裂縫性致密油藏地質(zhì)-工程一體化開發(fā)

侯冰，劉慶，耿智，盛世鋒

（1.中國石油大學(xué) 油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油 新疆油田分公司 低效油田開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

裂縫性致密油藏儲集層具有低孔低滲、平面非均質(zhì)性強、縱向多隔夾層等特點[1]，開發(fā)時存在單井產(chǎn)能低、遞減速度快的問題，其主要原因是地質(zhì)評價與工程設(shè)計脫節(jié)。因此，在有效識別區(qū)域壓裂“甜點”的基礎(chǔ)上，采取地質(zhì)-工程一體化開發(fā)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)[2-4]。針對裂縫性頁巖儲集層，實施大規(guī)模水平井壓裂改造，可以有效提高縫網(wǎng)擴展規(guī)模[5-6]。文獻［7］基于中國南方海相山地頁巖氣儲集層甜點評價指標，建立了頁巖氣儲集層“地球物理、儲集層地質(zhì)、裂縫系統(tǒng)、巖石地質(zhì)力學(xué)”一體化綜合評價三維模型。文獻［8］針對中國南方海相頁巖氣的開發(fā)特點，提出了“鉆井品質(zhì)”概念，形成了“品質(zhì)三角形”（儲集層品質(zhì)、鉆井品質(zhì)和完井品質(zhì)），并提出了與工廠化鉆完井作業(yè)相適應(yīng)的頁巖氣開發(fā)地質(zhì)-工程一體化的技術(shù)路線。文獻［9］和文獻［10］總結(jié)了中國非常規(guī)油氣藏領(lǐng)域鉆完井關(guān)鍵技術(shù)和方法，指出了國內(nèi)亟待提高水平井分段完井技術(shù)、工廠化鉆完井與體積壓裂一體化理論和技術(shù)方法。文獻［11］針對低滲透砂巖儲集層，提出了油氣藏描述和數(shù)值模擬技術(shù)一體化思想，能較好地解決石油地質(zhì)研究和油氣藏工程的銜接問題，為油氣藏開發(fā)的動態(tài)預(yù)測和方案優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。因此，地質(zhì)-工程一體化開發(fā)是實現(xiàn)裂縫性致密油藏高效開發(fā)的最佳途徑。

1 地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法及技術(shù)路線

針對裂縫性致密儲集層的地質(zhì)-工程一體化研究，地質(zhì)方面應(yīng)重點預(yù)測天然裂縫，研究地質(zhì)力學(xué)，識別壓裂“甜點”；工程技術(shù)應(yīng)突出優(yōu)選合理的井眼軌跡，結(jié)合產(chǎn)能優(yōu)化，提出高效壓裂設(shè)計方案。地質(zhì)和工程結(jié)合時，重點圍繞提高單井產(chǎn)能，保障井筒全生命周期安全，進行可持續(xù)性高效開發(fā)，提高經(jīng)濟效益。

基于上述思路，筆者提出針對裂縫性致密儲集層的地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法技術(shù)路線（圖1），該方法主要包括儲集層天然裂縫發(fā)育程度預(yù)測、三維巖石力學(xué)參數(shù)分析、地應(yīng)力預(yù)測、儲集層區(qū)域可壓裂性評價、縫網(wǎng)壓裂技術(shù)、產(chǎn)能評價、井位優(yōu)選和單井壓裂方案優(yōu)化等一整套研究模型和方法?？梢灶A(yù)測天然裂縫發(fā)育區(qū)域，識別儲集層可壓裂性優(yōu)勢區(qū)域，優(yōu)化井眼軌跡，掌握儲集層油氣流動的長效機制，建立提升儲集層改造效率的壓裂設(shè)計方法，通過激活溝通的裂縫網(wǎng)絡(luò)貢獻油氣產(chǎn)能，而獲取經(jīng)濟產(chǎn)能正是壓裂增產(chǎn)措施的最終目標，這就需要重點聚焦于建立直接以產(chǎn)能為導(dǎo)向的區(qū)域可壓裂性表征與預(yù)測。其中，有效天然裂縫網(wǎng)絡(luò)激活難易程度是需要考慮的重要因素，可激活溝通的天然裂縫越多，壓裂增產(chǎn)作業(yè)能溝通的有效儲集層越多，從而提高油氣采收率[12-13]。

圖1 地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法技術(shù)路線

1.1 儲集層地質(zhì)力學(xué)研究

利用波阻抗反演技術(shù)進行三維地震資料反演獲取三維地層速度數(shù)據(jù)，采用目前應(yīng)用較多的測井約束下的波阻抗反演技術(shù)獲取高分辨率的反演剖面。根據(jù)三維地震反演獲取的聲波速度、巖石密度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算研究區(qū)三維巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)體[14]。

1.2 區(qū)域可壓裂性評價

構(gòu)造應(yīng)力作用是裂縫形成的根本原因，本文采用地震曲率屬性中的地層最大正曲率，表征地層天然裂縫發(fā)育空間分布規(guī)律[11]。可壓裂性通常指儲集層壓裂增產(chǎn)的難易程度，根據(jù)裂縫擴展理論，利用巖石力學(xué)參數(shù)項Eγ/(1-ν2)表征巖石的造縫能力（其中，E為巖石彈性模量，GPa；γ為裂縫表面能，MPa·m；ν為泊松比）[14]。在相同泊松比的條件下，巖石彈性模量越小，越易被水力壓開，因此，Eγ/（1-ν2）越小，地層越易形成水力裂縫。

壓裂時火成巖巖體內(nèi)的水力裂縫在擴展過程中會溝通天然孔隙，或沿著天然裂縫延伸，其裂縫形態(tài)復(fù)雜、扭曲。因此，在天然裂縫富集區(qū)域，應(yīng)增加壓裂施工規(guī)模，讓大量液體進入到地層中，激活更多的天然裂縫，才能有效提高單井產(chǎn)能[15]。

1.3 產(chǎn)能模擬

用建立的基質(zhì)-天然裂縫-人工裂縫系統(tǒng)滲流模型，模擬井區(qū)單井產(chǎn)能變化情況，采用蒙特卡洛法對潛在發(fā)育的天然裂縫進行隨機分布預(yù)測[16]。

壓裂規(guī)模主要指壓裂人工裂縫波及長度，壓裂規(guī)模與產(chǎn)能的關(guān)系，本質(zhì)上是壓裂后的人工裂縫與溝通的天然裂縫所形成的縫網(wǎng)對產(chǎn)能的影響，因此，可模擬在既定天然裂縫分布情況下，不同長度的人工裂縫所溝通的天然裂縫情況以及產(chǎn)能的變化。

1.4 井眼軌跡及壓裂方案優(yōu)化

由于儲集層壓裂改造技術(shù)必須與鉆井、完井及測試等技術(shù)緊密結(jié)合[17]。因此，針對裂縫性致密儲集層，完井要求等都應(yīng)在鉆完井前設(shè)計好，工程技術(shù)之間須緊密結(jié)合。針對裂縫性致密儲集層，應(yīng)以提高產(chǎn)能為主導(dǎo)選取井位和設(shè)計井眼軌跡，鉆直井時需要選取裂縫發(fā)育區(qū)域，鉆水平井時可以沿著穿透天然裂縫的方向設(shè)計井眼軌跡，既保障井筒的全生命周期完整性，又需兼顧單井資源的最大化動用[18]。

2 實例應(yīng)用

克拉瑪依油田克80井區(qū)二疊系火成巖儲集層構(gòu)造為東偏南傾的單斜。其中，風(fēng)城組火成巖構(gòu)造傾角約10°，儲集層隨機分布天然裂縫和層理弱面，導(dǎo)致裂縫的起裂特征和動態(tài)擴展規(guī)律異常復(fù)雜，裂縫形態(tài)難以控制，增產(chǎn)改造效果差。

根據(jù)地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法，首先根據(jù)地質(zhì)力學(xué)解釋方法[11]，解釋并提取克80井區(qū)風(fēng)城組三維空間巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)，包括彈性模量和泊松比（圖2）。儲集層含油性區(qū)域范圍，即紅色線區(qū)域，彈性模量約40～90 GPa，泊松比約0.214～0.226.南部S102井與S11井間局部區(qū)域彈性模量大，巖層堅硬，北部大部分區(qū)域彈性模量較小，巖層相對偏軟。

圖2 克80井區(qū)風(fēng)城組儲集層彈性模量（a）和泊松比（b）平面分布

基于構(gòu)造曲率特征與儲集層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，解釋出風(fēng)城組火成巖儲集層范圍內(nèi)的天然裂縫發(fā)育與分布趨勢（圖3）。其中，SE13井區(qū)、S102井區(qū)和S11井區(qū)天然裂縫相對發(fā)育，SH108井區(qū)和S12井區(qū)天然裂縫相對欠發(fā)育。

根據(jù)影響裂縫形態(tài)的巖石力學(xué)參數(shù)，分析并表征風(fēng)城組火成巖儲集層分布范圍內(nèi)的人工造縫能力。如圖4所示，深藍色背景區(qū)域為非儲集層，漸變色區(qū)域為火成巖儲集層形成人工裂縫的難易程度，數(shù)值越小的黃色區(qū)域，越容易造縫。

根據(jù)圖3中研究區(qū)的天然裂縫統(tǒng)計特征，采用蒙托卡洛法生成井周天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，特征裂縫走向為北西西—南東東向，裂縫長度20～80 m，提取SE13井區(qū)的天然裂縫，當(dāng)人工裂縫半長越長時，溝通儲集層的天然裂縫數(shù)量越多。通過模擬60 m，80 m，100 m，120 m，140 m，160 m，180 m和200 m這8種不同的人工裂縫半長，評價人工裂縫與天然裂縫溝通后對產(chǎn)能的貢獻，最終得到適合每口井的最優(yōu)改造人工裂縫半長。模擬生產(chǎn)2 mon后的儲集層孔隙壓力分布規(guī)律如圖5所示，隨著開采時間增加，孔隙壓力緩慢下降。

圖3 克80井區(qū)風(fēng)城組火成巖儲集層裂縫發(fā)育區(qū)域

圖4 克80井區(qū)風(fēng)城組火成巖儲集層造縫能力

SE13井區(qū)的天然裂縫密度較高，人工裂縫半長越大，溝通的天然裂縫越多，泄流面積越大。圖6是不同人工裂縫半長下的累計產(chǎn)液量，SE13井39 d累計產(chǎn)油117 t，產(chǎn)水103 t，與人工裂縫半長為70 m時的累計產(chǎn)液量較吻合。

SE13井50 d累計產(chǎn)液量與人工裂縫半長的關(guān)系如圖7所示，由50 d累計產(chǎn)液量可以看出，人工裂縫半長越大，溝通的天然裂縫越多，泄流面積越大，相同時間內(nèi)累計產(chǎn)液量越大，累計產(chǎn)液量隨人工裂縫半長的增大先快速增大，人工裂縫半長大于120 m以后緩慢增大。前期的快速增長是因為溝通的天然裂縫增多，但SE13井實際的人工裂縫半長僅為70 m，因此，對該井進行二次改造時，通過增加壓裂液液量提高施工規(guī)模，可以進一步提高升單井產(chǎn)能。

圖5 SE13井區(qū)模擬生產(chǎn)2 mon后的儲集層孔隙壓力分布

圖6 SE13井不同人工裂縫半長下的累計產(chǎn)液量

圖7 SE13井50 d累計產(chǎn)液量與人工裂縫半長的關(guān)系

通過綜合分析鄰井的壓裂作業(yè)工程技術(shù)資料，從壓裂泵注曲線、支撐劑類型、壓裂施工排量、壓裂液類型、單井產(chǎn)能等方面對比壓裂改造效果。提出根據(jù)裂縫參數(shù)優(yōu)化目標的裂縫長度為100～140 m，前置液比例35%對應(yīng)的累計產(chǎn)液量為320～380 m3，壓裂施工排量3.5～4.0 m3/min較合適；由于儲集層巖石致密，壓裂施工排量小，人工裂縫寬度較窄，加砂容易引起砂堵，建議目前施工砂比11.36%～21.12%，平均15.89%；由于儲集層裂縫發(fā)育，濾失量大，建議應(yīng)用前置液小粒徑支撐劑段塞，降低砂堵風(fēng)險。對克80井區(qū)風(fēng)城組儲集層進行針對性的二次改造后，單井產(chǎn)能提高1倍以上。

3 結(jié)論

（1）裂縫性致密油藏的地質(zhì)-工程一體化開發(fā)，要綜合應(yīng)用多學(xué)科知識和現(xiàn)場工程作業(yè)經(jīng)驗，開展儲集層天然裂縫識別、三維儲集層地質(zhì)力學(xué)分析、地應(yīng)力預(yù)測、儲集層區(qū)域可壓裂性評價、縫網(wǎng)壓裂技術(shù)、產(chǎn)能評價、井眼軌跡控制、單井壓裂方案優(yōu)化設(shè)計等一系列緊密結(jié)合的研究工作，以提高產(chǎn)能為導(dǎo)向，評價儲集層可壓裂性為關(guān)鍵，建立一體化設(shè)計理念，實現(xiàn)高效開發(fā)。

（2）對于火成巖儲集層，裂縫系統(tǒng)是油氣資源儲存的空間與運輸通道，天然裂縫能否被有效溝通，決定油氣藏的開發(fā)潛力?？蓧毫研愿叩膬瘜訁^(qū)域，應(yīng)同時滿足天然裂縫發(fā)育、天然裂縫可水力激活以及儲集層巖石造縫能力較高。采用地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法，可落實適宜布井的區(qū)域，優(yōu)化井眼軌跡與井身結(jié)構(gòu)，在完井階段能更為有效地通過增產(chǎn)措施來溝通天然裂縫，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而提高產(chǎn)能。

（3）基于孔隙彈性理論的產(chǎn)能模擬表明，在天然裂縫發(fā)育區(qū)域，人工裂縫半長越長，即壓裂后的人工裂縫與溝通的天然裂縫所形成的縫網(wǎng)規(guī)模越大，單井產(chǎn)能越高；在天然裂縫發(fā)育區(qū)域，當(dāng)改造井已經(jīng)達到預(yù)期的單井累計產(chǎn)能后，模擬的人工裂縫半長越小，表明該井通過二次改造進一步提高縫網(wǎng)溝通規(guī)模的可能性越高。

（4）通過地質(zhì)-工程一體化開發(fā)方法，可有效識別可壓裂性高的“甜點”區(qū)，建立井筒與儲集層的有效連通通道，針對單井產(chǎn)能低、遞減速度快的典型特點，可以有效提高水力壓裂效率，促進目的層開發(fā)，獲得更高的油氣產(chǎn)能。