長慶油田隴東地區(qū)頁巖油水平井細(xì)分切割壓裂技術(shù)

李杉杉，孫 虎，張 冕，池曉明，劉 歡

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶指揮部，陜西西安 710018）

長慶油田隴東地區(qū)長7 段頁巖油儲層埋深一般為1 600～2 200 m，滲透率0.07～0.22 mD，壓力系數(shù)0.77～0.85，脆性指數(shù) 0.34～0.45[1]。長7 段頁巖油藏與北美頁巖油藏具有相似性，但開發(fā)更具挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：沉積環(huán)境是湖相沉積，非均質(zhì)性更強，地層壓力系數(shù)低，脆性指數(shù)低，天然裂縫相對不發(fā)育。前期該頁巖油藏的水平井主體采用水力泵送橋塞分段體積壓裂工藝，初期單井日產(chǎn)油量 10 t 左右，未達(dá)到預(yù)期效果。分析認(rèn)為，水平井分段多簇壓裂改造過程中，受儲層物性、地應(yīng)力、各向異性及水力裂縫簇間干擾等因素影響[2-5]，各簇不能均勻開啟，簇間進(jìn)液不均，達(dá)不到均勻改造儲層的目的。因此，需要開展精細(xì)化分段壓裂技術(shù)研究，以實現(xiàn)精細(xì)分層、規(guī)?？煽兀瑥亩鉀Q水平井分段多簇壓裂部分射孔簇壓不開，或雖已壓開但并未建立起有效驅(qū)替壓差，導(dǎo)致有效期短、無法實現(xiàn)長期有效動用的問題。為此，長慶油田開展了單段單簇細(xì)分切割壓裂技術(shù)研究，形成了頁巖油水平井細(xì)分切割壓裂技術(shù)，實現(xiàn)了儲層均勻改造、縫控儲量的目的。目前，該技術(shù)已在隴東地區(qū)10 口頁巖油水平井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了顯著的增產(chǎn)效果。

1 單段單簇細(xì)分切割壓裂模擬研究

1.1 多簇壓裂和細(xì)分切割單段單簇壓裂模擬

利用軟件模擬分析了多簇壓裂和細(xì)分切割單段單簇壓裂時的裂縫擴(kuò)展情況，結(jié)果見圖1（縫高、縫長固定，縫寬變化）。

圖1 不同壓裂方式下的裂縫擴(kuò)展對比Fig.1 Comparison of fracture propagation under different fracturing modes

多簇壓裂方式下，2 簇壓開縫長260.00 m，縫高92.00 m；3 簇壓開縫長210.00 m，縫高67.00 m。模擬可知，并非所有簇都能均勻開啟，壓竄鄰井（井距400.00 m）的風(fēng)險很高，壓穿相鄰含水層的風(fēng)險也升高?，F(xiàn)場常出現(xiàn)某井壓裂造成鄰井含水率迅速升至100%的情況，證實了普遍存在壓竄。

細(xì)分切割單段單簇壓裂方式下，各裂縫長度為180.00 m，縫高52.00 m。模擬可知，該壓裂方式可以確保儲層各射孔位置均勻分布，能夠保證每段均勻開啟、充分改造，避免了壓竄鄰井的風(fēng)險。

1.2 多簇合壓和單簇單壓下的產(chǎn)量預(yù)測

模擬了長7 段頁巖油藏1 口頁巖油水平井在多簇合壓和單簇單壓下的裂縫形態(tài)，并采用軟件預(yù)測了2 種工藝下的采油指數(shù)、無阻流量（見表1）和產(chǎn)能（見圖2）。

表1 多簇合壓和單簇單壓下的采油指數(shù)和無阻流量Table 1 Productivity index and open flow capacity under multi-cluster fracturing and single-cluster fracturing

圖2 多簇合壓和單簇單壓下的產(chǎn)能預(yù)測曲線Fig.2 Productivity prediction curves under multi-cluster fracturing and single-cluster fracturing

由表1 和圖2 可知，單簇單壓下的采油指數(shù)和無阻流量明顯高于多簇合壓，且單簇單壓較多簇合壓的穩(wěn)產(chǎn)時間更長。

2 細(xì)分切割壓裂優(yōu)化設(shè)計

以實現(xiàn)“縫控儲量最大化”為原則，利用壓裂地質(zhì)一體化設(shè)計方法，進(jìn)行壓裂改造方案優(yōu)化，確定合理的儲層改造工藝參數(shù)。

2.1 壓裂段數(shù)優(yōu)化

以華HXX-X 井為例進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計。該井的基本參數(shù)：儲層有效厚度16.00 m，儲層壓力16 MPa，孔隙度10.1%，滲透率0.18 mD，含水飽和度40%，采用頁巖油水平井細(xì)分切割壓裂工藝，每段1 簇。

根據(jù)不同壓裂段數(shù)下壓裂后的累計產(chǎn)量、壓裂成本及壓裂凈現(xiàn)值模擬計算結(jié)果（見圖3），建議該井采用細(xì)分切割壓裂的最優(yōu)段數(shù)為38～42 段。

圖3 華HXX-X 井不同壓裂段數(shù)下壓后效果的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of fracturing effect under different fracturing sections of Well Hua HXX-X

2.2 射孔位置優(yōu)化

2.2.1 非均質(zhì)地質(zhì)模型的建立

以隴東地區(qū)華H34 平臺為例，根據(jù)測井解釋的水平段儲層物性參數(shù)，利用克里金空間插值方法，建立了華 H34 平臺的非均勻地質(zhì)模型[6]（見圖4）。

圖4 華H34 平臺的非均勻地質(zhì)模型Fig.4 Heterogeneous geological model of the Platform Hua H34

2.2.2 綜合甜點指數(shù)計算

首先，分別計算頁巖油儲層的工程甜點指數(shù)（可壓性）和地質(zhì)甜點指數(shù)（含油性）；然后，將二者結(jié)合得到綜合甜點指數(shù)[7-8]。其中，工程甜點指數(shù)由巖性和巖石力學(xué)參數(shù)2 部分構(gòu)成，巖性參數(shù)為脆性礦物含量與全巖礦物含量的比值，巖石力學(xué)參數(shù)為歸一化的彈性模量和泊松比的平均值；地質(zhì)甜點指數(shù)為歸一化的孔隙度、滲透率、含油飽和度及全烴值乘以權(quán)重系數(shù)之和；綜合甜點指數(shù)為工程甜點指數(shù)和地質(zhì)甜點指數(shù)乘以權(quán)重系數(shù)之和。

2.2.3 華H34 平臺綜合甜點分布

根據(jù)華H34 平臺各井的測井?dāng)?shù)據(jù)，計算得到了井筒綜合甜點指數(shù)，再利用空間插值獲得了區(qū)域甜點分布情況，如圖5 所示（圖例中的數(shù)據(jù)為該平臺綜合甜點指數(shù)）。

圖5 華H34 平臺綜合甜點分布Fig.5 Sweet spot distribution on the Platform Hua H34

2.2.4 射孔位置優(yōu)選

基于綜合甜點指數(shù)分布，設(shè)置最小縫間距，以壓裂射孔位置總甜點指數(shù)最高為目標(biāo)，避開套管接箍，優(yōu)選射孔位置，結(jié)果見表2。

表2 射孔位置優(yōu)選結(jié)果Table 2 Optimized perforating positions

由表2 可知，24 段平均段間距37.70 m，平均綜合甜點指數(shù)68.4%。

2.3 裂縫半長優(yōu)化

隴東地區(qū)頁巖油華H34 平臺平均井距308 m。在此條件下，模擬不同裂縫半長下的累計產(chǎn)油量，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，裂縫半長大于135 m 之后產(chǎn)油量增幅明顯減小。因此，將平均裂縫半長優(yōu)化為135 m。至于具體每一段的裂縫半長的設(shè)計值，可根據(jù)實際井距進(jìn)行調(diào)整。

圖6 不同裂縫半長下的累計產(chǎn)量Fig.6 Cumulative production with different half-lengths of fractures

3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

3.1 加砂量、砂比的優(yōu)化

采用壓裂地質(zhì)一體化軟件，模擬了相同液量、不同砂比（加砂量）下的裂縫參數(shù)及壓后的產(chǎn)量，結(jié)果見表3。模擬采用的基本參數(shù)：儲層壓力16 MPa，滲透率0.10 mD，含水飽和度45%，井距300 m，水平段長度1 750 m，儲層鉆遇率80%，壓裂43 段，前置液占比40%。

表3 相同液量、不同砂比（加砂量）下的裂縫參數(shù)及壓后的產(chǎn)量Table 3 Fracture parameters and post-fracturing production with the same fluid rates but different proppant concentration (sand content)

從表3 可以看出，砂比降低，裂縫導(dǎo)流能力下降，但導(dǎo)流能力對產(chǎn)量的影響較小，主要是因為基質(zhì)滲透率很低、壓裂段數(shù)很多，且產(chǎn)量不高，裂縫的導(dǎo)流能力能滿足生產(chǎn)；但砂比降低到一定程度后，支撐縫長明顯縮短，產(chǎn)量大幅度降低。經(jīng)過綜合對比確定最佳砂比為15%，每段最佳加砂量為55.7 m3。

3.2 壓裂支撐劑組合的優(yōu)化

模擬計算了40/70 目和20/40 目支撐劑（石英砂）以不同比例組合后的裂縫導(dǎo)流能力與壓后的產(chǎn)量，結(jié)果見表4。

表4 兩種粒徑支撐劑以不同比例組合后的裂縫導(dǎo)流能力與壓后產(chǎn)量Table 4 Fracture conductivity and post-fracturing production after the proppant with two particle sizes were combined in different proportions

由表4 可知，40/70 目和20/40 目支撐劑組合中，隨著40/70 目支撐劑所占比例增大，裂縫導(dǎo)流能力降低，壓后第1 年的產(chǎn)量雖然有所降低但降低幅度非常小，這主要是因為導(dǎo)流能力已經(jīng)可以滿足流體流動的需求。不過，小粒徑支撐劑沉降速度更小，液體能攜帶更遠(yuǎn)，支撐劑鋪置剖面更均勻，有利于形成更長的支撐裂縫[9-11]。因此，綜合考慮40/70 目與20/40 目支撐劑的最優(yōu)組合比例為2∶1。

3.3 施工排量的優(yōu)化

模擬計算了不同尺寸連續(xù)油管在不同排量下的環(huán)空流速，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)，參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油鉆采高壓管匯的使用、維護(hù)、維修與檢測》（SY/T 6 270—2012）高壓管匯液體流速不大于12.2 m/s的要求，并考慮連續(xù)油管在水平段會發(fā)生螺旋屈曲、增大沖蝕等情況，設(shè)計安全系數(shù)為1.20，將φ58.4 mm 連續(xù)油管最大施工排量優(yōu)化為5.6 m3/min。

表5 不同尺寸連續(xù)油管在不同排量下的環(huán)空流速Table 5 Annular flow velocity of coiled tubings in different sizes under different flow rates

4 現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖油水平井細(xì)分切割壓裂技術(shù)在長慶油田隴東地區(qū)10 口井的長7 段進(jìn)行了應(yīng)用，通過“精細(xì)分段、定點布縫”，達(dá)到了精準(zhǔn)壓裂、有效改造的效果，施工成功率100%，改造后增加了縫控儲量，提高了單井產(chǎn)量。

其中，XP237 井組投產(chǎn)時間最長，生產(chǎn)31 個月，應(yīng)用井XP237-72 井有效儲層長度和改造強度均比同平臺鄰井略低。但從XP237 平臺改造和投產(chǎn)數(shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)（見表6）及XP237 平臺產(chǎn)油量曲線（見圖7）可以看出：目前XP237-72 井日產(chǎn)油量14.4 t，比鄰井平均日產(chǎn)油量高15.6%；累計產(chǎn)油量17 633.6 t，比鄰井平均累計產(chǎn)油量高39.5%。而從XP237 平臺含水曲線（見圖8）可以看出，XP237-72 井的含水率明顯低于同平臺鄰井。

圖7 XP237 平臺各井的產(chǎn)油量曲線Fig.7 Oil production curves of the wells on the Platform XP237

圖8 XP237 平臺各井的含水率曲線Fig.8 Water cut curves of the wells on the Platform XP237

表6 XP237 平臺各井改造和投產(chǎn)數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison of stimulation and production data of the wells on the Platform XP237

5 結(jié)論

1）針對長慶油田隴東地區(qū)頁巖油儲層脆性指數(shù)低、天然裂縫不發(fā)育、不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，以及采用分段多簇體積壓裂時因受儲層物性、地應(yīng)力、各向異性及水力裂縫簇間干擾等因素影響導(dǎo)致簇間進(jìn)液不均、達(dá)不到儲層均勻改造目的的問題，研究了更具針對性的單段單簇細(xì)分切割壓裂技術(shù)。

2）利用壓裂優(yōu)化設(shè)計及監(jiān)測評價技術(shù)一體化平臺，建立了頁巖油水平井非均質(zhì)地質(zhì)模型；基于甜點空間分布優(yōu)化壓裂段數(shù)，形成了細(xì)分切割壓裂設(shè)計方法。同時，優(yōu)化了加砂量、砂比和排量等壓裂施工參數(shù)，實現(xiàn)了細(xì)分切割壓裂的充分改造。

3）長慶油田隴東地區(qū)頁巖油水平井細(xì)分切割壓裂技術(shù)已在現(xiàn)場應(yīng)用10 口井，采用“精細(xì)分段、定點布縫”壓裂設(shè)計，借助連續(xù)油管底封拖動壓裂工藝，對長7 段儲層進(jìn)行了充分改造，改造效果明顯優(yōu)于鄰井采用的常規(guī)壓裂技術(shù)。