改进Appalachian盆地Utica页岩水力压裂方法的研究

2010-08-15编译邹一锋油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学

石油石化节能 2010年6期

关键词：支撑剂导流活性剂

编译:邹一锋 (油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

审校:郭建春 (油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

改进Appalachian盆地Utica页岩水力压裂方法的研究

编译:邹一锋 (油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

审校:郭建春 (油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

应用于Utica页岩油藏的很多增产措施都告失败,失败的原因归咎于几个因素,包括信息组成、排驱压力、过早的前置液滤失等。研究中首先统计油藏的地质数据,然后使用实验室数据来描述Utica页岩的岩石矿物成分和力学性质。高百分比的酸溶性碳酸盐和白云岩表明有必要进行低注入压力下的酸化处理。因为存在天然裂缝,酸处理是直井和水平井的主要增产措施,也可在稠化酸或加砂压裂之前进行酸压,或者用交联压裂液处理。实验结果显示了黏土、潜在生成的细小硅化物和有机物、低温生物活性、潜在垢的产生、注入流体返排等的影响。通过酸强度随时间变化关系来说明酸的溶解性。列出了页岩气体压裂、基质酸化、加砂压裂的导流能力数据。在可供选择的添加剂组合和表面活性剂类型下,对吸附性以及所得的气体相对渗透率进行比较,这将优化流体返排和气体相对渗透率。研究中获得的信息可以用于优化Appalachian盆地Utica页岩油藏的压裂措施。

水力压裂页岩酸化处理返排

1 储集层特征

有关Utica页岩孔隙度和渗透率的数据较少。然而,通过一家商业实验室分析少数Utica页岩样品,表明了这些岩石的致密性。4个样本的孔隙度范围为 3.7%～6.0%,而渗透率的范围为0.000 080～0.003 583 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。Utica页岩的致密性可以通过电子扫描显微图像观察到,偶尔有大颗粒的石英分布在黏土颗粒骨架上。

结合Utica页岩样品吸附等温线分析和计算含气饱和度,结果显示在 Utica页岩孔隙中大约有25%的气体。

2 流体遴选标准

选择获取天然气的方法是非常重要的,并且要考虑每种增产方法的成本。力学性能表明水平井可能是一个可行的选择。不管钻的是直井还是接近直井,都有多种增产方法可供选择,每种增产方法都要根据矿物成分来选择流体和添加剂类型。

流体的选择需要考虑到:储层黏土含量高、潜在硅化物和有机质微粒的产生、酸溶解度、低温微生物活性、潜在水垢的产生、注入液的返排。

2.1 黏土和微粒的影响

因为黏土含量高需要使用 KCl来稳定黏土。可以使用聚合物类的黏土稳定剂来减轻黏土的运移。在此情况下,分子量较低的稳定剂将黏土和有机物控制在原地,避免黏土和有机物堵塞支撑剂的注入,并不会损害脆性岩石骨架的渗透率,这些对气体流动机理来说是首要的。如果是加砂压裂,流动的微粒对产层导流能力会有影响。通常铺砂浓度为1.0 lb/ft2(1 lb/ft2=4.886 kg/m2)的30/50目支撑剂填充层在5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)闭合压力下的导流能力为900 mD·ft。增加的黏土微粒可使产层填充层的渗透率降到预期值的一半以下。

首先用混杂有未经清洗的Utica页岩碎片的20/40目石英砂塞满1 ft(1 ft=30.48 cm)长的填充柱。水以80 mL/min的速度流过填充柱,测量渗透率与时间的关系。在测试中只用清水,渗透率将逐步降到原始值的50%以下。用2%KCl,渗透率下降情况与前者相似,渗透率略高是由于岩石膨胀减少。在这项测试中,如果岩石填充柱用2% HCl和5 gpt(gal/t,1 gal=3.785 L)的微粒稳定剂处理,在流量测试过程中的清水渗透率保持在110 D以上。这标志着该微粒稳定剂成功地将微粒控制在了原地,从而防止岩石填充柱渗透率降低,也就大大地减少了微粒从岩石填充柱中分离出来。

2.2 酸溶解度测试

对粉碎Utica页岩样品进行酸溶解度测试,岩样是从纽约州收集的岩石露头。先用2%KCl溶液把粉碎页岩上的微粒清洗掉,在测试前先放到温度超过125℉的烤箱中烘干。每次测试放5.0 g干燥的Utica页岩到烧杯中,然后和不同浓度的 HCl反应一定时间。然后将每个样本洗净,烘干,并称重,最后确定岩石的溶解百分比。在一定酸浓度和接触时间作用下,测得岩样的酸溶解度在30%至38%之间。5%HCl足以溶解岩石中的酸溶性物质。在实际工作设计中,要适当控制酸的溶解度,确保酸能到达预期的穿透深度。

2.3 低温微生物活性

在相对低温80～125℉下,非常适合微生物活动。注入水中必须要有足够的杀菌剂,以防止厌氧细菌生长。当井已经完井或正在生产,添加剂将要在长达数年的时间内防止细菌生长。

2.4 阻垢剂

注入水在碳酸盐岩/白云岩环境中有可能结垢并堵塞天然裂缝或支撑剂充填层,这可以通过在注入流体或支撑剂充填层中加少量的阻垢剂来预防。

2.5 注入液的返排

页岩井返排率在15%至30%是很常见的,因此在地层中会留下大量的流体。这些滞留在地层中的流体降低了气相相对渗透率。有很多方法可以减少流体入侵和滞留,包括气体压裂、泡沫压裂和利用表面活性剂帮助流体返排的水力压裂或酸压。

3 裂缝性岩心实验

如果岩石力学性能不容许进行压裂,一种可以选择的完井方式是用添加有水基液助排剂的酸液体系对天然裂缝进行基质酸化。这种方法对水平井非常有效。一旦这些天然裂缝被压开,就可注入支撑剂,以增加这些裂缝的导流能力。注入各种流体后,进行多次测试来确定裂缝导流能力:①注氮气只能模拟气体压裂和测量对甲烷气体的导流能力;②注3%的HCl溶液其后跟着注氮,并确定对甲烷气的导流能力;③注3%HCl溶液其后跟着注支撑剂 (5/30目)浓度为 1lb/ft2稠化水/酸压裂液。这些测试资料说明,最好用酸进行预处理确保裂缝破裂和起裂。多数压裂应该采用加有添加剂的水基压裂或泡沫压裂。

4 处理液优化测试

4.1 页岩填充柱吸附试验

评价吸附的主要方法是测量注入流体的表面张力。数据的解释是基于这样一个前提:当含有表面活性物质的流体通过填充柱时,一些表面活性剂被吸附到岩石介质中去。因此,流体流到离注入点越远的位置,流体的表面张力就越高。在这项研究中,表面张力活性的任何改变都被认定为表面活性剂被吸附到页岩填充柱中的岩石骨架上了。

4.2 表面活性剂的选择

测试选定的表面活性剂包括:含有12 mol环氧乙烷的非离子型C10直链醇 (AE)、含有11 mol环氧乙烷的醇醚支链非离子型微乳液 (ME)、含有15 mol环氧乙烷的阳离子型乙氧化胺 (CA)、含乙氧乙醇基的氟表面活性剂 (FS)。

4.3 吸附测试设备

吸附测试:向岩石填充柱注入测试流体使之通过圆柱。岩石填充柱长4 ft,内径1.50 in(1 in=

25.4 mm)。填充柱安装在一个垂直的位置上。岩石填充柱每隔1 ft就有一个用来收集液体的分流孔。本岩石填充柱塞满8/12目的粉碎Utica页岩,使流体运移贯穿整个页岩填充柱。然后把干燥的氮加压装置直接连到4.5 gal蓄电池上,利用加压装置将处理过的流体注入到页岩填充柱中。这种装置在30 psi下运行。

在注入各种表面活性剂之前,先用2%KCl盐水溶液将页岩填充柱饱和,以稳定黏土。在每隔1 ft的间隔上收集样品,并测量每个样品的表面张力。因为表面活性剂溶液取代了2%KCl溶液,使表面张力下降。重复进行这些步骤,直至从整个4 ft长填充柱上的每个端口都收集了61倍孔隙体积的流体为止。

测试结果表明ME滞留量最少,而FS滞留量最多。以前的研究表明,在表面活性剂测试中,即使在浓度剧减的情况下,ME仍是最有效的。该三相微乳状液的泰森多边形结构表明该表面活性剂性能对整个地区的页岩具有很好的适用性,使之成为更有效的流体。据预测,页岩基质表面堆积较高的ME表面活性剂为返排过程提供了一些被俘获的表面活性剂,从而更好地促进裂缝中液体的返排。

4.4 页岩岩心的排液测试

Bannion等对岩心流动相吸收实验进行了描述。在这个实验中,低渗透岩心用2%KCl饱和,并用2 gpt AE和2 gpt ME处理。结果显示,AE在1500 psi时返排率为10%,在3000 psi时返排率为20%。ME至少在100 psi时才开始返排,在1500 psi时返排率为30%,在4500 psi时返排率为80%。

相吸收实验表明,改变毛细管压力有利于液体在低压下流动。但也有人观察到,用ME处理过的岩心水饱和度小于10%,气测相对渗透率是传统方法的2倍。

5 现场实验

初期在Utica地区进行了不同规模的压裂。因为所有的页岩都有不同程度的天然裂缝存在,研究表明大部分油藏增产措施是否成功与油藏体积有关。使这些含油体积较大的Appalachian页岩层产量达到更大,初期的施工规模为25×104～50×104gal压裂液和50×104lb(1 lb=0.454 kg)的支撑剂,现在的施工规模是近1×106gal压裂液和1× 106lb的30/50目支撑剂。

为什么设计用量这么大?这取决于油层厚度。微地震表明,有更多的油藏体积成为可以增产的油藏体积。同时,该地区更大规模的增产措施可能增加油藏增产体积 (SRV)和最终估算的储量(EUR)。施工规模的优化需要微震信息。

从经济的角度来看,水力压裂成本要相对低些。必要的添加剂包括用以降低60%的泵送压力的降阻剂、杀菌剂和提高流体返排率的添加剂组合。支撑剂需要实验室数据来支持其性能,以确保油藏压力衰竭时裂缝的导流能力。有些Barnett施工人员通过增加压裂液量和提高支撑剂密度获得了良好的增产效果。有的加入等量的氮气体积。正如上文所指出的那样,其他添加剂可能是有益的,包括防垢剂和微粒稳定剂。

随着Barnett地区技术的进步,水平井钻井活动日益增多。对于Utica页岩油藏,也将有越来越多的水平井。一旦钻井,完井技术就是个问题。因为不能进行多次压裂,尤其是在泊松比低的地区,所以加入稳定剂酸洗交叉天然裂缝可能是有益的。