致密儲層體積壓裂作用范圍及裂縫分布模式
——基于壓裂后實(shí)際取心資料

牛小兵，馮勝斌，尤 源，梁曉偉，辛紅剛，淡衛(wèi)東，李廷艷，任繼勝

(1.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018； 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.中國石油集團(tuán) 渤海鉆探工程有限公司 第二錄井分公司，河北 任丘 062550)

非常規(guī)油氣勘探、開發(fā)的成功得益于采用大規(guī)模體積壓裂(體積改造)有效地“解放”了致密儲層[1-3]。一般認(rèn)為，儲層改造體積越大，形成的有效裂縫網(wǎng)絡(luò)范圍越大，致密(頁巖)油產(chǎn)量就越高[1]。近年來，壓裂技術(shù)的重要發(fā)展方向是不斷尋求有效的措施來增大改造體積[1]。目前，增大改造體積主要通過加大壓裂規(guī)模，誘導(dǎo)裂縫轉(zhuǎn)向，優(yōu)化壓裂設(shè)計參數(shù)，如：增加簇數(shù)或減小壓裂縫間距等形成復(fù)雜縫網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際地層的改造體積及改造后儲層中裂縫的分布情況則需要通過壓裂效果檢測得出[1,4]。目前，壓裂效果檢測最直觀的方法就是井下微地震方法[5]，獲得壓裂縫的高度、寬度、改造體積等重要參數(shù)。而實(shí)際儲層中的壓裂縫是否和微地震解釋的一樣，也沒有實(shí)物證據(jù)。近年來，有研究表明，通過井下微地震監(jiān)測解釋出的壓裂改造范圍[6]過于樂觀，一些微地震響應(yīng)點(diǎn)實(shí)際并沒有產(chǎn)生裂縫，只是檢測器接收到了微地震聲波信號。也有研究認(rèn)為，含支撐劑的壓裂縫長度只有微地震解釋得到的水力縫長[7]一半左右。此外，普遍認(rèn)為體積壓裂后形成的壓裂縫主要是復(fù)雜的宏觀縫[8]，甚至認(rèn)為通過體積壓裂形成了大量具有支撐劑支撐的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)。那么，實(shí)際地層中的壓裂縫究竟如何，對于合理優(yōu)化壓裂設(shè)計，判斷壓裂后的儲層特征，分析油藏動用范圍和效果，確定單井控制儲量等方面都具有重要的指導(dǎo)意義[1,9,10]?；谝陨峡紤]，長慶油田在致密油試驗(yàn)區(qū)針對不同的壓裂井型，部署了兩種方式的取心井，依據(jù)實(shí)際取心資料和詳細(xì)的測試分析來研究壓裂改造區(qū)壓裂縫的類型、體積壓裂有效作用范圍和油藏動用情況等。本文正是基于這些實(shí)際取心井觀測及研究的成果，并結(jié)合測井、巖石分析測試等資料深入分析體積壓裂改造后的儲層裂縫發(fā)育特征，探討壓裂縫的有效作用范圍，分析壓裂縫分布模式等，以期對相關(guān)研究及生產(chǎn)部署提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)井地質(zhì)概況和取心井的部署

1.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地中生界延長組長7段發(fā)育陸相致密油(頁巖油)[11-16]，其中隴東地區(qū)主要發(fā)育重力流成因的致密砂巖油，陜北地區(qū)主要發(fā)育三角洲前緣成因的致密砂巖油(圖1a)。2011年以來，長慶油田針對長7段致密油開展了體積壓裂試驗(yàn)攻關(guān)[2]，早期在陜北地區(qū)開展的直井體積壓裂試驗(yàn)，隨后在隴東地區(qū)開展的水平井體積壓裂試驗(yàn)，均取得了較好的效果，單井產(chǎn)量大幅度提高，且有一定時間的穩(wěn)產(chǎn)期，實(shí)現(xiàn)了致密油的有效動用[17-19]。2010～2011年，陜北姬塬地區(qū)A83井區(qū)(圖1a)開展的定向井滑溜水縫網(wǎng)壓裂試驗(yàn)，初步見到效果。2011～2012年，在隴東地區(qū)的X233井區(qū)實(shí)施的10口水平井，水平段平均長度1 500 m，開展了速鉆橋塞分段多簇壓裂、不同改造體積及改造參數(shù)等攻關(guān)試驗(yàn)，最終單井平均試油日產(chǎn)量超過100 t，開創(chuàng)了致密油有效提高單井產(chǎn)量的新途徑，被列為中國石油首個致密油水平井技術(shù)攻關(guān)示范區(qū)(圖1a)。目前，X233試驗(yàn)區(qū)10口水平井已連續(xù)生產(chǎn)7～8年，初期平均單井日產(chǎn)油13 t，已有6口井單井累計產(chǎn)油突破1×104t，3口井突破2×104t，最高超過3×104t，呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)產(chǎn)潛力。雖然試驗(yàn)取得了較好的效果，但對于致密油地質(zhì)研究及儲層改造來說，關(guān)切的問題是：大規(guī)模體積壓裂作用范圍究竟有多大，真實(shí)地層中的壓裂縫如何分布，目前的壓裂方法能否實(shí)現(xiàn)油藏充分改造和動用。圍繞這些問題，2017年，長慶油田選擇了致密油試驗(yàn)區(qū)，部署了兩口不同類型的取心井，來獲取相關(guān)研究資料：在隴東地區(qū)的X233試驗(yàn)區(qū)部署了YJ井(直井)，獲取水平井體積壓裂后的儲層巖心；而在陜北地區(qū)的A83試驗(yàn)區(qū)部署了AJ井(水平井)，獲取直井體積壓裂后的儲層巖心。

1.2 壓裂改造方法及監(jiān)測結(jié)果

隴東地區(qū)X233試驗(yàn)區(qū)的10口水平井采用了不同的壓裂工藝和參數(shù)(表1，圖1b—c)。YP1、YP2采用水力噴射分段多簇壓裂，兩口井均為13段26簇壓裂，其中YP1井第7、8、9、10段與YP2井第6、7、8、9段同步壓裂。YP3井、YP4井、YP5井，采用水力噴射分段多簇壓裂工藝，交錯布縫，單井水平段改造7～8段(2簇/段)，單段入地液量600～700 m3，排量6.0～8.0 m3/min，詳細(xì)的壓裂施工參數(shù)見表1。

在這些井壓裂施工的同時，通過部署的監(jiān)測井(同時也是導(dǎo)眼井和后期開發(fā)的注水井)YC1、YC2、YC3井對YP1和YP2井壓裂效果進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示裂縫主要呈帶狀分布(圖2)，平均裂縫半長200～300 m，縫網(wǎng)寬度80～110 m，縫高70～80 m。YP3井、YP4井、YP5井壓裂時微地震監(jiān)測也顯示，裂縫主要呈帶狀展布，裂縫半長主要為150～200 m，縫網(wǎng)寬度為30～60 m，縫高為150～170 m。

圖1 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)位置及井位分布Fig.1 The location of the tight oil pilot areas and relevant wells in Ordos Basin(圖中紅色顯示的井為取心井；黑色顯示為采油井圈及井軌跡；藍(lán)色顯示為射孔段的延伸線；綠色顯示為井距標(biāo)注線。)

為了對比分析方便，在此也介紹一下陜北地區(qū)A83試驗(yàn)區(qū)的直井壓裂參數(shù)。典型采油直井A24井的壓裂參數(shù)如下：加砂50 m3，入地液量222.9 m3，砂比25%，排量2.0 m3/min，通過微地震監(jiān)測，壓裂縫也是帶狀展布(圖2)，解釋改造體積達(dá)到了310×81×42 m。

表1 鄂爾多斯盆地X233試驗(yàn)區(qū)壓裂參數(shù)及試油效果Table 1 Statistical table of fracturing parameters and production test results of X233 pilot area,Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)直井和水平井體積壓裂微地震監(jiān)測Fig.2 Micro-seismic monitoring of volume fracturing in vertical and horizontal wells in tight oil pilot area,Ordos Basina. YP1與YP2井壓裂微地震監(jiān)測；b. A24井壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果

1.3 取心井部署及實(shí)際取心情況

設(shè)計取心井井位時主要考慮以下因素：1)取心井反映油藏代表性特征，且區(qū)塊地質(zhì)資料較為齊全；2)壓裂方式為大規(guī)模體積壓裂；3)生產(chǎn)動態(tài)符合現(xiàn)階段衰竭特征，對試驗(yàn)區(qū)正常生產(chǎn)不構(gòu)成影響；4)對鄰井的水平井(或直井)井距、儲量控制范圍和采出程度綜合對比優(yōu)選；5)考慮壓裂參數(shù)和微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果；6)地面條件符合現(xiàn)場施工要求；7)兼顧檢查井后期用途等。最終，在隴東地區(qū)X233試驗(yàn)區(qū)YP3井和YP4井中間部署了一口評價井——YJ井(直井)(圖1b)。該井距離鄰近的兩口水平井井距基本相等，約為150 m，截止部署取心井前，鄰近的兩口水平井單井日產(chǎn)油1～2 t/d。YJ井設(shè)計在長7段連續(xù)取心，其中油層段密閉取心。2017年10月YJ井完鉆，在長8段頂部到長6段底部連續(xù)取心141.95 m(圖5)，其中長8段16.75 m，長7段99.20 m，長6段26.00 m。同時，在陜北地區(qū)的A83試驗(yàn)區(qū)針對直井壓裂改造區(qū)部署一口水平井AJ井取心(圖1d)。該井距鄰近直井A24井垂直距離80 m，設(shè)計針對A24井長72段體積壓裂后微地震解釋的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行水平井取心，最終AJ井在長72段取心長度85 m?？紤]到取心過程中可能會造成巖心的破損，給人工裂縫的判識帶來影響，兩口井在實(shí)際工程作業(yè)時，盡量避免采用長筒取心，且?guī)r心出筒時禁止直接敲擊巖心筒，技術(shù)人員均在出筒的第一時間觀察和記錄巖心中裂縫的情況。

2 裂縫識別和評價

2.1 裂縫類型

通過YJ井巖心觀察及實(shí)際測試，在取心段共識別出裂縫8處(表2，圖3，圖4)，其中7處為天然裂縫，僅1處確定為人工裂縫。在AJ井水平段取心85 m的巖心中，僅見3條天然裂縫(圖4)，未見到人工壓裂縫。

鄂爾多斯盆地延長組的天然構(gòu)造裂縫較為普遍，一般具有裂縫面平直、光滑，一部分裂縫具有方解石、石英等礦物充填，裂縫常在巖性變化界面終止及高角度發(fā)育等特征[20]。YJ井巖心中觀測到的天然裂縫長度相對較短，砂巖中天然裂縫面齊整，偶見礦物充填，泥巖中只是見到裂縫印痕(圖4)。

通過觀察并經(jīng)測試分析，在YJ1井長72段2 039.80～2 041.54 m見人工壓裂形成的裂縫及受壓裂影響擴(kuò)展的層理縫(圖5)。其中，2 041.29～2 041.54 m塊狀砂巖中發(fā)育長度0.13 m近垂直的張性微裂縫，鄰近長度1.49 m均見大量層理縫順層或斜交延伸，油氣外滲顯著，判斷為壓裂改造后形成的人工縫(圖5a)。應(yīng)用工業(yè)CT對2 041.29～2 041.54 m塊狀砂巖進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)裂縫不平直，寬度不均一，空間分布扭曲、交匯，顯示張性裂縫特征(圖5b)。其中較寬的一條微裂縫開度為676 μm。通過成像測井，在該井長7段未見規(guī)模較大的天然裂縫特征，在2 039.80～2 041.54 m有疑似縱向裂縫的響應(yīng)特征。

2.2 人工壓裂縫的判別

綜合YJ井巖心特征、分析測試結(jié)果及現(xiàn)場觀察含油氣性特征，判定長72段2 039.80～2 041.54 m處觀察到的就是壓裂改造縫。主要證據(jù)如下：1)按照鄰井海拔比對，觀察到的人工裂縫位置恰好對應(yīng)于鄰井長72段體積壓裂改造段，水平井鉆遇及射孔改造層段深度與YJ井的該段油層匹配；2)觀察到的垂直張性裂縫發(fā)育在塊狀細(xì)砂巖上，這在以往本地區(qū)大量巖心觀察中并未見到，可以排除層理縫和構(gòu)造裂縫的可能性；3)該段人工裂縫面并不平直，寬度不均一，兩側(cè)尖滅，空間分布扭曲、交匯，具張性裂縫性質(zhì)(圖4b)；4)該段觀察到的層理縫多順層或斜交延伸，與以往本地區(qū)巖心觀察見到的原生層理縫不同，顯示受外力影響；5)該段巖心觀察到的裂縫中見明顯的油氣外滲現(xiàn)象，滲出的速度和趨勢與該區(qū)域其他取心井現(xiàn)場觀察到的情況明顯不同。

3 體積壓裂有效作用范圍和壓裂縫發(fā)育模式

3.1 有效作用范圍

體積壓裂的目的是最大程度地增加改造體積，解放致密儲層，形成“人工儲層”，從而提升油氣滲流能力[1,20]。目前的研究認(rèn)為，按現(xiàn)階段的工藝技術(shù)水平，在長7段進(jìn)行體積壓裂，裂縫的半縫長[20]一般為150～240 m，縫高為50～80 m(隔層較好的情況)，帶寬為20～80 m。按照YP3和YP4井的微地震監(jiān)測解釋結(jié)果，位于這兩口水平井中間的YJ井位置處壓裂縫已經(jīng)覆蓋到。而實(shí)際上，并未在YJ井的巖心中觀察到宏觀裂縫。此外，AJ井也位于A24井壓裂縫波及范圍(圖2b)，實(shí)際取心也未觀察到明顯的人工裂縫?？梢哉f明壓裂后宏觀裂縫波及范圍并未像微地震解釋的那么大。根據(jù)大量壓后測井檢測的結(jié)果，縫高的范圍可信度相對較高，而對于縫長和縫寬的分布范圍則沒有足夠的實(shí)際證據(jù)。同時，在YJ井中觀察到壓裂影響下形成的微裂縫，說明儲層中受到了壓裂的影響范圍至少達(dá)到了兩口水平井中間，長度約150 m。綜合了隴東地區(qū)YJ井和陜北地區(qū)AJ井巖心中觀察結(jié)果和測試結(jié)果推測，目前體積壓裂技術(shù)條件下，主縫并沒有解釋的那么多，但微裂縫波及范圍較大，推測微地震監(jiān)測解釋范圍內(nèi)基本都可波及到。

表2 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)YJ井取心段天然裂縫統(tǒng)計Table 2 Statistics of natural fractures in the coring interval of Well YJ in the tight oil pilot area,Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)YJ井單井綜合柱狀圖Fig.3 An integrated histogram of Well YJ in the tight oil pilot area,Ordos Basin

3.2 壓裂縫分布模式

一般認(rèn)為，體積壓裂可以形成尺度較大的宏觀縫網(wǎng)絡(luò)[21]。按照微地震的解釋結(jié)果，長7段壓裂形成了以主縫為主，分支縫為輔的裂縫系統(tǒng)[20]。然而，在隴東地區(qū)YJ井和陜北地區(qū)AJ井取心中，都沒有觀察到宏觀裂縫(無論是主縫還是分支縫)，說明宏觀裂縫發(fā)育的幾率不高。作者認(rèn)為宏觀縫發(fā)育范圍是較為局限的，很可能僅局限于射孔段(或噴射段)附近；進(jìn)一步分析認(rèn)為，受壓裂縫影響而形成的微裂縫則非常普遍。因?yàn)?，井眼的尺寸相對于整個改造區(qū)域非常小，在實(shí)際取心中恰好取到人工壓裂形成的微裂縫，從概率論的角度，這并不是“運(yùn)氣好”，而是說明微裂縫發(fā)育的幾率高。因此，本文認(rèn)為在體積壓裂改造區(qū)，這種微裂縫是普遍存在的，且分布范圍較大。也有必要在未來的攻關(guān)研究中探究如何形成更多的微裂縫，并使主裂縫與微裂縫匹配，共同發(fā)揮作用。據(jù)以上分析，本文還提出了致密油層體積壓裂壓裂縫分布模式(圖6)，即：致密油層體積壓裂形成了少量的主縫及與主縫伴生形成的大量微裂縫，且受壓裂影響，原有的層理縫延伸和張開，形成了改造區(qū)，提高油氣滲流能力。此外，YJ井油層段密閉取心平均含油飽和度超過70%，與該區(qū)未開發(fā)前的油藏含油飽和度相差不大，油層開發(fā)潛力依然很高。按照這種分析，目前致密油儲層體積壓裂效果遠(yuǎn)沒有達(dá)到形成“裂縫網(wǎng)絡(luò)”和油藏整體動用的理想狀態(tài)，現(xiàn)階段技術(shù)開發(fā)后油藏還有進(jìn)一步提高開發(fā)效果的潛力，需要未來在壓裂方法和工藝設(shè)計上進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)YJ井和AJ井巖心中的天然裂縫照片F(xiàn)ig.4 Photos of natural fractures in the cores of Wells YJ and AJ in the tight oil pilot area,Ordos Basina. YJ井，長63亞段，埋深1 966.65 m，凝灰?guī)r裂縫；b. YJ井，長71亞段，埋深1 999.96 m，裂縫，方解石半充填；c. YJ井，長71亞段，埋深2 001.27 m，裂縫；d. YJ井，長71亞段，埋深2 002.46 m，裂縫；e. YJ井，長72亞段，2 022.30 m 裂縫壓痕；f. YJ井，長72亞段，埋深2 044.52 m，裂縫痕跡；g. YJ井，長73亞段，2 081.60 m，斜交縫；h. AJ井，長72亞段，埋深2 495.00～2 580.60 m，天然裂縫，裂縫面整齊；i. AJ井，長72亞段，埋深2 495.00～2 580.60 m，天然裂縫；j. AJ井，長72亞段，埋深2 495.00～2 580.60 m， 天然裂縫，見瀝青充填

圖5 鄂爾多斯盆地致密油試驗(yàn)區(qū)YJ井長72段巖心中的人工壓裂縫特征Fig.5 Characteristics of artificial fractures in the cores from Well YJ (Chang 72) in the tight oil pilot area,Ordos Basina．壓裂改造后形成的人工縫；b-b′.張性裂縫特征特征

圖6 致密油體積壓裂人工裂縫分布模式Fig.6 Distribution model of artificial fractures created by volume fracturing in tight oil reservoir

4 結(jié)論

1) 在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)X233致密油體積壓裂試驗(yàn)區(qū)長7段體積壓裂后油層段塊狀砂巖中首次觀察到長度0.13 m近垂直的張性微裂縫，鄰近長度1.49 m油層均見大量層理縫順層或斜交延伸，油氣外滲顯著，判斷為壓裂改造后形成的人工縫。

2) 長7段致密油層體積壓裂形成的壓裂縫分布模式是數(shù)量有限的主縫、大量與主縫伴生的微裂縫及原有層理縫延伸和張開，共同構(gòu)成改造區(qū)的裂縫特征，增強(qiáng)了油氣滲流能力。

3) 長7段致密油體積壓裂宏觀主裂縫分布有限，作用范圍小于微地震解釋結(jié)果，而微裂縫分布廣泛，作用范圍可達(dá)100～200 m，體積壓裂后的致密油儲層相關(guān)評價研究應(yīng)予以重新認(rèn)識。

4) 按照致密油體積壓裂形成縫網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)油藏高效動用的理念，現(xiàn)階段壓裂技術(shù)和參數(shù)具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，從而可以進(jìn)一步提高致密油動用效果。