天然断裂带干扰下的复合暂堵压裂工艺参数优化

宋志同,王峻源, 徐伟宁,李 宁,冯学东,吴保中

(1.中国石油集团西部钻探工程有限公司试油公司,新疆克拉玛依 834000;2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司开发事业部,四川成都 610212)

页岩气储层改造过程中原则上应尽量避开断层,若断层是富集气区域,有效沟通天然裂缝对产量有极大的提升,但施工过程中既要合理沟通断层又要克服断层的应力集中及强滤失等不利影响,这是页岩气储层改造的难点。

研究区属于长宁区块优质页岩,厚度大、压力系数较高(2.0)、脆性指数高(65.0%～72.5%)、孔隙度中等(4%～5%),有宁39、宁41号两条非均质断层。该区域天然裂缝发育,联通性较强,因此在压裂过程中应加强监测,实时调整施工参数,避免套管变形。

前人对天然裂缝应力不均、滤失、孔眼进液差异大等问题做了大量的研究工作[1-6],但对页岩气储层改造中断层影响的探讨和研究相对较少,因此开展断层对页岩气储层改造中的影响及应对措施具有重要意义。

1 复合暂堵压裂工艺

1.1 复合暂堵机理

暂堵转向压裂工艺技术相对较成熟,包括对暂堵球材质、数量、大小等都做了大量的理论探索和矿场实践[7-8]。针对长宁M区块地质与工程参数提出的复合暂堵压裂工艺,经砂液冲蚀打磨后射孔孔眼大部分呈不规则的形状,多为双翼型、多边型等,因此当压裂过程中需要段内暂堵时,选用的暂堵球是规则的球体,无法做到完全封堵,这种情况下就会加大孔眼边缘水力冲击磨蚀作用,边缘高速进液时,已入座的暂堵球会有滑脱的风险。结合现场实际提出复合暂堵工艺,投暂堵球的同时加入暂堵剂(投球旋塞打开之后紧接着投送暂堵剂),不同粒径暂堵剂就能弥补暂堵球周围空隙,实现完全封堵,此时孔眼不进液,液体压力全部作用在暂堵球上,增加了暂堵球入座的稳定性。

1.2 复合暂堵强度修正模型

现场应用的一种成熟可靠的水溶性暂堵剂,具有清洁无污染、承压效果好、渗透率恢复率高、溶解时间可控、耐高温等优点。根据压裂规模、裂缝网络特征、裂缝形态、嵌入比例,暂堵剂用量修正公式[9]。

(1)

式中:G为缝内暂堵压裂时的暂堵剂用量,kg;Δd为滤饼厚度,cm;ρa为暂堵剂视密度,g/cm3;k为暂堵剂嵌入比例(40%);h为动态裂缝高度,mm;w为动态裂缝宽度,mm;α为损耗系数,一般为1.3～1.5。

1.3 复合暂堵压裂工艺参数优化

天然裂缝带(断层)的存在能够降低岩石壁面强度,便于水力裂缝起裂与扩展。水力裂缝与断层真正有效沟通才能形成复杂的裂缝网络,获得更大的储层改造体积[10]。断层与天然微裂缝不同,具有强滤失、抗张强度大、影响范围大、净压力低、水力裂缝延伸困难、易脱砂等特征,很难同时发生张性破坏、剪切破坏。针对断层的改造目的是有效沟通,及时控制单翼过渡改造,同时也减小砂堵施工的风险。

1.3.1 暂堵球参数优化

1)暂堵球在页岩气缝网转向压裂中的应用较成熟,但对不同区块、不同储层、不同层段之间存在地质参数差异(应力差、地层应力、杨氏模量、泊松比、原始储层压力、天然裂缝逼近角、倾角、抗张强度等),需对该储层暂堵参数进行优化。

2)长宁M区块某平台应力差为7～10 MPa,适合暂堵转向压裂利于形成复杂缝网。根据现场实践,暂堵球数量优选为总孔眼的1/3～1/2,最多不超过总孔眼数的1/2,原因是投球过多易造成超压,影响施工。投球数量不宜过少(原则上不少于总孔眼数的1/3),投球数量过少,沿井筒两翼裂缝差异大,改造不均匀。另外,如果段间没有应力差或者小于1 MPa,则可以选择不投暂堵球(层间应力差异小,靠孔眼磨阻则可以迫使液体分流,均匀进液),根据施工压力及地面裂缝监测情况选择具体投球时机。

3)基于现场实践,通过井下电视分析施工后各簇孔眼磨蚀情况,如图1所示。孔眼不规则现象,最大孔眼磨蚀面积是初始孔眼面积3倍之多,单纯靠投圆球型暂堵球已无法实现全密封。因此,需要优化暂堵球粒径、暂堵剂配比等复合暂堵参数。不同施工阶段暂堵球直径选择为:1/3～1/2总液量时选择15 mm,1/2总液量时选择19 mm,施工中后期选择22 mm。

1.3.2 暂堵剂参数优化

1)暂堵转向压裂工艺中,暂堵剂的浓度起到至关重要的作用。采用重复压裂模拟软件(Re-Frac)进行暂堵剂浓度优化,输入参数为:埋藏深度、水平应力差、压力梯度、裂缝预测宽度、射孔直径大小、暂堵剂用量、排量大小、井筒容积、嵌入比等参数,模拟结果显示,暂堵剂浓度为80～100 kg/m3时效果最佳。

2)通过现场实践总结出长宁M区块暂堵剂最佳配比组合,大大增加了断层干扰的储层改造封堵转向效果。图2是储层均匀的不同段单独投暂堵球(19颗15 mm暂堵球)和配合暂堵剂的复合暂堵工艺(不同配比300 kg暂堵剂+19颗15 mm暂堵球)的对比。考虑施工限压(95 MPa),暂堵剂颗粒粉末最优配比参数为24～33,有效地封堵了孔眼附近不规则间隙,减小了滤失、脱砂风险,转向效果明显(压力涨幅5～7 MPa),后续施工平稳。颗粒比例过低起不到封堵暂堵球周围间隙的作用,转向效果不明显,颗粒比例过高易造成缝口和孔眼过渡封堵引起瞬间超压,影响后续施工。

图2 复合暂堵与暂堵球封堵效果对比

2 矿场实践

复合暂堵压裂工艺在长宁区块已成功应用多口井,不同储层的复合暂堵压裂工艺参数不同,有断层穿行的水平井,复合暂堵参数需实时调整。长宁 HX-Y井是一口开发井,水平段B靶点附近有断层穿过,目前的监测手段不能充分了解断层的性质及储层情况,后期压裂过程中不可避免会沟通断层,这就需要提前做好应对措施,避免脱砂严重造成砂堵风险。

2.1 井况概述

长宁HX-Y井测井资料显示, 5 140.0～5 308.0 m井段斯通利波衰减明显,指示裂缝发育。蚂蚁体裂缝预测井段5 275.0～5 425.0 m强响应。

水平段长1 946.0 m,A点3 550.0 m后测井解释井段3 550.0～5 456.0 m(段长1 906.0 m)。Ⅰ类优质页岩储层钻遇1 764.60 m,钻遇率94.7%;Ⅱ类储层钻遇78.7m,钻遇率4.2%;Ⅲ类储层钻遇19.7 m,钻遇率1.1%。

2.2 压裂设计

长宁HX-Y井共设计30段分段压裂。按照有利于形成复杂缝网的原则,主体段每段分6簇射孔,孔密度16孔/m,每簇射孔段长0.5 m,相位角为60°,总孔数48孔。复合暂堵压裂工艺设计暂堵球为总孔数的1/2,确保每簇射孔孔眼均能有效开启。

本井设计6段复合暂堵压裂段,分别为6～7段、11～12段、16～17段,其中6～7段采取上述暂堵剂用量公式复合暂堵,效果不理想。考虑断层特征及该区块裂缝延伸形态对公式中动态缝宽6～7 mm,暂堵剂嵌入比40%,损耗系数1.3～1.5进行修正;修正后的动态缝宽7～8 mm,暂堵剂嵌入比50%,损耗系数1.6～2.0。表1为修正前后暂堵剂用量对比。

表1 修正前后暂堵剂用量统计

2.3 施工应用

长宁HX-Y井设计排量为16 m3/min,施工压力为75～85 MPa,暂堵球采用液压旋塞开启,不受排量影响。现场施工中为了满足暂堵剂浓度要求,保障压裂泵头的正常供液,可将复合暂堵工艺排量降至14 m3/min。微地震监测显示,需要复合暂堵工艺时,可开动液压旋塞投暂堵球,旋塞打开后同时开始投暂堵剂。在球入座孔眼时形成压差,尾追的暂堵剂浓度随之增加,镶嵌在暂堵球周围间隙,配合暂堵球进行封堵孔眼,剩余的的暂堵剂通过液体转向伴随液体进入裂缝内部,实现缝内暂堵。施工曲线判断暂堵球、暂堵剂到位涨压情况时,排量恢复至16 m3/min。继续改造前期进液少的孔眼,表2为复合暂堵施工参数及到位后压力涨幅。

表2 复合暂堵施工参数及效果统计

2.3.1 复合暂堵效果分析

复合暂堵参数优化后暂堵效果明显,暂堵材料到位后压力涨幅显著提高,微地震事件点成两翼均匀分布,证明复合暂堵工艺是成功的。

图3是长宁HX-Y-6段施工曲线及微地震事件点。本段施工排量16 m3/min,砂量140.23 t,液量1 869 m3。施工液量为800 m3时微地震事件点较少,能级较低,在第10段位置出现微地震事件点,判断断层的影响导致人工裂缝与断层沟通。第10段附近天然裂缝比较发育,造成段间沟通,此时决定投暂堵球和暂堵剂200 kg,暂堵材料到位的压力涨幅1.5 MPa,压力涨幅不大。复合暂堵之后,微地震事件点没有明显增加,在第10段右侧出现5个微地震事件点,判断孔眼没有完全封堵,存在间隙。本段受断层影响,微地震事件点共25个,判断改造不充分。

图3 长宁HX-Y-6段复合暂堵压裂施工曲线和微地震事件点对比

图4是长宁HX-Y-12段施工曲线及微地震事件点,本段施工排量16 m3/min,砂量140.35 t,液量1 854 m3。施工液量为900 m3时,微地震事件点较多,事件点多集中在井筒左侧,此时决定投暂堵球和暂堵剂300 kg,暂堵球数量不变,暂堵剂增加为300 kg,暂堵材料到位后压力涨幅为7 MPa,压力涨幅明显。复合暂堵之后微地震事件明显增加,井筒右侧大量出现且能级较大。未压裂层段没有发现微地震事件点,本段总微地震事件点共80个,是第6段事件点的3倍之多。综上所述,调整后的复合暂堵工艺压力涨幅明显、封堵效果好、微地震事件点多、改造充分。

利用Meyer软件模拟长宁HX-Y井第6段和第12段G函数分析曲线。从G函数对比可以看出,两个曲线都存在天然裂缝特征,HX-Y井第6段表现为波动小,有天然裂缝特征,停泵后裂缝端部继续延伸;HX-Y井第12段表现为曲线前期快升快降、后期波动较大,有明显天然裂缝,多裂缝特征明显。G函数分析认为,第12段裂缝复杂程度远高于第6段,与微地震事件点吻合,进一步验证了复合暂堵工艺的可行性。

2.3.2 测试结果

对长宁HX-Y井压裂改造30段,复合暂堵压裂6段,压后试气测试,采用稳压逐步增加油嘴的方式。10 mm油嘴产气量为31.5×104m3/d,压力为25.5 MPa,测试产量高于同区块常规压裂改造井。表3为相邻平台同样受断层影响而没有采取复合暂堵转向工艺措施的两口井与该井生产数据对比。

3 结论

1)针对断层影响的压裂段,采用复合暂堵压裂工艺,可以有效地避免断层的不利影响,增大改造体积。测试产量和稳产期均高于同区块常规压裂改造井。

2)结合微地震及断层特征,实时修正暂堵材料使用参数,有效克服了暂堵球密封不严、滤失严重、裂缝复杂程度不够等技术难题。