改善查干凹陷压裂效果技术研究与应用

聂建华，魏美涛，耿智强

（1.中原油田分公司内蒙探区勘探开发指挥部，河南濮阳 457001；2.中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳 457001；3.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500）

随着中原油田在内蒙探区勘探工作的推进，在内蒙探区查干凹陷发现了一定规模的非常规火成岩储层，该火成岩储层具有岩性变化大，地应力分布复杂，成藏条件差，破裂压力高，地层温度高，压裂施工难度大，采用常规的压裂工艺技术难以达到理想的效果。为解决查干储层压裂技术难题，在通过对国内外火成岩储层压裂技术调研和前期压裂资料总结的基础上，依托中国石油大学（北京）加大室内基础研究，开展储层地应力敏感性实验评价和伤害评价、查干凹陷火成岩前期压裂效果分析及储层压裂的渗流特征研究、油藏应力场分布特征研究、压裂液体系配方开发研制和降滤失实验评价、加砂支撑剂携砂能力研究、压后返排制度优化研究、工程设计方案的优化设计及现场施工应用，全面、深入地分析火山岩油气藏的储层特征，研究起裂压力、渗流机理、裂缝延伸机理和储层的伤害特征[1]，将研究成果应用现场取得了较好的效果，丰富和完善了中原油田内蒙探区压裂工艺技术体系，对该类储层下步勘探开发的突破具有重大意义。

1 油藏概况

查干凹陷位于银根-额济纳旗盆地中央隆起东北部查干德勒苏拗陷，南为本巴图隆起，东南紧靠狼山，东北部与白云查干凹陷相邻，西临西尼特凸起，呈不规则菱形，长约60 km，宽约32 km，面积约2 000 km2，凹陷的基底最大埋深为6 400 m。凹陷内钻井资料揭示，苏一段、苏二段火山岩厚达379 m～642 m，占地层厚度的50 %以上，主要为玄武岩、安山岩和凝灰岩，它们发育有气孔构造、裂缝等储集空间，是良好储层。储集空间是原生孔隙和原生裂缝，局部为由于后期溶蚀作用产生的溶蚀孔隙和构造作用产生的构造裂缝。储层平均孔隙度为10 %左右，渗透率为0.101×10-3μm2～16.4×10-3μm2。

2 基础研究及室内评价

2.1 储层敏感性评价

通过对苏一段和巴二段两个储层的钻井所取的28 块岩心，经过反复实验探索，采用小流量和定压的方法，分别开展了水敏、酸敏、碱敏、速敏、盐敏和压力敏感性实验结果（见表1），对储层敏感特征进行了总体评价。苏一段速敏伤害程度弱，水敏性不强，对酸敏、碱敏和应力敏感性都较弱。巴二段速敏伤害程度属于中等偏弱，水敏损害程度中等偏弱，酸敏感性强，碱敏感性中等偏强，应力敏感性也较弱。

表1 岩心敏感性实验结果汇总表

结合苏一段和巴二段储层黏土矿物进行分析，探寻了导致其储层伤害的主要因素，同时制定了相应的对策。通过室内实验发现苏一段和巴二段储层的敏感性差异较大；巴二段的酸敏和碱敏损害较强主要是由于岩中含有较多的绿泥石和方解石胶结物；苏一段的速敏、水敏和盐敏较强的直接原因是岩中高岭石胶结物的含量较高；苏一段主要损害因素是外来固相颗粒损害，其次是储层敏感性因素；巴二段主要损害因素是外来固相颗粒损害和碱敏、速敏和酸敏。因此在施工措施中入井液体可以考虑精细过滤和防膨处理，以减少固相颗粒对裂缝和溶蚀孔隙的堵塞；该区块破裂压力较高，但巴二段不易进行采用前置酸处理进行降低破压的工艺，可以探索其他的降低破压的工艺；压力敏感性属于中等偏弱，为防止地层应力敏感性引起的不可逆性地层伤害，应尽量控制压差在合理的范围内。

2.2 前期压裂效果评价

通过对查干凹陷前期11 口井25 井次的压裂井资料的收集整理，应用“灰色关联度分析”开展地质效果评价和工艺效果评价，得出影响压后产能和施工的主次因素。地质因素选取了厚度、孔隙度、渗透率、含油饱和度与压后产能进行灰色关联度的分析，分别得出了苏一段和巴二段4 种地质因素与压后日产油的灰色关联度和排序情况（见表2、表3）。工艺参数选取了前置液百分数、施工排量、加砂强度、平均砂比与压后产能进行灰色关联度的分析，分别得出了苏一段和巴二段4 种施工因素与压后产能的灰色关联度和排序情况（见表4、表5）。

表2 地质因素与压后产能的灰色关联度（苏一段）

表3 地质因素与压后产能的灰色关联度（巴二段）

表4 施工因素与压后产能的灰色关联度（苏一段）

表5 施工因素与压后产能的灰色关联度（巴二段）

对比地质因素和施工因素与产能的灰色关联度发现，地质因素与压后产能的灰色关联度较施工因素与压后产能的灰色关联度略大，突出了选井选层的重要性。施工因素与压后产能的灰色关联度说明了施工过程中排量和砂比的重要性。

2.3 储层渗流特征分析

通过对苏一段与巴二段的储层岩石学特征进行研究，表明苏一段储集空间类型以粒间溶孔为主，少量裂缝和粒内溶孔，颗粒表面微裂缝发育，沿微裂缝方向发育溶孔，但孔隙连通不太好；而巴二段以碎屑岩为主，主要的储集空间类型粒间溶孔为主，其次为粒内溶孔和构造缝，微裂缝不发育（见图1）。通过对苏一段173块岩心的孔渗关系与巴二段的188 块岩心的孔渗关系统计分析研究，表明巴二段的岩心孔渗关系相比苏一段的相关性好，孔隙度与渗透率在半对数坐标上具有较好的线性关系（见图2、图3）。

通过对巴二段的压力敏感效应实验结果的分析（见图4），得出该段随着净应力的增加，表现出较强的应力敏感性，并且当压力恢复时，渗透率不能恢复到初始状态，说明发生了一定的塑性变形，且其应力敏感程度属于中等程度。通过常规压汞实验研究，结果表明苏一段和巴二段储层孔喉半径分布以双峰为主，孔隙结构较为复杂，次生孔隙发育。对渗透率贡献最大的孔喉却占据较小体积，而主要的孔喉空间为中、小孔喉，其对渗透率贡献很小，非有效孔喉体积较大。

图1 苏一段与巴二段孔隙类型图

图2 苏一段碎屑岩孔、渗关系图

图3 巴二段碎屑岩孔、渗关系图

2.4 储层压裂特征分析

为充分了解苏一段、巴二段地应力的分布，分别对所取的岩心进行取芯进行三轴压缩实验，得到了岩心的杨氏模量、泊松比和抗压强度，为进一步压裂改造设计提供了科学依据。对应于岩心实验结果，苏一段、巴二段各选取了2 口井进行储层井段的地应力剖面处理解释。得出以下结论：岩石抗拉强度比较大，解释的结果同室内实验的结果较为吻合。误差率为：σh，14.6 %，泊松比，30.9 %，杨氏模量，12.9 %。地应力分布规律为垂向主应力σv＞最大水平主应力σH＞最小主应力σh，应产生垂直缝。从直井解释的地应力剖面来看，纵向地应力分布复杂，有的随井深的增加而缓慢增加，有的成S型分布，也有高地应力层段存在。在压裂施工设计和优化时应结合具体井的地应力剖面[2-5]，采用控制缝高向上或向下延伸的工艺技术。根据室内岩心实验解释结果，所取岩心泊松比相差较大，杨氏模量普遍较高，储隔层地应力差值较小，缝高易过度延伸，应采取控缝高的压裂技术。

图4 巴二段碎屑岩孔、渗关系图

2.5 压裂液体系优化

针对储层特征，优化出查干凹陷地区的压裂液体系，分别对筛选的压裂液开展室内评价和降阻剂配方优化室内评价（见表6），筛选出适用于查干凹温度范围（80 ℃、90 ℃、100 ℃），具有配方简单、溶解速度快、配制方便、成本低及对储层伤害低与储层配伍性良好特点的Gemini 双子表面活性剂体系。并通过降阻剂配伍性与岩心伤害评价表明[6]，防膨剂JS-7、助排剂DL-8 和杀菌剂甲醛与PJZJ-6 降阻剂配伍性良好，不产生絮凝或者沉淀物质，根据岩心流动试验表明添加降阻剂后对岩心所测渗透率伤害增幅平均为14.43 %。

表6 压裂液对岩心基质渗透率伤害的实验结果

2.6 压后返排优化设计

为了优选合适的放喷模式，分别进行裂缝自然闭合模式和强制闭合模式，在强制闭合模式中，计算了不同尺寸油嘴放喷时井口压力随时间的变化规律、裂缝的闭合时间[7]，并计算了裂缝闭合时井口压力的大小。优化设计了如下的返排放喷程序：裂缝在关井的情况下需要74 min 就可以闭合。由于人工井底近邻压裂目的层下部，如果有支撑剂回流，势必造成支撑剂掩埋井筒，因此，可以考虑关井74 min 后开始放喷。但这种情形下压裂液滤失到地层，对地层伤害也大，为了减小压裂液对地层的伤害，也可以采用3 mm 油嘴进行放喷，但放喷结束后必须冲砂。当井口压力降低到7.8 MPa后，表明裂缝已经闭合，可以改用大直径油嘴进行放喷，比如用5 mm 油嘴放喷。放喷的临界速度为24.88 m3/h，也就是说放喷速度不能超过24.88 m3/h，否则井底的支撑剂可能返排出井口，给井口采油设施造成伤害，如果放喷速度超过了这个临界值，必须更换小直径油嘴。随着井口压力的下降，返排速度也不断下降，可以根据需要逐步增大油嘴尺寸，原则就是不能超过临界返排速度，具体（见表7）。

表7 意15 井油嘴与压力关系表

3 现场应用及效果

根据查干凹陷的研究成果，并将研究成果应用于意15 井的压裂设计，意15 井于2014 年10 月18 日对井段1 536.3 m～1 608.0 m 进行了压裂施工，第一层破裂压力31.2 MPa，入井压裂液量198 m3，加入300 mm～600 mm 低密度陶粒12.5 m3，伴注液氮10 m3；投暂堵剂100 kg 进行第二层压裂施工，第二层破裂压力为32.3 MPa，入井压裂液量246.2 m3，加入300 mm～600 mm低密度陶粒32.1 m3，两层施工共加入压裂液444 m3，加砂43.6 m3，通过压裂曲线和G 函数曲线分析，证明暂堵剂满足方案设计要求。意15 井日产油量由压前试油期的油花达到压后初期日产油4 m3，提高了意15 井的产能，意15 井压裂工艺技术的成功为内蒙探区压裂工艺技术的突破提供了经验和技术方法。

［1］ 万仁溥，罗英俊.压裂酸化工艺技术［M］.北京：石油工业出版社，1988.

［2］ 熊湘华.低压低渗透油气田的低伤害压裂液研究［D］.成都：西南石油学院，2003.

［3］ 何萌，汪树军，等.一种低伤害压裂液的性能评价与现场应用［J］.钻采工艺，2015，（1）：102-104.

［4］ 高玉祥.优化压裂液及现场应用技术研究［D］.大庆：大庆石油大学，2006.

［5］ 曹广胜.3 种压裂液性能评价及其储层伤害原因分析［J］.大庆石油学院学报，2006，30（6）：34-36+123-124.

［6］ 柳慧，候吉瑞，王宝峰.减阻水及其添加剂的研究进展与展望［J］. 广州化工，2012，40（11）：35-37.

［7］ 董建华，等.地应力剖面在水力压裂施工中的应用［J］.大庆石油学院学报，2005，29（2）：40-42+123.