致密氣藏水平井甜點(diǎn)段識(shí)別方法研究

劉子雄 李嘯南 王金偉 劉汝敏 王 濤 王一竹 閆治東 李新發(fā)

（ 1中海油服油田生產(chǎn)研究院；2 中國(guó)石油玉門油田公司工程技術(shù)研究院 ）

0 引言

鄂爾多斯盆地致密氣資源量大[1-3]，儲(chǔ)層普遍具有非均質(zhì)性強(qiáng)、滲透率低的特點(diǎn)，采用直井開發(fā)時(shí)單井產(chǎn)量低，產(chǎn)能遞減快、采出程度低，因此水平井分段壓裂成為開發(fā)該類儲(chǔ)層的關(guān)鍵技術(shù)[4-6]。對(duì)盆地東部某致密氣田壓裂的22口水平井統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，壓裂產(chǎn)能與水平段長(zhǎng)度、氣層鉆遇率及壓裂段數(shù)均未表現(xiàn)出相關(guān)性。部分水平井的示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，主要的產(chǎn)能貢獻(xiàn)段僅占30%左右，與一些文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的水平井有產(chǎn)能貢獻(xiàn)的段低于65%[7-8]相符。由于大部分壓裂段無(wú)產(chǎn)能貢獻(xiàn)，形成了大量的無(wú)效壓裂段，一方面增加了水平井施工風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)成本，另一方面由于縫間干擾影響了其他段的產(chǎn)能貢獻(xiàn)[9-10]。因此通過(guò)識(shí)別水平段壓裂甜點(diǎn)位置，進(jìn)而優(yōu)化壓裂分段和壓裂規(guī)模，對(duì)提高水平井開發(fā)效果尤為重要。目前水平井分段大部分是基于理論模型開展的裂縫延伸及縫間干擾來(lái)進(jìn)行優(yōu)化[11-14]，而針對(duì)水平段儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，缺少相應(yīng)的甜點(diǎn)位置識(shí)別方法和壓裂分段優(yōu)化方法。水平井壓裂時(shí)采用的微地震向量掃描監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，部分壓裂段存在多個(gè)破裂位置，對(duì)監(jiān)測(cè)的6口水平井識(shí)別出的72處有效破裂位置（即甜點(diǎn)位置，應(yīng)力薄弱，容易起裂）用甜點(diǎn)識(shí)別參數(shù)（Ktr）表征，將破裂位置的測(cè)井參數(shù)和錄井參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一提取，為了消除不同井間的測(cè)井、錄井儀器差異，均采用異常倍數(shù)（測(cè)量值與背景值之比）進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，結(jié)果表明錄井的全烴和鉆時(shí)與破裂點(diǎn)關(guān)聯(lián)度分別達(dá)到42.4%、32%。應(yīng)用這兩個(gè)參數(shù)采用試湊法建立了Ktr的計(jì)算公式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)井段的甜點(diǎn)分布位置的識(shí)別。應(yīng)用表明，識(shí)別出的甜點(diǎn)位置與微地震向量掃描監(jiān)測(cè)結(jié)果和示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，同時(shí)Ktr法識(shí)別出的甜點(diǎn)數(shù)量與壓裂井產(chǎn)能相關(guān)性高，為后期實(shí)施選擇性的分段壓裂和工藝優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

1 水平井開發(fā)特征

A氣田位于鄂爾多斯盆地東緣（圖1），儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙度和滲透率很低，為典型的致密儲(chǔ)層。區(qū)域內(nèi)采用水平井分段壓裂開發(fā)，壓裂段間距為100～120m。由于忽略了儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)壓裂改造的影響，每一段設(shè)計(jì)的壓裂規(guī)模相近，導(dǎo)致同層位水平井壓裂后初期產(chǎn)能及穩(wěn)產(chǎn)期差異較大。22口水平井測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)表明，壓裂產(chǎn)能與水平段長(zhǎng)度、砂巖氣層鉆遇率及壓裂段數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性。由于研究區(qū)經(jīng)歷了4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[15]，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)育多個(gè)方向的天然裂縫，微地震向量掃描監(jiān)測(cè)顯示，水平段裂縫形態(tài)和長(zhǎng)度差異較大，部分高產(chǎn)井在壓裂時(shí)存在多個(gè)起裂位置，形成了多條裂縫，部分為單條裂縫。同時(shí)，壓裂時(shí)部分段存在造縫困難和砂堵風(fēng)險(xiǎn)，示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水平井中60%的裂縫基本無(wú)產(chǎn)能貢獻(xiàn)。對(duì)比同層位兩口生產(chǎn)井的動(dòng)態(tài)曲線看出， S-5H井受多條裂縫影響，壓裂后初期產(chǎn)量高（無(wú)阻流量為18.3×104m3），但投產(chǎn)后產(chǎn)能遞減快（圖2），反映出改造規(guī)模偏小的特征；S-4H井（無(wú)阻流量為3.1×104m3）盡管裂縫條數(shù)少，但裂縫半長(zhǎng)更長(zhǎng)，控制面積大，產(chǎn)能遞減慢。由于壓裂時(shí)缺少對(duì)潛在形成多條裂縫的考慮，設(shè)計(jì)的壓裂規(guī)模與常規(guī)儲(chǔ)層類似，導(dǎo)致部分天然裂縫發(fā)育段改造不充分。因此，有效識(shí)別水平段甜點(diǎn)發(fā)育位置，針對(duì)性地優(yōu)化壓裂分段和設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模，對(duì)提高壓裂產(chǎn)能和延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期具有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

圖2 同層位水平井壓裂后產(chǎn)量曲線Fig.2 Production curve of the same layer after fracturing in different horizontal wells

2 水平井壓裂甜點(diǎn)區(qū)識(shí)別方法研究

2.1 微地震向量掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)

微地震裂縫監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為壓裂效果評(píng)價(jià)的一個(gè)重要手段[16-17]。在壓裂時(shí)向地層中注入高壓流體，地層受到擠壓后發(fā)生破裂，因此會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的微地震事件。在此過(guò)程中，破裂位置一般是應(yīng)力薄弱發(fā)育位置[15]，通常伴隨高孔滲條帶、天然裂縫或微裂縫發(fā)育的位置，即甜點(diǎn)位置。通過(guò)微地震向量掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水平段壓裂過(guò)程中的破裂位置進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確性較高。其主要機(jī)理是通過(guò)對(duì)壓裂期間的破裂能量進(jìn)行反演，得到監(jiān)測(cè)區(qū)平面上的破裂能量差異，并對(duì)破裂過(guò)程中的每一分鐘能量切片，識(shí)別出水平段不同位置的破裂情況（圖3）。由于壓裂引起的地層破裂比較劇烈，微地震信號(hào)強(qiáng)，監(jiān)測(cè)顯示的破裂能量一般是經(jīng)井筒向地層延伸，容易識(shí)別，且較強(qiáng)的破裂能量對(duì)環(huán)境噪聲有一定壓制作用，因此識(shí)別結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。當(dāng)其他段壓裂時(shí)，之前已經(jīng)壓裂開的地層受到擠壓后再次產(chǎn)生微地震事件，使前期壓裂的裂縫顯現(xiàn)出來(lái)。從圖4可以看出，在壓裂第3個(gè)封隔段時(shí)，前兩段壓裂產(chǎn)生的裂縫也顯現(xiàn)出來(lái)，其起裂位置并非都在滑套位置，在不同封隔段中形成的裂縫條數(shù)不同，最多達(dá)到3～6條。

圖3 水平井壓裂監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of horizontal well fracturing monitoring

圖4 S-1H井前3段裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果圖Fig.4 Fracture monitoring results of the first three stages of well S-1H

由于在壓裂過(guò)程中，巖石的破裂并非持續(xù)的[18]，在不同的時(shí)間段所顯示出的破裂位置不同。壓裂監(jiān)測(cè)時(shí)，每間隔1分鐘進(jìn)行一次破裂能量切片，因此同一個(gè)破裂位置會(huì)在多個(gè)破裂能量切片圖中有顯示，一般認(rèn)為出現(xiàn)3次以上則標(biāo)記為確定的破裂點(diǎn)，以消除信號(hào)采集和去噪過(guò)程中的“偽能量”[19-20]，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。從圖5可以看出，在壓裂第4段時(shí)，滑套4C處出現(xiàn)了多個(gè)高的破裂能量顯示，則該處標(biāo)記為破裂點(diǎn)。

圖5 S-3H井不同時(shí)刻破裂能量切片圖Fig.5 Fracture energy slices at different fracturing times of well S-3H

應(yīng)用微地震向量掃描監(jiān)測(cè)方法對(duì)6口水平井共計(jì)57段壓裂時(shí)不同時(shí)刻的破裂能量分析，識(shí)別出103處破裂位置，其中有效破裂位置（一個(gè)壓裂段產(chǎn)生兩處以上的破裂位置）72處。一個(gè)壓裂段內(nèi)只有一條裂縫產(chǎn)生時(shí)，不能完全肯定該段儲(chǔ)層為甜點(diǎn)發(fā)育區(qū)，為了準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)出井段甜點(diǎn)，在數(shù)據(jù)分析時(shí)僅針對(duì)一個(gè)壓裂段內(nèi)有兩處以上破裂位置的區(qū)域進(jìn)行研究。

2.2 水平段甜點(diǎn)影響因素分析

為了能夠識(shí)別出水平段甜點(diǎn)位置，需要對(duì)標(biāo)記為甜點(diǎn)位置的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，找出關(guān)聯(lián)度最高的參數(shù)建立計(jì)算方程。為此提取標(biāo)記為甜點(diǎn)位置的測(cè)井和錄井參數(shù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。由于各井的鉆井參數(shù)和測(cè)井儀器間存在差異，各個(gè)參數(shù)均采用異常幅度進(jìn)行分析。

關(guān)聯(lián)度計(jì)算主要是通過(guò)數(shù)據(jù)序列曲線的相似程度來(lái)判別各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)程度越高，對(duì)目標(biāo)的影響越顯著。關(guān)聯(lián)度計(jì)算模型中主要有鄧氏關(guān)聯(lián)度、T型關(guān)聯(lián)度、斜率關(guān)聯(lián)度、B型關(guān)聯(lián)度、C型關(guān)聯(lián)度、廣義灰色關(guān)聯(lián)度等方法。本文主要選擇鄧氏關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行計(jì)算，它是立足于變量（影響因素）相關(guān)關(guān)系的R型分析[21]。計(jì)算結(jié)果表明，鉆時(shí)和全烴與甜點(diǎn)位置的關(guān)聯(lián)度最高（圖6），與部分文獻(xiàn)中采用錄井參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)能表征方法一致[22-23]。

圖6 各個(gè)參數(shù)與甜點(diǎn)位置的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果Fig.6 Correlation degree between various parameters and the sweet spot interval

2.3 甜點(diǎn)識(shí)別參數(shù)Ktr模型建立

由于不同井的鉆井參數(shù)不同，在表征甜點(diǎn)時(shí)采用測(cè)量值與背景值之比，以消除錄井的環(huán)境差異，保證計(jì)算公式的通用性。為了能夠找出甜點(diǎn)識(shí)別參數(shù)Ktr的截取值和計(jì)算公式，分別設(shè)置鉆時(shí)和全烴的權(quán)重為a、b。由于鉆時(shí)的異常倍數(shù)較小，全烴的異常倍數(shù)大，為使兩個(gè)參數(shù)處于同一量級(jí)，均進(jìn)行取對(duì)數(shù)處理，且為了保證Ktr值的范圍在0～1，需再對(duì)其進(jìn)行求取指數(shù)。最后的表達(dá)式為

式中Ktr——甜點(diǎn)識(shí)別參數(shù)；

a、b——鉆時(shí)和全烴的分配權(quán)重；

Rop、Rop1——砂巖段的鉆時(shí)基線值和鄰近非儲(chǔ)層段的鉆時(shí)基線值，min/m；

Tg、Tg1——砂巖段全烴最大值和鄰近非儲(chǔ)層段的全烴基線值，%。

由于公式（1）中對(duì)應(yīng)的Ktr值為截取值，并非一個(gè)特定的參數(shù)，因此對(duì)應(yīng)的a、b組合方式有多種，限制a+b＜1，采用試湊法求解。將識(shí)別出的72處有效破裂位置分為兩組，一組為50個(gè)，各點(diǎn)的鉆時(shí)與全烴用于試湊求解（部分參數(shù)見表1）；另一組為22個(gè)，各點(diǎn)的鉆時(shí)和全烴用于驗(yàn)證。調(diào)整a、b值，擬合出與微地震向量掃描監(jiān)測(cè)結(jié)果一致的Ktr模型。通過(guò)擬合得出a=0.7，b=0.2，Ktr的截取值為0.85。由于應(yīng)用Ktr法識(shí)別時(shí)，僅定性地判斷甜點(diǎn)段是否發(fā)育，對(duì)發(fā)育程度未進(jìn)行評(píng)價(jià)，即高于Ktr截取值的段都是甜點(diǎn)位置。但由于部分井段的鉆時(shí)和全烴異常倍數(shù)較高，部分少量位置會(huì)出現(xiàn)Ktr值大于1的情況，在應(yīng)用時(shí)直接將大于1的值取為最大值1，表示甜點(diǎn)段發(fā)育。

表1 部分標(biāo)記為甜點(diǎn)位置的錄井全烴和鉆時(shí)異常倍數(shù)Table 1 Anomaly multiples of total hydrocarbon and ROP of marked sweet spot intervals

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

S-13H井于2019年4月完鉆，完鉆后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將1154m長(zhǎng)的水平段設(shè)計(jì)成間隔120m左右的10段，并下入井下壓裂工具。在壓裂前采用Ktr計(jì)算公式識(shí)別出水平段的甜點(diǎn)分布情況，其主要的甜點(diǎn)位置分布在第6段、第7段、第10段（圖7）。由于區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷了4期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，天然裂縫較為發(fā)育，在部分較薄的泥巖段也發(fā)育裂縫[24]，因此在該井的第10段錄井全烴表現(xiàn)出異常響應(yīng)特征。在這些段適當(dāng)增加壓裂規(guī)模，加砂量由設(shè)計(jì)的40m3增加到55m3。該井在壓裂期間進(jìn)行井下微地震向量掃描監(jiān)測(cè)和示蹤劑監(jiān)測(cè)，從微地震向量掃描監(jiān)測(cè)結(jié)果看，在甜點(diǎn)段的微地震事件點(diǎn)明顯多于其他段，表明這些段形成了多條裂縫（圖8）。返排期間的示蹤劑顯示，前5段基本無(wú)產(chǎn)能貢獻(xiàn)，第6段、第7段、第10段的產(chǎn)能貢獻(xiàn)占90%左右（圖9），表明示蹤劑監(jiān)測(cè)和微地震向量掃描監(jiān)測(cè)的結(jié)果與甜點(diǎn)識(shí)別結(jié)論一致（施工曲線和裂縫監(jiān)測(cè)都反映出甜點(diǎn)段泥巖也能順利壓開，并對(duì)產(chǎn)能有較大貢獻(xiàn)）。

圖7 S-13H井測(cè)井解釋圖（黃色填充部分為甜點(diǎn)發(fā)育位置）Fig.7 Log interpretation result of Well S-13H (Yellow filling parts are the sweet spots)

圖8 S-13H井微地震向量掃描監(jiān)測(cè)圖Fig.8 Microseismic vector scanning monitoring of Well S-13H

圖9 S-13H井示蹤劑監(jiān)測(cè)圖Fig.9 Tracer monitoring diagram of Well S-13H

對(duì)區(qū)域內(nèi)其他5口水平井進(jìn)行壓裂甜點(diǎn)計(jì)算，結(jié)果表明Ktr模型識(shí)別出的甜點(diǎn)數(shù)量與壓裂井產(chǎn)能具有較高的相關(guān)性（圖10）。在S-11H井中盡管砂巖厚度大，但計(jì)算出的Ktr值表明水平段甜點(diǎn)不發(fā)育，壓裂后基本不產(chǎn)氣，與識(shí)別出的甜點(diǎn)段發(fā)育情況一致。S-5H井大部分位于泥巖段中，但由于在薄泥巖段中發(fā)育天然裂縫，應(yīng)用Ktr計(jì)算時(shí)也有準(zhǔn)確響應(yīng)，壓裂溝通了下部砂巖，產(chǎn)氣量高。因此應(yīng)用Ktr值識(shí)別出的甜點(diǎn)位置越多，壓裂后水平井產(chǎn)能越高，這為后期實(shí)施選擇性的分段壓裂工藝優(yōu)化提供了指導(dǎo)。對(duì)于壓裂甜點(diǎn)分布少的水平井，可以集中改造對(duì)應(yīng)的應(yīng)力薄弱段，從而減少無(wú)效壓裂段，降低施工費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)性；對(duì)于壓裂甜點(diǎn)分布密集的水平井，可以細(xì)分壓裂段數(shù)，增加壓裂改造體積，提高壓裂產(chǎn)能。

圖10 研究區(qū)5口水平井壓裂甜點(diǎn)位置分布圖Fig.10 Distribution of fracturing sweet spots in five horizontal Wells in the study area

4 結(jié)論

（1）壓裂井的微地震向量掃描監(jiān)測(cè)表明，部分水平井段容易形成多條裂縫，需要針對(duì)性增加壓裂規(guī)模，擴(kuò)大泄油面積，延緩產(chǎn)能遞減。

（2）通過(guò)關(guān)聯(lián)度分析，錄井的全烴和鉆時(shí)與水平段甜點(diǎn)位置的關(guān)聯(lián)度最高，應(yīng)用這兩個(gè)參數(shù)可以表征水平段甜點(diǎn)識(shí)別參數(shù)Ktr，并采用試湊法建立了計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)比甜點(diǎn)位置和非甜點(diǎn)位置，取Ktr截取值為0.85，即高于0.85表示甜點(diǎn)發(fā)育，值越大表示甜點(diǎn)發(fā)育程度越高。

（3）對(duì)多口井的水平段甜點(diǎn)識(shí)別表明，甜點(diǎn)段為主要的產(chǎn)能貢獻(xiàn)段，且甜點(diǎn)段越發(fā)育，壓裂產(chǎn)能越高。

（4）應(yīng)用識(shí)別的甜點(diǎn)進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)，可以針對(duì)性地改造甜點(diǎn)段，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高壓裂效果。