东胜气田致密底水气藏封堵底水压裂技术研究

梁志彬

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006）

东胜气田杭锦旗区块位于鄂尔多斯盆地北部，属于低孔低渗透致密储层，需经压裂改造才能获得经济有效开发，该区块目前有三级地质储量9 372.05×108m3，其中含水储量5 580×108m3，占比接近60%[1]，如何实现含水储量的有效动用是目前亟需攻克的难题。杭锦旗区块锦66 井区属于低孔、低渗、低丰度的岩性构造气藏，主力气层盒2 层埋深2 200～2 400 m，平均孔隙度11.49%，平均渗透率2.72×10-3μm2，底水气层发育，纵向上遵循上气下水的分布规律，气层和水层之间无隔层和夹层较薄，气层、水层分布不连续，无统一的气水界面，压裂改造后部分井产水量大，制约了产能的进一步提升[2]。国内外底水气藏的增产改造工艺以控缝高压裂[3-5]和改变相渗压裂为主[6，7]，控缝高压裂在锦66 井区由于采用小排量、小规模施工，压后增产效果较差，改变相渗压裂技术采用较大规模施工，有一定增产效果，但压裂后会沟通水层，也会出现含水率较高、有效期短的现象，长期生产存在井筒积液的问题。本文提出了一种遇气溶解、遇水固结的底水封堵材料对气藏的底水层进行堵水压裂，达到对底水气藏压裂改造控水增气的目的。

1 封堵底水压裂技术基本原理

东胜气田锦66 井区底水气藏储层物性差，砂体内含有气层和水层，水层位于砂体下部，气层和水层间无隔层或隔层较薄，压裂改造既要增加储层改造体积，又要控制裂缝高度，以免沟通水层，两者之间存在矛盾。封堵底水压裂技术是以造长缝、不控缝高、扩大改造体积和封堵底部水层为目标，以遇气溶解、遇水固结材料为载体，并配套以相应的压裂工艺，实现对底水的封堵和气层的支撑，达到控水增气的目的。

封堵底水压裂施工步骤为：（1）前置液阶段大排量施工压开气层和底部水层并造长缝，前置液中携带遇气溶解、遇水固结堵水材料；（2）小排量顶替并停泵，使得堵水材料在裂缝内充分沉降并固结，封堵已压开的水层裂缝；（3）进行加砂压裂作业，支撑上部气层；（4）压裂作业结束后，关井，待堵水材料在水层裂缝内固结形成非渗透性固化块，同时上部气层中的堵水材料遇气溶解后，开井排液、生产。由于在裂缝下部水层由堵水材料胶结形成的非渗透性固化块能对底水起到堵水作用，同时延长堵水有效期，上部支撑剂使气层具备正常导流能力，保留气体流通通道，从而降低产水量，提高产气量。

2 封堵底水材料研制及性能评价

成功实施底水气藏封堵底水压裂的关键是封堵底水层的堵水材料。为能封堵底水层，要求封堵底水材料能快速下沉至裂缝下部，并在储层温度下具有较强的固化胶结能力，且固化后渗透率低，底水不能通过裂缝进入上部气层。

2.1 封堵底水材料研制

封堵底水材料研制的总体思路为该材料能够遇水固结、遇气溶解（见图1）。遇气溶解能力实现方面通过天然气组分分析，采用相似相溶原理优选溶剂，共优选出4 种满足相溶结构的基础材料：A、B、C、D，根据所筛选的4 种溶剂的溶解度参数，优化得到最优的混合溶剂比例：A:B:C:D=3.5:1.5:1.0:4；在遇水固结能力实现方面，在主体溶剂中加入固结添加剂，在水分子的H 键结合条件下实现固结，本堵水材料固结添加剂通过室内多次实验，优选为萜烯树脂。在主体材料确定后，为满足储层温度条件，通过添加剂控制其软化温度，实现60～100 ℃温度下的“软化-遇水-固结”过程。堵水材料的密度为1.9 g/cm3，粒径为40～70 目或20～40 目。

图1 混合溶剂材料在类天然气中的溶解情况（0 h、24 h、48 h）

2.2 封堵底水材料封堵能力评价

将封堵底水材料与支撑剂按1:1 比例混合（均为20～40 目），加入地层水，将其铺置于实验仪器导流室内，加闭合压力45 MPa，加热至90 ℃，使堵水材料固结，实验测试4 h 完成固结。之后连接流程，在45 MPa的闭合压力、90 ℃下定压驱替，从1 MPa 开始以5 MPa为间隔增加驱替压力（每个压力稳10 min）测定渗透率，直至驱替压力达到20 MPa。实验结果：1 MPa 时通水时出口端有液体流出（平均流量0.2 mL/min），13 min后无液滴出现。不断提高驱替压差至20 MPa（导流室长度17.78 cm），均未突破，封堵性能较好（见图2）。

图2 堵水材料封堵能力测试

2.3 封堵底水材料气溶解性能评价

将堵剂固结后取适量称重放入密封瓶，采用排水集气法充甲烷至密封瓶内，水浴加热至90 ℃，取出堵剂称重；重复做实验，测试不同时间下的溶解率。实验结果表明，加热6 h 堵剂的溶解率可达到69%～78%。

2.4 封堵底水材料沉降能力评价

取20～40 目，密度为3.0 g/cm3的陶粒和20～40 目，密度为1.9 g/cm3的堵水材料按不同体积比混合，将二者混合均匀，在堵剂与支撑剂混合物中加入清水，模拟二者在混砂车中搅拌混合，将堵剂和支撑剂的混合物放入装满液体的量筒中，从倒入液面开始直至所有颗粒沉入底部记录整个时间，用液面高度除以时间则为沉降速度。实验结果（见表1），堵水材料与支撑剂混合后沉降速度大于纯堵水材料的沉降速度，静止沉降速度大于搅拌沉降速度。

表1 堵水材料沉降速度测试

3 封堵底水压裂工艺参数优化设计

3.1 封堵底水材料加量计算

为了使堵水材料充分沉降，且在裂缝远端铺置的下沉剂浓度达到最高，起到尽可能避免后期生产裂缝远端的底水突破至产层出水，可以选择堵水材料从气层上部加入最佳，因此，裂缝两端形成两个砂丘，中部砂堤高度最低。

假设水层都压开，通过模拟计算堵水材料和支撑剂不同混合比例（1:1、1:0.5、1:0），在支撑缝长分别为80 m、100 m、120 m、140 m、160 m 情况下，对应不同水层厚度所需的堵水材料加量（见图3～图5）。

图3 不同缝长、水层厚度下堵水材料用量（1:1）

图4 不同缝长、水层厚度下堵水材料用量（1:0.5）

图5 不同缝长、水层厚度下堵水材料用量（1:0）

东胜气田锦66 井区水层厚度一般为5～6 m，支撑缝长为150 m，根据以上优化结果，同时考虑成本，采用堵水材料与支撑剂按1:0.5 比例混合加入，下沉剂加量为4～5 m3。

3.2 堵水材料泵注排量优化

注入的水材料既要保证到达人工裂缝远端铺置一定的浓度，又要保证向下沉降形成足够的遮挡，排量过大，可能突破气水层所在的砂体，排量过小，可能未形成足够长的人工裂缝。对于东胜气田锦66 井区，气层与水层之间无隔层或隔层较薄，为避免人工裂缝过度延伸，设计最高排量不超过5.0 m3/min，同时考虑常用压裂管柱结构和尽量增加裂缝长度，一般设计堵水材料泵注排量为3.0～4.0 m3/min。

在主加砂压裂之前进行小排量顶替，目的是形成的人工裂缝保持张开，堵剂充分沉降，表现出施工过程中压力平稳，当注入裂缝内的液量等于裂缝内液体向地层滤失的液量即达到理想情况，堵水材料处于平稳状态，设计顶替排量1.0～1.5 m3/min。

3.3 停泵时间优化

东胜气田锦66 井区压裂液采用0.4%HPG 压裂液体系，基液黏度45 mPa·s 左右，根据前期沉降速度测试结合压裂人工裂缝缝高（20～25 m），优化停泵时间2～3 h。

4 结论与认识

（1）底水封堵材料具有在60～100 ℃下遇水固结、遇气溶解的特性，堵水材料在东胜气田储层条件下固结后封堵压力可达20 MPa，遇气溶解率达70%以上，对底水气藏具有良好的封堵底水能力。

（2）底水封堵材料密度1.9 g/cm3，在胍胶压裂液中具有良好的沉降性能，能够满足裂缝内底水封堵材料快速沉降的目的，有利于堵水材料封堵底水层。

（3）优化出不同支撑缝长下对应不同水层厚度堵水材料的加量，对现场施工提供了有利的支撑。