黑龍江油田低滲儲(chǔ)層壓裂充填完井工藝技術(shù)研究

黑龍江油田低滲儲(chǔ)層壓裂充填完井工藝技術(shù)研究

完井方式的確定顧名思義，完井是指完成氣田。抽象是基于油氣層的地質(zhì)特征和開(kāi)發(fā)和采礦技術(shù)要求。井底建立資金井和油氣井筒之間的合理連接通道或連接方式。只有根據(jù)油氣藏類型和油氣層的特性并考慮開(kāi)發(fā)開(kāi)采的技術(shù)要求去選擇最合適的完井方式,才能有效地開(kāi)發(fā)油氣田,延長(zhǎng)油氣井壽命和提高油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,選擇合理的完井方式非常重要,應(yīng)該力求滿足以下要求:(1)油、氣層和井筒之間應(yīng)保持最佳的連通條件,油、氣層所受的損害最小;(2)油、氣層和井筒之間應(yīng)具有盡可能大的滲流面積,油、氣入井的阻力最小;(3)應(yīng)能有效地封隔油、氣、水層,防止氣竄或水竄,防止層間的相互干擾;(4)應(yīng)能有效地控制油層出砂,防止井壁垮塌,確保油井長(zhǎng)期生產(chǎn);(5)應(yīng)具備進(jìn)行分層注水、注氣、分層壓裂、酸化等分層措施以及便于人工舉升和井下作業(yè)等條件;(6)施工工藝簡(jiǎn)便,成本較低。1油氣井眼油氣井出砂會(huì)造成井下設(shè)備、地面設(shè)備及工具(如泵、分離器、加熱器、管線)的磨蝕和損害,也會(huì)造成井眼的堵塞,降低油氣井產(chǎn)量或迫使油氣井停產(chǎn)。所以,弄清油氣井出砂機(jī)理及正確地判斷地層是否出砂,對(duì)于選擇合理的防砂完井方式及搞好油氣田的開(kāi)發(fā)開(kāi)采是非常重要的。1.1地層出砂的防止對(duì)于出砂井,地層所出的砂分為兩種,一種是地層中的游離砂,另一種是地層的骨架砂。石油界對(duì)防砂的觀點(diǎn)也隨著技術(shù)的進(jìn)步和認(rèn)識(shí)的深化在不斷變化。在此之前,一些防砂的理論主要是針對(duì)地層中的游離砂,防砂設(shè)計(jì)也是為了能阻擋地層中的游離砂產(chǎn)出來(lái)。但是,近幾年來(lái),特別是國(guó)外的看法有了較大的變化,認(rèn)為地層產(chǎn)出游離砂并不可怕,反倒能疏通地層孔隙喉道,對(duì)提高油井產(chǎn)量有利。真正要防的是地層骨架砂的產(chǎn)出,因?yàn)橐坏┑貙映龉羌苌?可能導(dǎo)致地層的坍塌,使油井報(bào)廢。那么,什么時(shí)候地層將產(chǎn)出骨架砂呢?按巖石力學(xué)觀點(diǎn),地層出砂是由于井壁巖石結(jié)構(gòu)被破壞所引起的。而井壁巖石的應(yīng)力狀態(tài)和巖石的抗張強(qiáng)度(主要受巖石的膠結(jié)強(qiáng)度,也就是壓實(shí)程度低、膠結(jié)疏松的影響)是地層出砂與否的內(nèi)因。開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)壓差的大小及地層流體壓力的變化是地層出砂與否的外因。如果井壁巖石所受的最大張應(yīng)力超過(guò)巖石的抗張強(qiáng)度,則會(huì)發(fā)生張性斷裂或張性破壞,其具體表現(xiàn)在井壁巖石不堅(jiān)固,在開(kāi)發(fā)開(kāi)采過(guò)程中將造成地層出骨架砂。影響地層出砂的因素歸結(jié)起來(lái)主要有:(1)地層巖石強(qiáng)度一般說(shuō)來(lái),地層巖石強(qiáng)度越低,地層出砂的可能性就越大。(2)地層壓力的衰減隨著地層壓力的下降,井壁巖石所受的應(yīng)力就會(huì)增大,地層出砂的可能性就會(huì)隨著增大。(3)生產(chǎn)壓差一般說(shuō)來(lái),生產(chǎn)壓差(或生產(chǎn)速度)越大,地層出砂的可能性就越大。(4)地層是否出水和含水率的大小生產(chǎn)過(guò)程中,隨著地層的出水和含水率的上升,地層出砂的可能性增大。(5)地層流體粘度地層流體粘度越大,地層出砂的可能性就越大。(6)不適當(dāng)?shù)拇胧┗蚬芾聿划?dāng)?shù)脑霎a(chǎn)措施(如酸化或壓裂)或管理(如造成井下過(guò)大的壓力激動(dòng))都會(huì)引起地層出砂。1.2在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)地層砂的評(píng)估眾所周知,生產(chǎn)過(guò)程中地層出砂的判斷就是要解決油井是否需要采用防砂完井的問(wèn)題。其判斷方法主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)法及力學(xué)計(jì)算方法等。1.2.1現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法(1)巖心破碎率測(cè)定疏松巖石用常規(guī)取心工具收獲率低,很容易將巖心從取心筒中拿出或巖心易從取心筒中脫落;用肉眼觀察、手觸等方法判斷時(shí),疏松巖石或低強(qiáng)度巖石往往一觸即碎、或停放數(shù)日自行破碎、或在巖心上用指甲能刻痕;對(duì)巖心浸水或鹽水,巖心易破碎。如有上述現(xiàn)象,則說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程中地層易出砂。(2)地層砂的產(chǎn)砂過(guò)程如果DST測(cè)試期間油氣井出砂(甚至嚴(yán)重出砂),說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程中地層易出砂;如果DST測(cè)試期間未見(jiàn)出砂,但仔細(xì)檢查井下鉆具和工具,在接箍臺(tái)階等處附有砂粒,或在DST測(cè)試完畢后,砂面上升,說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程中地層易出砂。(3)井狀態(tài)同一油氣藏中,臨井生產(chǎn)過(guò)程中出砂,本井出砂的可能性大。1.2.2經(jīng)驗(yàn)與法律(1)聲波方程法聲波時(shí)差Δtc≥295μs/m時(shí),地層容易出砂。(2)地層巖性剪切模量公式根據(jù)力學(xué)性質(zhì)測(cè)井所求得的地層巖石剪切模量G和巖石體積壓縮系數(shù)cb,可以計(jì)算G/cb值,其計(jì)算公式如下式中,G—地層巖石剪切模量,MPa;cb—巖石體積壓縮系數(shù),1/MPa;μ—巖石波松比,小數(shù);ρ?—巖石密度,g/cm3;Δtc—聲波時(shí)差,μs/m。當(dāng)G/cb>3.8×107?MPa2時(shí),油氣井不出砂;當(dāng)G/cb<3.3×107?MPa2時(shí),油氣井要出砂。(3)出砂試驗(yàn)根據(jù)聲速及密度測(cè)井資料,用下式計(jì)算巖石的彈性組合模量EC:式中,EC—地層巖石彈性組合模量,MPa;其它符號(hào)同上。一般情況下,EC越小,地層出砂的可能性越大。美國(guó)墨西哥灣地區(qū)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)EC大于2.068×104?MPa時(shí),油氣井不出砂;反之,則要出砂。英國(guó)北海地區(qū)也采用同樣的判據(jù)。我國(guó)的勝利油田也用此法在一些油氣井上作過(guò)出砂預(yù)測(cè),準(zhǔn)確率在80%以上,出砂與否的判斷方法如下:①EC≥2.0×104?MPa,正常生產(chǎn)時(shí)不出砂;②1.5×104?MPa<EC<2.0×104?MPa,正常生產(chǎn)時(shí)輕微出砂;③EC≤1.5×104?MPa,正常生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)重出砂。1.2.3生產(chǎn)壓差和井壁巖石抗壓強(qiáng)度的影響根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果,對(duì)于任意角度的定向斜井,其防砂判據(jù)為:式中,C—地層巖石抗壓強(qiáng)度,MPa;ν?—巖石泊松比,小數(shù);ρ?—上覆巖層平均密度,kg/m3;g—重力加速度,m/s2;H—地層深度,m;ps—地層流體壓力,MPa;pwf—油井生產(chǎn)井底流壓,MPa。如果(3)式成立,則表明在上述生產(chǎn)壓差(ps-pwf)下,不會(huì)引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞,也就不會(huì)出骨架砂,可以選擇不防砂的完井方法。反之,地層膠結(jié)強(qiáng)度低,井壁巖石的最大切向應(yīng)力超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞,地層會(huì)出骨架砂,需要采取防砂完井方法。由此可以看出:①在地層巖石抗壓強(qiáng)度C和地層壓力ps不變的情況下,當(dāng)生產(chǎn)壓差(ps-pwf)增大時(shí),原來(lái)不出砂的井可能會(huì)開(kāi)始出砂。也就是說(shuō),生產(chǎn)壓差增大是出砂與否的一個(gè)重要外因。②當(dāng)?shù)貙映鏊?特別是膨脹性粘土含量高的砂巖地層,其巖石的膠結(jié)強(qiáng)度將會(huì)大大下降,從而導(dǎo)致巖石的抗壓強(qiáng)度C下降,使原來(lái)不出砂的井(不出水的井)可能會(huì)開(kāi)始出砂。③在地層巖石抗壓強(qiáng)度C不變時(shí),隨著地層壓力ps的下降,即使生產(chǎn)壓差保持常數(shù),原來(lái)不出砂的井也可能會(huì)開(kāi)始出砂。綏中36—1油田屬于低壓稠油油田,目的層位為東營(yíng)組下段,儲(chǔ)層巖石膠結(jié)疏松,孔滲性極大。根據(jù)上述出砂判據(jù)綜合判斷,油井出砂將成為貫穿開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程的主要問(wèn)題,防砂則為開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及油層保護(hù)的重點(diǎn)和核心。2金屬纖維類篩管充填完井目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的防砂完井方法有:(1)割縫襯管完井。(2)繞絲篩管完井。(3)裸眼預(yù)充填類篩管完井,包括預(yù)充填礫石篩管、金屬纖維篩管、燒結(jié)陶瓷篩管、金屬氈篩管等。國(guó)外的Stratapac篩管、Sinterpak篩管屬于金屬纖維類篩管。(4)裸眼井下礫石充填完井。(5)射孔套管內(nèi)預(yù)充填類篩管完井,包括預(yù)充填礫石篩管、金屬纖維篩管、燒結(jié)陶瓷篩管、金屬氈篩管等。國(guó)外的Stratapac篩管、Sinterpak篩管屬于金屬纖維類篩管。(6)射孔套管內(nèi)井下礫石充填完井,礫石充填方式包括常規(guī)礫石充填、高速水礫石充填、壓裂充填(主要有清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填、膠液壓裂充填等三種)。根據(jù)綏中36—1油田地層縱向上層系多、含夾層(泥巖夾層、含水夾層)的特殊情況,決定采用下套管注水泥固井并在射孔套管內(nèi)井下礫石充填完井。3碎石層損壞3.1充填后地層損害較常規(guī)礫石充填所用的充填液有低粘度(50～100mPa·s)、中粘度(300～400mPa·s)、高粘度500～700mPa·s)等三種。常規(guī)礫石充填后的地層損害較大。綏中36—1油田6口試驗(yàn)井的表皮系數(shù)經(jīng)分解后見(jiàn)表1(表1中,綜合損害表皮系數(shù)指鉆井、固井、礫石充填液、地層細(xì)砂侵入造成的總表皮系數(shù))。3.2油層保護(hù)添加劑高速水礫石充填所用的充填液是清鹽水,粘度為1～2mPa·s。在清鹽水中加入合適的油層保護(hù)添加劑。高速水礫石充填時(shí),將井底壓力提高到地層破裂壓力附近或略高于地層破裂壓力,目的是破壞射孔所形成的壓實(shí)損害帶,同時(shí)消除部分鉆井、固井損害。3.3壓裂充注據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在礫石充填工藝上的突破主要是將礫石充填與水力壓裂結(jié)合起來(lái),包括清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填、膠液壓裂充填等。3.3.1射孔地層充填礫石清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填、膠液壓裂充填的原理就是在射孔井上礫石充填之前,利用水力壓裂在地層中造出短裂縫,然后在裂縫中填滿礫石,最后再在篩管與套管環(huán)空充填礫石,見(jiàn)表2(注:ppg-磅/加侖;BPM-桶/分)。3.3.2常規(guī)礫石充填井對(duì)57口膠液壓裂充填井,用凝膠壓裂液壓開(kāi)地層,裂縫長(zhǎng)度7.5～15m,裂縫中填滿礫石,然后進(jìn)行礫石充填完井;對(duì)23口清水壓裂充填井,將泵速提到能用鹽水壓開(kāi)地層,裂縫長(zhǎng)度1.5～3m,用鹽水將裂縫中填滿礫石,然后再用鹽水進(jìn)行礫石充填完井。礫石充填后的地層損害及效果見(jiàn)表3。對(duì)綏中36—1油田6口常規(guī)礫石充填試驗(yàn)井表皮系數(shù)進(jìn)一步的分解結(jié)果見(jiàn)表4。由表3可知:在57口膠液壓裂充填井中,表皮系數(shù)≤5的占77%,而表皮系數(shù)>5%的僅占23%;在23口清水壓裂充填井中,表皮系數(shù)≤5的占74%,而表皮系數(shù)>5%的僅占26%;在綏中36—1油田的6口井中,表皮系數(shù)≤5的僅占16.67%,而表皮系數(shù)>5%的卻占83.33%。顯然,常規(guī)礫石充填井的損害遠(yuǎn)大于壓裂充填井。可見(jiàn),壓裂充填確實(shí)比常規(guī)礫石充填的損害小。4泡沫壓裂充填型高速水充填、壓裂充填與常規(guī)礫石充填的產(chǎn)能對(duì)比見(jiàn)表5。分析表5可知:(1)低滲地層常規(guī)水力壓裂的增產(chǎn)倍數(shù)一般為2～4倍;泡沫壓裂可達(dá)6～10倍;原因是裂縫長(zhǎng)、導(dǎo)流能力/地層系數(shù)比值大。(2)而表5中,壓裂充填的產(chǎn)能雖然達(dá)到常規(guī)礫石充填的100%～200%,但也只達(dá)到天然產(chǎn)能的80%～120%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低滲地層常規(guī)水力壓裂的增產(chǎn)倍數(shù);原因是地層滲透率高、裂縫短、導(dǎo)流能力/地層系數(shù)比值小?？偟恼f(shuō)來(lái)高速水礫石充填和壓裂充填完井是低壓稠油出砂油田較好的防砂完井方式。5壓裂充填的增收效果(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察法、經(jīng)驗(yàn)法及力學(xué)計(jì)算法等出砂判據(jù)綜合判斷,油井出砂將成為綏中36—1油田貫穿開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程的主要問(wèn)題,防砂則為開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及油層保護(hù)的重點(diǎn)和核心。(2)由于綏中36—1油田地層縱向上層系多、含夾層(泥巖夾層、含水夾層)等特殊情況,決定采用下套管注水泥固井并在射孔套管內(nèi)進(jìn)行井下礫石充填完井。(3)針對(duì)管內(nèi)井下礫石充填完井,優(yōu)選出如下的充填方式:①在可以進(jìn)行壓裂充填的層段,壓裂充填的效果很好,與常規(guī)礫石充填相比,雖然成本增加,但壓裂充填的增產(chǎn)作用明顯。這主要是形成了裂縫、改善了滲流方式,消除了(或部分消除了)鉆井、固井損害,同時(shí)也破壞了射孔所形成的壓實(shí)帶等原因所致。②在清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填、膠液壓裂充填這三種方式中,清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填的增產(chǎn)效果相當(dāng),這是因?yàn)閮烧咝纬傻牧芽p較短;而膠液壓裂充填的增產(chǎn)效果最為明顯,主要原因是膠液壓裂充填能形成三者之中最長(zhǎng)的裂縫,但成本最高。③在采用了屏蔽式暫堵技術(shù)的井中,由于鉆井污染深度淺,建議采用清水壓裂充填或端部脫砂壓裂充填來(lái)解堵和增產(chǎn);而在未采用屏蔽式暫堵技術(shù)的井中,由于鉆井污染深度深,建議采用膠