蘇里格氣田細分粒徑支撐劑導流能力評價及試驗

摘 要

摘要：蘇里格氣田主力氣層必須要進行壓裂才能獲得有效的井口產能，而獲得較高的壓裂裂縫導流能力則是其關鍵所在，然而國內外現用的支撐劑導流能力評價標準中支撐劑的粒徑劃分范圍
摘要：蘇里格氣田主力氣層必須要進行壓裂才能獲得有效的井口產能，而獲得較高的壓裂裂縫導流能力則是其關鍵所在，然而國內外現用的支撐劑導流能力評價標準中支撐劑的粒徑劃分范圍較大，只有針對不同類型氣層采用合理粒徑支撐劑進行壓裂改造，才能有助于提高改造效果，進一步提高單井產量。為此，以蘇里格氣田現用的多家陶粒支撐劑性能評價為基礎，通過新的支撐劑粒徑劃分和篩選，對符合蘇里格氣田壓裂用支撐劑進行室內實驗，開展了不同組合方式下的裂縫導流能力評價，優化適合該區域不同儲層條件的支撐劑及粒徑，并開展現場試驗，取得了較好效果，為提高儲層改造針對性、改善壓裂改造效果提供了新的方法。
關鍵詞：裂縫導流能力；支撐劑；粒徑；室內評價；現場試驗；蘇里格氣田
   長慶蘇里格氣田是一個典型的“三低”氣田，儲層不經過壓裂就無法獲得井口產能。蘇里格氣田東區主力含氣層位以二疊系下石盒子組8段、下二疊統山西組1段為主，地層厚度100～120m，主要儲集巖有灰色、灰白色細礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖。按照蘇里格氣田開發方案要求，氣井投入生產后需要穩產3年，對壓裂支撐裂縫的導流能力提出了更高的要求。為保證壓裂裂縫有較好的長期導流能力，有必要對目前常用的支撐劑進行細分，并進行室內支撐裂縫長期導流能力評價，以有效地指導現行的壓裂作業設計，保證獲得壓后較穩定的有效支撐裂縫導流能力，提高氣井單井產量和累積采收率，降低壓裂作業成本。
1 導流能力評價的理論基礎
   1978年辛科(Cinco)提出了一個選擇支撐劑判斷準則，即
    Cr=(KW)f/KXf
   為了保證壓裂效果，Cr值要大于10。目前常用的無因次裂縫導流能力(FCD)對于壓裂作業有效的判斷標準為：
    FCD=(KW)f/KXf
    對于垂直裂縫，當FCD＞30時壓裂改造才會有效果；對于水平裂縫，當FCD＞10時壓裂改造有效[1～2]。
    一般室內評價影響裂縫導流能力的主要因素包括[3～5]：①原始地應力與地層孔隙壓力；②支撐劑物理性能；③支撐劑縫內鋪設濃度；④支撐劑物理性能與原始地層巖石物性參數的適配度；⑤壓裂液對裂縫導流能力的傷害；⑥裂縫閉合后地應力作用時間及油氣田開采狀態下原始地應力變化對裂縫導流能力的影響。
    因素①、⑥和因素④中的原始地層物性參數是先天性不可改變的。因素②、③、④、⑤等可以事先在設計時加以改進[6]。為了進一步提高有效支撐條件下裂縫的導流能力，有必要對因素②、③進行相應的室內評價并進行改進，確保壓裂改造效果。因素⑤評價的主要是壓裂液體體系性能，筆者暫不涉及。
    對20/40目壓裂支撐劑再進行不同粒徑細分，同時進行相關條件下的室內物理性能評價，評價其裂縫導流能力變化是很重要的。將現用20/40目的支撐劑(陶粒、石英砂)按照新的物理分類進行不同方式的組合，結合蘇里格氣田壓裂所獲得的地層原始裂縫閉合應力，通過室內評價，優化支撐裂縫導流能力，可提高氣井單井產量。
2 研究方案及評價
2.1 室內實驗評價標準
    長慶氣區蘇里格氣田壓裂用支撐劑的粒徑規格主要為20/40目。室內評價時先將現用各廠家的壓裂陶粒按照評價標準進行規定粒徑組合下的性能評價，實驗評價模擬閉合應力采用52MPa和69MPa[7]。選取評價合格的陶粒，進行不同分類組合，室內評價組合充填層裂縫的導流能力。
2.2 支撐劑性能評價
    依據行業標準SY/T 5108—2006《壓裂支撐劑性能指標及測試推薦方法》相關規定，對現場抽取的9家(種)支撐劑樣品進行了分類性能評價，結果見表1。

    評價結果顯示，目前在用的15種中密度陶粒基本夠滿足蘇里格氣田尤其是東區儲層的壓裂要求(裂縫閉合壓力小于52MPa)。對于中區氣井裂縫閉合應力大于52MPa時，部分廠家的陶粒破碎率增大，可能無法獲得設計的裂縫導流能力，在破碎率指標評價上以B廠的中密度陶粒最高，達7.42%(52MPa)和16.18%(69MPa)；A廠的陶粒破碎率最低(分別為1.86%和8.57%)。故評價裂縫導流能力時采用了A廠產品進行不同組合。
2.3 支撐劑充填層裂縫導流能力評價
2.3.1短期導流能力評價
    支撐劑短期導流能力評價主要依據行業標準SY/T 6302—1997((壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》。對比評價不同粒徑陶粒和復合支撐劑的短期導流能力，在設計上優化蘇里格氣田支撐劑粒徑選擇及降低施工成本，室內選取性能較為穩定的常用的中密度陶粒進行短期導流能力實驗。從圖1可以看出，支撐劑粒徑越大，短期導流能力越好。復合組合支撐劑，大粒徑所占比例越高，短期導流能力越好[5]。通過圖1還可以看出，10/20目和20/40目的組合支撐陶粒，其導流能力明顯高于20/30目、20/40目等單一陶粒的導流能力。對于10/20目和20/40目的組合支撐陶粒，隨著10/20目陶粒所占比例的下降，導流能力下降；在下降幅度方面，10/20目與20/40目陶粒所占比例為1：1與2：1的導流能力差異較小，尤其是在閉合壓力大于45MPa后，二者的導流能力接近。

2.3.2長期充填裂縫的導流能力評價
    室內取閉合壓力52MPa，以蒸餾水為驅替介質，按照10.0kg/m2濃度鋪設支撐劑，室溫下評價了幾種不同規格陶粒和復合組合支撐劑的長時間導流能力。實驗結果如圖2所示。

    20/40目陶粒與20/40目石英砂按2：1(體積比)混合后，在52MPa下導流能力較低，主要是石英砂抗壓強度不夠，在52MPa下破碎率過高造成。
    30/40目、20/40目和20/30目3種不同規格陶粒72h后導流能力分別為73.16μm2·cm、102.5μm2·cm和118.3μm2·cm，粒徑較大，導流能力較好。可以看出，隨著時間的推移，粒徑增大，導流能力下降速度較快，但其末期導流能力仍高于較小粒徑支撐劑。
   在單規格陶粒組合上，長期導流能力的評價結果表明閉合應力為52MPa下，20/30目陶粒從開始到后期都能夠保持較高且較穩定的裂縫導流能力。
3 現場試驗應用
   為了評價粒徑細分后20/30目支撐劑對蘇里格氣田東區儲層的適應性，2010年分別在蘇東X、蘇東Y井進行了現場壓裂試驗，2口井試氣結果證明，使用20/30目支撐劑取得了很好的改造效果。
3.1 蘇里格氣田東區閉合應力情況
   蘇里格氣田中東區主力氣層為盒8段和山1段。中區41口井54次壓裂資料統計分析解釋結果得出，盒8段平均裂縫閉合應力為46.8MPa，30口井39次壓裂資料處理結果得出壓裂后山1段平均裂縫閉合應力為52.8MPa。東區64口井81次壓裂資料的統計分析結果得出該區盒8段平均裂縫閉合應力為45～47.8MPa，52口井66次壓裂資料處理結果得出該區山1段壓后平均裂縫閉合壓力為48.6～50.1MPa。儲層巖石楊氏彈性模量一般介于2×104～3.6×104MPa，泊松比為0.26～0.28，儲層壓力系數為0.86MPa/100m左右。
3.2 試驗井地質情況
   根據蘇東儲層地質狀況選擇2口試驗井X、Y。根據測井解釋結果，蘇東X井為蘇里格氣田東區典型的Ⅱ類井，共鉆遇山1、山2段氣層、含氣層3段，其中山11氣層有效厚度為4.0m，山12含氣層有效厚度為2.0m，山2段氣層有效厚度為2.9m；蘇東Y井為蘇里格氣田東區典型的工類井，共鉆遇盒8、山1段氣層、含氣層5段，其中盒8下1氣層的2段氣層有效厚度分別為3.5m和5.1m，盒8下2氣層有效厚度為6.4m，山12含氣層有效厚度4.4m。
3.3 試驗井設計及施工情況
    蘇東X井儲層壓裂裂縫閉合應力在48.0MPa左右，可以選用20/30目陶粒。根據該井山12氣層上下隔層應力遮擋好、砂體較厚，因此設計排量應適當高些，以滿足對儲層進行有效改造，設計裂縫導流能力為33.6μm2·cm；山11氣層上下隔層應力遮擋好，但砂體較厚達到5.0m，因此設計砂量和砂比綜合考慮滿足儲層物性對導流能力的需求即可，設計裂縫導流能力為23.7μm2·cm；山2段有效氣層厚度只有2.9m，但砂體厚度較大，達28.5m，加大施工規模以增強對儲層砂體的改造程度，設計裂縫導流能力為27.1μm2·cm。
    蘇東Y井儲層壓裂裂縫閉合應力預計在50.0MPa左右，選用20/30目陶粒。該井盒8下1層上下隔層應力遮擋好，砂體較厚并有小隔層，因此設計排量應適當加大，以滿足對儲層兩個段都進行有效改造，設計裂縫導流能力為25μm2·cm；盒8下2層上下隔層應力遮擋好，且砂體較厚有12.2m，因此設計砂量和砂比綜合考慮滿足儲層物性對導流能力的需求就可，設計裂縫導流能力為28μm2·cm；山1段有效氣層厚度為12.5m，砂體厚度相對較大，適當加大施工規模以增強氣層段裂縫的有效支撐，設計裂縫導流能力為35μm2·cm。
2口試驗井主要設計及施工參數見表2。
3.4 試驗井試氣排液情況
    蘇東X、蘇東Y井排液順利，全部實現一次排通，返排率在80%以上，蘇東X井壓裂后試氣無阻流量為4.1705×104m3/d，蘇東Y井試氣無阻流量為51.6361×104m3/d，效果非常明顯，相比地質條件接近的鄰井，試氣產量提高20%～30%，20/30目陶粒在2口試驗井中取得了非常好的應用效果。

4 認識與結論
    1) 采用10/20目和20/40目復合型陶粒支撐劑能夠達到較大程度增加導流能力的目的，根據不同比例下的導流能力增加幅度，建議10/20目陶粒體積比例至少選擇50%。
    2) 在蘇里格東區盒8段采用20/30目的陶粒作為壓裂用支撐劑，可以獲得較高的裂縫導流能力，2口試驗井均獲得了較高的工業氣流。建議對于閉合壓力低于52MPa的蘇東地區儲層，可以進一步試驗推廣20/30目陶粒。
    3) 室內評價結果顯示A廠家的20/30目陶粒性能評價結果最好(破碎率最低)。
    4) 在52MPa的閉合應力下，石英砂+陶粒組合型支撐劑形成較低裂縫導流能力，其在蘇里格地區的壓裂適應性需要進一步研究。
參考文獻
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(本文作者：趙勇1 李新英2 李達1 1.中國石油長慶油田公司蘇里格氣田研究中心；2.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院)