火山巖氣藏壓裂難點(diǎn)診斷及處理控制

摘 要

摘要：火山巖天然氣藏多數(shù)須壓裂增產(chǎn)才具工業(yè)開采價(jià)值，但火山巖中的孔隙、溶孔及天然裂縫個(gè)性差異大，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有成熟的壓裂工藝，增產(chǎn)投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、效果差。如何準(zhǔn)確診斷壓裂
摘要：火山巖天然氣藏多數(shù)須壓裂增產(chǎn)才具工業(yè)開采價(jià)值，但火山巖中的孔隙、溶孔及天然裂縫個(gè)性差異大，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有成熟的壓裂工藝，增產(chǎn)投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、效果差。如何準(zhǔn)確診斷壓裂難點(diǎn)和研究實(shí)施有針對(duì)性的處理措施，已成為火山巖氣藏勘探開發(fā)取得突破的關(guān)鍵。在研究火山巖復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)壓裂G函數(shù)影響的基礎(chǔ)上，歸納出常規(guī)濾失型、低濾失型、微裂縫發(fā)育型、微裂縫極發(fā)育型和高裂縫型5種典型G函數(shù)特征，形成了保證人造主裂縫形成工藝、處理近井復(fù)雜摩阻高工藝、壓裂施工參數(shù)優(yōu)化工藝、選擇合適的加砂泵注程序等針對(duì)性的控制處理措施。經(jīng)過(guò)在松遼盆地北部徐家圍子氣田超過(guò)100口井的應(yīng)用，壓裂成功率、施工規(guī)模及單井增產(chǎn)效果均取得突破，有效地提高了火山巖氣藏壓裂成功率和效果。
關(guān)鍵詞：火山巖；儲(chǔ)集層；測(cè)試；壓裂；數(shù)學(xué)模型；特征；措施；松遼盆地
0 引言
    油氣資源勘探領(lǐng)域的發(fā)展已涉及富含油氣資源的深部火山巖儲(chǔ)層，僅松遼盆地北部就擁有天然氣資源上萬(wàn)億立方米，但火山巖氣藏自然產(chǎn)能低[1]，絕大部分必須通過(guò)壓裂才可能獲得工業(yè)氣流。由于火山巖類型多、儲(chǔ)集空間復(fù)雜、天然裂縫發(fā)育，以往壓裂最突出的難點(diǎn)是早期砂堵、改造規(guī)模小、增產(chǎn)效果差。2002年以前松遼盆地火山巖探井壓裂3口井、4層，砂堵4層，最大改造規(guī)模30m3，成功率37.5%，效果不理想。而同期國(guó)外報(bào)道的火山巖壓裂最大支撐劑加入量也只有15t[2]。為提高火山巖儲(chǔ)氣層壓裂施工的成功率和效果，首先必須準(zhǔn)確診斷出影響壓裂施工成敗的不同難點(diǎn)，研究針對(duì)性的控制工藝與措施。
    雖然針對(duì)火山巖儲(chǔ)層壓裂中每一個(gè)單獨(dú)難點(diǎn)已經(jīng)擁有了部分控制方法[3～4]，但火山巖壓裂中常是多難點(diǎn)共存。如何在現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確診斷出影響壓裂成敗的關(guān)鍵難點(diǎn)，成為制約火山巖壓裂技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。
    測(cè)試壓裂對(duì)于認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層和壓裂液特性、完善壓裂設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工控制有著重要的作用。利用測(cè)試壓裂求取裂縫和壓裂液參數(shù)的方法最早由Nolte[5]提出，但其理論模型存在明顯缺陷。例如：假設(shè)裂縫高度固定；忽略初濾失和停泵之后的裂縫延伸；濾失系數(shù)與壓力無(wú)關(guān)等，它們與多重介質(zhì)火山巖壓裂顯著不符。Meyer[6]的研究雖然在理論假設(shè)上更加符合實(shí)際，但測(cè)試解釋必須的近井壓降等資料現(xiàn)場(chǎng)很難準(zhǔn)確獲得，致使應(yīng)用受限。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論研究準(zhǔn)確獲得近井摩阻壓降[7～8]的基礎(chǔ)上，保證了測(cè)試壓裂解釋的G函數(shù)能準(zhǔn)確反映多重介質(zhì)儲(chǔ)層和壓裂液特性。如能針對(duì)各種火山巖壓裂難點(diǎn)，總結(jié)出對(duì)應(yīng)的G函數(shù)類型，指導(dǎo)研究應(yīng)用控制措施將具有重要意義。
1 G函數(shù)理論
    Meyer在1989年歸納得出一個(gè)綜合的G函數(shù)方程。在該函數(shù)中，考慮了濾失面積和濾失系數(shù)隨時(shí)間的變化，并分別用參數(shù)αa、αc表示，其方程為：
 
式中：αa為濾失面積指數(shù)，無(wú)因次；αc2為關(guān)井期間的濾失參數(shù)，無(wú)量綱；θ為無(wú)因次時(shí)間；t為以開始?jí)毫褧r(shí)刻為起點(diǎn)的時(shí)間，min；tp為泵注時(shí)間，min；Ce為等效濾失系數(shù)；C(t)為與時(shí)間有關(guān)總濾失系數(shù)，m/min-1/2；βc2為濾失模型因子，若αc=0，則βc2=1。
    對(duì)于每一個(gè)時(shí)間t都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的地面壓力，在求出相應(yīng)的G函數(shù)同時(shí)，可采用一階差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，求出對(duì)應(yīng)的dp/dG。為便于分析，從數(shù)學(xué)意義上將G函數(shù)和一階差分計(jì)算結(jié)果dp/dG相乘，構(gòu)造了疊加導(dǎo)函數(shù)Gdp/dG。以dp/dG、Gdp/dG為縱軸，以G為橫軸，得出G函數(shù)導(dǎo)數(shù)分析曲線。
    當(dāng)導(dǎo)數(shù)為常數(shù)并且該疊加導(dǎo)數(shù)曲線位于一條通過(guò)原點(diǎn)的直線上時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)濾失；如果在閉合點(diǎn)前疊加導(dǎo)數(shù)曲線顯示“上凸”，則表明儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育。疊加導(dǎo)數(shù)曲線與直線會(huì)合時(shí)被認(rèn)定為是裂縫的張開壓力。當(dāng)該疊加導(dǎo)數(shù)曲線從直線向下偏離時(shí)為裂縫閉合(圖1)。
 
2 火山巖的G函數(shù)分類
2.1 火山巖G函數(shù)類型
    通過(guò)對(duì)所有施工井G函數(shù)分類總結(jié)，描述了火山巖在壓裂過(guò)程中的不同表現(xiàn)，形成了火山巖壓裂的G函數(shù)快速解釋圖版。
2.1.1常規(guī)濾失型
    其特征主要表現(xiàn)為主裂縫閉合前G函數(shù)曲線為斜直線(圖2)，裂縫濾失恒定，主要表現(xiàn)為基質(zhì)濾失。
 
2.1.2低濾失型
    其特征主要表現(xiàn)為主裂縫閉合前G函數(shù)曲線為接近水平直線(圖3)，裂縫濾失恒定，但由于該類儲(chǔ)層基質(zhì)致密，物性條件較差，濾失量較小，G函數(shù)數(shù)值一般小于2。
 
2.1.3微裂縫發(fā)育型
    其特征主要表現(xiàn)為主裂縫閉合前G函數(shù)曲線有一定凸起，一般數(shù)值在4以下(圖4)。該類儲(chǔ)層閉合前由于受微裂縫濾失影響，造成裂縫濾失不恒定且濾失較大。
 
2.1.4微裂縫極發(fā)育型
    其特征主要表現(xiàn)為主裂縫閉合前G函數(shù)曲線凸起很高，一般數(shù)值在4以上(圖5)。該類儲(chǔ)層閉合前由于受多條微裂縫濾失影響，造成裂縫濾失不恒定且濾失大。
 
2.1.5高裂縫型
    其特征主要表現(xiàn)為主裂縫閉合前G函數(shù)曲線有一定下凹(圖6)顯示，是由于裂縫在高度上快速回退造成的。
 
2.2 火山巖G函數(shù)類型圖版的應(yīng)用
    通過(guò)將火山巖測(cè)試壓裂G函數(shù)按各類型總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)圖版，形成了火山巖小型壓裂解釋的標(biāo)準(zhǔn)流程和擬合參數(shù)選取規(guī)范。在現(xiàn)場(chǎng)解釋時(shí)，首先快速判斷難點(diǎn)類型，并提供出擬合解釋值的合理范圍，大幅度減少解釋時(shí)間，更重要的是解決了以往測(cè)試壓裂不同人員解釋結(jié)果均不同，解釋人員越多其結(jié)果越無(wú)法應(yīng)用的難題，做到了解釋結(jié)果的唯一性，保證了火山巖壓裂難點(diǎn)診斷的準(zhǔn)確性，并建立了小型壓裂分析診斷定量特征參數(shù)[6]，促進(jìn)了火山巖壓裂技術(shù)走向成熟。
3 火山巖壓裂控制措施
   在火山巖施工難點(diǎn)診斷的基礎(chǔ)上，針對(duì)火山巖異常主要發(fā)生于近井的實(shí)際，形成了一系列近井入造裂縫處理工藝及施工控制方法。
    1) 保證人造主裂縫形成工藝，主要解決火山巖近井天然裂縫發(fā)育、應(yīng)力復(fù)雜，主裂縫不明顯、儲(chǔ)層較上下隔層應(yīng)力低等問(wèn)題，處理工藝為采用不同流度的液體段塞。
    2) 處理近井復(fù)雜摩阻高工藝，主要作用消除近井裂縫轉(zhuǎn)向、裂縫壁面不整合附加摩阻高、微裂縫張開導(dǎo)致壓裂液效率低等問(wèn)題，處理工藝為多段低砂比粉砂段。
    3) 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化工藝，根據(jù)測(cè)試壓裂診斷結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)氖┕づ帕?、壓裂液黏度等施工參?shù)，控制地層濾失大、裂縫縱向過(guò)高或地面壓力增長(zhǎng)快等不利情況，保證人造裂縫順利延伸。
    4) 選擇合適的加砂泵注程序，按優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)值完成支撐劑加入，形成與儲(chǔ)層物性匹配導(dǎo)流能力高的填砂支撐裂縫。
    經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，形成了井下凈壓力精確計(jì)算、實(shí)時(shí)壓裂液效率計(jì)算的系列控制設(shè)計(jì)方法以及固體、液體降濾、封堵，變排量施工等配套技術(shù)。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    應(yīng)用火山巖壓裂難點(diǎn)診斷與控制技術(shù)，2002年以來(lái)累計(jì)在大慶油田火山巖壓裂施工118口井176層，壓裂施工成功率由2002年以前的37.5%，提高到93.2%、最大支撐劑加入量130m3。工藝水平及效果實(shí)現(xiàn)了前所未有的突破，為松遼盆地北部提交2000×108m3火山巖天然氣探明儲(chǔ)量提供了強(qiáng)有力技術(shù)支撐。
5 結(jié)論
    1) 針對(duì)火山巖等復(fù)雜巖性以往壓裂工藝適應(yīng)性差的油氣藏，通過(guò)加強(qiáng)適應(yīng)其特性測(cè)試壓裂診斷數(shù)學(xué)模型改進(jìn)等理論研究，形成診斷技術(shù)，采用總結(jié)測(cè)試壓裂G函數(shù)特征，規(guī)范解釋參數(shù)選取，可保證診斷的準(zhǔn)確性和唯一性。
    2) 研究復(fù)雜巖性儲(chǔ)層測(cè)試壓裂與加砂主壓裂關(guān)系，形成針對(duì)性控制工藝與措施，可有效提高壓裂施工成功率與效果。
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(本文作者：張永平1，2 劉合2 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司)