苏里格深部煤系致密气储层绒囊流体控水压裂

赵俊 杨生文 孙泽宁 李宇 张家富 王相春

1. 中联煤层气有限责任公司；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；3. 中国石油长庆油田分公司；4. 中国石油大学（北京）石油工程学院

0 引言

苏里格气田深部发育煤系破碎性致密砂岩［1］，这类储层具有非均质性强，自然产量低，气、水关系复杂等特点。破碎性致密砂岩常通过压裂改造形成人工裂缝，提高单井产量，但是储层压裂增产过程中易沟通水层，极大程度降低气井产量［2］。

控水压裂是解决压裂过程气井见水的一种有效手段。目前，控水压裂堵水材料主要分为颗粒和凝胶两大类。这两类控水材料满足部分地层控水压裂需求，但是却存在以下几点不足：(1)颗粒类材料通过转向压裂［3］避免裂缝沟通水层而本身不具备堵水性能；(2)颗粒类材料封堵后仍具有渗透性；(3)颗粒类材料需要压裂液输送裂缝中形成封堵带，控制不好无法到达预设位置；(4)凝胶类材料一旦成胶，会封堵住储层的有效孔隙，同时导致泵注压力增加。

绒囊封堵流体已广泛应用于钻井［4］、完井［5］、修井［6］、压裂［7］、堵水［8］、调驱［9］等领域。研究认为，压裂过程中使用选择性绒囊堵水材料进行控水压裂，既可以提高致密气井产量又可以控制地层水的产出。聂帅帅等［10］针对煤层气井压裂后引起层间出水问题，提出先用绒囊流体堵水再进行重复压裂的堵水重复压裂技术，在煤层气井中实现减水增气效果。

针对苏里格气田深部发育煤系破碎性致密砂岩储层特征，实施控水压裂技术需要确保绒囊流体与压裂液和地层水配伍性良好，以保证控水压裂施工顺利进行；同时，绒囊流体封堵住岩石基质或者裂缝通道时，要选择性堵水而不堵气，即地层中的气、水通过封堵带时具有不同的突破压力。为验证绒囊流体在破碎性致密砂岩中控水压裂的可行性，室内进行绒囊流体与压裂液和地层水的配伍性实验及压裂过程选择性堵水实验。室内实验结合现场控水压裂数据，分析绒囊流体的控水压裂效果。

1 室内实验

用现场收集的鄂尔多斯盆地苏里格地区下石盒子组4块致密砂岩岩心开展配伍性实验和气、水突破压力梯度实验，实验室测得岩心基础数据见表1。

表1 岩心基础数据Table 1 Basic core data

从表1可以看出，岩心柱塞的孔隙度为3.29%～3.98%，岩心柱塞的气测渗透率为(0.041 9～0.051 2)×10−3μm2。现场描述破碎性致密砂岩储层气藏孔隙度为 3.7%～15%，渗透率为 (0.01～1)×10−3μm2。实验室岩心的物性参数与现场储层物性参数基本符合，可较为真实地反映现场产层特征［11］。

1.1 配伍性评价实验

室内按1.8%囊层剂+1.2%绒毛剂+0.6%囊膜剂+0.6%囊核剂配制绒囊工作流体，其密度为0.85 g/cm3，表观黏度为58.5 mPa· s 。按现场配方配制压裂液，按地层水组分配制地层水。取2只100 mL试管分别按1∶1比例取前置液、地层水与绒囊工作液混合，均未产生沉淀。将100 mL绒囊工作液倒入烧杯中，工作液中加入破胶剂后将烧杯放入水浴锅中恒温52 ℃进行24 h破胶，取绒囊破胶液按1∶1比例分别与前置液和地层水混合，均未见沉淀，说明绒囊工作液破胶前后与压裂液和地层水配伍性良好。

1.2 突破压力梯度实验

室内利用储层伤害评价仪进行渗透率测试实验，电脑装置能够自动采集流量和压力，可以进行绒囊流体气、水突破压力梯度测试实验，装置原理如图1所示。

图1 储层伤害评价实验装置原理图Fig. 1 Schematic experimental device for reservoir damage evaluation

高压氮气源可以提供稳定的进口压力，平流泵可用于注入液体以提供流量源，岩心加持器可以模拟三轴状态下的地层压力情况，电脑自动采集流量和压力数据。

选1#、2#岩心，利用线切割机将两岩心从中间剖开，造贯穿缝。将岩心饱和后放入岩心夹持器中，在温度20 ℃、围压20 MPa、回压0.5 MPa条件下，采用恒流速法评价绒囊流体的堵水性能。先将地层水以0.1 mL/min流速正向注入1#岩心2 h，测定注入压力；再以0.1 mL/min流速反向注入绒囊流体2 h；最后以0.1 mL/min流速正向注入地层水，测定封堵后的突破压力。将2#岩心在温度20 ℃、围压20 MPa、回压0.5 MPa条件下，测定气体流量为5 mL/min时，绒囊流体封堵后的突破压力。取3#、4#基质岩心分别测定在温度20 ℃、围压20 MPa、回压0.5 MPa条件下绒囊流体封堵后的地层水(流速0.1 mL/min)、气体 (流速 5 mL/min)突破压力。1#、2#含裂缝岩心封堵后地层水、氮气突破压力分别为0.213 6 MPa和0.112 4 MPa，两块岩心长度分别为5.29 cm和5.62 cm，计算得到地层水和氮气在封堵后人造岩心中的突破压力梯度分别为0.04 MPa/cm和0.02 MPa/cm，同理计算得到绒囊封堵基质岩心后的气和水突破压力为0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm。

2 现场施工

在苏里格气田西部A、B两井进行现场实验。以A井为例，A井完钻井深3 210 m，目的层为山西组山一段。现场利用连续混配设备按照室内实验配方配制绒囊流体70 m3，密度为0.85 g/cm3，表观黏度为 59 mPa·s，pH 值为 11。

为达到控水压裂效果，将整个工艺过程分为压裂造缝和封堵控水两个基本工序交叉进行。过程如下：首先以4 m3/min施工排量泵注前置液52.6 m3，然后以3.2 m3/min施工排量泵注绒囊10 m3，再以4 m3/min排量泵注前置液35 m3、携砂液88.3 m3，之后以 2 m3/min排量泵注前置液 40 m3，继之以4 m3/min排量泵注前置液30 m3、携砂液72.9 m3，最后以4 m3/min排量泵注顶替液28 m3，控水压裂施工完成。

3 应用效果分析

苏里格气田深部煤系致密气藏气、水关系复杂，无统一气、水界面，地层水相对独立、不连通。地层水类型有束缚水、毛细管水和自由水3大类，其中毛细管水为主要地层水类型［12］。结合室内实验和现场试验，对绒囊流体控水性能和压裂性能进行讨论，并对其作用机理进行初步分析。

3.1 压裂效果分析

为保证施工顺利，工作流体之间需要有良好的配伍性。由配伍性实验可知，绒囊流体配伍性满足压裂施工要求。由于绒囊流体密度比压裂液密度小，在浮力作用下可以上浮到裂缝上部，绒囊在压力作用下对裂缝端部进行封堵，控制裂缝在垂向上扩展。在施工过程中分2次注入绒囊流体，第1次注入10 m3绒囊流体，约5.84 m3绒囊流体进入裂缝，由现场施工数据计算可知5.84 m3绒囊进入地层后承压能力提高2.79 MPa，同样注入40 m3绒囊流体后地层承压能力提高5.14 MPa，说明绒囊流体扩展到裂缝端部后可以提高裂缝端部的承压能力，使裂缝在垂向上得到控制。由于A井未进行裂缝形态监测，只能根据压裂施工数据分析裂缝扩展情况。A井施工曲线见图2。

图2 A井压裂施工特征曲线Fig. 2 Characteristic curve of fracturing construction of Well A

从图2中可以看出，绒囊进入裂缝后，泵注压力会小幅度地波动上升，之后在加砂过程中泵压平稳，说明绒囊封堵后裂缝扩展受到地层非均质性的影响压力波动较小，裂缝不断向前延伸，压裂施工顺利。

3.2 绒囊堵水增产效果分析

控水压裂主要是利用绒囊的封堵能力进行堵水增气。A井在控水压裂施工过程中，泵入50 m3绒囊流体对裂缝进行封堵，平均施工泵压38.35 MPa，环空中前置液(密度1.0 g/cm3)液柱压力30.17 MPa，不考虑摩阻作用裂缝中的液柱压力为68.52 MPa，在高压作用下，绒囊流体中的囊泡、聚合物、表面活性剂进入储层中。由室内实验可知绒囊流体封堵基质后气、水突破压力梯度分别为0.03 MPa/cm和0.2 MPa/cm，水的阻力明显增大进而限制了同层水的流动进而实现控水。同理由于封堵裂缝后气、水突破压力梯度分别为0.02 MPa/cm、0.04 MPa/cm，说明即使地层中流体通过孔隙到达裂缝后，仍能增大水的阻力实现稳气控水。压裂后161 d A、B井与邻井日产气量对比情况如图3所示。

图3 绒囊控水压裂后产量与邻井对比图Fig. 3 Comparison of production rate between the wells after water control fracturing and their neighboring wells

从图3中可以看出，绒囊控水压裂井的平均日产量4 154 m3/d和3 535 m3/d较邻井提高了13.71%和6.99%，资料未统计气井的出水情况，但是C井、D井已经分别进行了3次、63次泡排，而A、B两井生产至今未进行泡排，说明绒囊堵水效果较好。

进一步分析表明，苏里格深部煤系致密气藏孔喉较小且分布不均，绒囊的粒径在15～150 μm间连续分布［13］，小粒径绒囊进入基质中对孔喉迅速封堵提高其承压能力，为绒囊流体在裂缝中的封堵提供了驻留环境。此外，绒囊流体作为一种水连续相流体，可以进入裂缝进行封堵而不受裂缝宽度等条件的限制。绒囊流体中囊层剂、绒毛剂通过吸附、捕集和物理堵塞选择性封堵裂缝壁面，增大水的流动阻力，实现控水。进入到储层中的聚合物、表面活性剂通过吸附在储层岩石基质表面，使岩石由亲水性变成憎水性，将毛管力作为水的流动阻力增加地层水的启动压力。同时，绒囊流体黏度低、可泵性好，与地层流体及工作液配伍性好，施工完成后多余的绒囊流体可以返排，不伤害储层的导流能力。

4 结论

(1)绒囊流体既可以通过控制裂缝在垂向上的扩展，又可以通过增加地层水在基质和裂缝中的流动阻力堵水，实现了控制裂缝形态与堵水的双重作用，因此利用绒囊流体可以实施控水压裂。

(2)绒囊流体控水压裂是以苏里格深部煤系致密气储层井为背景，运用室内实验与现场试验相结合的方法得到的新认识，该工艺还适用于砂岩天然气储层控水压裂。但是否适用于其他岩性，尚不明确。

(3)虽然绒囊流体在致密气井控水压裂方面取得一定进展，对绒囊流体加入时机、加入量等尚需进一步研究。