陳超峰,王 波,王 佳,許譯文,秦瑩民,李雪彬
(1.中國石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000)
準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷陸相頁巖油平均埋深3 570 m,分布面積1 278 km2,縱向發(fā)育蘆草溝組二段(上甜點(diǎn))和蘆草溝組一段(下甜點(diǎn))2 套相對集中的“甜點(diǎn)體”,分布廣且相對穩(wěn)定,儲量豐富[1-4]。不同于北美海相頁巖油,吉木薩爾頁巖油儲層地質(zhì)條件差,勘探開發(fā)可借鑒經(jīng)驗(yàn)少,前期直井不具備連續(xù)生產(chǎn)能力。近年來,通過不斷實(shí)踐—認(rèn)識—再實(shí)踐—再認(rèn)識,確定了水平井密切割體積壓裂投產(chǎn)方式,推動上甜點(diǎn)勘探開發(fā)的進(jìn)程[5-7];下甜點(diǎn)一類儲層借鑒上甜點(diǎn)改造技術(shù),取得了一定的開發(fā)效果。但下甜點(diǎn)二類儲層以粉砂質(zhì)頁巖和云質(zhì)泥巖為主,層狀交互,裂縫延展困難,壓裂加砂難度大;油層豐度低,物質(zhì)基礎(chǔ)薄弱;原油流度低,油流供給困難;頁巖薄互層發(fā)育,下甜點(diǎn)二類儲層薄且分散,制約人工裂縫縱向穿層,技術(shù)動用難度更大,亟需探索有效動用壓裂技術(shù)。
因此,筆者以吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)二類儲層為研究對象,開展了段簇優(yōu)化、穿層壓裂參數(shù)設(shè)計、裂縫有效支撐和加砂規(guī)模優(yōu)化等方面的研究,通過段簇優(yōu)化強(qiáng)化頁巖油儲層縫控程度,多井次直井現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了下甜點(diǎn)具備穿層壓裂的可行性,形成了穿層壓裂參數(shù)設(shè)計、中小粒徑支撐劑組合和高加砂強(qiáng)度等適用于下甜點(diǎn)二類儲層的穿層壓裂提產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù),在以下甜點(diǎn)二類儲層為目的層的水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),試驗(yàn)井年累計產(chǎn)油量達(dá)9 183 t,驗(yàn)證了采用壓裂水平井動用二類儲層的可行性,為陸相頁巖油藏有效開發(fā)提供了新的技術(shù)途徑。
吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)體位于蘆草溝組一段2 層組(P2l1
2)中上部,巖性主要為云質(zhì)粉砂巖,隔層主要為粉砂質(zhì)頁巖和云質(zhì)泥巖,油層和隔夾層呈高頻互層,單個油層厚度較薄,一般小于2.00 m。下甜點(diǎn)二類儲層微納米孔喉發(fā)育,天然裂縫欠發(fā)育,孔隙度8.9%~11.5%,氣測滲透率小于0.05 mD,地層原油黏度2 mPa·s。最小水平主應(yīng)力約80 MPa,兩向應(yīng)力差約14 MPa,泊松比0.27,脆性指數(shù)0.45,形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度較大。
吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)前期壓裂改造技術(shù)思路局限于分段改造和造長縫提產(chǎn),忽視了裂縫縱向上多個儲層的有效溝通。壓裂方式以裸眼分壓、中高排量、凍膠壓裂為主;單井9~16 段,單段單縫,段間距75~109 m,施工排量6.0~9.0 m3/min,單井壓裂液用量約10 000 m3,加砂量約1 000 m3,加砂強(qiáng)度0.6~1.1 m3/m。前期水平井長期低產(chǎn),先期試驗(yàn)井生產(chǎn)1 668 d,累計產(chǎn)油量8 890.2 t,日均產(chǎn)油量僅5.3 t。
分析前期改造效果認(rèn)為,吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)水平井壓裂存在以下技術(shù)難點(diǎn):1)頁巖油儲層原油流度極低,常規(guī)分段壓裂方式存在未動用區(qū),造成改造不充分;2)儲層頁巖、泥巖薄互層發(fā)育,裂縫擴(kuò)展易發(fā)生轉(zhuǎn)折,穿層及有效鋪置難度大,制約多薄油層有效動用;3)改造強(qiáng)度及加砂強(qiáng)度不足、細(xì)微層理縫支撐不夠,導(dǎo)致長期生產(chǎn)供給不足。
為探索動用吉木薩爾頁巖油二類甜點(diǎn)區(qū)的可行性,開展了水平井密切割結(jié)合穿層體積壓裂技術(shù)研究,以提高水平井縫控程度及單井產(chǎn)量。
水平井密切割縫控壓裂技術(shù)通過段內(nèi)多簇壓裂密集布縫,由段長75~109 m、單段1 條縫優(yōu)化為段長22~44 m、單段2~3 簇,簇間距優(yōu)化至15 m 內(nèi),裂縫密度增加4~5 倍,增大井筒與儲層的溝通;排量由6.0~9.0 m3/min 提高到12.0~14.0 m3/min,大幅提高布縫密集度和縫內(nèi)凈壓力,增大縫間干擾及裂縫擴(kuò)展距離,結(jié)合逆混合壓裂工藝實(shí)現(xiàn)縱向穿層的目的;采用高強(qiáng)度、中小粒徑多尺度支撐劑實(shí)現(xiàn)裂縫的有效支撐,加砂強(qiáng)度由1.0 m3/m 提高到2.0 m3/m以上,以提高薄互層有效縫高和有效縫長。
針對吉木薩爾頁巖油二類儲層提產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn),開展了地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)研究,主要包括提高油層鉆遇率、段簇組合優(yōu)化和穿層壓裂工藝參數(shù)及規(guī)模優(yōu)化等。
2.2.1 提高薄油層鉆遇率
吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)總厚度大,但多薄層發(fā)育,且二類儲層勘探階段的資料少,區(qū)域無控制井,存在油層鉆遇率低的風(fēng)險。前期水平井試產(chǎn)結(jié)果表明,水平井油層鉆遇率越高,累計產(chǎn)油量越高。為保證優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率,將地質(zhì)與工程相結(jié)合,優(yōu)化井眼軌道設(shè)計,加強(qiáng)井眼軌跡精細(xì)控制,采用旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向及薄砂層探邊工藝,配合隨鉆碳酸鹽分析、巖屑礦物分析等手段,提高優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率[8-9]。
2.2.2 密切割段簇間距優(yōu)化
吉木薩爾頁巖油的流度極低,且難以形成復(fù)雜縫網(wǎng),改造思路為以密集切割方式實(shí)現(xiàn)儲層體積壓裂改造[10-11]。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,簇間距小于20 m時,有效動用體積明顯增大,產(chǎn)量趨于平緩(見圖1和圖2)。結(jié)合不同儲層條件下多簇裂縫開啟程度進(jìn)行個性化設(shè)計,儲層物性、含油性及可壓性較好的段,采用1 段3 簇11 m 簇間距;儲層物性、含油性及可壓性中等的段,采用1 段3 簇15 m 簇間距,增大優(yōu)質(zhì)儲層接觸率;泥質(zhì)含量高難壓開段采用1 段2 簇,保證裂縫正常開啟、溝通上下油層,提高油氣產(chǎn)量。
圖1 不同簇間距的壓力波及范圍模擬結(jié)果Fig.1 Simulation results of pressure sweep range with different inter-cluster spacing
圖2 不同簇間距下第1 年累計產(chǎn)油量預(yù)測結(jié)果Fig.2 Forecast of annual cumulative oil production with different inter-cluster spacing
2.2.3 穿層壓裂技術(shù)
針對動用吉木薩爾頁巖油多薄層的需求,為探索合適的穿層壓裂技術(shù),開展了封隔器測試驗(yàn)竄現(xiàn)場試驗(yàn),以確定穿層主控因素,驗(yàn)證穿層的可行性,并優(yōu)選穿層壓裂參數(shù)。
1)常規(guī)壓裂及封隔器測試驗(yàn)竄試驗(yàn)。試驗(yàn)井JA2 是一口直井,采用射孔橋塞作業(yè)方式進(jìn)行套管2 層分壓合試,2 層間應(yīng)力差10 MPa、應(yīng)力隔層厚1.00 m。第1 層壓裂井段2 773.50~2 776.50 m,施工排量4.5 m3/min,滑溜水和凍膠壓裂液用量734.0 m3,其中凍膠壓裂液679.0 m3,加陶粒57.0 m3;第2 層壓裂井段2 762.00~2 768.00 m,施工排量5.5 m3/min,滑溜水和凍膠壓裂液用量713.5 m3,其中凍膠壓裂液426.0 m3,加陶粒34.0 m3。壓裂后采用φ3.0 mm油嘴合試,日產(chǎn)油13.9 m3。
為驗(yàn)證2 個壓裂層縱向上的連通性,下入地層測試器和RTTS 封隔器,封隔器坐封井深2 770.28 m,將2 762.00~2 768.00 m 井段與2 773.50~2 776.50 m井段分隔開,進(jìn)行測試驗(yàn)竄作業(yè)。測試驗(yàn)竄分3 個階段進(jìn)行,結(jié)果見表1。
表1 JA2 井測試驗(yàn)竄施工參數(shù)Table 1 Construction parameters of the channeling test in Well JA2
第1 階段,打開地層測試器,針對2 773.50~2 776.50 m 井段求產(chǎn),通過套管關(guān)井和油管抽汲求產(chǎn)判斷2 壓裂層段的連通性,油管抽汲深度1 560.00 m,關(guān)井套管壓力為3.0 MPa,壓力測試結(jié)果顯示2 層之間最大壓差達(dá)16.44 MPa,沒有出現(xiàn)層間竄通的現(xiàn)象。第2 階段,針對2 762.00~2 768.00 m井段求產(chǎn),通過套管求產(chǎn)和油管液面判斷2 個層段的連通性,套管日產(chǎn)油量12.49 m3,油管液面位于井深1 330.00 m,沒有出現(xiàn)層間竄通的現(xiàn)象。第3 階段,對2 762.00~2 768.00 m 井段從井口套管加壓10 MPa,通過套管加壓和油管液面判斷2 個層段的連通性,油管液面位于井深1 330.00 m,沒有出現(xiàn)層間竄通的現(xiàn)象。綜合分析認(rèn)為,2 773.50~2 776.50 m井段與2 762.00~2 768.00 m 井段不連通,壓裂未溝通上下兩層。
封隔器測試驗(yàn)竄結(jié)果表明,排量5.5 m3/min +凍膠426.0 m3或排量4.5 m3/min +凍膠679.0 m3常規(guī)壓裂方式難以穿層。分析認(rèn)為,裂縫易沿層理等發(fā)生轉(zhuǎn)折,當(dāng)縱向存在高強(qiáng)度隔層時,縱向穿層難度大。
2)甜點(diǎn)穿層壓裂工藝及參數(shù)優(yōu)化。針對二類儲層多薄層發(fā)育的特征及前期工藝穿層不足的難題,開展人工裂縫穿層現(xiàn)場試驗(yàn),驗(yàn)證套管大排量+高強(qiáng)度改造穿層的可行性。在下甜點(diǎn)二類儲層部署3 口勘探直井,通過設(shè)計不同施工排量、液體用量等壓裂施工參數(shù),結(jié)合陣列聲波測井技術(shù)評價壓后效果,驗(yàn)證下甜點(diǎn)裂縫穿層的可行性,為水平井穿層壓裂提供依據(jù)?,F(xiàn)場試驗(yàn)表明:隔層越厚、隔層應(yīng)力差越大,穿層難度越大;排量越高、凍膠用量越多,縫高越高;套管大排量+高強(qiáng)度壓裂使裂縫具備穿層可行性;排量≥10.0 m3、凍膠≥590.0 m3時,具備穿透層應(yīng)力差≤8.0 MPa、厚度≤2.0 m 隔層的能力(見表2)。例如,JB1 井射孔井段為3 498.00~3 502.00 m,施工排量為10.0 m3/min,采用高黏凍膠開啟裂縫,壓裂液總用量915 m3,凍膠比65%,總加砂量60.0 m3。該井陣列聲波測井顯示,壓裂井段裸眼時和射孔后的各向異性基本一致,壓后各向異性增強(qiáng),裂縫向上延伸至井深3 467.00 m,向下延伸至井深3 510.00 m,人工裂縫高度為43.00 m(見表2),貫穿多套儲層,充分表明人工裂縫可在縱向上溝通不同儲層,實(shí)現(xiàn)穿層壓裂。
表2 試驗(yàn)井施工參數(shù)及陣列聲波測井解釋結(jié)果Table 2 Construction parameters of the test wells and interpretation results of array acoustic logging
2.2.4 分段完井工藝優(yōu)化
目前,國內(nèi)外致密油、頁巖油氣等儲層完井時主要采用固井橋塞分段多簇壓裂完井工藝,該工藝施工效率高,縫控程度高[12]。吉木薩爾頁巖油前期采用裸眼封隔器投球滑套分壓工藝,微地震監(jiān)測結(jié)果表明裂縫復(fù)雜程度較低、水平段改造不充分,儲層動用程度不均衡,不能滿足密切割體積壓裂需求。因此,將下甜點(diǎn)二類儲層試驗(yàn)井分段完井工藝優(yōu)化為固井橋塞射孔聯(lián)作工藝,以實(shí)現(xiàn)段內(nèi)多簇射孔壓裂,并在增大縫控體積的同時,大幅提高施工排量,將排量提高到12.0 m3/min 以上,增大縫內(nèi)凈壓力,保證裂縫縫高及縫長充分?jǐn)U展。
2.2.5 規(guī)模優(yōu)化
頁巖油下甜點(diǎn)氣測滲透率小于0.05 mD,啟動壓力高[13-16],生產(chǎn)效果依賴人工支撐裂縫系統(tǒng),適當(dāng)提高加砂強(qiáng)度有利于裂縫的支撐,擴(kuò)大有效改造體積。分析前期頁巖油上甜點(diǎn)及下甜點(diǎn)有利區(qū)11 口井壓后的生產(chǎn)效果,發(fā)現(xiàn)加砂量與累計產(chǎn)油量具有較好的相關(guān)性,表明提高加砂強(qiáng)度有助于提高單井產(chǎn)量(見圖3)。但加砂強(qiáng)度達(dá)到1.5 m3/m 后,日產(chǎn)油量遞減較快,先導(dǎo)試驗(yàn)井生產(chǎn)1 年后,產(chǎn)油量由67.9 t/d 降至不到15.0 t/d,穩(wěn)產(chǎn)難度大。下甜點(diǎn)二類儲層薄層發(fā)育,縱向穿層有效支撐的需求更強(qiáng),加砂強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到2.5 m3/m 以上。
圖3 加砂強(qiáng)度對累計產(chǎn)油量的影響Fig.3 Influence of sand addition on cumulative oil production
2.2.6 多尺度支撐劑組合優(yōu)化
吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)二類儲層閉合應(yīng)力達(dá)80 MPa,考慮井底流壓的影響,作用在支撐劑上的應(yīng)力約60~68 MPa,據(jù)此優(yōu)選承壓為69 MPa 的陶粒作支撐劑,以保證裂縫有足夠的導(dǎo)流能力[17-18]。
頁巖儲層裂縫欠發(fā)育或不發(fā)育,但微層理發(fā)育,設(shè)計采用按不同裂縫尺度匹配支撐劑粒徑、并增加小粒徑支撐劑用量的加砂壓裂技術(shù)。采用70/140 目粉陶支撐微層理縫及轉(zhuǎn)折縫,采用40/70 目陶粒支撐次級縫,采用30/50 目陶粒支撐主裂縫,70/140 目+40/70 目陶粒與30/50 目陶粒之比約為1.0∶1.7,以形成多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)。前置液階段采用凍膠段塞式加砂(加10~14 個段塞,約為支撐劑體積25%~30%),以提高支撐縫長及多尺度裂縫支撐效果。
為分析有效動用二類儲層的可行性,部署了水平井JHWA1 井,并開展了先導(dǎo)試驗(yàn)。該井靶窗高2.00 m,目標(biāo)油層上方約9.00 m 另有一套薄油層,中間隔層厚度1.00 m、隔層應(yīng)力差5.6 MPa。水平段鉆進(jìn)中觸頂一次,觸底一次,觸底后在井深4 925.00 m 鉆遇斷層出層,出層段長度195.00 m。經(jīng)過地質(zhì)工程一體化分析后,調(diào)整井眼軌跡重新進(jìn)入目的層,完鉆井深5 245.00 m,垂深4 154.00 m,水平段長1 013.00 m,下入φ127.0 mm套管固井,Ⅰ類儲層鉆遇率23.8%,Ⅱ類儲層鉆遇率58.5%,儲層鉆遇率達(dá)到82.3%。
設(shè)計采用密切割穿層體積壓裂技術(shù)進(jìn)行改造提產(chǎn)試驗(yàn),具體施工方案設(shè)計如下:1)為保證高強(qiáng)度體積改造需求,采用Wellcat 軟件計算出施工壓力不超過95 MPa,可以保證套管的安全;2)密切割儲層提高縫控程度,采用橋塞段內(nèi)多簇壓裂工藝,全井共分為28 段74 簇,簇間距5.00~23.00 m,平均13.60 m;3)強(qiáng)化穿層支撐效果,儲層段采用排量12.0~14.0 m3/min、單段射開3 簇,采取限壓不限排量和逆混合泵注等措施,出層泥巖段(第5 級~第10 級)采用排量12.0 m3/min、1 段2 簇、全程凍膠壓裂,實(shí)現(xiàn)裂縫穿2~3 個優(yōu)質(zhì)儲層;4)支撐多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò),支撐劑設(shè)計采用70/140 目、40/70 目和30/50 目中小粒徑陶粒,將加砂強(qiáng)度提至2.78 m3/m。
現(xiàn)場施工時采用限壓不限排量措施,1~28 段泵壓為82~92 MPa,正常施工排量10.5~12.8 m3/min(見圖4),入井液量48 000 m3,凍膠占56%,入井砂量2 650.6 m3。除了第5 級施工超壓未完成加砂外,其余各段采用凍膠、酸浸、增加射孔方式完成設(shè)計加砂,全井加砂成功率達(dá)到97.4%。
圖4 JHWA1 井壓裂施工曲線Fig.4 Fracturing curve of Well JHWA1
JHWA1 井施工難度大,施工最高壓力由前期的75 MPa 提至95 MPa,限壓不限排量施工,安全施工窗口最窄僅3.0 MPa,現(xiàn)場施工排量由前期的6.0~9.0 m3/min 提到12.0 m3/min 以上,保證了裂縫開啟及延伸效果;增強(qiáng)改造強(qiáng)度及支撐強(qiáng)度,入井液強(qiáng)度47.1 m3/m、加砂強(qiáng)度2.71 m3/m,分別為前期的3.6 倍和2.7 倍,確保了多尺度縫網(wǎng)支撐效果。除第5 級未完成加砂外,其余各級均按設(shè)計完成壓裂施工,裂縫密度較前期提高4.5 倍,大幅提高了縫控程度。
試驗(yàn)井壓裂后,用φ5.0 mm 油嘴生產(chǎn),日產(chǎn)油量最高77.2 t,年累計產(chǎn)油量9 183 t,日均產(chǎn)油量25.1 t,較前期下甜點(diǎn)試驗(yàn)井平均提高3 倍;目前用φ3.0 mm油嘴生產(chǎn),油壓4.0 MPa,日產(chǎn)油量20.8 t。
1)針對吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)二類儲層水平井提產(chǎn)技術(shù)難題,開展了提高儲層鉆遇率、密切割提高縫控體積、穿層壓裂、中小粒徑支撐劑組合和高強(qiáng)度加砂等關(guān)鍵技術(shù)研究,形成了吉木薩爾頁巖油下甜點(diǎn)二類儲層水平井提產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)。
2)直井試驗(yàn)驗(yàn)證了下甜點(diǎn)具備縱向穿層的可行性,通過提高施工排量、液體黏度和加砂強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù),可有效提高下甜點(diǎn)的裂縫穿層效果。
3)水平井試驗(yàn)結(jié)果表明,水平井密切割穿層體積壓裂技術(shù)能夠解決動用下甜點(diǎn)二類儲層的技術(shù)難題,可為頁巖油藏的開發(fā)提供技術(shù)支撐。
4)下甜點(diǎn)二類儲層試驗(yàn)井提產(chǎn)成功,豐富了有效動用頁巖油儲層的認(rèn)識,但仍需探索經(jīng)濟(jì)性開采技術(shù),建議研究經(jīng)濟(jì)合理的開采工藝及參數(shù)。