 29 红 878+9 297 3677 50 30 红 874 3427 48 31 红 874 1662 48 32 红 871+2 2327 47 33 红 87306 3336 50 34 红 8712 3320 50 35 红 874+5+6 0559 48 36 红 875+6 3119 48 37 红 8712 2666 50 38 红 874+5+6 2755 48 39 红 8710+11+318 6872 50 40 红 874+5+6 213 3328 48 41 红 8710+11+12 3166 50 42 红 875+6 251 3187 49 43 红 875

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