海上頁巖油壓裂地質(zhì)優(yōu)選技術(shù)應(yīng)用研究

祝永甜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司油藏技術(shù)中心，廣東湛江 524057）

目前全球多個地區(qū)發(fā)現(xiàn)泥頁巖石油聚集，地質(zhì)資源總量約4 090×108t，顯示出良好的勘探前景[1]。美國通過頁巖油革命實(shí)現(xiàn)了能源自足，極大的鼓舞了全球頁巖油勘探的信心[2-3]?？傮w而言，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于頁巖油的研究主要集中在陸上盆地，對于海上盆地頁巖油研究相對較少。

南海北部灣盆地流二段發(fā)育豐富的頁巖油資源，潿西南凹陷頁巖油資源豐度高，可動用資源量合計(jì)8.19×108t[4]。潿西南凹陷鉆遇流沙港組油頁巖鉆探井64口，流二段下層序油頁巖單井平均厚度47 m，最大厚度可達(dá)112 m，潛力巨大。要實(shí)現(xiàn)頁巖油有效開發(fā)需滿足兩個方面的條件，首先尋找頁巖油的富集區(qū)，即頁巖油的地質(zhì)“甜點(diǎn)”；其次是確定能進(jìn)行有效壓裂的改造層段，即頁巖油的工程“甜點(diǎn)”。因此，頁巖油效益開發(fā)離不開地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”的預(yù)測。本文基于巖心觀察、測井曲線、錄井資料的方法準(zhǔn)確識別了地質(zhì)“甜點(diǎn)”，建立了海上頁巖油地質(zhì)“甜點(diǎn)”綜合評價(jià)方法。通過地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”綜合優(yōu)選技術(shù)，在海上各種條件受限的情況下，實(shí)現(xiàn)油頁巖有效改造，推進(jìn)我國海上首口頁巖油探井壓裂測試成功并獲商業(yè)油流，為增儲上產(chǎn)開辟了新的接替領(lǐng)域。

1 區(qū)域特征

北部灣盆地位于中國南海北部灣海域，是中國近海重要的富油盆地之一。該盆地為新生代陸內(nèi)裂谷盆地，處在華南板塊的西南邊緣，總面積約2.2×104km2，主要包括潿西南凹陷、烏石凹陷、邁陳凹陷、海中凹陷、福山凹陷等[5]。盆地經(jīng)歷了古新世—始新世裂陷階段、漸新世走滑弱伸展階段和新近紀(jì)裂后熱沉降階段。盆地沉積序列與構(gòu)造相對應(yīng)，分別沉積了古新世長流組、始新統(tǒng)流沙港組、漸新統(tǒng)潿洲組以及中新統(tǒng)下洋組、角層組、燈樓角組。

2 地質(zhì)油藏特征

本次壓裂目標(biāo)井XY-1 井位于北部灣盆地潿西南凹陷西區(qū)一號斷裂帶下降盤，該構(gòu)造整體是由北東、北西向斷層形成的大型斷塊圈閉群，包括東、中、西三塊，主要目的層為流二段和流三段。流二段下層序油頁巖段湖侵早期互層型頁巖油發(fā)育，有機(jī)地化指標(biāo)高、成熟度適中，是頁巖油勘探的有利區(qū)。其沉積相流二段為湖盆鼎盛時期的欠補(bǔ)償沉積，表現(xiàn)為以暗色泥巖、頁巖、油頁巖為主的中深湖相沉積，局部發(fā)育濁積扇體。沉積相不僅影響了油頁巖的發(fā)育，也影響了油頁巖中砂層的沉積。目標(biāo)井所在構(gòu)造靠近物源油頁巖分布相對穩(wěn)定，厚度較大，內(nèi)部夾有砂巖層。

2.1 溫壓特征

地層孔隙壓力利用聲波計(jì)算，并利用實(shí)測MDT 結(jié)果刻度。壓裂目標(biāo)層位地層孔隙壓力系數(shù)1.65～1.68，屬于異常高壓。地溫梯度為3.6 ℃/100m，為正常地溫梯度，MDT 結(jié)果推測流二段底部井底溫度約140 ℃。

2.2 物性特征

在XY-1 井取心井段底部取了兩個巖心，巖心滲透率分別為0.002、0.580 mD，物性差。

2.3 地應(yīng)力與壓裂縫特征

根據(jù)前人研究成果，井壁崩落橢圓崩落長軸方向與最小水平主地應(yīng)力方向一致，即與最大水平主應(yīng)力方向垂直。井壁崩落橢圓為北東-南西，從而確定最大水平地應(yīng)力方位為N130°E。根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)及測井資料，應(yīng)用分層地應(yīng)力模型計(jì)算流二段地層地應(yīng)力的大小關(guān)系為：垂向應(yīng)力＞最大水平主應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力。流二段地層破裂壓力風(fēng)險(xiǎn)最大的方向在N130°E，與最大水平主應(yīng)力方向一致，即人工裂縫與最大水平主應(yīng)力方向平行。基于海上平臺空間限制，僅能擺放6 臺泵，壓裂的排量、規(guī)模受限，無法實(shí)現(xiàn)體積壓裂，壓裂縫以雙翼縫為主。

3 海上頁巖油壓裂地質(zhì)優(yōu)選技術(shù)

在前人關(guān)于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、沉積研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層溫壓特征、巖心物性特征和地應(yīng)力與裂縫特征，考慮海上平臺空間受限的現(xiàn)狀，針對海上頁巖油壓裂技術(shù)開展地質(zhì)工程一體化多學(xué)科攻關(guān)。

3.1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平

頁巖油與常規(guī)石油資源不同，具有很多特殊的特點(diǎn)：資源自生自儲，沒有發(fā)生運(yùn)移或運(yùn)移距離短；非構(gòu)造高點(diǎn)控制，廣泛分布于烴源巖發(fā)育的斜坡區(qū)或洼陷的中央?yún)^(qū)；自身流動性差，需要經(jīng)過水平井鉆探、壓裂等人工改造手段才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、有效開發(fā)。國內(nèi)頁巖油壓裂水平段長度大多在1 600～2 500 m，推廣采用平臺化+工廠化進(jìn)行壓裂施工，排量在12～18 m3/d，壓裂時效通常為1.5～4.5 段/天，且壓裂規(guī)模和速度有逐年提高的趨勢。

國外頁巖油實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)性開采的時間較早，經(jīng)歷了60 余年的艱辛探索，技術(shù)更為成熟，工程作業(yè)效率較國內(nèi)高，工廠化作業(yè)完善，規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化較強(qiáng)。長慶油田長7 頁巖油是開發(fā)較成熟的油田之一。鄂爾多斯盆地晚三疊世發(fā)育典型的大型內(nèi)陸坳陷湖盆，長7 為最大湖泛期，既是主力烴源巖，也是頁巖油發(fā)育的主要層段，自生自儲、源內(nèi)成藏，為典型的陸相頁巖油。長7 頁巖油儲層具有縱橫向砂體變化快，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、巖性致密、壓力系數(shù)低等特點(diǎn)。同時，含油飽和度高、原油性質(zhì)好、脆性指數(shù)較高、天然裂縫較發(fā)育。根據(jù)巖性組合、砂地比、連續(xù)砂體厚度等因素，長7 頁巖油儲層分為三種類型：多期疊置砂巖發(fā)育型（Ⅰ類）、頁巖夾薄層砂巖型（Ⅱ類）和純頁巖型（Ⅲ類）。目前大規(guī)模開發(fā)主要針對Ⅰ類。長慶油田主要采用長水平井、小井距、大井叢、細(xì)分切割體積壓裂為核心的開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，在2018-2020 年，隴東示范區(qū)實(shí)施水平井377 口，平均水平段1 685 m，油層鉆遇率75.2%，壓裂22 段，入地液量28 019 m3，加砂量3 105 m3；初期日產(chǎn)油18.1 t，達(dá)產(chǎn)年日產(chǎn)油13.7 t，平均一年累產(chǎn)油4 701 t，預(yù)測單井EUR 達(dá)2.6×104t，開發(fā)效果較好。

3.2 地質(zhì)“甜點(diǎn)”綜合評價(jià)

“甜點(diǎn)”儲層是頁巖油勘探開發(fā)的關(guān)鍵與核心。要實(shí)現(xiàn)頁巖油有效開發(fā)，首先要尋找頁巖油的富集區(qū)——頁巖油的地質(zhì)“甜點(diǎn)”。有機(jī)質(zhì)是頁巖油生成的基礎(chǔ)，儲集性決定了頁巖油類型及富集空間，含油性決定了其產(chǎn)出能力，脆性決定了商業(yè)開采價(jià)值[6]。

3.2.1 錄井 根據(jù)XY-1 井錄井描述分析表明，優(yōu)質(zhì)儲層可以分為四段。

①號井段為灰褐色頁巖：質(zhì)較純，局部含少量粉砂，性硬，具脆性，局部頁理發(fā)育；灰褐色砂質(zhì)頁巖：粉砂質(zhì)分布較均勻，新鮮斷面見粉砂。

②號井段為灰褐色油頁巖：質(zhì)不純，夾泥質(zhì)粉砂條帶；灰色熒光泥質(zhì)粉砂巖：成分以石英為主，少量暗色礦物；泥質(zhì)分布均勻，不含灰，膠結(jié)致密。

③號井段與②號井段巖性描述基本一致，油氣顯示級別更高，其中包含④號井段為灰色油斑粉砂巖：成分主要為石英，見云母片，少量暗色礦物，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)致密，不含灰。直照見微弱暗黃色熒光，滴照呈淺乳白色慢速擴(kuò)散，熒光級別D 級。

從錄井描述上來看③號井段3 030～3 050 m 井段為該方法認(rèn)識的地質(zhì)“甜點(diǎn)”。巖性為灰褐色油頁巖，夾泥質(zhì)粉砂條帶或粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖且膠結(jié)致密，氣測值較高，巖屑直照可見熒光、油斑等顯示，較上部儲層好。

3.2.2 測井解釋、TOC 反演成果 一般油頁巖“甜點(diǎn)”特征：高GR、高聲波、高電阻率、低密度、有機(jī)碳含量高。通常電阻率越大，氣測TG 值越高，表明油頁巖的含油飽和度越高。TOC 含量的高低與頁巖油產(chǎn)能呈正比，含量越高，頁巖的生烴潛力越大，頁巖的含油量越高。

基于烴源巖TOC 的測井響應(yīng)機(jī)理，通過成熟的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)TOC 展布由“點(diǎn)”及“線”的全井段反演，獲取全井段TOC 分布情況，完成對XY-1 井有機(jī)碳豐度的評價(jià)。根據(jù)測井解釋、TOC 反演成果分析，地質(zhì)“甜點(diǎn)”有兩段：2 980～2 988 m、3 030～3 050 m。測井上具有“三高一低”的響應(yīng)特征、氣測值高、TOC 含量高。

3.2.3 巖心觀察 儲集條件是頁巖油富集高產(chǎn)的產(chǎn)出核心。對油頁巖進(jìn)行巖心觀察，取心井段為3 005.5～3 029.1 m，總體上，油頁巖純，性硬，具脆性，新鮮斷口見紋層裝頁理發(fā)育，局部可見粉砂巖條帶，泥質(zhì)含量高。取心井段底部有1 m 比較純的致密粉砂巖層，致密砂巖局部有微裂縫發(fā)育。裂縫既可為油氣成藏提供儲集空間，又能為油氣運(yùn)移提供通道。

綜合錄井資料、測井解釋、TOC 反演成果及巖心觀察分析，XY-1 井地質(zhì)“甜點(diǎn)”有兩段：純油頁巖段2 980～2 988 m；砂巖+頁巖段3 030～3 050 m。

3.3 地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”綜合優(yōu)選技術(shù)

參考中國石油長慶油田長7 頁巖油儲層分類標(biāo)準(zhǔn)，本井上層2 950～3 028 m 井段為Ⅳ類純頁巖型，下層3 030～3 050 m 井段為Ⅲ類含薄砂巖夾層頁巖型，長慶油田目前只開發(fā)多期疊置砂巖發(fā)育型的Ⅰ類油頁巖，參考國內(nèi)外頁巖油的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，有利的油頁巖儲層應(yīng)夾有一定厚度的砂巖，否則難以獲得好的壓裂效果。因此，優(yōu)選下層3 030～3 050 m 井段含薄砂巖夾層頁巖進(jìn)行壓裂。

頁巖的工程“甜點(diǎn)”是進(jìn)行有效的壓裂改造的儲層，地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”的預(yù)測是頁巖油效益開發(fā)的基礎(chǔ)。結(jié)合工程“甜點(diǎn)”的脆性指數(shù)、壓力系數(shù)、裂縫發(fā)育程度等優(yōu)化射孔方案。優(yōu)選下層“甜點(diǎn)”位置的砂巖進(jìn)行集中射孔，射孔厚度僅3 m，提高各向起裂延展能力。射孔層優(yōu)選依據(jù)：（1）受壓裂規(guī)模所限，難以實(shí)現(xiàn)體積壓裂，油頁巖塑性強(qiáng)，返排時裂縫壓力下降，塑性鑲嵌，易導(dǎo)致裂縫閉合，因此，選擇砂巖“甜點(diǎn)”進(jìn)行射孔；（2）③號射孔段砂巖底部為厚泥巖隔層，壓裂縫高一端受控，有利于縫長的延伸；（3）所選射孔位置砂巖、油頁巖含油氣性均較好；（4）結(jié)合固井質(zhì)量，該井段上下隔層固井質(zhì)量相對較好。

與地質(zhì)方案相配套的工藝方案優(yōu)化，采用限流射孔技術(shù)和混合壓裂工藝。限流射孔促進(jìn)籠統(tǒng)壓裂層內(nèi)裂縫均衡擴(kuò)展。針對夾有砂巖條帶的頁巖儲層，主壓裂采用凍膠造主縫，低黏基液溝通頁巖微縫，凍膠攜砂的混合壓裂工藝，能更有效的改造儲層。

4 現(xiàn)場實(shí)施及效果評價(jià)

XY-1 井2022 年7 月完成主壓裂施工，施工順利，排量6～7 m3/min，泵注壓裂液641 m3。根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)行裂縫形態(tài)反演，實(shí)際裂縫參數(shù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)（圖1）。

圖1 主壓裂裂縫形態(tài)圖

XY-1 井壓后測試日產(chǎn)原油20 m3，天然氣1 589 m3/d，且產(chǎn)能穩(wěn)定。該井壓裂效果符合預(yù)期，壓裂后落實(shí)了產(chǎn)能、獲取了一定的經(jīng)濟(jì)可采儲量、為開發(fā)方案井網(wǎng)井距、配產(chǎn)等一系列開發(fā)技術(shù)政策提供依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)了潿西南凹陷頁巖油具有一定經(jīng)濟(jì)效益的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，標(biāo)志著我國海上頁巖油勘探取得重大突破。

5 結(jié)論

（1）建立了海上頁巖油地質(zhì)“甜點(diǎn)”綜合評價(jià)方法?；跍y井曲線，參考錄井、巖心觀察的方法準(zhǔn)確識別頁巖油的富集區(qū)——頁巖油的地質(zhì)“甜點(diǎn)”。

（2）通過地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”綜合優(yōu)選技術(shù)，在海上各種條件受限的情況下，實(shí)現(xiàn)油頁巖有效改造。地質(zhì)+工程“雙甜點(diǎn)”的預(yù)測是頁巖油效益開發(fā)的基礎(chǔ)?；诤Ｉ掀脚_空間限制，無法實(shí)現(xiàn)體積壓裂，通過綜合優(yōu)選，達(dá)到預(yù)期壓裂效果。

（3）利用限流射孔技術(shù)促進(jìn)籠統(tǒng)壓裂層內(nèi)裂縫均衡擴(kuò)展。限流射孔利用射孔節(jié)流的原理，實(shí)現(xiàn)整個壓裂井段內(nèi)各層均有較高的凈壓力，從而實(shí)現(xiàn)在排量、規(guī)模受限的情況下各層砂巖及油頁巖的有效改造。