多级加砂压裂工艺在致密气储层中的应用

袁文奎，王明昊，王绪性，陈 玲，周 彪

(1 中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459；2 天津市海洋石油难动用储量开采企业重点实验室，天津 300459；3 中联煤层气有限责任公司神木分公司，陕西 榆林 719300)

水力压裂技术是世界范围内目前应用最广的增产技术之一，广泛应用于低渗致密砂岩油气藏、页岩气、煤层气等不同类型储层中。其中多级加砂压裂技术是近些年在各大油田中广泛应用的一项技术，广泛应用于疏松油藏、致密气藏等不同储层中。多级加砂压裂技术已经在国内油田广泛应用[1-5]，主要针对储层非均质性强、目的层下隔层遮挡弱、储层厚度大等情况。本文针对鄂尔多斯盆地发育有煤层的致密砂岩层，在压裂改造中出现的施工压力异常上升、加砂困难等问题，针对性的提出了多级加砂技术，现场应用后大大提高了压裂作业的成功率。

1 致密气储层压裂特征

鄂尔多斯盆地东缘致密气藏发育，主力层位有石盒子组、山西组、太原组等。其中山西组、太原组上下多发育煤层，复杂岩性的存在导致压裂过程中压力异常波动，加砂完成率低，影响了储层改造效果。图1[6]所示，在鄂尔多斯盆地东缘晚古生代沉积剖面上发育有连续的多套煤层。上部发育有大段泥岩遮挡层，可以有效控制裂缝向上延伸；目的层下部紧邻煤层，压裂设计时需要考虑煤层对裂缝扩展的影响。

图1 鄂尔多斯盆地东缘晚古生代含煤地层剖面

图2为类似储层压裂施工曲线，采用带封隔器油管正注方式压裂。从曲线可以看出，5%～7%砂比段塞进入地层后，油压有轻微的上涨，之后平稳；14%砂比进入地层后，油压上涨趋势明显。20%砂比阶段，油压持续上涨；提高砂比至25%后，油压快速上涨，之后停砂顶替，顶替阶段发生超压。本井未按照设计完成压裂作业。

图2 某1井本溪组压裂施工曲线图(油管正注带封隔器)

为解决含煤层或灰层致密气储层压裂过程中，中-高砂比阶段(15%以上)压力快速上涨问题，现场试验应用了二级、三级等多级加砂技术，根据储层物性及压裂设计需求，将总砂量分成多批分次加入地层。如图3所示，分三级加入支撑剂，每级加入之间停泵一段时间，待支撑剂沉降后在裂缝底部形成一定的遮挡层，再次加砂时裂缝在高度方向延伸受限，增加裂缝长度与宽度，达到裂缝在目的层内充分延伸的目的。

图3 多级加砂示意图

2 多级加砂压裂工艺参数设计

区别于常规加砂压裂，多级加砂压裂最重要的工艺参数是加砂“级数”的选择、停泵时间的确定，因此在工艺设计上与之前方法比有些许不同。

2.1 加砂级数确定

加砂级数是该工艺最关键的参数。加砂级数少，达不到形成人工隔层、充分改造储层的目的；加砂级数多，则压裂液用量大幅度增加，成本上升。关于加砂级数，尚未形成理论化的设计方法，目前主要有两种确定方法：一是根据储层厚度及储层物性，利用模拟软件进行优化，确定加砂级数[4]；二是利用压裂模拟软件，在不同加砂比例、加砂级数条件下进行模拟，根据得到的裂缝参数变化规律确定加砂级数。

一般认为，渗透率越低，需要的压裂级数越多；储层厚度越大，需要的压裂级数越多；储层下部岩性越复杂，需要的压裂级数越多。目标区块渗透率多在0.5 md以下，储层厚度在5～10 m左右，一般多设计2级加砂；对于下部发育有大段煤层或灰岩的储层，可以设计3级加砂。

2.2 停泵时间确定

对于多级加砂而言，停泵时间短，之前形成的裂缝尚未闭合，支撑剂沉降不完全，不能很好的起到人工隔层的作用；停泵时间长，压裂液滤失大，对储层的伤害就大。通过裂缝闭合情况，可以确定停泵时间。裂缝闭合时间的确定主要依据本区块小型压裂压降分析数据确定。

以某1井为例，利用FracProPT对该井压降曲线进行分析。从图4可以看出，通过G函数分析确定该井目的层闭合压力梯度为0.0171 MPa/m，折算地面闭合压力为14.6 MPa。该井进行多级加砂压裂时，当停泵期间压力降至14.6 MPa左右时，认为裂缝接近闭合，可以进行下一级压裂作业。

图4 某1井测试压裂压降曲线G函数分析图

此外，从该井G函数曲线分析，该井滤失特征表现为停泵期间裂缝高度衰减[7]。认为缝高延伸到目的层以外高应力储层，停泵期间非目的层先闭合，之后目的层内裂缝闭合。这与储层物性发育特征及裂缝扩展特征相符合。

3 现场应用实例

某3井目的层下部发育有灰岩，上部泥岩隔层发育，如图5所示。为更好的控制裂缝在目的层内延伸，本井设计2级加砂压裂：一级设计加砂6.6 m3，施工排量3.0～4.5 m3/min，砂比5%-7%-14%，线性胶加砂；二级设计加砂29.4 m3，施工排量3.5 m3/min，砂比14%-20%-25%-30%-35%，冻胶加砂。设计停泵时间60 min，根据区块同一层位闭合压力数据，预测该井地面闭合压力为15 MPa；现场根据实际压降情况确定停泵时间，施工曲线见图6所示。

图5 某3井目的层测井解释成果图

图6 某3井多级加砂压裂施工曲线

从图6可以看出，多级加砂压裂主要有以下特征：

(1)二级加砂的施工压力高于一级加砂。从油压曲线看，二级加砂的施工压力比一级加砂高1～3 MPa；此外，一级加砂停泵压力为18.1 MPa，二级加砂停泵压力为21.6 MPa，这都表明二级加砂缝内净压力比一级加砂高，形成的裂缝宽度更大。

(2)对比常规加砂，多级加砂作业过程中施工压力更为平稳；从施工成功率来看，对于复杂岩性储层，多级加砂要高于常规加砂。

4 结 论

对于目的层下部含有煤层等复杂岩性的储层，采用多级加砂压裂工艺，可以控制裂缝向下扩展。二级加砂主裂缝主要在一级加砂形成的裂缝基础上延伸，更有利于致密气储层形成长缝的需求；同时因二级加砂是裂缝纵向延伸受限，缝内净压力高于一级加砂，形成的裂缝宽度更大，近井筒地带导流能力更高。