鄂爾多斯盆地頁巖油縫網(wǎng)波及研究及其在體積開發(fā)中的應(yīng)用

焦方正

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司，北京 100007)

中國(guó)頁巖油技術(shù)可采資源量可達(dá)145×108t，主要分布在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、渤海灣和松遼等大型盆地，開發(fā)潛力巨大[1]。水平井體積壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁巖油氣商業(yè)化開發(fā)[2-3]，2019年在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)了中國(guó)首個(gè)10億噸級(jí)頁巖油大油田——慶城油田[4-5]，并進(jìn)行了水平井體積壓裂規(guī)模開發(fā)試驗(yàn)[6-7]，建立了國(guó)家級(jí)頁巖油開發(fā)示范基地。

多年來，長(zhǎng)慶油田借鑒北美頁巖油開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，立足盆地頁巖油特征，攻關(guān)形成了長(zhǎng)水平井超前蓄能細(xì)分切割體積壓裂技術(shù)并大規(guī)模推廣應(yīng)用，有力助推了盆地頁巖油效益開發(fā)[8-15]，但頁巖層系人工縫網(wǎng)體積與單井產(chǎn)能的相關(guān)性不明確，針對(duì)縫網(wǎng)波及體積評(píng)價(jià)尚未形成成熟的定量表征方法。目前通過微地震監(jiān)測(cè)是獲取改造體積的主要手段[16-20]，而后期產(chǎn)能擬合證實(shí)微地震監(jiān)測(cè)事件覆蓋體積往往與實(shí)際的縫網(wǎng)波及體積差異較大，無法有效指導(dǎo)礦場(chǎng)實(shí)踐。以更高產(chǎn)能為目標(biāo)的壓裂工藝優(yōu)化亟需更準(zhǔn)確合理的縫網(wǎng)波及體積評(píng)價(jià)方法進(jìn)行有效支撐，開展縫網(wǎng)波及體積的評(píng)價(jià)與定量表征相關(guān)研究對(duì)頁巖油的開發(fā)意義重大。

縫網(wǎng)波及體積評(píng)價(jià)在水力壓裂領(lǐng)域一直被廣泛關(guān)注[21-23]，除微地震監(jiān)測(cè)方法，大量學(xué)者通過數(shù)值方法來模擬人工水力裂縫的形成過程，進(jìn)而計(jì)算縫網(wǎng)改造體積[24-28]。然而，裂縫在儲(chǔ)層中的擴(kuò)展形態(tài)受儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)、天然裂縫以及人工壓裂參數(shù)等多因素影響，機(jī)理十分復(fù)雜，且數(shù)值模擬假設(shè)條件較多，模擬結(jié)果需要用現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，同時(shí)缺乏壓后產(chǎn)能綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)用性受限。本文以鄂爾多斯盆地南部(鄂南)延長(zhǎng)組7油層組(長(zhǎng)7油層組)頁巖油西233區(qū)塊為研究對(duì)象，基于礦場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)和體積壓裂改造參數(shù)大數(shù)據(jù)，旨在綜合考慮地質(zhì)工程關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)能模擬方法，對(duì)微地震覆蓋體積進(jìn)行校正，建立更合理準(zhǔn)確的縫網(wǎng)波及體積定量表征經(jīng)驗(yàn)公式，為體積壓裂效果評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 鄂南長(zhǎng)7油層組頁巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征

鄂爾多斯盆地晚三疊世發(fā)育典型的大型內(nèi)陸拗陷型湖盆[29]，慶城油田位于盆地南部，主要含油層系為延長(zhǎng)組，自上而下劃分為長(zhǎng)1—長(zhǎng)10共10個(gè)油層組，長(zhǎng) 7油層組為最大湖泛期的一套廣覆式富有機(jī)質(zhì)泥頁巖與細(xì)粒砂質(zhì)沉積，自生自儲(chǔ)、源內(nèi)成藏，為典型的陸相頁巖油層。長(zhǎng)7油層組自上而下劃分為長(zhǎng)71、長(zhǎng)72和長(zhǎng)73共3個(gè)甜點(diǎn)段，主要以半深湖-深湖亞相沉積為主[4-5]。

盆地頁巖儲(chǔ)層埋深為1 600～2 200 m，基質(zhì)滲透率為(0.11～0.14)×10-3μm2，孔隙度為6%～12%，含油飽和度為67.7%～72.4%，壓力系數(shù)為0.77～0.84。通過對(duì)盆地360塊井下巖心的232組巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和80組地應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)得出，研究區(qū)塊頁巖油樣品脆性指數(shù)主要介于35.0%～45.0%，平均值為43.3%，水平應(yīng)力差主要介于4.0～6.0 MPa，平均值為5.1 MPa。對(duì)比北美二疊盆地和中國(guó)其他盆地的頁巖油特征[30-32]，鄂爾多斯盆地頁巖油具有巖石脆性指數(shù)低和水平應(yīng)力差相對(duì)較高的特點(diǎn)(表1)。

2 縫網(wǎng)波及體積模型的建立

2.1 定義及描述

通過將大規(guī)模壓裂液注入頁巖儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)水平井多段、多簇體積改造，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)是有效動(dòng)用頁巖油的關(guān)鍵技術(shù)。井下微地震是目前廣泛應(yīng)用于礦場(chǎng)的一項(xiàng)有效的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過對(duì)水壓裂過程中進(jìn)行微地震事件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲得微地震覆蓋體積(SRV，圖1藍(lán)色虛線區(qū)域所示)，而大量礦場(chǎng)統(tǒng)計(jì)與產(chǎn)能驗(yàn)證得出體積壓裂改造有效縫網(wǎng)區(qū)域與微地震覆蓋體積差異較大。因此，為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)體積壓裂改造效果與指導(dǎo)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文定義水平井體積壓裂形成的有效增產(chǎn)改造體積稱為縫網(wǎng)波及體積(FSV，圖1紅色虛線區(qū)域所示)，即在頁巖儲(chǔ)層建立有效的壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得頁巖油能夠被有效、經(jīng)濟(jì)動(dòng)用的縫網(wǎng)區(qū)域。

表1 鄂爾多斯盆地與國(guó)內(nèi)外其他盆地頁巖油特征參數(shù)對(duì)比Table 1 Characteristic parameter comparison of the shale oil from Ordos Basin and that from other basins home and abroad

2.2 縫網(wǎng)形態(tài)實(shí)驗(yàn)表征

水力裂縫形態(tài)的準(zhǔn)確表征是評(píng)價(jià)縫網(wǎng)復(fù)雜程度及改造效果的重要基礎(chǔ)，在充分認(rèn)識(shí)頁巖油巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步揭示長(zhǎng)慶油田頁巖油體積壓裂后的縫網(wǎng)形態(tài)，在中國(guó)率先開展真三軸大型水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)研究，將人工試件制成尺寸為300 mm×300 mm×300 mm樣品(圖2a)，模擬水力裂縫起裂與擴(kuò)展，獲取物模試件剖面，定性觀測(cè)水力裂縫形態(tài)剖面(圖2b)。同時(shí)采用聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水力裂縫實(shí)時(shí)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，獲取不同方位水力裂縫形態(tài)圖(圖3)。

以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，結(jié)合井下微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)λ骄w積壓裂后縫網(wǎng)形態(tài)、幾何尺寸及方位等參數(shù)進(jìn)行初步刻畫，為礦場(chǎng)體積壓裂效果評(píng)價(jià)和理論數(shù)值模擬提供重要依據(jù)。本文收集了慶城油田35口水平井366段體積壓裂單段和全井段微地震監(jiān)測(cè)事件的三維立體展布圖(圖4)。綜合室內(nèi)真三軸水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)及微地震監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)得出，研究區(qū)體積改造裂縫總體呈現(xiàn)以主裂縫為主、分支縫為輔的條帶狀縫網(wǎng)形態(tài)，形似“仙人掌”，其復(fù)雜程度由天然裂縫發(fā)育程度、巖石力學(xué)參數(shù)和體積改造參數(shù)等共同決定。

圖1 水平井體積壓裂微地震事件平面顯示Fig.1 Planar map showing microseismic events of volume fracturing in horizontal wells

2.3 縫網(wǎng)波及體積計(jì)算模型

灰色關(guān)聯(lián)分析法是灰色理論中的重要內(nèi)容，通過尋求系統(tǒng)中各因素的主次關(guān)系，確定影響各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和油田增產(chǎn)改造方面廣泛應(yīng)用[31]。本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合分析地質(zhì)工程參數(shù)與微地震覆蓋體積之間的相關(guān)性。首先基于大數(shù)據(jù)建立多因素評(píng)價(jià)矩陣，并對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化；其次通過計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度定量評(píng)價(jià)各因素對(duì)微地震覆蓋體積的影響程度，明確其主控因素及排序。

圖2 真三軸水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)人工試件(a)與水力裂縫剖面(b)Fig.2 Artificial specimen (a) and hydraulic fracture profile (b) in the model test of true triaxial hydraulic fracturing(圖2a中紅色數(shù)字為井筒模擬點(diǎn)編號(hào)；圖2b中紅色痕跡為水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)，黃色線為水力裂縫輪廓，呈橢圓形。)

圖3 真三軸水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射事件分布Fig.3 Acoustic emission event distribution of true triaxial hydraulic fracturing physical modeling experimenta.整體方位；b.前視圖；c.左視圖；d.俯視圖(圖中黑色虛線為水力裂縫形態(tài)，箭頭表示不同方位聲波事件分布。)

圖4 慶城油田長(zhǎng)7油層組頁巖油典型水平井體積壓裂微地震事件3D顯示圖Fig.4 3D display of microseismic events during volume fracturing of typical horizontal wells in Chang 7 Member shale oil，Qingcheng oilfield(圖中不同顏色的圓點(diǎn)表示不同壓裂段裂縫擴(kuò)展微地震事件點(diǎn)。)

前期研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)水平井鉆遇儲(chǔ)層的脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差相對(duì)集中，因此本文重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)層物性參數(shù)與壓裂工程參數(shù)對(duì)微地震覆蓋體積的影響，將計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)大于0.5的5項(xiàng)主控因素進(jìn)行排序?yàn)椋喝氲匾毫?、裂縫密度、排量、油層厚度和砂量(圖5)。

在微地震覆蓋體積影響因素綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)之上，利用多元線性回歸法進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行定量表征。首先利用層次分析法建立多層次評(píng)價(jià)體系，其中目標(biāo)層為微地震覆蓋體積(SRV)，子標(biāo)準(zhǔn)層為入地液量(VL)、裂縫密度(n)、排量(Q)、油層厚度(h)、砂量(VP)；其次根據(jù)各水平井壓裂段參數(shù)集，建立線性回歸矩陣；最后采用多元線性回歸方法綜合考慮地質(zhì)工程參數(shù)建立微地震覆蓋體積與各影響因素之間的計(jì)算模型。

運(yùn)用多元線性回歸方法，建立了研究區(qū)水平井單段微地震覆蓋體積與關(guān)鍵地質(zhì)工程參數(shù)耦合模型公式(1)，進(jìn)而得到單井壓裂微地震覆蓋體積公式(2)。

圖5 微地震覆蓋體積影響因素排序Fig.5 Sequence diagram of factors affecting microseismic coverage volume(藍(lán)色線以內(nèi)為非主控因素區(qū)域，紅色和藍(lán)色數(shù)字分別代表主控因素和非主控因素的灰色關(guān)聯(lián)度。)

式中：SRV為微地震覆蓋體積，104m3；VL為入地液量，m3；n為裂縫密度，簇/m；Q為排量，m3/min；VP為砂量，m3；h為油層厚度，m。

基于計(jì)算獲取的SRV，運(yùn)用油藏?cái)?shù)值模擬方法預(yù)測(cè)水平井累產(chǎn)油，與實(shí)際產(chǎn)能進(jìn)行標(biāo)定，建立FSV與SRV的相關(guān)性表達(dá)式。選取研究區(qū)生產(chǎn)滿1年的64口水平井，利用公式(2)計(jì)算單井SRV，對(duì)單井預(yù)測(cè)產(chǎn)量與實(shí)際第1年累產(chǎn)油量做差異系數(shù)區(qū)間概率分析(圖6a)，發(fā)現(xiàn)SRV與FSV差異系數(shù)主要集中在0.20，0.22和0.24，總概率約為80%。因此，利用3個(gè)差異系數(shù)的平均值0.22作為研究區(qū)SRV與FSV的校正系數(shù)，得到FSV定量表征公式如下：

FSV=0.22SRV

(3)

式中：FSV為縫網(wǎng)波及體積，104m3。

利用公式(3)計(jì)算的FSV進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示與實(shí)際累產(chǎn)油具有較高的擬合度(圖6b)，因此表明該公式能較精確地表征人工縫網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)層的有效波及程度。

同時(shí)，基于FSV公式，定義縫網(wǎng)波及系數(shù)為：

(4)

式中：Vr為油藏體積，m3；EFSV為縫網(wǎng)波及系數(shù)，%。

利用公式(1)—(3)計(jì)算48組壓裂水平井的FSV，建立單井第1年累產(chǎn)油與FSV的相關(guān)性圖版(圖7)。研究表明，單井第1年累產(chǎn)油與FSV具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78。同時(shí)，當(dāng)縫網(wǎng)波及體積超過一定值時(shí)也表現(xiàn)出累產(chǎn)油量增加幅度逐漸減小的趨勢(shì)，因此對(duì)于研究區(qū)水平井體積改造存在技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的FSV。

3 模型驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 礦場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用公式(1)計(jì)算研究區(qū)水平井101段的SRV，與實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，整體擬合程度較好(圖8)，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，表明該計(jì)算方法具有較高的精度和適用性，具備在礦場(chǎng)推廣應(yīng)用的價(jià)值。

3.2 典型平臺(tái)應(yīng)用

慶城油田在華H6平臺(tái)開展整體壓裂試驗(yàn)，平臺(tái)部署11口水平井，累計(jì)壓裂247段1 342簇，入地液量37.6×104m3、砂量3.9×104m3，平臺(tái)控制儲(chǔ)量166.9×104m3。單井第1年平均累產(chǎn)油達(dá)4 245 t，目前平臺(tái)已累產(chǎn)油5.2×104t，預(yù)測(cè)累產(chǎn)油16.5×104t。利用本文研究成果評(píng)價(jià)華H6平臺(tái)改造及開發(fā)效果(表2)，可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量吻合度較高，隨著縫網(wǎng)波及體積的增大，單井EUR(預(yù)估最大可采儲(chǔ)量)顯著提高(圖9)，但在后期增幅有放緩趨勢(shì)。該平臺(tái)縫網(wǎng)波及系數(shù)介于34.4%～65.8%，平均值為48.3%，說明縫網(wǎng)波及體積仍有進(jìn)一步擴(kuò)大的必要。

圖6 慶城油田頁巖油水平井年產(chǎn)油差異系數(shù)區(qū)間概率分布(a)與產(chǎn)量擬合圖(b)Fig.6 Interval probability distribution of annual oil production difference coefficient of horizontal wells (a) and production fitting diagram (b) for the shale oil in Qingcheng oilfield

圖7 慶城油田頁巖油水平井第1年累產(chǎn)油與縫網(wǎng)波及體積相關(guān)性Fig.7 Correlation diagram between accumulated oil production and FSV in horizontal wells for shale oil during the first year in Qingcheng oilfield

圖8 慶城油田頁巖油水平井單段縫網(wǎng)波及體積預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比Fig.8 Comparison between predicted value and actual value of single-sage FSV in horizontal wells for shale oil in Qingcheng oilfield

表2 慶城油田華H6平臺(tái)水平井壓裂參數(shù)及開發(fā)效果預(yù)測(cè)Table 2 Fracturing parameters and development effect prediction of horizontal wells on Hua H 6 pad,Qingcheng oilfield

圖9 慶城油田華H6平臺(tái)單井EUR與縫網(wǎng)波及體積相關(guān)性Fig.9 Correlation diagram of single well EUR and FSV on Hua H6 pad，Qingcheng oilfield

4 結(jié)論

1) 慶城油田頁巖油體積改造裂縫總體呈現(xiàn)以主裂縫為主、分支縫為輔的條帶狀縫網(wǎng)形態(tài)，形似“仙人掌”。影響水平井體積壓裂縫網(wǎng)波及體積主控因素依次為：入地液量、裂縫密度、排量、油層厚度和砂量。

2) 單井縫網(wǎng)波及體積與累產(chǎn)油具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78。當(dāng)縫網(wǎng)波及體積超過一定值時(shí)也表現(xiàn)出累產(chǎn)油量增加幅度逐漸減小的趨勢(shì)，存在技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的縫網(wǎng)波及體積。將研究成果應(yīng)用于慶城油田華H6典型平臺(tái)，對(duì)水平井進(jìn)行壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)，經(jīng)證實(shí)預(yù)測(cè)產(chǎn)能與實(shí)際產(chǎn)量吻合度較高，能夠?yàn)轫搸r油體積壓裂設(shè)計(jì)提供快捷有效的理論支撐。

3) 基于礦場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，應(yīng)用多元線性回歸方法建立了微地震覆蓋體積與關(guān)鍵地質(zhì)工程參數(shù)的擬合模型，并通過產(chǎn)能校正建立了縫網(wǎng)波及體積定量表征經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)礦場(chǎng)實(shí)際井驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是值得推廣的一種新方法。