致密砂岩气藏压后返排技术设计优化研究

张盼盼,杨开利,蒲阳峰,张明浪

(陕西延长石油(集团)有限责任公司 延长气田采气二厂,陕西 榆林 718500)

关于致密砂岩压裂过程中压裂液的滤失速度的研究,国外许多学者在经过许多现场勘察和实验探索后,提出了各种有关滤失速度的计算框架。由于裂缝中压裂液压力大小会对滤失速度产生影响,学者们以裂缝里面压裂液压力的滤失速度为重点,提出了相关的计算模型[1]。以压裂裂缝这一状态为基础,学者们又通过研究裂缝里不断改变的压裂液,对以滤失速度为重点的模型进行了设计[2]。水力压裂滤失的快慢由于会受地层里天然裂缝的影响,因此以该问题为重点的研究被提出[3]。国内对于砂岩气藏的研究也较多。对压裂液滤失快慢产生影响的原因进行研究,且在天然裂缝性储存中,关于压裂液滤失快慢的模型被提出[4]。按照压裂液滤失过程中的渗流理论和高渗透储层压裂液滤失这些因素,对影响高渗层压裂液滤失快慢的因素进行探讨[5-6]。但是,水锁损害对致密砂岩气藏的压裂也会产生一定影响。因此,研究一种基于液氮增能的压裂方法,并设置实验对其效果进行了验证。

1 材料与方法

1.1 理论基础

1.1.1致密砂岩气藏

致密砂岩气藏是聚集在渗透率小于0.1×10-3μm2,而且孔隙度小于10%砂岩中的气藏[7]。

1.1.2水锁损害

在钻井、完井、修井和开采作业中,当某种不相混溶相渗进储层,或者多孔介质中本来所具有的不相混溶相饱和度扩大,都会对相对渗透率产生负面影响,这就会让储层渗透率和油气相对渗透度呈现显著变小的趋势。此时,当不相混溶相是水相时,此类现象就是水锁效应,为烃相时称作烃锁效应[8-9]。水锁效应会造成水锁损害,也就是指油井作业过程中水进入油层所产生的影响[10-11]。

1.2 液氮增能压裂技术设计

1.2.1液氮增能特性

1)液氮性质

气体状态下的液氮被称为氮气,氮气属于单质,本身无色无味无伤害,且具有较弱的化学性质,对于大部分液体都只是微溶[12-13]。

2)混氮气流体的流动情况

对于混气液体,其流动情况是根据混入气体的量所控制的。当混气液体里面的氮气干度值比52%低的时候,气体将会呈球形气泡的状态分布在液相里,当氮气干度处于54%～96%时,液相和气相会彼此不相容,此时若有适宜的发泡剂或稳定剂,那么可以形成泡沫,当氮气干度高于96%时,此时液膜会因为其薄的特性,不易容于大体积的气体,因此会形成雾,很难以此与气体分离。

1.2.2液氮增能压裂液的主要作用

根据液氮增能的特点,给出液氮增能压裂液的主要功能有:混氮降滤作用;混氮助排作用;协助携砂、悬砂作用;地层损害最小。

1.2.3液氮增能设计方法——恒定内相技术

国外学者提出,采取恒定内相手段能够增加砂液比。并且,利用恒定泡沫质量能够提高支撑剂的使用,减少液体和液氮的排量,从而让泡沫大小保持固定[17]。然而,使用恒定井底总排量,能够增强加砂后的泡沫质量[18]。

1.2.4液氮增能的实验设计

1)计算液柱压力

本实验的研究对象是川西地区典型低压致密砂岩气藏,按照现场状况,将储层垂直深度设置为1 500 m,将压裂液排量设置为4.0 m3/min,将液氮排量分别设置为100、12、150、180、200、250 Sm3/min,以此得到液柱的压力[20]。

2)储存增能

在能量进行存储时,此时利用高压可以压缩储层里的压裂液以及气相。因此,要实现液氮的助排作用,就需要用3段分段压裂技术,然后设定250 sm3/min的排量,以此进行液氮的伴注。

1.3 水锁损害实验设计探究

1.3.1实验材料

该研究采用的实验材料如表1所示。

表1 实验材料

1.3.2水锁损害评价试验

在各类作业实施时,由于低渗透率的气藏里含有的流体会对基质产生影响,因此给定的实验方法如下,首先对干岩样品的气相渗透率进行测量,然后利用高压气体来对岩心的气测渗透率进行测量。并给出水锁损害程度的公式:

式中:I是指水锁损害程度;K0是指未受到水锁损害的岩心气测渗透率;Ki是在各种时间下水锁损害后的岩心气测渗透率。

实验中,将直径2.5 cm,长3～4 cm的岩心放在Hassler岩心夹持器中。在实验过程中,没有必要把岩心取出来,这样既能提高实验精度,还能让操作变得简单。实验流程如图1所示。

图1 水锁损害实验流程

选取川西地区致密气藏各类储层岩样来完成岩心的制备,将其烘干、冷却后放在Hassler岩心夹持器里,以便于测量气测渗透率。在标准大气压和室温下,将岩心的一个端面放在其相应层段的地层水中,通过不同时间的自吸和足够长时间后的气驱来完成对应气测渗透率的测量工作。最后,分别计算水锁损害程度,实验过程中采取的气体是非湿润的氮气。

1.3.3探究压力与水锁损害程度的关系

在油气增产过程中,压裂时产生的外部压力会将地层水与外部流体进行压缩,然后使得储层中的含水量增加,从而增加水锁损害程度。实验中,通过对现场的岩心附加不同的力度进行模拟,然后对各种压力下的水锁损害程度进行评估,并以此为现场的压裂过程等增量工作奠定理论基础。

实验中,在出口端面施加不同大小的压力,压力由低到高,使相应地层水进入岩心造成水锁损害。实验对象为相邻的层段岩心,并分别给到0、5、7.5、10 MPa的压力来完成实验。此外,为了得到整个区域的气藏状况,利用10 MPa的压力对各类岩心进行水锁损害实验。

2 结果与分析

2.1 基于液氮增能技术的返排效果

2.1.1排液管内液柱压力的变化

通过计算,得到排液管内液柱压力的变化如图2所示。

图2 液氮伴注管柱井底压力对比结果

由图2可知,融入液氮后,排液管柱内的液体密度减小,液柱的井底静态压力也随之减小。在采取100 Sm3/min的排量完成伴注时,液柱压力减小了2.38%;液氮排量增加了3倍,出现1.1 MPa的井底液柱静压减低,压力减小了6.72%。以上结果说明压后井底液柱压力、增加返排压差时液氮伴注的可行性。

2.1.2储层增能效果

当使用3段分段压裂,并利用250 sm3/min的排量完成液氮的伴注时,其压力剖面如图3所示。

图3 水平井分段压裂储层液氮增能结果

由图3可知,与第3段相比,第1段的增能范围小,而且按次序依次降低。产生此情况的原因是液氮增能在较长的时间内分布较散,所以尽量让水力裂缝返排一起产生,这样全部段返排时的运排压差就会基本保持相同。

2.2 水锁损害模拟实验结果

2.2.1水锁损害程度

通过模拟实验,得到不同自吸时间下的水锁损害程度如图4所示。

图4 水锁损害程度研究结果

由图4可知,川西地区的致密气藏在自吸地层水时,其损害程度在0.40～0.45。岩心在最开始自吸时,随着自吸时间的不断增大,水锁损害程度也在不断加深。然而,当自吸到120～150 min左右,其水锁损害的程度变得基本不明显了。

2.2.2压力对水锁损害程度的影响

通过模拟实验,得到压力对水锁损害程度的影响如图5所示。

(a)不同压力

由图5可知,压力越大,而且持续时间越长,水锁损害程度越高;压力较小时,随着加压时间的增大,水锁损害也会持续增强。当压力较大时,加压时间越少,其损害程度就增强得越明显,但在此之后基本上就会变得平缓。而且到一定时间就不会扩大了。上述结果说明,致密岩心中水饱和度到达一定值时,过多地层水的引入不会对其水锁损害程度产生影响。

3 结语

为提高致密砂岩气藏压裂时的返排能力,采用液氮对气藏的压裂方式进行了改进,实验结果表明,利用液氮对气藏进行压裂时,返排时的运排压差虽然较不一致,但其仍然能够降低井底液柱压力,整体上提高返排能力。此外,在设计相关水锁实验对影响水锁损害的因素进行探索时发现,压力越大,加压时间越长,水锁损害越严重。这说明,可以通过减小压力来减小水锁损害的程度。研究不足之处在于,利用液氮对气藏返排压差要求进行优化时,没有开展气藏地层压力模拟,为液氮优化提供精确依据,后续将完善此问题。