洛带气田多层系低压气藏压裂工艺技术研究及应用

杨 星

(中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司)

洛带气田位于川西坳陷中段东南隅龙泉山北东向构造带西侧，处于四川盆地核心经济带。蓬莱镇组(JP)气藏是洛带气田的主力气藏之一，已累计提交探明储量近150×108m3。该气藏自下而上分为4个层段(JP1-JP4)，共划分了19个含气砂层，其中在11套含气砂层获得工业气流，为典型的多层系气藏。

蓬莱镇组气藏总体为一套浅灰色粉-细砂长石岩屑石英砂岩，埋深在450～1 350 m，孔隙度为8%～15%，渗透率为0.1～1 mD，地压系数在0.9～1.1之间，地层温度在25℃～45℃之间，属低孔低渗低压砂岩气藏。同时，蓬莱镇组气藏以分流河道和河口坝沉积为主，储层非均质性强，砂层多但单层薄(厚度主要分布在6～10 m)且平面展布范围有限。

蓬莱镇组气藏的储层特征造成气井自然产能很难达到工业气流的标准，压前测试表明，气井压前平均单井无阻流量<0.1×104m3/d，必须依靠水力压裂改造来提高气井产量，才能进行有效的勘探开发。但因为气藏储层的低孔低渗低压层薄等不利因素，加砂压裂在前期一直未取得理想的效果。作者通过深入研究，发现制约压裂效果的主要因素一是储层低压特征造成压裂液返排率低，对储层造成严重的水敏和水锁伤害；另外一个是储层单层薄，产量和控制储量有限，很难获得经济开发效果。为此，通过几年攻关，形成了适合该多层系低压气藏的压裂工艺技术，在现场应用中取得了显著的效果，保障了气藏的有效开发。

一、压裂难点及对策

1.储层水敏和水锁伤害程度强，需要优化压裂液性能

据扫描电镜和X衍射分析，储层中黏土矿物中存在有伊/蒙混层，伊利石和绿泥石，其中伊/蒙混层平均为50.1%，伊利石平均为31%，绿泥石平均15.7%。这样的黏土矿物成分很容易因外来流体造成黏土矿物膨胀、脱离和运移，堵塞孔喉，造成储层渗透率的严重伤害。水敏试验表明，洛带蓬莱镇组气藏水敏指数达0.6～0.7，为强水敏地层。

据压汞实验和铸体薄片资料统计，储层平均孔隙直径39.57 μm，平均喉道直径为1.365 μm，其平均孔喉比为55.42，孔隙吼道组合以中孔-细吼和细孔-微吼为主，容易因外来液体的进入而改变相渗透率，从而造成水锁伤害，如图1所示。

图1 洛带蓬莱镇组气藏气水相对渗透率曲线

针对洛带蓬莱镇组这类强水敏、水锁伤害严重的储层，需要优化压裂液性能，提高与储层的配伍性，降低伤害；同时也需要优化施工参数和返排工艺，尽可能地减少进入地层的液量，强化返排措施，减少压裂液在地层中的滞留，从而降低对储层的伤害，获取最大程度的压裂改造效果。

2.地层压力低，返排能量不足，需要强化返排工艺

洛带蓬莱镇组气藏地压系数0.9～1.1，为常压低压地层，地层埋深浅，能量不足，造成压裂过程中返排率低，返排时间长，大量液体滞留在地层。前期现场资料统计表明，洛带蓬莱镇组气藏压后平均返排率仅为34%，返排时间长达72 h以上。气井返排不好，容易因为水敏造成储层伤害，因为水锁和相渗透率的变化，造成水锁气，从而影响气井的产量。这就需要强化压裂返排工艺，加快返排速度、提高返排率，从而保障压裂效果。

3.气层较薄，需开展多层压裂的攻关

统计表明，洛带蓬莱镇组气藏气层厚度在4～14 m之间，主要分布在6～10 m范围，气层厚度小，无法获得高的产量；同时，单层生产，因为气井控制的储量有限，很难具有商业开发价值。洛带蓬莱镇组气藏为多层系气藏，一口井一般会钻遇3～5个气层，如果采用多层开发，不仅会大幅度提高气井产量，还会增加气井的控制储量，为商业开发提供充足的资源保障。

综上所述，从优化压裂液性能、强化压后返排、优化施工参数和开展多层压裂等方面进行了压裂工艺技术攻关，获得了显著的效果。

二、压裂液优化研究

压裂液优化主要从降低压裂液伤害、提高压裂液和储层的配伍性、增强压裂液返排性能等方面进行研究。

洛带蓬莱镇组气藏压裂液最初借鉴其他区块的压裂液体系，尽管能够满足现场施工的要求，但由于缺乏针对性，在现场应用中表现出以下不足：

(1)压裂液残渣含量高，评价达429 mg/L，残渣和滤饼对地层和裂缝产生了很大的伤害。

(2)压裂液和地层配伍性不好，岩心伤害率平均达到了34%。

(3)因为地层埋深浅，温度低，一般在在25℃～45℃之间，低温破胶难度大，压裂液破胶性能不好，严重影响压裂改造效果。

为此，从以下几个方面入手对压裂液进行了优化：

(1)在保障施工的前提下，降低稠化剂含量，分别调试出了稠化剂浓度为0.2%和0.25%的压裂液配方，压裂液残渣含量仅为273 mg/L，比以前的配方降低了30%～40%。压裂液流变曲线如图2所示。

图2 0.2%胍胶压裂液体系流变曲线

(2)研发了优质的黏稳剂、助排剂和多功能添加剂，使压裂液的配伍性大幅度提高；同时，性能优良的助排剂确保了压裂液的助排性能，压裂液的表面张力仅为23 mN/m。另外，低压气藏需要采用液氮增能提高返排性能，而压裂液能否和氮气形成丰富而稳定的泡沫，也决定了液氮增能助排的效果。为此，研发了多功能添加剂，该添加剂可以改变压裂液和地层的润湿性能和接触角，从而更加有利于返排。同时，该添加剂具有很好的起泡和稳泡性能，能够最大限度地发挥液氮的作用，提高返排效果，如表1所示。

表1 不同浓度多功能添加剂起泡实验结果对比表

(3)针对洛带蓬莱镇组气藏地层温度低的困难，研发能够低温破胶的添加剂，通过压裂和返排过程地层温度的模拟，如图3所示。优化加量和破胶程序，能够精确控制压裂液在30～240 min的彻底破胶，既保证压裂施工的顺利进行，也保证了压裂液破胶彻底和及时返排，最大程度保障压裂效果。

图3 压裂过程地层温度模拟图

通过以上的优化，形成了适合洛带蓬莱镇组气藏的压裂液体系，能够满足压裂施工的顺利进行，同时也具有低残渣、低伤害、利返排、高起泡稳泡的优点。岩心实验伤害率仅为20.7%，压裂液能力优异，如表2所示。

表2 压裂液岩心伤害实验数据

三、施工参数优化

针对洛带蓬莱镇组气藏层薄、低压的不理因素，主要从排量、前置液和砂比三个方面进行了优化。

1.施工排量

从气藏的纵向地应力剖面和破裂压力剖面来看，相邻的顶底地层与储层应力和破裂压力是比较接近，一般在0.5～1.5 MPa，而且因为砂体较薄，若采用较高排量，很容易造成裂缝在缝高上的过度延伸，减少裂缝半长，降低改造效果。如表3所示。砂比优化不仅要考虑对缝高的控制，也需要考虑保障安全施工，通过大量的现场试验和模拟评价，现场施工排量一般控制在1.8～2.0 m3/min，这样既可以防止裂缝上窜下跳，又可以最大限度保证裂缝沿缝长方向延伸有效，提高了增产效果。

表3 洛带气田压裂施工排量与缝高对比表

2.前置液

前置液主要用来造缝，保障后面的支撑剂顺利加入，常规设计时考虑到施工安全，一般情况下偏大一些，如川西其他区块前置液用量一般为支撑剂量的1.5～2.0倍(体积比)。通过大量的模拟和现场试验，洛带蓬莱镇组气藏前置液量采用支撑剂量的0.8～1.0倍比较合适，这样减少了进入地层的液量，减轻了返排负担，有利于取得好的压裂效果。

3.砂比

提高砂比，可以增加裂缝导流能力，减少压裂液用量，在保证压裂缝对储层有效控制的基础上，将砂比从以前的平均25%，提高的31%，既减少了入地液量，也提高了裂缝导流能力，能够保障好的增产效果。

四、高效返排工艺

洛带气田蓬莱镇组气藏，因为地层低压和水敏性强的原因，需要抓好压裂液的返排，要做到快速和彻底两个方面，尽最大可能减少压裂液在地层中的滞留时间和滞留量，为此，从液氮增能助排、纤维防砂和优化返排制度三个方面进行了优化。

1.液氮增能助排

洛带蓬莱镇组气藏因为压力低，返排能量不足，所以造成返排时间长、返排率低的不足。因此，在该气藏采用了液氮增能助排工艺。前面压裂液优化的时候就已经考虑到了液体的起泡稳泡性能，现场实施主要从液氮加量、注入程序两个方面优化。

液氮用量优化的一个原则就是液体段在地层中暴露时间越长、滤失量越大，则应该更多的增加液氮用量，这就是恒定内相增能液氮助排设计的主要思路。恒定内相设计使内相(气体+支撑剂)和外相(压裂液)保持平衡，以保证压裂液的黏度恒定，施工时在支撑剂浓度增加的时候，保持压裂液基液排量稳定，相应降低液氮的排量。恒定内相方法的优点是既可以提高砂液比，又可避免施工压力过高。同时，考虑增大前置部分压裂液的混气量，降低前置部分压裂液滤失提高返排，采用从前置阶段到携砂阶段按照线性或阶梯递减方式混注液氮。

通过优化模拟和现场试验，优化选择泡沫质量最大在35%左右，然后按照阶梯降低，最小在10%左右。在现场液氮注入过程中，因为浅井一般采用速交联体系，考虑氮气和压裂液的更好的混合，要适当延长压裂液的交联时间，这样就能够保证压裂液和氮气能够充分混合，形成丰富均匀稳定的泡沫，把以前压裂液的交联时间30 s适当延长到45 s。

2.纤维防砂工艺

加快返排会遇到另外一个难题，洛带蓬莱镇组气藏埋深浅，地层应力低，对支撑剂的夹持能力不够，如果加大返排速率，就会造成大量出砂，严重影响改造效果和生产安全。因此，引入了纤维防砂工艺。

纤维防砂工艺就是将纤维与支撑剂混合，形成稳定的网状结构(如图4所示)，从而将支撑剂稳固在原始位置，大大提高支撑剂充填层稳定性，达到预防支撑剂回流的目的。如表4所示，加入纤维后，支撑剂的临界出砂流速大大提高，采用0.3%～0.5%的浓度基本就可以满足快速返排防砂的作用。

(3)加固整治减少了防洪的人力、物力投入。通过实施平退圩垸工程措施，双退圩堤缩短堤线约347.9km，大大减轻了防洪压力，节省了防汛抢险和水毁工程修复经费及精力；圩垸内的居民搬迁后，不再遭受洪水侵袭，237座单退圩垸内的居民只存在机遇性的种养损失。从而避免人民生命伤亡和灾民流离失所，减轻居民的经济损失，减轻社会和政府的救灾负担，人民安居乐业。

图4 纤维和支撑剂形成的网状结构示意图

临界流速/(mL·min-1)纤维浓度0MPa0．1MPa0．3MPa0．5MPa0．7MPa1．0MPa0．22%7%38%61%75%89%15%26%114%187%>200%>200%

3.返排制度优化

除过上面所述的在压裂液、液氮助排和纤维防砂等方面的优化外，返排制度的优化也非常重要。为了尽量减少压裂液在地层中滞留时间，充分利用地层能量，往往采取裂缝强制闭合技术。裂缝强制闭合技术就是在压裂后裂缝还没有完全闭合，就采用一定的排量控制排液，在控制支撑剂回流的基础上，加速压裂缝的闭合，从而使支撑剂还未沉降或沉降不多时就被裂缝壁夹住，最大限度地保证支撑剂在裂缝中的有效铺置，确保压裂效果。

为此，针对洛带蓬莱镇组气藏，在确定裂缝闭合压力和加入裂缝的临界流速的基础上，根据井口压力优化油嘴大小，控制返排速率。现场实施表明，压裂液的的24 h返排率比以前提高了19%，最终返排率提高了28%，达到了73%，取得了快速彻底的返排效果。

五、分层压裂工艺

洛带气田蓬莱镇组气藏砂体薄，单层开发产量低，控制储量少，无法实现效益开发。但蓬莱镇组为多层系气藏，一口井一般都能钻遇3～5个气层，多层一起开发，可以有效提高气井产量，实现有效开发。

为此，以地应力地应力剖面研究为基础，针对不同的地层组合、井筒条件和应力情况，形成了以Y241和Y344工具为主的不动管柱分层压裂工艺，可实现2～5层连续施工分层压裂，压裂完成后，一起从油管排液，最后进行合层采气。在洛带气田发挥了重要作用，该不动管柱工艺采用封隔器和滑套组合，其施工工序是：从油管注入进行分层压裂，压后从油管进行合采。

分层压裂工艺突破后，到目前为止，分层压裂井平均单井一次压2.7层，施工成功率达到98%，气井平均产量较前期单层压裂增加了150%(综合了其他方面的增产效果)，取得了显著的增产作用，促进了气藏的高效开发。

六、现场应用效果

从2009年以来，共进行了27井次51层次的压裂施工，施工成功率达到98%，增产有效率达到93%，压裂效果由压前的无气或产微量气增加到平均单井测试产量1.9×104m3/d，取得了很好的改造效果。

另外，气井压后返排速度明显加快，压裂液的24 h返排率比以前提高了19%，最终返排率提高了28%，达到了73%，取得了快速彻底的返排效果。在加快返排的同时，气井基本上不出砂，说明纤维防砂效果良好。

针对洛带气田蓬莱镇组这类多层系低压薄层气藏，通过多年的攻关，形成了以“低伤害压裂液、优化施工参数、分压合采、液氮增能助排、纤维防砂”等为核心集成压裂工艺技术，有效提高了气井产量，动用了低品位储量，挖掘出了小气田的巨大潜力，为国内外类似气藏的压裂开发提供了有益借鉴。

七、结论及建议

(1)洛带气田蓬莱镇组气藏储层敏感性强、压力低、层多但单层薄，采用常规压裂工艺储层伤害大、压裂液返排率低，压裂效果不好。

(2)通过降低压裂液残渣、提高压裂液和储层的配伍性、增强压裂液返排性能等方面的优化，调试出的压裂液配方与储层配伍性好、残渣低、伤害小，并具有强返排性能，有力保障了压裂效果。

(3)以“小排量、低前置、高砂比”为特点的压裂工艺施工参数，在洛带蓬莱镇组气藏具有很好的适用性。

(4)针对洛带气田蓬莱镇组气藏低压的特征，攻关形成的以“液氮增能、纤维防砂、优化返排制度”为核心的高效返排工艺，提高了返排速度和最终返排率，并控制了支撑剂回流，为取得好的压裂效果提供了保障。

(5)攻关形成的以“低伤害强返排压裂液、优化施工参数、高效返排、多层压裂”为核心的压裂工艺技术，在洛带气田蓬莱镇组气藏具有很好的适用性，现场取得了显著的改造效果，也为国内外类似气藏的压裂开发提供了有益借鉴。

[1]张晓莉,罗锋.川西洛带气田蓬莱镇组储层特征[J].长安大学学报,2003,25(3): 33-37.

[2][美] J.L.吉德利.水力压裂技术新发展[M].北京：石油工业出版社，1995.12.

[3]王世泽.川西洛带构造蓬莱镇组地层现今地应力场特征[J].矿物岩石，2000(3):46-52.

[4]任山，张绍彬.水力裂缝温度场模拟程序的开发和应用[J].天然气工业，2002(3):35-38.

[5]张洪帅，庄照峰.恒定内相设计提高泡沫压裂效果[J]．油气田开发工程译丛，1991(9):31-35

[6]黄禹忠,任山.纤维网络加砂压裂工艺技术先导性试验[J].钻采工艺,2008,31(1):77-78