體積壓裂技術(shù)在蘇里格氣田水平井開發(fā)中的應(yīng)用——以蘇53區(qū)塊為例

葉成林 王國勇

（1.中國石油長城鉆探蘇里格氣田項目部）

“體積壓裂”指在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高產(chǎn)量及采收率［1－3］。近年來，美國在致密頁巖氣藏的成功開發(fā)，引發(fā)了我國科技工作者的廣泛興趣，體積壓裂技術(shù)也逐漸成為國內(nèi)非常規(guī)氣藏高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。蘇里格氣田是國內(nèi)最大氣田之一，屬于致密砂巖氣藏［5］，其中蘇53區(qū)塊水平井整體開發(fā)取得了顯著成效。為了進一步提高水平井開發(fā)效果，在大規(guī)模引進體積壓裂技術(shù)之前，對蘇里格氣田體積壓裂適用性進行研究，并對2012年開展的水平井體積壓裂試驗進行了效果分析。

1 體積壓裂作用機理

通過壓裂的方式對儲層實施改造，在形成一條或者多條主裂縫的同時，通過分段多簇射孔、高排量、大液量、低黏液體以及轉(zhuǎn)向材料及技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對天然裂縫、巖石層理的溝通，以及在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續(xù)分枝形成二級次生裂縫，余此類推。讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將可以進行滲流的有效儲集體“打碎”，使裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大，使得油氣從任意方向的基質(zhì)向裂縫的滲流距離最短，極大地提高儲層整體滲透率，實現(xiàn)對儲層在長、寬、高三維方向的全面改造（圖1）［9］。該技術(shù)不僅可以大幅度提高單井產(chǎn)量，還能夠降低儲層有效動用下限，最大限度提高儲層動用率和采收率［6－8］。

2 蘇里格氣田體積壓裂適用性

2.1 儲層條件

2.1.1 天然裂縫發(fā)育情況

天然裂縫狀況及能否產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)是實現(xiàn)體積改造的前提條件。在體積改造中，天然裂縫系統(tǒng)會更容易先于基巖開啟，原生和次生裂縫的存在能夠增加復(fù)雜裂縫的可能性，從而極大地增大改造體積［10］。通過對蘇53區(qū)塊巖心觀察可以得出，本區(qū)膠結(jié)致密的砂巖儲層中宏觀構(gòu)造裂縫不發(fā)育，局部井段砂巖儲層中不同程度地發(fā)育微構(gòu)造裂縫，縫間被鈣質(zhì)、硅質(zhì)或瀝青質(zhì)所充填。通過薄片分析認(rèn)為，蘇里格地區(qū)目的層微裂縫發(fā)育，主要以顆粒間網(wǎng)狀縫、顯微構(gòu)造裂縫和晶間縫3種形式存在（圖2）。

2.1.2 儲層滲透率

Cipolla等人的研究表明，儲層滲透率大小對體積改造技術(shù)有效性有關(guān)鍵作用，當(dāng)k≤1×10－3μm2，裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)能極限貢獻率在10%左右；當(dāng)k≤1×10－5μm2，裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)能極限貢獻在40%左右；當(dāng)k≤1×10－7μm2，裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)能極限貢獻在80%左右［11］。這說明，儲層滲透率越低，次生裂縫網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)能貢獻中的作用越明顯，體積改造效果越好。蘇里格氣田屬于致密砂巖氣藏，儲層滲透率低于0.1×10－3μm2。

2.1.3 儲層石英含量

儲層巖性的脆性特征是實現(xiàn)體積改造的物質(zhì)基礎(chǔ)。大量研究及現(xiàn)場試驗表明：富含石英或者碳酸鹽巖等脆性礦物的儲層有利于產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)，黏土礦物含量高的塑性地層不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)［12］。

據(jù)薄片鑒定資料統(tǒng)計，蘇53區(qū)塊儲層主要巖石類型為巖屑石英砂巖，少量石英砂巖（圖3）。砂巖主要成分為石英，其次為其他各類巖屑（表1）。石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達80%以上，巖石具有較高的脆性，在破裂壓力作用下更易形成裂縫，使得天然裂縫與水力裂縫得到有效的溝通，從而形成大的改造體積。

2.1.4 巖石力學(xué)特性

表1 取心井巖石薄片資料統(tǒng)計表Table 1 Rock slice data of coring wells

地應(yīng)力分布特征對水平井壓裂具有一定的影響。根據(jù)巖石的力學(xué)特點，人工裂縫總是沿著阻力最小的方向延伸和擴展，即裂縫面總是垂直最小主應(yīng)力軸面［13］。蘇53區(qū)塊水平井開發(fā)設(shè)計時，充分考慮地應(yīng)力對后期壓裂改造的影響，水平井水平段方位與地層最大主應(yīng)力方向保持垂直，遵循力學(xué)特征，提高改造效果。

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，水力裂縫總是從物性好、斷裂韌性低、閉合應(yīng)力低、破裂壓力低、抗張強度低、楊式模量高、低泊松比的層段優(yōu)先起裂［14］。室內(nèi)巖心測試表明，蘇里格氣田目的層石盒子組的盒8段及山西組的山1段砂巖具有楊氏模量高，低泊松比的特征，有利于儲層實施體積壓裂改造（表2）。

表2 蘇里格氣田巖石力學(xué)參數(shù)表Table 2 Rock mechanics parameters of Sulige gas field

2.2 體積壓裂－常規(guī)壓裂－未壓裂效果對比

利用數(shù)值模擬方法對蘇里格地區(qū)體積壓裂水平井的裂縫條數(shù)、裂縫半長、導(dǎo)流能力和裂縫間距等參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)合理裂縫參數(shù)值，模擬出實施體積壓裂、常規(guī)壓裂和未壓裂水平井產(chǎn)能。并從儲量動用率、采收率、穩(wěn)產(chǎn)期和采氣速度角度評價了體積壓裂水平井開發(fā)致密氣藏的適應(yīng)性、可行性。

從蘇53－78－31H水平井產(chǎn)能對比曲線可以看出，對于同一口水平井實施體積壓裂單井日產(chǎn)氣量和最終累產(chǎn)氣量明顯要優(yōu)于常規(guī)壓裂。同時模擬結(jié)果總體顯示，體積壓裂比常規(guī)壓裂的平均單井儲量動用率提高了2.29%，采收率提高了2.22%，穩(wěn)產(chǎn)期增加了0.73年，縮短了開發(fā)年限，提高了采氣速度，前10年的采氣速度增加了0.6%。綜合來看，體積壓裂對水平井規(guī)模開發(fā)這類致密氣藏具有技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性、適應(yīng)性（圖4、圖5和表3）。

表3 體積壓裂－常規(guī)壓裂－未壓裂效果模擬表Table 3 Effect simulation of stimulated reservoir volume，conventional fracture and normal wells

3 實施效果評價

3.1 壓裂效果

2012年，蘇53區(qū)塊實施常規(guī)壓裂水平井30口，體積壓裂試驗水平井5口，水平段長度均為1 200m。統(tǒng)計表明，體積壓裂水平井平均單井入地液量和單井加砂量分別超過6 000m3、700m3，遠高于常規(guī)壓裂單井平均值（圖6）。其中壓裂效果最好的一口井入地液量7 228m3，加砂770m3。

為了進一步驗證體積壓裂改造效果，更直觀了解體積壓裂裂縫展布形態(tài)，利用微破裂向量掃描四維影像裂縫監(jiān)測技術(shù)，選擇了兩口試驗井實施了裂縫監(jiān)測分析。監(jiān)測結(jié)果顯示，兩口井分別形成動態(tài)裂縫16條、18條，平均裂縫長度306.5m，均明顯優(yōu)于常規(guī)壓裂裂縫參數(shù)指標(biāo)。同時，主裂縫的側(cè)向形成次生裂縫，與微構(gòu)造天然裂縫相互溝通，基本達到了多裂縫、儲層三維方向全面改造的效果（圖7）。

3.2 生產(chǎn)效果

實施體積壓裂的5口井均于2012年完成投產(chǎn)。平均單井日產(chǎn)氣量約為12×104m3，平均井口壓力22MPa左右，均為動態(tài)Ⅰ類井。其中蘇53－78－27H井初期配產(chǎn)20×104m3／d。

3.2.1 產(chǎn)能評價

水平氣井的產(chǎn)能是氣藏工程中的重要參數(shù)。目前蘇里格氣田氣井產(chǎn)能多采用長慶油田推導(dǎo)出的一點法經(jīng)驗公式計算。公式如下［15］：

式中：qAOF為無阻流量，104m3／d；qg為日產(chǎn)量，104m3；pwf為地層中部流動壓力，MPa；pR為地層中部靜止壓力，MPa。

根據(jù)上述產(chǎn)能計算公式，5口體積壓裂水平井平均無阻流量為77.9×104m3／d，蘇53－78－27H 產(chǎn)能最高，無阻流量超過了150×104m3／d（表4）。

3.2.2 動態(tài)儲量評價

根據(jù)5口體積壓裂水平井生產(chǎn)數(shù)據(jù)和靜態(tài)資料，主要借用FAST和TOPAZE軟件，運用ARPS遞減規(guī)律法、Blasingame典型曲線法、流動物質(zhì)平衡FMB法、A－G方法和NPI方法分別對5口單井動態(tài)儲量進行預(yù)測，并按氣井廢棄地層壓力2.2 MPa，廢棄產(chǎn)量1 000m3／d計算出了單井的可采儲量。由計算結(jié)果可以看出，由于每種計算方法適用條件不同，計算的結(jié)果有一定的偏差，綜合考慮，5口井最終平均動態(tài)儲量約為1.75×108m3，平均單井可采儲量1.56×108m3。其中蘇53－78－27H 井可采儲量超過2.5×108m3，是5口試驗井中生產(chǎn)效果最好的1口（表4）。

表4 蘇53區(qū)塊體積壓裂水平井產(chǎn)能計算統(tǒng)計表Table 4 Statistics for horizontal well productivity by stimulated reservoir volume in Su53 block

4 結(jié)論

（1）根據(jù)體積壓裂技術(shù)適用的基本地質(zhì)條件，對蘇里格地區(qū)水平井體積壓裂適用性分析認(rèn)為，蘇里格地區(qū)儲層具有微裂縫較發(fā)育、滲透率低等地質(zhì)特征，滿足體積壓裂改造的基本儲層條件。

（2）通過數(shù)值模擬結(jié)果對比認(rèn)為，蘇里格氣田水平井實施體積壓裂具有增加單井動用儲量、提高單井產(chǎn)量、縮短生產(chǎn)年限等優(yōu)勢，其效果明顯優(yōu)于常規(guī)壓裂和未進行壓裂水平井。

（3）2012年對蘇53區(qū)塊共實施了5口體積壓裂試驗水平井，分別從壓裂效果和生產(chǎn)效果對體積壓裂井進行實施效果分析。分析表明，體積壓裂井壓裂參數(shù)總體優(yōu)于2012年實施的常規(guī)壓裂水平井，并且具有生產(chǎn)效果較好、產(chǎn)能高的特點。

［1］陳作，薛承瑾，蔣延學(xué).頁巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國的應(yīng)用建議［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：30－32.

［2］陳鵬飛，劉友權(quán)，鄧素芬，等.頁巖氣體積壓裂滑溜水研究及應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2013，42（3）：270－273.

［3］黃籍中.從頁巖氣展望烴源巖氣——以四川盆地下二疊統(tǒng)為例［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（11）：4－9.

［4］李憲文，樊鳳玲，趙文，等.轉(zhuǎn)向壓裂工藝在長慶油田的適應(yīng)性分析［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2010，17（5）：102－104.

［5］葉成林，王國勇，何凱，等.蘇里格氣田儲層宏觀非均質(zhì)性——以蘇53區(qū)塊石盒子組8段、山西組1段為例［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2011，32（2）：236－244.

［6］閻存章，李鷺光，王炳芳，等.北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)新進展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［7］雷群，胥云，蔣延學(xué)，等.用于提高低－特低滲透油氣藏改造效果的縫網(wǎng)壓裂技術(shù)［J］.石油學(xué)報，2009，30（2）：237－241.

［8］盧占國，李強，李建兵，等.頁巖鉆井儲層傷害研究進展［J］.石油與天然氣化工，2013，42（1）：49－52.

［9］吳奇，胥云，劉玉章，等.美國頁巖氣體積改造技術(shù)現(xiàn)狀及對我國的啟示［J］.石油鉆采工藝，2011，32（2）：1－7.

［10］Avathi J M.In－situ stress evaluation in the mcELroy field，West texas［C］.SPE20105.

［11］孫海成，湯達禎，蔣延學(xué)，等.頁巖氣儲層壓裂改造技術(shù)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（4）：90－93，97.

［12］胡永全，趙金洲，曾慶坤，等.計算射孔水力壓裂破裂壓力的有限元方法［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（2）：58－59.

［13］Martins J P.Tip screen－out fracturing applied to the ravenspurn south gas field development［C］.SPE Journal.

［14］史明義，金衍，陳勉，等.水平井水力裂縫延伸物理模擬試驗研究［J］.石油天然氣學(xué)報，2008（3）：130－133.

［15］趙繼承，茍宏剛，周立輝，等.“單點法”產(chǎn)能試井在蘇里格氣田的應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2006，13（3）：63－65，69.