鄂爾多斯盆地低壓致密油層體積壓裂探索研究及試驗(yàn)

李憲文，張礦生，樊鳳玲，唐梅榮

卜向前，王文雄，李向平 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安710021）

長(zhǎng)慶油田經(jīng)過(guò)40余年的技術(shù)攻關(guān)與管理創(chuàng)新，目前已實(shí)現(xiàn)了特低滲透和超低滲透油藏的規(guī)模開發(fā)。最新資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏資源量達(dá)到了剩余資源量的20%以上。致密油藏與盆地已開發(fā)的特低滲、超低滲油藏相比，成藏機(jī)理、分布規(guī)律、孔喉特征、滲流特征復(fù)雜，壓裂裂縫與井網(wǎng)匹配難度大，采用常規(guī)改造工藝單井產(chǎn)量低。前期長(zhǎng)慶油田針對(duì)致密油藏的開發(fā)試驗(yàn)平均單井日產(chǎn)油量不到1.0t，現(xiàn)有壓裂改造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)致密油藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，急需對(duì)該類油層開展儲(chǔ)層改造新工藝技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)其有效開發(fā)，為長(zhǎng)慶油田5000萬(wàn)噸 “上得去、穩(wěn)得住、管得好、可持續(xù)”戰(zhàn)略目標(biāo)提供重要保障。

近年來(lái)，北美地區(qū)非常規(guī)油氣田開發(fā)技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在致密油氣、頁(yè)巖氣開發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。非常規(guī)油氣產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，不僅改變了北美能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)，而且在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)致密油氣、頁(yè)巖油氣的開發(fā)熱潮。國(guó)外致密油氣資源能夠得以有效開發(fā)，主要得益于三維地震、油藏精細(xì)描述、水平井開發(fā)、體積壓裂與監(jiān)測(cè)、“工廠化”作業(yè)，尤其是體積壓裂技術(shù)的突破，使得單井產(chǎn)量大幅攀升[2]。國(guó)外致密油氣有效開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)為盆地致密油藏資源動(dòng)用提供了一定借鑒。長(zhǎng)慶油田密切跟蹤國(guó)外致密油儲(chǔ)層改造先進(jìn)技術(shù)理念，分析體積壓裂增產(chǎn)機(jī)理及適應(yīng)性條件，研究盆地致密油儲(chǔ)層特征，并在盆地致密油儲(chǔ)層 （滲透率在0.3mD以下）開展體積壓裂探索研究及試驗(yàn)，探索了在盆地致密油層中開展體積壓裂的適應(yīng)性及有效的工藝設(shè)計(jì)模式及實(shí)現(xiàn)方式。

1 盆地致密油層體積壓裂縫網(wǎng)形成分析

1.1 體積壓裂增產(chǎn)機(jī)理

“體積壓裂”理念突破了傳統(tǒng)的增產(chǎn)機(jī)理，利用 “大排量、低砂比、大液量滑溜水低黏液體體系”的技術(shù)做法，開啟天然裂縫，使裂縫壁面產(chǎn)生剪切滑移、錯(cuò)斷，形成 “自撐”式支撐，形成人工裂縫與儲(chǔ)層天然裂縫相結(jié)合并貫穿整個(gè)油藏的縫網(wǎng)系統(tǒng)，將儲(chǔ)層改造的方向由提高人工裂縫泄流面積轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)大裂縫網(wǎng)絡(luò)與油藏的接觸體積，從而達(dá)到提高單井產(chǎn)量的目的。

1.2 體積壓裂對(duì)儲(chǔ)層特征的要求

國(guó)外致密油氣層體積壓裂試驗(yàn)研究及分析認(rèn)為[1，3，4]，對(duì)于以下幾項(xiàng)特征比較突出的儲(chǔ)層，采用體積壓裂有利于形成較大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高單井產(chǎn)量。

1）低滲透儲(chǔ)層 油氣藏滲透率越低，裂縫所要求的導(dǎo)流能力就越低，與體積壓裂形成的低導(dǎo)流能力裂縫較為適配。國(guó)外主要應(yīng)用于滲透率介于0.05～0.1mD的油氣藏中，或存在天然裂縫、滲透率大于0.1mD的油氣藏。

2）高強(qiáng)度巖石地層 （脆性高） 巖石的彈性模量越高，巖石越堅(jiān)硬，脆性指數(shù)高，易產(chǎn)生剪切破壞，形成剪切裂縫及粗糙的節(jié)理，并保持張開狀態(tài)，同時(shí)保持一定的導(dǎo)流能力。國(guó)外體積壓裂主要應(yīng)用于彈性模量大于3.0×104MPa的油氣藏。

3）具天然裂縫的地層 對(duì)具有天然裂縫的儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，體積壓裂可以溝通天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通天然裂縫網(wǎng)絡(luò)和井筒之間的流動(dòng)。

4）儲(chǔ)層兩向應(yīng)力差較小的油層 兩向應(yīng)力差小，有利于裂縫轉(zhuǎn)向、彎曲等，以產(chǎn)生較多支裂縫，有利于形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。

1.3 盆地致密儲(chǔ)層形成縫網(wǎng)的地質(zhì)特征分析

致密油藏是指賦存于油頁(yè)巖及其互層共生的致密砂巖儲(chǔ)層中、未經(jīng)過(guò)大規(guī)模長(zhǎng)距離油氣運(yùn)移的油藏，目前致密油藏尚未形成統(tǒng)一定義。以美國(guó)Bakken為代表的致密油層，其地下滲透率為0.01～0.1mD。長(zhǎng)慶油田根據(jù)儲(chǔ)層特征及開發(fā)現(xiàn)狀，將地面氣測(cè)滲透率為0.1～0.3mD的油藏劃為致密油層范疇，主要分布在鄂爾多斯盆地B1層和湖盆中部B2層。表1為盆地致密油藏與巴肯 （Bakken）致密油藏特征[2]對(duì)比。

表1 鄂爾多斯盆地致密油藏與北美Bakken組致密油藏特征對(duì)比表

圖1、2分別為巴肯油層及長(zhǎng)慶油田致密油層成像測(cè)井成果圖，圖3為長(zhǎng)慶油田巖心照片。均顯示出具有較好的天然裂縫發(fā)育。儲(chǔ)層特征對(duì)比顯示，盆地致密油層與國(guó)外致密油層相比，脆性程度、物性條件、天然裂縫特征等方面有一定的相似性，在一定程度上有利于形成縫網(wǎng)，可以借鑒國(guó)外技術(shù)理念，開展體積壓裂探索試驗(yàn)。

圖2 長(zhǎng)慶油田致密油層成像測(cè)井圖

圖1 巴肯油層成像測(cè)井天然裂縫解釋圖

圖3 長(zhǎng)慶油田致密油層巖心照片

2 盆地低壓致密油層體積壓裂設(shè)計(jì)模式探索

國(guó)外致密油氣層體積壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)的主要特點(diǎn)是采用 “大排量、大液量、低砂比、小粒徑”的設(shè)計(jì)模式[7]。一般采用水平井開發(fā)，在工藝實(shí)現(xiàn)方式上，主要采用裸眼封隔器分級(jí)壓裂、速鉆橋塞分級(jí)壓裂等工藝方式，施工效率較高。其中巴肯致密油層在2008年后采用體積壓裂技術(shù)獲得較高的單井產(chǎn)量，水平井單井產(chǎn)量大幅攀升，初期產(chǎn)量達(dá)到12t/d，獲得了較好的開發(fā)效益。

前期儲(chǔ)層特征對(duì)比表明，鄂爾多斯盆地致密油層與國(guó)外致密油氣層相比，具有一定的相似性，可以借鑒國(guó)外儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)思路，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在壓力因數(shù)、天然微裂縫發(fā)育程度等方面存在一定差異。巴肯致密儲(chǔ)層壓力因數(shù)高適于采用自然能量開發(fā)；并且天然裂縫發(fā)育且呈多向性，易于形成人造縫與天然裂縫的交錯(cuò)。盆地致密儲(chǔ)層突出的特點(diǎn)是地層壓力因數(shù)低，天然裂縫發(fā)育程度相對(duì)較差，并且天然裂縫方位較為單一，70%以上的天然裂縫呈高角度且與最大主應(yīng)力方向夾角較小。如果按照國(guó)外自然能量開發(fā)方式及體積壓裂改造模式將面臨單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)難度大的問(wèn)題；因此國(guó)外成熟技術(shù)并不完全適用于鄂爾多斯盆地致密油層的勘探開發(fā)，需要開展研究與試驗(yàn)，探索盆地低壓致密油層有效的體積壓裂設(shè)計(jì)模式。

國(guó)外采用體積壓裂的致密油氣藏普遍壓力因數(shù)高，自然能量開發(fā)，體積壓裂設(shè)計(jì)考慮因素相對(duì)較少。鄂爾多斯盆地致密油藏壓力因數(shù)低，需要補(bǔ)充能量開發(fā)，體積壓裂設(shè)計(jì)結(jié)合補(bǔ)充能量條件下的注采井網(wǎng)情況及前期井下微地震裂縫測(cè)試情況，進(jìn)行改造體積及工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，探索適合盆地低壓致密油層的體積壓裂設(shè)計(jì)模式。

2.1 改造體積及工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 改造體積的優(yōu)化

改造體積是指通過(guò)體積壓裂形成的復(fù)雜縫網(wǎng)范圍的總體積。傳統(tǒng)的低滲透油層壓裂設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)兩翼對(duì)稱的單條細(xì)長(zhǎng)裂縫，裂縫的設(shè)計(jì)以優(yōu)化導(dǎo)流能力、及縫長(zhǎng)為主，主要考慮裂縫與儲(chǔ)層滲流能力及井網(wǎng)的匹配。而體積壓裂理念以設(shè)計(jì)縫網(wǎng)為目標(biāo)，縫網(wǎng)的設(shè)計(jì)以優(yōu)化縫網(wǎng)改造體積為主，主要考慮縫網(wǎng)改造體積對(duì)產(chǎn)能的影響。

圖4 不同改造體積對(duì)采出程度的影響

圖5 體積壓裂縫網(wǎng)網(wǎng)格簡(jiǎn)化形式示意圖

天然裂縫發(fā)育的致密儲(chǔ)層具有雙重介質(zhì)滲流特征，以盆地致密油層典型特征參數(shù)及井網(wǎng)形式為基礎(chǔ)，建立了盆地致密儲(chǔ)層縫網(wǎng)優(yōu)化模型，研究不同改造體積對(duì)對(duì)采出程度的影響 （圖4），優(yōu)化改造體積。其中改造體積的裂縫總長(zhǎng)與裂縫半長(zhǎng)、裂縫寬度和裂縫間距之間的關(guān)系可以按照如下網(wǎng)格簡(jiǎn)化形式（圖5）及公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Lf為裂縫總長(zhǎng)，m；xf為總縫網(wǎng)半長(zhǎng)，m；bf為縫寬，m；dfg為裂縫網(wǎng)格間距，m。

根據(jù)式 （1）對(duì)總縫長(zhǎng)的計(jì)算，進(jìn)一步計(jì)算改造體積，并研究不同改造體積對(duì)采出程度的影響。通過(guò)模擬研究，采出程度隨改造體積增大，但增大到一定程度，由于縫網(wǎng)見水加快，采出程度降低，由此選擇采出程度最大時(shí)的改造體積為最優(yōu)的改造體積。

2.1.2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

前期研究結(jié)果表明，體積壓裂施工要形成人工裂縫與天然裂縫的縫網(wǎng)系統(tǒng)，需要達(dá)到一定的條件開啟天然裂縫。天然裂縫開啟的凈壓力條件用下式[5]預(yù)測(cè)：

式中：pnet為天然裂縫開啟的凈壓力，MPa；σh，max、σh，min分別為原始水平最大、最小主應(yīng)力，MPa；θ為天然裂縫或弱膠結(jié)面與儲(chǔ)層最大主應(yīng)力的夾角，（°）。

根據(jù)式 （2），并結(jié)合鄂爾多斯盆地致密儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育特征及地應(yīng)力特征，要開啟天然裂縫需要縫內(nèi)凈壓力達(dá)到8MPa以上，具體到工藝參數(shù)，體積壓裂需要較大的排量來(lái)獲得較高的凈壓力來(lái)開啟天然裂縫，形成縫網(wǎng)，是體積壓裂工藝優(yōu)化需要考慮的基本的問(wèn)題。

在體積壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)裂縫擴(kuò)展模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化方面，目前國(guó)內(nèi)外研究還不成熟，沒有較為成熟的方法及優(yōu)化軟件可借鑒。國(guó)外致密油氣層體積壓裂，主要通過(guò)開展不同體積壓裂工藝參數(shù)下的井下微地震裂縫測(cè)試，評(píng)價(jià)改造體積，優(yōu)化工藝參數(shù)。盆地致密儲(chǔ)層縫網(wǎng)工藝參數(shù)優(yōu)化借鑒國(guó)外技術(shù)做法，開展了井下微地震裂縫監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)不同工藝參數(shù)對(duì)縫網(wǎng)改造體積的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)。

對(duì)不同工藝參數(shù)下體積壓裂的縫網(wǎng)改造體積進(jìn)行了研究，分析排量對(duì)帶寬的影響、液量對(duì)帶長(zhǎng)的影響。通過(guò)分析研究，總體上，隨著排量的增大 （前期常規(guī)壓力的排量為2～3m3/min），帶寬增大明顯；排量提高至6m3/min時(shí)，帶寬顯著增大；但排量大于8m3/min時(shí)，帶寬增幅有限 （圖6）。隨壓裂入地液量強(qiáng)度的增大，帶長(zhǎng)得到有效增大，入地液量強(qiáng)度達(dá)到25m3/m后，帶長(zhǎng)增加有限 （圖7）。

圖6 裂縫帶寬與排量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖

圖7 壓裂入地液量強(qiáng)度與帶長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖

2.1.3 壓裂液及支撐劑優(yōu)化

壓裂液的優(yōu)化借鑒國(guó)外改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合前期試驗(yàn)井情況，并考慮體積壓裂工藝排量高、摩阻大、入地液量較大的問(wèn)題，降低了稠化劑的比例，研發(fā)了新型降阻劑，優(yōu)化了助排劑，形成了一套適于鄂爾多斯盆地儲(chǔ)層特征、并滿足體積壓裂要求的低黏壓裂液體系。室內(nèi)評(píng)價(jià)性能良好。支撐劑的優(yōu)化考慮體積壓裂形成的縫網(wǎng)系統(tǒng)，主要采用較小粒徑的支撐劑支撐天然裂縫及小支縫，采用較大粒徑的支撐劑支撐主裂縫。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)選40～70目與20～40目低密度陶粒組合應(yīng)用。

2.2 小結(jié)

通過(guò)以上研究及試驗(yàn)分析，對(duì)于鄂爾多斯盆地低壓致密儲(chǔ)層，在補(bǔ)充能量開發(fā)條件下，初步形成了具有 “較大排量、較大液量強(qiáng)度、中低砂比、大小粒徑支撐劑組合、低黏壓裂液體系”體積壓裂工藝設(shè)計(jì)模式。

3 壓后分析

2012年，長(zhǎng)慶油田開展致密油層體積壓裂縫網(wǎng)匹配壓裂試驗(yàn)17口直井，投產(chǎn)半年時(shí)試驗(yàn)井單井產(chǎn)量與鄰井相比平均日增油46%；開展了6口水平井體積壓裂試驗(yàn)，投產(chǎn)初期產(chǎn)量達(dá)到10t/d以上，與常規(guī)水平井壓裂相比，單井產(chǎn)量高出6t/d以上，同時(shí)含水特征較為穩(wěn)定，取得了良好的試驗(yàn)效果。

3.1 施工凈壓力特征分析

體積壓裂形成縫網(wǎng)系統(tǒng)，需要開啟天然裂縫，必然需要形成較高的縫內(nèi)凈壓力，因此可以通過(guò)凈壓力分析認(rèn)識(shí)工藝效果。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)井壓裂凈壓力特征進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用體積壓裂提高排量后，凈壓力得到了有效提高 （圖8）；通過(guò)對(duì)凈壓力－時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的進(jìn)一步分析，施工過(guò)程凈壓力－時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線存在多處斜率正負(fù)變化 （圖9），綜合分析認(rèn)為裂縫延伸過(guò)程中開啟了多處天然裂縫，有利于形成一定的縫網(wǎng)系統(tǒng)。而常規(guī)壓裂縫內(nèi)凈壓力－時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線特征主要為正的小斜率平穩(wěn)上升型，天然裂縫開啟的可能性小，主要是主裂縫在縫長(zhǎng)方向上的擴(kuò)展。

圖8 試驗(yàn)井凈壓力與排量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖

圖9 試驗(yàn)井凈壓力－時(shí)間雙對(duì)數(shù)斜率變化圖

3.2 井下微地震裂縫測(cè)試結(jié)果分析

為認(rèn)識(shí)盆地致密油層體積壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)，開展了井下微地震裂縫測(cè)試。測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，體積壓裂與常規(guī)改造工藝相比，改造體積明顯增大，帶寬明顯增大。但進(jìn)一步分析裂縫形態(tài)，仍然有較強(qiáng)的主裂縫特征 （圖10）。分析認(rèn)為該區(qū)致密油層體積壓裂形成的裂縫形態(tài)是以主縫為主、天然裂縫開啟及交錯(cuò)為輔的縫網(wǎng)形式 （圖11），不同于國(guó)外致密油氣體積壓裂后復(fù)雜的縫網(wǎng)形態(tài) （圖12）。

圖10 盆地致密油層體積壓裂井下微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 盆地致密油層體積壓裂裂縫形態(tài)抽象圖

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)開展體積壓裂探索研究與試驗(yàn)，對(duì)盆地致密油層體積壓裂設(shè)計(jì)模式、縫網(wǎng)形態(tài)、縫網(wǎng)匹配等方面有了基本認(rèn)識(shí)，為致密油層儲(chǔ)層改造工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了有益的探索與借鑒。

1）探索研究與試驗(yàn)形成的盆地低壓致密油層體積壓裂設(shè)計(jì)模式與儲(chǔ)層特征及井網(wǎng)形式具有較好的適應(yīng)性，有效地提高了單井產(chǎn)量，尤其是水平井體積壓裂增產(chǎn)效果突出，是下步致密油體積壓裂試驗(yàn)的一個(gè)主要方向。

2）體積壓裂增大了改造體積，擴(kuò)大了泄油體積，但盆地致密儲(chǔ)層體積壓裂縫網(wǎng)形態(tài)是以主裂縫為主，滑移縫、天然縫開啟交錯(cuò)為輔的縫網(wǎng)系統(tǒng)。與國(guó)外復(fù)雜縫網(wǎng)存在較大差異。

3）盆地致密儲(chǔ)層由于地層壓力因數(shù)低，且形成的縫網(wǎng)形態(tài)是以主縫為主、天然裂縫開啟為輔的小縫網(wǎng)系統(tǒng)，初步認(rèn)為應(yīng)堅(jiān)持以補(bǔ)充能量開發(fā)的方式，深入開展注采方式、注入介質(zhì)、井網(wǎng)優(yōu)化研究，有利于進(jìn)一步提高體積壓裂的效果。

4）盆地低壓致密油藏體積壓裂及縫網(wǎng)匹配是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題，目前開展

的探索研究及試驗(yàn)取得了一些有益的認(rèn)識(shí)，但下步仍需開展多學(xué)科交叉研究，進(jìn)一步提高總體效果。

圖12 國(guó)外致密油氣體積壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)形態(tài)示意圖

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