吳寶成 李建民 鄔元月 韓 樂 趙廷峰 鄒雨時

（ 1中國石油新疆油田公司；2中國石油新疆培訓中心；3中國石油大學（北京））

0 引言

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部，二疊系蘆草溝組（P2l）發(fā)育的一套頁巖、薄層砂質(zhì)云巖和云質(zhì)粉砂巖，是凹陷內(nèi)最主要的烴源巖和頁巖油賦存層系，具有典型的自生自儲特點，分布范圍達到1278km2。蘆草溝組頁巖油烴源巖有機碳含量（TOC）平均為3.24%，生烴潛力（S1+S2）多大于6.0mg/g，鏡質(zhì)組反射率（Ro）普遍大于1%。蘆草溝組頁巖油儲層覆壓孔隙度分布范圍為6%～16%，覆壓滲透率小于0.1mD，具有中、低孔—低、特低滲透特征[1-6]。

蘆草溝組厚度為100～320m，最厚區(qū)域位于凹陷中部并向周緣減薄;埋藏深度為800～5200m，主體部位埋深為3000～4500m;地層巖性礦物成分復雜，縱向變化快，呈互層狀分布，單層厚度薄，均為厘米級?？v向上全井段含油，平均含油飽和度為65%～84%，整體含油性較好;主要發(fā)育上、下兩個甜點體，上甜點體油層主要分布在、、3個小層，巖性主要為砂屑云巖、巖屑長石粉細砂巖和云屑砂巖;下甜點體油層分布在、、3個小層，巖性主要為云質(zhì)粉砂巖。蘆草溝組頁巖油井控資源量達到11.12×108t，資源蘊含豐富，勘探開發(fā)潛力巨大[1-4]。

吉木薩爾凹陷頁巖油最早發(fā)現(xiàn)于20世紀80年代[1]。2011年，吉25井獲工業(yè)油流實現(xiàn)了頁巖油勘探的階段突破，隨后部署了20口直井實施分層壓裂試油，其中14口井獲工業(yè)油流，試油出油率高。但直井產(chǎn)量低，壓后以抽汲生產(chǎn)為主;產(chǎn)量遞減快、持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力差，經(jīng)濟效益較差。

“十二五”以來，為探索吉木薩爾凹陷頁巖油規(guī)模開發(fā)可行性，新疆油田公司逐步加大勘探開發(fā)力度，分階段部署水平井體積改造提產(chǎn)試驗，主要歷經(jīng)勘探突破、先導試驗、開發(fā)試驗、擴大試驗等階段。吉172_H水平井取得突破后，實施了10口先導試驗水平井，推動了水平井改造技術(shù)大幅進步，但壓后生產(chǎn)效果未達預期，給吉木薩爾凹陷頁巖油有效開發(fā)造成巨大的不確定性。針對先導試驗的問題，新疆油田公司基于地質(zhì)工程一體化研究，在強化地質(zhì)甜點認識、評價優(yōu)選甜點目標的基礎(chǔ)上，剖析吉木薩爾凹陷頁巖油壓裂難點，開展甜點體縱向地應(yīng)力和巖石力學特性精細分析、層理地層人工裂縫穿層規(guī)律等綜合研究，針對性地提出了確保水平段優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率和水平井密切割、高強度體積改造等技術(shù)措施。2017年，再次部署的開發(fā)試驗水平井取得了日產(chǎn)108.3t的產(chǎn)量突破，有力提振了吉木薩爾凹陷頁巖油有效開發(fā)的信心，推動了規(guī)模開發(fā)的全面實施。

圖1 吉172_H井壓后生產(chǎn)曲線圖Fig.1 The post-frac production curve of Ji172_H

1 勘探突破階段水平井改造探索與實踐認識

2012年，在吉木薩爾凹陷東南部實施了勘探水平井吉172_H井，水平段鉆井目標為上甜點，埋深為2910～2960m，水平段長1233m，測井解釋水平段油層鉆遇率達到92%，具備良好的地質(zhì)條件。

吉172_H井采用裸眼封隔器+投球滑套分段工藝，共分壓15段，平均段長80.6m;采用大排量瓜爾膠連續(xù)加砂工藝，施工排量為6～8m3/min，共計加入陶粒支撐劑1798m3、瓜爾膠壓裂液16030m3，實現(xiàn)了“千方砂、萬方液”大規(guī)模壓裂。

吉172_H井壓后見油速度快、含水下降快，6.5mm油嘴自噴生產(chǎn)，最高日產(chǎn)油達到69.5t;持續(xù)生產(chǎn)能力強，自噴期達728天，其后轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)。截至2019年4月底，該井已累計生產(chǎn)2145天，累計產(chǎn)油21131t，平均日產(chǎn)油9.85t（圖1）。與直井相比，吉172_H井生產(chǎn)效果大幅提升，不但日產(chǎn)油量獲得明顯的提高，而且展現(xiàn)出穩(wěn)定的持續(xù)生產(chǎn)能力。通過與前期直井和同期水平井的對比，分析認為吉172_H井取得突破的原因主要表現(xiàn)在兩個方面：

（1）鉆遇油層厚、品質(zhì)好。

吉木薩爾凹陷頁巖油上甜點體內(nèi)縱向發(fā)育3套油層，分別為上部砂屑云巖層、中部巖屑長石粉細砂巖層和下部云屑砂巖層（圖2）。

核磁測井解釋顯示，吉172_H井水平段軌跡主要在有效孔隙度和可動流體孔隙度相對較大的中部巖屑長石粉細砂巖油層中穿行，鉆遇油層品質(zhì)較好;鉆遇長度達到1045m，增大了單井的油藏控制面積，奠定了壓后高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 導眼井吉172井測井綜合解釋圖Fig.2 The comprehensive log interpretation of guiding well Ji172

（2）油層縱向動用程度高。

吉172_H井軌跡位于中部油層，地應(yīng)力評價顯示甜點體內(nèi)縱向應(yīng)力差異小、隔層遮擋能力差（圖2）;壓裂模擬也顯示大排量、大規(guī)模改造可有效溝通上下油層（圖3），實現(xiàn)3套油層的整體動用，創(chuàng)造了壓后高產(chǎn)的工程條件。

吉172_H井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)標志著頁巖油水平井開發(fā)獲得重大突破，初步展現(xiàn)了應(yīng)用水平井實現(xiàn)吉木薩爾凹陷頁巖油有效開發(fā)的可能性。但受到當時頁巖油綜合評價技術(shù)手段的限制，對地質(zhì)、工程特性的認識存在一定局限性，吉木薩爾凹陷頁巖油規(guī)模開發(fā)的地質(zhì)基礎(chǔ)并未扎牢，水平井改造技術(shù)也存在短板，給后續(xù)先導試驗開發(fā)效果未達預期埋下了伏筆。

2 先導試驗階段水平井改造面臨的問題與對策分析

2013—2014年，以上甜點體為目標部署先導試驗區(qū)，通過借鑒吉172_H井實施經(jīng)驗，攻關(guān)水平井體積改造技術(shù)，形成可復制的標準開發(fā)模式和規(guī)范，實現(xiàn)頁巖油“技術(shù)可采”與“經(jīng)濟可采”的統(tǒng)一，加快吉木薩爾凹陷頁巖油規(guī)模開發(fā)步伐。

圖3 壓裂人工裂縫延伸情況模擬圖Fig.3 The simulation of extension of artificial fractures

2.1 先導試驗水平井實施情況與問題

先導試驗區(qū)共部署水平井10口，其中8口井水平段長1300m，2口井水平段長1800m。鉆井過程采用地質(zhì)導向技術(shù)，軌跡均按照地質(zhì)設(shè)計實現(xiàn)了精確中靶，并在上甜點體內(nèi)穿行。在改造方面，8口水平井裸眼完井，實施封隔器+投球滑套分段改造;2口水平井固井完井，實施速鉆橋塞+分簇射孔分段改造;單井分壓15～24段，支撐劑用量為760～1700m3，壓裂液用量為10300～25420m3。

先導試驗水平井嚴格按照設(shè)計要求完成壓裂改造施工，但生產(chǎn)效果均未達到設(shè)計的產(chǎn)量目標。初期生產(chǎn)水平較吉172_H井下滑明顯，最高日產(chǎn)油量僅5.2～36.2t;長期累計產(chǎn)量也較差，累計生產(chǎn)5年后，平均單井累計產(chǎn)油僅8085t，未達到兩年期累計產(chǎn)量1.52×104t的設(shè)計指標，生產(chǎn)效果與吉172_H井相比存在較大差距。結(jié)合國外非常規(guī)油氣和川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗[7-23]，分析認為先導試驗水平井地質(zhì)目標層位選取不準和壓裂改造程度較低是導致壓后低產(chǎn)的主要問題（表1）。

表1 先導試驗水平井油層鉆遇情況與壓裂施工參數(shù)對比表Table 1 The reservoir drilling situation and fracturing parameters of the guiding testing horizontal well

2.2 先導試驗取得的工程地質(zhì)認識

通過開展地質(zhì)甜點精細評價和地層應(yīng)力與巖石力學特征的再認識研究，橫向?qū)Ρ燃?72_H井與先導試驗水平井的儲層改造表征現(xiàn)象，取得了以下三方面認識。

2.2.1 層理面和高強度泥巖隔層導致甜點體無法實現(xiàn)縱向整體動用

對比美國巴肯頁巖油的開發(fā)模式[7-8]，其水平井將厚度15～25m的中巴肯層作為整體目標層，通過壓裂改造實現(xiàn)層內(nèi)6種巖相地層的溝通。先導試驗部署過程中以巴肯頁巖油和吉172_H井為參考，認為水平段軌跡只要位于上甜點體中，大排量、大規(guī)模壓裂可有效改造整個甜點體，實現(xiàn)整體動用。

但先導試驗水平井的微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，井眼軌跡的縱向空間位置不同，人工裂縫縱向延伸特征也不同（圖4、圖5）。Jx07井，軌跡位于P2l22-3層的井段，人工裂縫向下延展較大，不能穿透上部P2l22-2油層;Jx03井，軌跡位于P2l22-1層的井段，人工裂縫在P2l22-1層延展，部分波及到P2l22-2層，但不能穿透下部P2l22-3油層。微地震監(jiān)測結(jié)果顯現(xiàn)出明顯的人工裂縫縱向穿層能力受限特征，分析認為造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩方面：

圖4 Jx07井微地震監(jiān)測圖Fig.4 Microseismic monitoring of Jx07

圖5 Jx03井微地震監(jiān)測圖Fig.5 Microseismic monitoring of Jx03

（1）甜點體內(nèi)可能存在較強的遮擋層。

為了印證甜點體內(nèi)可能存在較強的遮擋層，同步開展三軸應(yīng)力、巖石力學特性實驗和直井分層測試礦場試驗。通過對巖性進行精確分類描述，發(fā)現(xiàn)在甜點體內(nèi)發(fā)育多套泥巖隔層（圖6），儲隔層地應(yīng)力評價顯示，隔層1厚度小，與上下儲層應(yīng)力差小，封隔效果中等;隔層2厚度大，與上下儲層應(yīng)力差異大，封隔效果好。同時對巖石力學特征進行精細評價，發(fā)現(xiàn)同級圍壓下，泥巖隔層巖心表現(xiàn)出明顯的高抗壓強度，強度約為相同圍壓下儲層巖心強度的1.3～1.5倍（表2），具備較強的遮擋性[24-26]。

在直井分層測試礦場試驗中，Jx01井在P2l22-1和P2l22-2層分層壓裂試油，P2l22-1層套管生產(chǎn)，P2l22-2層油管生產(chǎn)，層間用封隔器進行封隔（圖6）。測試顯示，油管抽汲套管關(guān)井時，套壓不降反而上升，說明油套間有明顯壓差;油管、套管同時生產(chǎn)時，油管抽汲產(chǎn)油1.58m3/d，套管自噴產(chǎn)油14.26m3/d，說明油套間有明顯產(chǎn)量差異;油管套管同時關(guān)井時，套管最高壓力為28.6MPa，油管最高壓力為26.0MPa，說明油套管壓力不同步。這同樣證明，在高強度泥巖隔層的遮擋作用下，人工裂縫無法實現(xiàn)縱向溝通。

（2）頁巖層理面限制了人工裂縫縱向延伸能力。

國內(nèi)外研究表明，頁巖層理發(fā)育會對人工裂縫的縱向和橫向延伸形態(tài)造成影響[27-32]。吉木薩爾凹陷頁巖油地層呈薄互層狀，單層厚度為厘米級，在不同的地層條件、壓裂工藝和施工參數(shù)作用下，人工裂縫會出現(xiàn)垂直縱向穿層、橫向?qū)永硌由旌痛怪逼D(zhuǎn)等延伸形態(tài)（圖7）。而通過物模實驗模擬裂縫延伸情況，顯示人工裂縫受薄互層作用，易沿層理不對稱擴展并發(fā)生轉(zhuǎn)折，縱向擴展受限（圖8）。

對頁巖地層人工裂縫延伸規(guī)律開展數(shù)模研究，顯示出水平層理與縫高擴展、縫網(wǎng)形成的關(guān)系：對比不同層理密度，隨著層理密度的增大，人工裂縫與層理面相交的可能性增大，更多的壓裂液將滲入層理面，導致層理開啟（圖9）。而在層理面滲透率方面，在層理面膠結(jié)較好，即滲透率較低的情況下，人工裂縫不太可能壓開層理面;但如果層理面本身弱膠結(jié)或存在一定的開度，即層理面具備一定滲透率，則壓裂液很容易滲入層理面，導致層理開啟（圖10）。層理開啟會降低人工裂縫縫內(nèi)凈壓力，制約水力裂縫在高度方向上的擴展能力，降低儲層改造厚度[27-32]。

圖6 Jx01井綜合測井解釋與分層測試示意圖Fig.6 The schematic diagram of comprehensive logging interpretation and layered testing in well Jx01

表2 上甜點體儲隔層應(yīng)力與巖石力學特性對比表Table 2 The comparison of geostress and rock mechanical properties of reservoirs and barriers in upper sweet spots

圖7 薄互層狀地層人工裂縫縱向延伸機理Fig.7 The vertical extension of artificial fracture in layered formation

圖8 頁巖壓裂物理模擬實驗結(jié)果Fig.8 The physical simulation results of shale fracturing

圖9 層理密度對人工裂縫延伸的影響Fig.9 The influence of bedding density on the extension of artificial fractureBP—沿層理延伸裂縫;HF—縱向延伸裂縫

圖10 層理面滲透率對人工裂縫延伸的影響Fig.10 The influence of bedding permeability on the extension of artificial fracture

2.2.2 優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率是吉木薩爾凹陷頁巖油高產(chǎn)的地質(zhì)保障

通過調(diào)研，對比川渝地區(qū)頁巖氣的開發(fā)實踐情況，優(yōu)質(zhì)甜點的確定和鉆遇率對壓后生產(chǎn)效果起到?jīng)Q定性作用[9]。吉木薩爾凹陷頁巖油人工裂縫縱向擴展規(guī)律的研究證明，層理面和高強度泥巖隔層導致壓裂只能對水平段所處油層進行層內(nèi)改造，無法實現(xiàn)縱向3個油層的全部動用。因此，選擇最優(yōu)地質(zhì)甜點目標、并確保軌跡在目標區(qū)內(nèi)有效延伸同樣成為壓后高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。

開展儲層特征的精細研究，通過16口井、約400層次的巖性、物性、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、烴源巖特性、含油性等精細對比，完成了甜點體內(nèi)油層品質(zhì)的綜合評價，最終利用巖心含油性分析結(jié)果和核磁測井解釋結(jié)果，將油層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。對單井油層分類進行重新解釋：上甜點體中P2l22-2油層縱向集中發(fā)育，以Ⅰ類油層為主，平均厚度為6.7m，且平面上分布連續(xù)，油層品質(zhì)最好;而P2l22-1油層內(nèi)縱向細分為2～5個小油層，平均跨度為7.5m，以Ⅰ類和Ⅱ類油層為主，油層品質(zhì)次之;P2l22-3油層內(nèi)分散發(fā)育多套小油層，平均跨度為13.2m，以Ⅲ類油層為主，油層品質(zhì)最差（圖11）。因此，P2l22-2油層成為潛在的優(yōu)質(zhì)甜點目標。

圖11 吉木薩爾凹陷頁巖油油層分類連井剖面圖Fig.11 The oil layer profile of shale oil in Jimsar sag

對比先導試驗水平井與吉172_H井油層鉆遇情況。Jx15井軌跡主要在P2l22-1層中延伸，Jx16井軌跡主要在P2l22-3層中延伸，峰值日產(chǎn)油分別僅為17.9t和10.2t，累計產(chǎn)量均未達到8085t平均水平，生產(chǎn)效果不理想;而吉172_H井和Jx18井軌跡主要在P2l22-2層中延伸，壓后峰值日產(chǎn)油分別達到69.5t和36.2t，累計產(chǎn)量也較高（表3），顯示P2l22-2層的鉆遇長度與產(chǎn)量有較強的相關(guān)性，從礦場試驗的角度也證明P2l22-2層優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率是吉木薩爾凹陷頁巖油高產(chǎn)的地質(zhì)保障。

2.2.3 密切割、高強度體積改造是吉木薩爾凹陷頁巖油高產(chǎn)的工程保障

近年來，國內(nèi)外頁巖油氣資源的改造經(jīng)驗顯示[7-23，33-34]，通過縮小裂縫間距、增大改造強度，對水平段實施體積改造，可以在頁巖儲層中形成具有較大波及體積的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，縮短地層中的油氣向高滲通道流動的距離，加快流動速度。吉木薩爾凹陷頁巖油人工裂縫數(shù)模和礦場試驗研究，也證明密切割、高強度體積改造可以提高生產(chǎn)效果。

表3 4口水平井生產(chǎn)情況對比表Table 3 The comparison of the production of 4 wells

（1）縮小裂縫間距可以增加裂縫的復雜程度，有效提高儲層改造體積。

吉木薩爾凹陷頁巖油水平兩向應(yīng)力差較大（8～12MPa），人工裂縫呈現(xiàn)雙翼延伸特征。模擬14m3/min施工排量、段內(nèi)射孔3簇、15m和25m裂縫間距條件下的人工裂縫延伸情況，顯示縮小裂縫間距后，近井筒地帶裂縫復雜程度明顯增加，提高了改造體積（圖12）。

圖12 水平井不同裂縫間距裂縫形態(tài)模擬Fig.12 The fracture morphology simulation of different fracture spacing

（2）高強度改造有利于提升壓后生產(chǎn)效果。

在改造規(guī)模方面，吉172_H井支撐劑用量較高，加砂強度達到1.5m3/m，而先導試驗水平井加砂強度為0.75～1.0m3/m，僅為吉172_H井的50%～60%，對壓后生產(chǎn)效果也造成一定的影響。以生產(chǎn)效果最好的Jx18井為例，該井水平段長度為1800m，其中優(yōu)質(zhì)甜點P2l22-2油層鉆遇長度為1002m，與吉172_H井基本相當，具備較好的地質(zhì)基礎(chǔ)。兩口井均采用裸眼封隔器+投球滑套工藝實施分段改造，裂縫間距和施工參數(shù)均相近，但Jx18井的加砂強度僅為0.94m3/m，約為吉172_H井的60%，投產(chǎn)半年后累計產(chǎn)油量較吉172_H井低近50%，說明改造規(guī)模也是吉172_H井高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此，需保證水平井獲得足夠的改造強度。

綜合以上分析結(jié)果認為，在確保優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率的基礎(chǔ)上，實施密切割、高強度的體積改造是吉木薩爾凹陷頁巖油水平井獲得高產(chǎn)的地質(zhì)、工程保障。

3 開發(fā)試驗階段水平井體積改造技術(shù)的攻關(guān)完善與效果評價

基于先導試驗取得的經(jīng)驗和認識，借鑒國外非常規(guī)油氣藏的最新改造理念[11-15]，2016—2017年，在吉木薩爾凹陷頁巖油繼續(xù)開展開發(fā)試驗，部署實施Jx23井和Jx25井，一方面確定P2l22-2層優(yōu)質(zhì)甜點的可靠性，另一方面驗證密切割、高強度體積壓裂對壓后提產(chǎn)的作用，最終再次評價水平井+體積壓裂開發(fā)吉木薩爾凹陷頁巖油的可行性。

Jx23井和Jx25井將P2l22-2層作為鉆井目標，水平段長1250m，優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率分別達到96%和92%，相對于前期水平井不足70%的優(yōu)質(zhì)甜點鉆遇率，Jx23井和Jx25井獲得了較高甜點品質(zhì)。

基于密切割、高強度體積改造理念，壓裂采用固井橋塞+分簇射孔分壓工藝，平均段長45m，段內(nèi)分3簇射孔，裂縫間距縮小至15m，施工排量提升到14m3/min，對水平段進行密切割;同時采用多粒徑支撐劑組合，單井支撐劑用量達到2480m3，壓裂液用量為3.8×104m3，對儲層實施高強度改造。壓裂監(jiān)測顯示微地震事件集中在井筒周圍，且單段裂縫帶寬波及到相鄰井段，實現(xiàn)了大排量開啟多縫、增加裂縫復雜程度、充分改造儲層的目的。

Jx23井和Jx25井壓后峰值產(chǎn)量創(chuàng)新高，分別達到88.3t和108.3t;持續(xù)生產(chǎn)能力也明顯提高，投產(chǎn)600天后，Jx23井累計產(chǎn)油量已達到2×104t，Jx25井累計產(chǎn)油量也達到1.7×104t（圖13），試驗證明密切割、高強度體積改造可以有效提高單井產(chǎn)量，取得較高的開發(fā)效益。

在Jx23井、Jx25井成功的基礎(chǔ)上，2018年繼續(xù)開展吉木薩爾凹陷頁巖油擴大試驗，推廣應(yīng)用水平井密切割、高強度體積改造技術(shù)，新投產(chǎn)水平井21口。截至2019年4月，生產(chǎn)時間較長的10口擴大試驗水平井，150天平均日產(chǎn)油量達到30.4t，充分證明了水平井體積壓裂開發(fā)吉木薩爾凹陷頁巖油的可行性，為吉木薩爾凹陷頁巖油的規(guī)模有效開發(fā)提供了有力支撐。

圖13 Jx23井、Jx25井與吉172_H井生產(chǎn)情況對比圖Fig.13 The comparison of the production of well Jx23， Jx25 and Ji172_H

4 結(jié)論

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油發(fā)育多套、多類型甜點，明確優(yōu)質(zhì)甜點是實現(xiàn)高效開發(fā)的關(guān)鍵。P2l22-2巖屑長石粉細砂巖層作為上甜點體中的優(yōu)質(zhì)甜點目標層，確保其鉆遇率是水平井壓后高產(chǎn)的地質(zhì)保障。

受層理面和高強度泥巖隔層的影響，甜點體內(nèi)人工裂縫縱向延伸能力受限，以單一甜點層內(nèi)改造為主，通過縮小裂縫間距、增大改造規(guī)模，實施水平井密切割、高強度體積改造，可以實現(xiàn)目標層充分改造，是吉木薩爾凹陷頁巖油水平井壓后高產(chǎn)的工程保障。