吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”低成本技術(shù)

夏 赟，張麗萍，褚浩元，李佳琦，馬少云

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

隨著體積壓裂開(kāi)發(fā)技術(shù)逐步成熟，頁(yè)巖油氣資源受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，已成為重要的油氣接替資源之一[1-2]。北美地區(qū)頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)起步早、工藝較為成熟，目前已形成了超長(zhǎng)水平段長(zhǎng)、小井距、單段多簇的密集切割工藝體系[3-4]。借鑒北美頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油在勘探和開(kāi)發(fā)方面取得重要進(jìn)展。相比北美頁(yè)巖油，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油工程“甜點(diǎn)”和地質(zhì)“甜點(diǎn)”屬性較差。地質(zhì)方面沉積相變化快，巖性多樣復(fù)雜，平面和縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)層發(fā)育層理和薄夾層[5-6]；工程方面由于埋藏較深，兩向水平應(yīng)力差大，巖石塑性指數(shù)高、閉合應(yīng)力大，導(dǎo)致裂縫啟裂與延伸難度大，裂縫的導(dǎo)流能力遞減也快。因此，完全套用北美的開(kāi)發(fā)方式不能取得較好的開(kāi)發(fā)效果[7-9]。

吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組發(fā)育頁(yè)巖油，根據(jù)儲(chǔ)層發(fā)育情況和含油性分為上（P2l22）、下（P2l12）兩套“甜點(diǎn)”體，單油層厚度薄，累積厚度大?！吧咸瘘c(diǎn)”體儲(chǔ)層巖性主要為砂屑云巖、巖屑長(zhǎng)石粉細(xì)砂巖、云屑砂巖，“下甜點(diǎn)”主要為云質(zhì)砂巖?？紫额?lèi)型均以溶孔、粒內(nèi)溶孔為主，孔隙結(jié)構(gòu)變化較大，以細(xì)小孔喉為主，孔隙度普遍小于15 %，滲透率普遍小于0.1×10-3μm2，儲(chǔ)層較為致密，體積壓裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的有效手段。經(jīng)過(guò)發(fā)現(xiàn)、試驗(yàn)和突破階段，2018年以來(lái)通過(guò)優(yōu)化和總結(jié)已基本定型水平井+細(xì)分切割體積壓裂的開(kāi)發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)了“上甜點(diǎn)”產(chǎn)量突破，進(jìn)入規(guī)模化開(kāi)發(fā)階段。2019年“下甜點(diǎn)”部署10口水平井，基于“上甜點(diǎn)”開(kāi)發(fā)模式，生產(chǎn)效果取得了顯著突破，7口井峰值日產(chǎn)油突破50 t，半年期平均日產(chǎn)油15～45 t。

2020年在市場(chǎng)波動(dòng)的壓力下，急需工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)保產(chǎn)降本。壓裂成本構(gòu)成占比最大的3 項(xiàng)分別為支撐劑、液體以及橋塞射孔?；趬毫殉杀緲?gòu)成針對(duì)性的優(yōu)化工藝，在“下甜點(diǎn)”開(kāi)展暫堵壓裂、全滑溜水加砂以及石英砂替代的低成本壓裂工藝。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示：壓裂成本降低30%以上，施工效率提高近50%；試驗(yàn)井初期產(chǎn)量與2019年工藝井相比有所增長(zhǎng)，試油日產(chǎn)量連續(xù)4 d 超百?lài)?，?shí)現(xiàn)了“下甜點(diǎn)”產(chǎn)量突破。因此，針對(duì)吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”低成本壓裂工藝進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)工藝成果，為頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”后續(xù)開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 低成本改造關(guān)鍵技術(shù)

1.1 段簇優(yōu)化技術(shù)

吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”天然裂縫不發(fā)育（直井裂縫密度小于0.5 條/m），水平兩向應(yīng)力差為4～12 MPa，綜合脆度為31.9%～49.9%，形成復(fù)雜縫難度較大，產(chǎn)量貢獻(xiàn)主要依靠水力裂縫和少量的誘導(dǎo)裂縫，采用密切割儲(chǔ)層的改造理念，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層動(dòng)用體積最大化。

密切割的裂縫密度（簇間距）對(duì)改造效果有重要影響[10-11]。一定長(zhǎng)度的水平井，產(chǎn)量隨著裂縫條數(shù)的增多而增加，但隨著裂縫條數(shù)的增多，受應(yīng)力陰影的影響，縫間的相互干擾加劇，從而影響每條裂縫的產(chǎn)量[12-13]。因此，對(duì)于一定物性條件的儲(chǔ)層存在一個(gè)最優(yōu)的裂縫條數(shù)與之適應(yīng)。應(yīng)用數(shù)值模擬，對(duì)比頁(yè)巖油不同簇間距條件下裂縫形態(tài)（圖1），結(jié)果顯示當(dāng)簇間距在10～15 m 時(shí)，縫控體積較大且能夠避免較大應(yīng)力干擾產(chǎn)生的裂縫遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)向重合現(xiàn)象。

圖1 不同簇間距裂縫擴(kuò)展形態(tài)對(duì)比Fig.1 Comparison of fractures with different cluster spacing

采用井下微地震監(jiān)測(cè)[14]顯示（圖2），10～15 m簇間距可實(shí)現(xiàn)密切割，裂縫圍繞射孔位置啟裂，微地震事件頻發(fā)，響應(yīng)位置集中，儲(chǔ)層動(dòng)用體積較大。

圖2 近井筒區(qū)域微地震事件密度Fig.2 Density of micro seismic events near wellbore

在保持簇間距固定基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)低成本高效開(kāi)發(fā)，對(duì)段簇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由原工藝單段3 簇（段長(zhǎng)45 m）優(yōu)化為單段6 簇（段長(zhǎng)75 m），為實(shí)現(xiàn)段簇增加條件下裂縫均勻啟裂，配合段內(nèi)暫堵[15-16]和極限限流工藝[17-18]。暫堵后壓力明顯上升，通過(guò)暫堵前后微地震響應(yīng)事件數(shù)對(duì)比可說(shuō)明暫堵能夠?qū)崿F(xiàn)新縫開(kāi)啟（圖3）。

圖3 暫堵前后微地震事件響應(yīng)點(diǎn)Fig.3 Comparison of micro seismic events before and after temporary blockage

應(yīng)用密切割和暫堵的段簇優(yōu)化工藝減少50%的橋塞射孔作業(yè)次數(shù)，作業(yè)效率提高，壓裂費(fèi)用大幅降低，工藝優(yōu)化后較常規(guī)分段單井可節(jié)約壓裂費(fèi)用約10%。

1.2 全滑溜水加砂

低黏壓裂液穿透能力和溝通細(xì)小裂縫能力較強(qiáng)，而高黏壓裂液由于黏滯力作用能夠開(kāi)啟主裂縫[19]。因此，充分利用不同性質(zhì)壓裂液的優(yōu)點(diǎn)，采用高黏壓裂液起裂，低黏壓裂液加砂的泵注工藝。

吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”埋藏較深，砂堵風(fēng)險(xiǎn)高，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)全滑溜水加砂，需降低井筒沉砂、保證窄縫條件下支撐劑有效鋪置?；贔luent（流體仿真軟件）的模擬結(jié)果可知，在砂比相同情況下，提高排量可減少井筒沉砂，保證井筒攜砂效果。通過(guò)水平井筒底部支撐劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)比可看出，增加排量沉砂明顯降低（圖4）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究不同砂比對(duì)支撐劑鋪置的影響[20-21]，適當(dāng)增加砂比、排量可使支撐劑鋪置效果變好；但當(dāng)砂比較大時(shí)，砂堤平衡高度較高，易發(fā)生砂堵。通過(guò)數(shù)值模擬研究，當(dāng)砂比為15%時(shí)，支撐劑鋪置效果較好且不易發(fā)生砂堵。J1井實(shí)際施工過(guò)程中，砂比控制在20%以下，平均砂比為15%，排量穩(wěn)定在14 m3/min，施工壓力較為平穩(wěn)，保持在60～70 MPa（圖5），成功實(shí)現(xiàn)“下甜點(diǎn)”全滑溜水加砂。液體成本約占總成本的20%，占比較大，通過(guò)實(shí)現(xiàn)全滑溜水加砂工藝，可大幅降低壓裂液成本，較原工藝可節(jié)約壓裂費(fèi)用約10%。

圖4 不同排量、砂比條件下沿水平井支撐劑體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Volume fraction of proppant along horizontal wells under different displacements and sand ratios

圖5 J1井全滑溜水加砂施工曲線(xiàn)Fig.5 Fracturing construction curve of all-slip water in Well-J1

1.3 石英砂替代陶粒

陶粒作為支撐劑，用量大，價(jià)格昂貴，單井開(kāi)發(fā)成本高，嚴(yán)重制約著頁(yè)巖油的效益規(guī)模開(kāi)發(fā)；而石英砂成本較低，具有較高的性?xún)r(jià)比，能滿(mǎn)足頁(yè)巖油提質(zhì)降本的客觀(guān)需求[22-23]。

石英砂替換陶粒需滿(mǎn)足相當(dāng)?shù)膶?dǎo)流能力，通過(guò)導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，明確30/50目石英砂和陶粒在不同鋪砂濃度（質(zhì)量濃度）下導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力下的變化規(guī)律（圖6），從圖中可看出，相同鋪砂濃度下石英砂導(dǎo)流能力明顯低于陶粒，通過(guò)提高鋪砂濃度可以使石英砂保持與陶粒相同的導(dǎo)流能力?；谧畹蛯?dǎo)流能力需求及閉合應(yīng)力初步確定石英砂的量。裂縫導(dǎo)流能力必須與油藏供油能力匹配，MCGUIRE 等[24]明確了最大無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)下的最佳無(wú)因次導(dǎo)流能力。通過(guò)導(dǎo)流能力與產(chǎn)量對(duì)應(yīng)關(guān)系分析，當(dāng)導(dǎo)流能力達(dá)到15 D·cm時(shí)，產(chǎn)量增長(zhǎng)速度變緩，認(rèn)為該導(dǎo)流能力能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。通過(guò)圖6可以看出，當(dāng)閉合應(yīng)力小于40 MPa 時(shí)，石英砂和陶粒在5.0 kg/m2的鋪砂濃度下均能滿(mǎn)足導(dǎo)流能力需求；當(dāng)閉合應(yīng)力大于40 MPa 時(shí)，5.0 kg/m2鋪砂濃度的石英砂不能保證導(dǎo)流能力，需增加石英砂量滿(mǎn)足導(dǎo)流能力。陶粒單價(jià)為石英砂2.5 倍，且作為支撐劑成本占比最高，約為35%，因此，通過(guò)石英砂替代，可大幅節(jié)約壓裂費(fèi)用，下降幅度約15%～20%。

圖6 導(dǎo)流能力隨有效閉合應(yīng)力變化Fig.6 Variation of conductivity with effective closure stress

2 礦場(chǎng)應(yīng)用效果

2020年在相距600 m的J1井與J2井開(kāi)展工藝對(duì)比試驗(yàn)。J1井埋深3 524 m，水平段長(zhǎng)為1 610 m，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為69.5%，改造段長(zhǎng)1 200 m，平均孔隙度為11.6%，平均含油飽和度為64%。設(shè)計(jì)采用“單段6簇+暫堵”工藝，支撐劑為石英砂，部分段實(shí)現(xiàn)全滑溜水加砂，總共加砂2 321 m3，進(jìn)液30 035 m3，施工排量12～14 m3/min；鄰井J2井埋深3 535 m，水平段長(zhǎng)1 540 m，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為74.8%，改造段長(zhǎng)982 m，平均孔隙度為10.3%，平均含油飽和度為64%。單段3 簇，支撐劑為陶粒，滑溜水和凍膠逆混合加砂，總共加砂1 980 m3，進(jìn)液29 015 m3，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”試驗(yàn)井地質(zhì)和施工參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of geological and construction parameters for lower“sweet spot”test wells of Jimsar shale oil

通過(guò)施工情況來(lái)看，暫堵升壓效果明顯，暫堵段平均增壓7.8 MPa，初步分析配合暫堵可實(shí)現(xiàn)多簇裂縫開(kāi)啟。

J1井在5 mm 油嘴下最高日產(chǎn)油量達(dá)到110 t，而J2井在5 mm 油嘴下最高日產(chǎn)油量為75 t。排除改造段長(zhǎng)影響，吉木薩爾頁(yè)巖油J1井平均百米日產(chǎn)油量為3.8 t，J2井平均百米日產(chǎn)油量為3.3 t。

J1井初始?jí)毫?3 MPa，生產(chǎn)70 d 后，壓力為11.3 MPa，壓降速度0.146 MPa/d；J2井初始?jí)毫?8 MPa，生產(chǎn)70 d 后，壓力為12 MPa，壓降速度0.2 MPa/d。

試驗(yàn)井生產(chǎn)效果對(duì)比（圖7）表明，采用新的壓裂工藝在一定程度上表現(xiàn)出增產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。生產(chǎn)70 d累積產(chǎn)油量相對(duì)鄰井J2井提高了10%，且兩井壓力保持程度相當(dāng)，壓裂工程成本降低33%，實(shí)現(xiàn)了“下甜點(diǎn)”低成本開(kāi)發(fā)。

圖7 工藝試驗(yàn)井生產(chǎn)效果對(duì)比Fig.7 Comparison of production effect between test wells

3 結(jié)論與建議

為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，對(duì)段簇工藝、泵注及支撐劑進(jìn)行優(yōu)化，并開(kāi)展了相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯示工藝優(yōu)化后能夠保證產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較大幅度降本。

1）根據(jù)吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”難以形成復(fù)雜縫的特征，采用密集切割方式能夠?qū)崿F(xiàn)有效開(kāi)發(fā)。根據(jù)數(shù)值模擬研究，基于縫控儲(chǔ)量原則，簇間距優(yōu)化為10～15 m時(shí)，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

2）優(yōu)化排量和砂比可提升滑溜水?dāng)y砂能力，保障縫內(nèi)有效支撐?，F(xiàn)場(chǎng)施工曲線(xiàn)表明施工排量14 m3/min，平均砂比15%，施工平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)滑溜水連續(xù)加砂。

3）基于導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)及最低導(dǎo)流能力需求，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油儲(chǔ)層深部石英砂替代陶粒。當(dāng)閉合應(yīng)力小于40 MPa 時(shí)，可采用等量的石英砂保障導(dǎo)流能力需求。

4）J1井和J2井現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明：低成本工藝井產(chǎn)量與壓力在初期保持程度相當(dāng)，甚至具有一定優(yōu)勢(shì)，壓裂工程成本降低了33%。綜合分析采用“密切割，暫堵壓裂，石英砂替代，全滑溜水加砂”低成本工藝經(jīng)濟(jì)效益更好，在吉木薩爾頁(yè)巖油“下甜點(diǎn)”具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。