塔里木油田超深高溫高壓致密氣藏地質(zhì)工程一體化提產(chǎn)實踐與認(rèn)識

張 楊 楊向同 滕 起 徐永輝 薛艷鵬 徐國偉 李 偉 彭 芬

（ 1 中國石油塔里木油田公司；2 能新科（西安）油氣技術(shù)有限公司 ）

2008年，庫車前陸區(qū)克拉蘇構(gòu)造帶上部署的克深2井在白堊系巴什基奇克組完井測試獲46.64×104m3/d高產(chǎn)工業(yè)氣流，標(biāo)志著深層鹽下天然氣勘探的戰(zhàn)略性突破，由此揭開了庫車前陸地區(qū)超深超高壓復(fù)雜氣藏開發(fā)的序幕。截至目前，克拉蘇構(gòu)造帶深層鹽下白堊系相繼發(fā)現(xiàn)克深2、克深8、克深9、克深6、大北1、大北3、博孜1、博孜3等致密砂巖氣藏，形成了萬億立方米天然氣區(qū)格局，為西氣東輸?shù)臍庠幢Ｕ系於藞詫嵒A(chǔ)[1-6]。

克拉蘇白堊系致密砂巖氣藏具有埋藏深（6500～8000m）、儲層巨厚(300～650m)、裂縫發(fā)育（密度為0.13～0.6條/m）、高地應(yīng)力（130～180MPa）、高溫（130～180℃）、高壓（116～138MPa）、儲層基質(zhì)致密（滲透率介于0.01～0.1m D）等特點，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，建井周期長（300～390天）、建井成本高（2億元～2.2億元）、單井產(chǎn)量低（平均單井產(chǎn)量17×104m3/d），需要進(jìn)行儲層改造作業(yè)，才能實現(xiàn)效益建產(chǎn)[7-14]。儲層改造面臨主要挑戰(zhàn)是：①提產(chǎn)機(jī)理不清，缺乏有效的提產(chǎn)技術(shù)手段；②高溫高壓井況、安全作業(yè)風(fēng)險大，改造規(guī)模和提產(chǎn)效果受限；③儲層厚度大(120～300m)，缺乏縱向均勻改造手段；④儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，井間差異大，改造工藝優(yōu)選難。

塔里木油田以安全有效改造、更快更好地將儲量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量為攻關(guān)目標(biāo)，堅持地質(zhì)工程一體化，創(chuàng)新攻關(guān)組織模式，利用開放的市場合作機(jī)制，整合和協(xié)同國內(nèi)國際技術(shù)力量，按照“持續(xù)基礎(chǔ)研究、形成配套技術(shù)、拓展研究成果、加快規(guī)?；瘧?yīng)用”的總體技術(shù)思路，在裝備配套、核心改造理論攻關(guān)、材料開發(fā)、設(shè)計方法優(yōu)化、實施與控制等方面取得攻關(guān)進(jìn)展，確定了改造天然裂縫為目標(biāo)的縫網(wǎng)改造提產(chǎn)理念，創(chuàng)新形成縫網(wǎng)酸壓和縫網(wǎng)壓裂工藝技術(shù)，完成了超高壓壓裂車組、大通徑完井管柱配套，研發(fā)兩套加重壓裂液，研發(fā)一項專用酸液緩蝕劑，實現(xiàn)超深高溫高壓氣井安全改造，取得的系列關(guān)鍵技術(shù)確保了76口高溫高壓氣井改造施工成功率為100%，其中95%的井顯著提高了產(chǎn)量，為庫車前陸區(qū)致密砂巖氣藏效益開發(fā)提供了提產(chǎn)技術(shù)保障。

1 攻關(guān)模式與技術(shù)成果

1.1 創(chuàng)新市場化協(xié)同攻關(guān)模式，提高攻關(guān)質(zhì)量和時效

塔里木油田根據(jù)攻關(guān)需要，規(guī)劃建設(shè)T（一體化提產(chǎn)攻關(guān)團(tuán)隊）T（一體化軟件研究平臺）E（協(xié)同工作環(huán)境）W（協(xié)同工作流程），實現(xiàn)最優(yōu)的技術(shù)整合，提高攻關(guān)質(zhì)量和時效。首先，整合生產(chǎn)、科研單位技術(shù)力量，創(chuàng)新組建了涵蓋地質(zhì)、測井、油氣藏、巖石力學(xué)、儲層改造等多專業(yè)技術(shù)小組；同時，堅持“以我之長引領(lǐng)攻關(guān)、以他人之長提升攻關(guān)能力”的理念，利用開放的市場合作機(jī)制，積極引進(jìn)國內(nèi)國際技術(shù)力量，完善形成學(xué)科完備、技術(shù)能力優(yōu)良的一體化協(xié)同攻關(guān)團(tuán)隊（圖1）。搭建了一套統(tǒng)一的具備儲層評價、改造設(shè)計、產(chǎn)能預(yù)測功能的綜合研究軟件平臺，提高研究成果的兼容質(zhì)量，裝修了具備辦公、遠(yuǎn)程會議功能的一體化辦公室，最大限度地減小油田與合作技術(shù)量協(xié)同過程中的時空限制；梳理優(yōu)化一套地質(zhì)氣藏—工程一體化、生產(chǎn)—科研一體化工作流程，進(jìn)一步提高了協(xié)同工作效率。

圖1 塔里木油田油氣工程研究院地質(zhì)工程一體化提產(chǎn)團(tuán)隊與各協(xié)作單位合作示意圖

1.2 地質(zhì)工程一體化凝練儲層改造技術(shù)，提升超深致密氣藏開發(fā)水平

要應(yīng)用儲層改造實現(xiàn)庫車前陸區(qū)白堊系超深超高溫高壓致密氣藏的增產(chǎn)目標(biāo)，亟待解決復(fù)雜氣藏地質(zhì)特征與改造理念、儲層改造攻關(guān)的工作節(jié)奏與技術(shù)認(rèn)識周期、關(guān)鍵技術(shù)精細(xì)研究與改造方案全局優(yōu)化、新的改造工藝技術(shù)實踐與潛在風(fēng)險等主要矛盾。塔里木油田在一體化協(xié)同工作模式保障下，開展系統(tǒng)攻關(guān)，凝練了兩項裂縫性致密砂巖縫網(wǎng)改造工藝技術(shù)，安全有效提高了單井產(chǎn)量。

1.2.1 完善基礎(chǔ)裝備配套、研發(fā)改造工作液，提高改造安全性

基于克拉蘇構(gòu)造帶致密氣藏超深、高溫、高地應(yīng)力特點，評估井況和改造工況，系統(tǒng)配套了140MPa壓裂車組，優(yōu)配41/2〃大通徑完井管柱（圖2a），研發(fā)了兩套加重壓裂液體系（硝酸鈉加重壓裂液，最高密度為1.32g/cm3，耐溫170℃；氯化鉀加重壓裂液，最高密度為1.15g/cm3，耐溫160℃）（圖2b）。以上措施有效保障了壓裂施工安全。

圖2 裝備和工作液配套示意圖

1.2.2 聚焦地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)研究，確定縫網(wǎng)改造之路

克拉蘇白堊系致密砂巖氣藏滲透率介于0.01～0.1m D，天然裂縫滲透率介于20～300m D，從石油工業(yè)界的裂縫性致密儲層改造實踐經(jīng)驗看，改造天然裂縫、制造縫網(wǎng)是實現(xiàn)單井高質(zhì)量提產(chǎn)的關(guān)鍵[15-20]；油田聚焦地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗，論證了克拉蘇白堊系致密砂巖氣藏高水平應(yīng)力差條件下，仍然可以通過適當(dāng)?shù)墓こ淌侄胃脑焯烊涣芽p、制造縫網(wǎng)。首先，與頁巖氣地質(zhì)力學(xué)指標(biāo) “比個子”，針對與頁巖氣不同的地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)（表1），根據(jù)儲層地質(zhì)力學(xué)特點設(shè)計儲層露頭大巖樣壓裂模擬實驗，實驗結(jié)果證明即使在高水平主應(yīng)力差條件下仍能形成縫網(wǎng)；同時，在克深氣藏選擇兩個井組開展“滑溜水+線性膠+凍膠”復(fù)合泵注、纖維攜砂暫堵轉(zhuǎn)向的縫網(wǎng)壓裂工藝技術(shù)先導(dǎo)性實驗(圖3a)，微地震監(jiān)測信號顯示形成了壓裂縫網(wǎng)(圖3b)；最終確定了克拉蘇白堊系致密氣藏單井提產(chǎn)要走縫網(wǎng)改造之路，即規(guī)?；せ詈瓦B通天然裂縫系統(tǒng)以實現(xiàn)單井的增產(chǎn)目標(biāo)。

表1 有利于激活天然裂縫的地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)對比

圖3 縫網(wǎng)改造現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗

1.2.3 精細(xì)儲層地質(zhì)認(rèn)識，創(chuàng)新形成了兩項縫網(wǎng)改造工藝技術(shù)

縫網(wǎng)酸壓工藝技術(shù)，適用于張性裂縫發(fā)育、裂縫內(nèi)以鈣質(zhì)充填為主、裂縫力學(xué)活性好的井。該工藝技術(shù)的特點和內(nèi)涵是：多種工藝技術(shù)的集成配套，重點包括了射孔及分級技術(shù)、復(fù)合液體及泵注技術(shù)、轉(zhuǎn)向技術(shù)、液體用量設(shè)計技術(shù)。利用低黏壓裂液溝通和激活天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，再利用酸液溶解縫網(wǎng)中鈣質(zhì)填充物和鉆完井液堵塞物建立縫網(wǎng)導(dǎo)流能力，用可降解暫堵轉(zhuǎn)向材料實現(xiàn)縫內(nèi)液體轉(zhuǎn)向、層間液體轉(zhuǎn)向，最終建造高質(zhì)量、大規(guī)模油氣泄流面積。

縫網(wǎng)壓裂工藝技術(shù)，適用于裂縫內(nèi)沒有鈣質(zhì)充填、裂縫力學(xué)活性差的井。該工藝技術(shù)的特點和內(nèi)涵是：多種工藝技術(shù)的集成配套，重點包括了可壓裂性評估及分級方案設(shè)計技術(shù)、縫網(wǎng)形態(tài)預(yù)測技術(shù)、液體組合設(shè)計技術(shù)、纖維轉(zhuǎn)向設(shè)計技術(shù)、返排控制技術(shù)。采用低黏前置液溝通和激活天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，同時制造人工裂縫，再泵注高黏攜砂液支撐壓裂縫網(wǎng)，用纖維轉(zhuǎn)向材料實現(xiàn)層間液體轉(zhuǎn)向，最終建造高質(zhì)量、大規(guī)模油氣泄流面積。

暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)是實現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂和縫網(wǎng)酸壓的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)特點是：橫向上對于與最大主應(yīng)力平行的天然裂縫，通過天然裂縫暫堵和轉(zhuǎn)向，形成更寬的人工裂縫帶；對于與最大主應(yīng)力垂直的天然裂縫，通過天然裂縫暫堵實現(xiàn)人工裂縫更長穿越，提高縫網(wǎng)改造程度?？v向上通過鋪設(shè)可降解的纖維來暫時堵塞改造層段，使液體進(jìn)入其他層段從而實施液體的轉(zhuǎn)向，起到機(jī)械橋塞分段壓裂的作用，大大提高儲層縱向上的改造程度，增大改造體積。改造結(jié)束后，可降解纖維可以在儲層溫度下完全降解返排，對儲層無傷害，恢復(fù)裂縫與井筒的流通通道，實現(xiàn)清潔暫堵轉(zhuǎn)向改造；并且可以替代機(jī)械橋塞，節(jié)省壓裂后鉆磨或橋塞作業(yè)環(huán)節(jié)，大大縮短了分段壓裂施工作業(yè)周期與綜合成本。

1.2.4 建立了基于可壓裂性的縫網(wǎng)改造方案設(shè)計方法

改造工藝優(yōu)選方面，在不斷總結(jié)不足和持續(xù)優(yōu)化研究后，統(tǒng)籌考慮裂縫發(fā)育情況、力縫夾角（最大水平主應(yīng)力方向與天然裂縫走向的夾角）來優(yōu)選改造工藝，形成了基于天然裂縫發(fā)育模式及天然裂縫滲透率的改造工藝優(yōu)選方法，提高了工藝優(yōu)選準(zhǔn)確度。對于天然裂縫系統(tǒng)是網(wǎng)狀特征的情況，裂縫滲透率高，采用酸壓即可實現(xiàn)增產(chǎn)。對于天然裂縫是簡單縫的情況，小力縫夾角類型井，天然裂縫的正應(yīng)力低，裂縫滲透率中等，采用縫網(wǎng)酸壓可實現(xiàn)增產(chǎn)；大力縫夾角類型井，天然裂縫的正應(yīng)力高，裂縫滲透率低，需進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂。裂縫不發(fā)育井（類基質(zhì)型）采用加砂壓裂。

表2 改造工藝優(yōu)選原則

以上改造工藝優(yōu)選原則是基于裂縫發(fā)育質(zhì)量建立的，核心是天然裂縫發(fā)育質(zhì)量評價，庫車前陸區(qū)不同區(qū)塊天然裂縫發(fā)育質(zhì)量評價方法和評價參數(shù)有很大差異[21-26]，具體實施過程中需要堅持地質(zhì)工程一體化，分區(qū)對待和評價。

改造參數(shù)設(shè)計方面，在依據(jù)摩爾—庫侖準(zhǔn)則確定裂縫被激活的井底壓力基礎(chǔ)上，持續(xù)優(yōu)化裂縫激活井底壓力計算方法，綜合考慮水力裂縫延伸壓力計算井底施工壓力，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，優(yōu)化管柱配置和施工參數(shù)。過去單純依據(jù)天然裂縫激活壓力確定井底施工壓力可能不準(zhǔn)確，造成配置管柱、施工參數(shù)設(shè)計不合理，目前在原有基礎(chǔ)上，綜合考慮水力裂縫延伸壓力（取3種水力延伸壓力的最小值）計算井底施工壓力，通過液體黏度、排量優(yōu)化，達(dá)到天然裂縫的激活條件。

射孔和分級方案設(shè)計方面，充分應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)研究成果，綜合儲層品質(zhì)、完井品質(zhì)、可壓裂性指數(shù)等多屬性，優(yōu)選起裂甜點及射孔簇。分級采用應(yīng)力相似、可壓裂性相近原則，優(yōu)選可壓裂性指數(shù)高的位置分簇射孔。射孔原則優(yōu)化后采用大段射開的射孔方案，現(xiàn)場實施效果良好。

2 實踐成效

2.1 總體效果

創(chuàng)新取得的兩項主體改造工藝技術(shù)在克拉蘇構(gòu)造帶裂縫性致密砂巖氣藏的高效開發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。目前推廣應(yīng)用76井次，單井平均產(chǎn)量由14×104m3/d提高到60×104m3/d，增產(chǎn)4.28倍。以克深8區(qū)塊效益開發(fā)為例（圖4），該區(qū)塊方案設(shè)計井?dāng)?shù)21口，設(shè)計產(chǎn)能25×108m3，實際實施了17口井就完成了產(chǎn)能建設(shè)，其中16口井經(jīng)過改造，平均單井提產(chǎn)3.8倍，高效井比例為100%，產(chǎn)能到位率達(dá)114%。

圖4 克深8區(qū)塊改造效果統(tǒng)計圖

2.2 地質(zhì)工程一體化實現(xiàn)博孜104井產(chǎn)量突破

2.2.1 生產(chǎn)問題

博孜1凝析氣藏位于克拉蘇構(gòu)造帶西部，與鄰區(qū)克深5、大北3氣藏相比，更靠近物源，博孜1氣藏儲層物性較好，應(yīng)力環(huán)境、裂縫發(fā)育密度與克深5氣藏、大北3氣藏相近（表3)；博孜1氣藏天然氣含蠟量為15.6%，析蠟、結(jié)蠟條件隨壓力環(huán)境復(fù)雜多變；博孜101井、博孜102井進(jìn)行了縫網(wǎng)酸壓，壓后產(chǎn)量為（10～16)×104m3/d，生產(chǎn)壓差為34～55MPa，井口溫度為22℃以下，氣井結(jié)蠟、出砂嚴(yán)重，不能持續(xù)正常生產(chǎn)。博孜104井是一口新鉆評價井，首要目標(biāo)是準(zhǔn)確評價天然裂縫發(fā)育質(zhì)量，制定合適的改造工藝提高單井產(chǎn)量，改善出砂和結(jié)蠟問題。

表3 氣藏物性和應(yīng)力環(huán)境統(tǒng)計表

2.2.2 精細(xì)博孜區(qū)塊裂縫評價方法，建立改造工藝優(yōu)選方法

在研究博孜區(qū)塊天然裂縫時重點參考井漏特征，加強(qiáng)測井成像裂縫參數(shù)的精細(xì)分類，通過實驗和老井施工數(shù)據(jù)分析獲得不同類別天然裂縫的Biot系數(shù)，實現(xiàn)裂縫力學(xué)激活條件的精細(xì)評價。鉆井井漏特征上：博孜1井有2點較為分散的漏失，博孜101井下部有3點較為集中的漏失，博孜102井和博孜104井沒有漏失，表4數(shù)據(jù)顯示漏失與井的無阻流量對應(yīng)關(guān)系好。鄰區(qū)克深5區(qū)塊東部克深503井、克深504井、克深505井鉆井漏失呈現(xiàn)多段分散特點，實施酸壓后即獲得高產(chǎn)；西部的克深501井、克深508井、克深506井漏失點少且較為集中，其中克深501井、克深506井酸壓后低產(chǎn)，后進(jìn)行加砂壓裂獲得高產(chǎn)，克深508井酸壓后產(chǎn)量低。從井漏特征上認(rèn)識到，漏失點多且分散的井優(yōu)質(zhì)裂縫發(fā)育的儲層厚度大，酸壓即可獲得高產(chǎn)；不漏、或者漏失點集中的井優(yōu)質(zhì)裂縫發(fā)育的儲層厚度薄，壓裂提產(chǎn)與裂縫發(fā)育特征更匹配。

基于上述認(rèn)識，通過成像測井參數(shù)分析，應(yīng)用裂縫寬度、傾角和力縫夾角形成了天然裂縫的分類標(biāo)準(zhǔn)和儲層改造工藝優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)（表5）。

表4 井漏與產(chǎn)量的關(guān)系

表5 博孜區(qū)塊天然裂縫發(fā)育質(zhì)量分類

2.2.3 博孜104井通過縫網(wǎng)壓裂獲得產(chǎn)能突破

根據(jù)上述研究成果，博孜104井設(shè)計纖維暫堵轉(zhuǎn)向縫網(wǎng)壓裂工藝，改造層厚93m，射孔36m/8簇，根據(jù)儲層縱向應(yīng)力與裂縫發(fā)育差異分為兩級壓裂（6757.0～6800.0m，6800.0～6850.0m)，采用滑溜水+線性膠+凍膠混合泵注，通過產(chǎn)能預(yù)測設(shè)計壓裂裂縫尺寸、優(yōu)化施工規(guī)模參數(shù)和改造完井一體化管柱，產(chǎn)能預(yù)測模型綜合考慮基質(zhì)、天然裂縫、水力裂縫的滲透率，以及應(yīng)力敏感效應(yīng)、流體PVT屬性、相對滲透率等因素，改造規(guī)模為1171m3，陶粒為49.5m3，排量為5m3/m in。完井管柱41/2〃油管4471m，31/2〃油管2198m，預(yù)測生產(chǎn)壓差5MPa下改造后初期產(chǎn)氣量為34.3×104m3/d，井口溫度將會達(dá)到37℃，能明顯改善井筒出砂、結(jié)蠟問題。

博孜104井實際施工改造規(guī)模為1153m3，陶粒為51.2m3，排量為5.3m3/m in；改造后博孜104井折日產(chǎn)氣51.6×104m3，生產(chǎn)壓差為7.2MPa，井口溫度為45.4℃；目前已穩(wěn)定生產(chǎn)356天，累計產(chǎn)氣量為2.13×108m3，累計產(chǎn)油量為4644t，平均日產(chǎn)氣58.9×104m3，平均日產(chǎn)油21t，油壓穩(wěn)定在75MPa左右。博孜104井與鄰井博孜101井、博孜102井生產(chǎn)參數(shù)對比（圖5），實現(xiàn)了提產(chǎn)目標(biāo)，同時改善了井流動保障性差的生產(chǎn)問題，為博孜區(qū)塊千億立方米儲量的動用建立了信心。

圖5 博孜104井與博孜101井、博孜102井生產(chǎn)參數(shù)對比

3 結(jié)論和認(rèn)識

(1）地質(zhì)與工程一體化兼具技術(shù)與管理的雙重內(nèi)涵，技術(shù)上多專業(yè)深度融合，在一致的成果平臺上各專業(yè)有針對性開展前瞻性、預(yù)測性的研究，提高地質(zhì)工程融合度和統(tǒng)一性；同時，需要具有一體化理念和決心的決策者及開放心態(tài)的團(tuán)隊，建立科學(xué)的管理架構(gòu)和可量化的考核制度，確保地質(zhì)工程一體化有保障、有目標(biāo)的高效運行。

(2）塔里木油田地質(zhì)工程一體化提產(chǎn)實踐中建立了一體化的研究團(tuán)隊、軟件平臺、協(xié)同工作環(huán)境及工作流程，為加深儲層地質(zhì)特征認(rèn)識及攻關(guān)形成超深高溫高壓致密氣藏縫網(wǎng)改造技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)，該技術(shù)在克深等氣藏的高效開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

(3）針對博孜超深低地溫梯度裂縫性凝析氣藏氣井蠟堵嚴(yán)重、無法正常生產(chǎn)的問題，制定了大幅度提產(chǎn)兼顧提高井筒溫度解決井筒蠟堵的技術(shù)策略；綜合應(yīng)用測井成像分析、鉆井井漏等信息厘定了博孜氣藏天然裂縫系統(tǒng)有效性總體偏差，制定并實施了縫網(wǎng)壓裂方案，提產(chǎn)效果好，井筒溫度大幅上升，試采一年產(chǎn)量穩(wěn)定。

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