應(yīng)用地質(zhì)成果優(yōu)化致密氣水平井壓裂設(shè)計(jì)

魏志鵬 馮 青 曾 鳴 張萬(wàn)春

中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部

0 引言

致密氣是全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)，中國(guó)致密砂巖分布領(lǐng)域廣，類(lèi)型多樣，在所有含油氣盆地的深部，如四川盆地、鄂爾多斯盆地、吐哈盆地及塔里木盆地等10余個(gè)盆地，都具有形成致密砂巖氣藏的地質(zhì)條件，僅深盆氣資源量將超過(guò)100 1012m3[1-3]。

致密氣藏儲(chǔ)層由于早期的沉積條件制約，儲(chǔ)層厚度小、橫向展布規(guī)律難于把握，砂巖鉆遇率低（59%），氣層鉆遇率更是低至41%，加上黃土地表對(duì)地震信息采集的精度影響，鉆井水平井段常規(guī)測(cè)試不產(chǎn)氣或產(chǎn)微氣，難以達(dá)到工業(yè)氣井標(biāo)準(zhǔn)。水平井分段壓裂作為致密砂巖氣藏高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)手段，通過(guò)增加油氣藏泄油氣面積、改變油氣滲流方式，在提高單井產(chǎn)量、提高氣田開(kāi)發(fā)效果等方面在前期的工作中發(fā)揮了重要作用[4-5]。但儲(chǔ)層砂體分布的不規(guī)則性導(dǎo)致水平井鉆井難以保持較高鉆遇率，鉆遇大套泥巖或干層的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。而泥巖段通常情況下被認(rèn)為是無(wú)效壓裂層段，對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率較低，同時(shí)因有一定施工風(fēng)險(xiǎn)需要避免壓開(kāi)。本次研究試圖通過(guò)利用工區(qū)儲(chǔ)層地質(zhì)成果，對(duì)目標(biāo)水平井鉆遇儲(chǔ)層縱向砂泥巖疊置方式，橫向砂體展布范圍進(jìn)行剖析，充分論證在泥巖段壓裂的可行性，指導(dǎo)低鉆遇率水平井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提高水平井壓后產(chǎn)能的目的，通過(guò)多種手段對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)與驗(yàn)證，證明實(shí)施效果顯著。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 儲(chǔ)層展布特征

某區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地北部，強(qiáng)物源供給，多水系發(fā)育，高流速水流，平緩古地貌等多因素疊加導(dǎo)致中二疊統(tǒng)石盒子組盒8段沉積期盆地砂體大面積廣泛分布的格局，形成“淺水緩坡辮狀河三角洲”沉積體系[7-8]。砂體展布受河道控制，多期分流河道疊加形成盒8段縱向砂泥巖疊置分布的典型沉積特征。受主河道控制的疊置帶儲(chǔ)層砂體顆粒分選好，巖性純，物性好，有效砂體分布相對(duì)集中，而河道間砂體水動(dòng)力弱，有效砂體基本不發(fā)育[9]。

1.2 儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況

通過(guò)野外地質(zhì)考察，認(rèn)識(shí)到石盒子組砂泥巖疊置沉積，單層厚度較薄，發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫。裂縫發(fā)育程度與儲(chǔ)層厚度有關(guān)，儲(chǔ)層厚度越大，裂縫發(fā)育程度越低（圖1），1號(hào)、5號(hào)巖體較薄，層理縫和節(jié)理縫發(fā)育，2號(hào)、4號(hào)巖體厚，層理縫和節(jié)理縫不發(fā)育，所形成裂縫單一。統(tǒng)計(jì)認(rèn)為當(dāng)巖層單層厚度大于3 m，其裂縫發(fā)育程度較差[8]。該現(xiàn)象符合前人的認(rèn)識(shí)，因相同巖性的巖層厚度越小，受到外部作用力影響的區(qū)域則越小，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的應(yīng)力更集中，構(gòu)造裂縫產(chǎn)生的概率越大，更易發(fā)育裂縫[10-14]。

圖1 研究區(qū)中二疊統(tǒng)石盒子組裂縫發(fā)育圖

致密氣儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育可提高儲(chǔ)層的滲流能力，溝通儲(chǔ)層與烴原巖，對(duì)儲(chǔ)層含氣性有積極影響，在對(duì)水平井薄泥巖層（＜3 m）壓裂時(shí)，因裂縫發(fā)育，壓裂后更易溝通相鄰有效含氣砂層，有助于增加水平井產(chǎn)能。

2 L-1-4H井儲(chǔ)層地質(zhì)分析與壓裂設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)井儲(chǔ)層地質(zhì)分析

L-1-4H是研究區(qū)鉆探的一口水平開(kāi)發(fā)井，開(kāi)發(fā)層位為盒8段，水平段707.7 m，砂巖鉆遇率59%，氣層+差氣層鉆遇率41%，整體鉆遇三套氣層，三套“泥巖+干層”組合，鉆遇率較低。

該井設(shè)計(jì)采用封隔器+投球滑套分段壓裂技術(shù)，假設(shè)水平段儲(chǔ)層為均質(zhì)，參考鄰井物性，孔隙度8%，滲透率0.5 mD，從模擬結(jié)果可看出，壓裂段數(shù)為6段時(shí)水平井可達(dá)較大的產(chǎn)能[15-16]（圖2）。該井實(shí)際鉆遇率不高，若僅壓開(kāi)三套氣層，無(wú)法達(dá)到最佳產(chǎn)能，經(jīng)儲(chǔ)層地質(zhì)分析，認(rèn)為在泥巖段壓裂可溝通鄰近氣層，則可以使井產(chǎn)能得到最大釋放，最終設(shè)計(jì)調(diào)整為壓開(kāi)所有氣層與泥巖段，總壓裂段數(shù)設(shè)計(jì)為6段（表1），分別對(duì)應(yīng)水平段鉆遇的三套氣層，三套“泥巖+干層”的組合。后文將詳述分析過(guò)程。

圖2 不同壓裂段水平井分段壓裂日產(chǎn)量變化圖

2.2 儲(chǔ)層展布對(duì)縫高的影響

導(dǎo)眼井L-1-4P在盒8段2砂組鉆遇一套氣層、干層與泥巖的疊置沉積儲(chǔ)層，4個(gè)含氣小層自上至下分別命名為①~④號(hào)氣層。水平井軌跡沿地層抬升，根據(jù)水平井鉆遇情況，對(duì)比B靶點(diǎn)附近L-2井同層位砂體特征（圖1），可認(rèn)識(shí)到4個(gè)含氣小層在L-2井區(qū)方向逐漸減薄至尖滅。

水平段鉆遇的3套主要?dú)鈱樱磯毫讯?、壓裂段4、壓裂段6分別對(duì)應(yīng)①、③、④號(hào)含氣小層（圖3），是較好的砂體，壓裂難度最小。

表1 L-1-4H井壓裂分段工具位置表

圖3 L-1-4H水平井鉆遇儲(chǔ)層砂體展布圖

“壓裂段5”緊鄰④號(hào)氣層底部發(fā)育，“壓裂段3夾于①號(hào)氣層與③號(hào)氣層之間，兩套泥巖段與相鄰氣層呈縱向薄互層疊置沉積，屬于“泥質(zhì)薄隔層”，厚度小于2 m，較薄，符合辮狀河沉積模式，且這種“泥質(zhì)薄隔層”易發(fā)育天然構(gòu)造縫，在該處壓裂作業(yè)易穿透泥巖，溝通縱向氣層，加砂壓裂有風(fēng)險(xiǎn)，但可以有效提高單井產(chǎn)能。

“壓裂段1”鉆遇大套泥巖，判斷已到達(dá)砂體尖滅處，屬于“泥質(zhì)厚隔層”，縱向泥巖厚度較大，無(wú)氣層發(fā)育，在該處進(jìn)行壓裂作業(yè)，儲(chǔ)層天然裂縫不發(fā)育，且應(yīng)力差較大，縫高難以擴(kuò)展，存在超壓砂堵風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 儲(chǔ)層展布對(duì)縫長(zhǎng)的影響

結(jié)合盒8段2砂組平面沉積微相圖，可以看到研究區(qū)存在多個(gè)物源方向。北偏西方向發(fā)育一條高能主河道，向南偏東方向沖刷，在北部物源方向存在兩條次級(jí)水道，主河道受次級(jí)河道沖刷形成L-1-4P井區(qū)（圖4中L-1-4HA位置）縱向砂體疊置沉積的模式。L-1-4H水平段前端一直沿主河道方向鉆進(jìn)，砂體發(fā)育，“壓裂段2至5段”，水力裂縫長(zhǎng)度容易擴(kuò)展。在近B靶點(diǎn) “壓裂段1”處，屬于河道間灣相帶，為水下分支河道之間相對(duì)較低洼的海灣地區(qū)，水動(dòng)力較弱，以黏土沉積為主，并含有少量粉砂和細(xì)砂[17]，在該處壓裂縫長(zhǎng)難以得到有效擴(kuò)展（圖4）。

圖4 研究工區(qū)盒8段2砂組沉積微相平面展布圖

2.4 壓裂分段設(shè)計(jì)

綜上所述，認(rèn)為“壓裂段3”與“壓裂段5”的“泥巖+干層”段壓裂可行，“壓裂段1”因鉆遇河流間灣相帶，壓裂風(fēng)險(xiǎn)較大。為了獲得水平井最大產(chǎn)能，最終仍采用6段分段壓裂的設(shè)計(jì)思路，壓裂滑套放置在每一“壓裂段”物性相對(duì)較好，脆性指數(shù)較高的位置。壓裂作業(yè)從水平段最前段開(kāi)始，逐級(jí)投低密度球進(jìn)行分段壓裂施工。

壓裂分段設(shè)計(jì)充分考慮致密砂巖砂體、物性、含氣含水性等特征，裂縫最大可能性增大覆蓋砂巖體積，包括通過(guò)壓裂可能溝通的上下層位的砂巖，達(dá)到產(chǎn)能、效益的最優(yōu)化。同時(shí)結(jié)合儲(chǔ)層溫度和壓力特性，要求壓裂液體系具備良好的低溫破膠能力，并實(shí)現(xiàn)壓后快速放噴返排，減少壓裂液滯留傷害。

L-1-4H儲(chǔ)層溫度較低，采用成熟的低溫瓜膠壓裂液體系；儲(chǔ)層壓力系數(shù)為常壓地層，考慮到封隔器+投球滑套分段壓裂工藝特點(diǎn)，采取液氮伴注助排，并在壓裂段6適當(dāng)加大液氮量；在保證裂縫導(dǎo)流能力的前提下根據(jù)儲(chǔ)層閉合壓力優(yōu)選30/50目低密度高強(qiáng)度陶粒作為壓裂支撐劑。對(duì)每一個(gè)壓裂層段進(jìn)行大規(guī)模改造（高排量、大砂量）來(lái)提高單井的動(dòng)用程度，達(dá)到充分改造儲(chǔ)層的目的。

L-1-4H壓裂段1、3、5泥質(zhì)含量較高。泥巖層段地應(yīng)力較高，斷裂韌性較大，破裂和裂縫延伸困難，易導(dǎo)致地面施工壓力高造成壓裂失敗。針對(duì)此問(wèn)題，主要采取兩點(diǎn)措施確保壓裂施工順利進(jìn)行：①提高前置液比例，以保證充分造縫；②前置液階段采用段塞打磨裂縫，并延長(zhǎng)低砂比施工時(shí)間，適當(dāng)降低最高砂比。綜上，該井壓裂分段施工參數(shù)設(shè)計(jì)如下表2所示。

表2 壓裂分段設(shè)計(jì)施工參數(shù)表

3 L-1-4H井壓裂效果評(píng)價(jià)

2016年11月5日8:34至20:20完成了L-1-4H壓裂段1至壓裂段6的施工，除壓裂段1（砂質(zhì)泥巖段）因超壓導(dǎo)致未完成加砂之外，其余段施工成功率均為100%。

3.1 施工壓力分析

各壓裂施工曲線分析（圖5）：

壓裂段1：隨著排量上升，油壓在短時(shí)間內(nèi)從52 MPa急劇上升至69 MPa ，出現(xiàn)明顯砂堵跡象，說(shuō)明裂縫難以穿透大段泥巖隔層，無(wú)法溝通有效含氣砂巖，與壓前分析基本一致，因設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)有了足夠預(yù)估，當(dāng)出現(xiàn)明顯砂堵跡象時(shí)，及時(shí)停泵，避免產(chǎn)生更大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

壓裂段2：在施工初期壓力較高（最高56.3 MPa），但在提高排量之后壓力迅速降落至34.8 MPa并穩(wěn)定至施工結(jié)束，說(shuō)明該段在施工過(guò)程中突破了一高應(yīng)力隔層。

壓裂段3、4：施工壓力穩(wěn)定在28～30 MPa，壓力相對(duì)平穩(wěn)，施工順利。

壓裂段5、6：施工壓力穩(wěn)定在34～36 MPa，壓力相對(duì)平穩(wěn)，施工順利。

3.2 井下微地震監(jiān)測(cè)

壓裂施工期間，采用微地震波的四維層析成像“能量掃描”裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)是利用微地震采集儀器陣列，通過(guò)檢波器接收地下儲(chǔ)層高壓液體流動(dòng)引起的巖石微破裂所產(chǎn)生全體體波，再利用發(fā)射層析成像定位方法計(jì)算確定地下破裂震源點(diǎn)空間位置，在時(shí)間域上分析得出壓裂裂縫三維空間形態(tài)的演變過(guò)程及裂縫走向等相關(guān)參數(shù)[18-20]。

此外，將裂縫監(jiān)測(cè)后得到的各段裂縫形態(tài)投影于沉積微相圖中，并結(jié)合各段監(jiān)測(cè)裂縫形態(tài)變化圖，分析各段壓裂效果。

圖5 L-1-4H水平井壓裂施工曲線圖

圖6a為壓裂段1井下微地震監(jiān)測(cè)成果，反映了破裂能量隨時(shí)間的變化，破裂初期（0～15 min）裂縫規(guī)模較小，破裂能量多集中于井筒附近，裂縫難以穿透泥巖隔層向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，出現(xiàn)超壓砂堵現(xiàn)象，在圖7的沉積微相圖中也可見(jiàn)該段裂縫幾乎全部堆積在泥巖間灣內(nèi)，未溝通至鄰近河道。

圖6b和6c分別為壓裂段3和壓裂段5的井下微地震監(jiān)測(cè)成果，這兩段雖然是泥巖與干層，但施工期間壓力平穩(wěn)，且裂縫監(jiān)測(cè)顯示裂縫在壓裂初期（0～15 min）就已遠(yuǎn)離井筒，沉積微相圖中也可見(jiàn)該段裂縫有效溝通了含氣砂體（圖7），說(shuō)明“泥質(zhì)薄隔層”易突破，與壓前分析一致。

圖6 L-1-4H各壓裂段井下微地震監(jiān)測(cè)裂縫形態(tài)變化成果圖

圖7 L-1-4H壓裂監(jiān)測(cè)成果在沉積微相圖中的投影圖

3.3 示蹤劑產(chǎn)液剖面評(píng)價(jià)

L-1-4H井放噴開(kāi)始至試氣作業(yè)結(jié)束，采用5 mm油嘴放噴，油壓4 ～7 MPa，累計(jì)返排時(shí)間668 h，累計(jì)排液1 319.2 m3，產(chǎn)氣量131 542 m3/d，折合無(wú)阻流量22.5 104m3/d，達(dá)到良好的工業(yè)產(chǎn)氣效果。本井壓裂采用SECTT產(chǎn)出剖面動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，在6個(gè)壓裂段作業(yè)時(shí)，分別將6種化學(xué)示蹤劑分別在其前置液、攜砂液過(guò)程中隨壓裂液泵入地層，返排期間連續(xù)取樣20 d，用色譜分析儀分析采樣流體中各組分示蹤劑濃度，根據(jù)檢測(cè)到的示蹤劑組分含量，可以精確定量刻畫(huà)各生產(chǎn)井段的油氣水動(dòng)態(tài)產(chǎn)出量[21]。得到累積產(chǎn)氣剖面（圖8）。

圖8 L-1-4H井各壓裂段20 d累計(jì)產(chǎn)氣量及占比圖

如圖所示，L-1-4H井壓后所有層段均見(jiàn)氣，但第1段產(chǎn)能貢獻(xiàn)率僅1%，說(shuō)明壓裂后未能有效溝通產(chǎn)層，第3段與第5段雖為泥巖與干層，但合計(jì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)率達(dá)到36%，說(shuō)明兩段壓后溝通了有效產(chǎn)層，與壓前分析一致。

4 結(jié)論

1）儲(chǔ)層沉積微相研究成果可有效優(yōu)化低鉆遇率水平井壓裂分段設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)有良好的效果，對(duì)降低壓裂施工風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

2）在低鉆遇率水平井中，采用適當(dāng)?shù)膲毫鸭夹g(shù)，水力壓裂縫可以突破“泥質(zhì)薄隔層”，溝通鄰近含氣砂體，獲得較高的工業(yè)產(chǎn)能，可為低鉆遇率水平井的高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障。

3）通過(guò)壓裂井下微地震監(jiān)測(cè)資料、壓裂施工曲線以及指示劑跟蹤技術(shù)相結(jié)合的手段，可以有效驗(yàn)證與評(píng)價(jià)壓裂效果。