焦方正

(中國石油天然氣集團有限公司，北京 100007)

中國頁巖油技術(shù)可采資源量可達145×108t，主要分布在鄂爾多斯、準噶爾、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)了中國首個10億噸級頁巖油大油田——慶城油田[4-5]，并進行了水平井體積壓裂規(guī)模開發(fā)試驗[6-7]，建立了國家級頁巖油開發(fā)示范基地。

多年來，長慶油田借鑒北美頁巖油開發(fā)成功經(jīng)驗，立足盆地頁巖油特征，攻關(guān)形成了長水平井超前蓄能細分切割體積壓裂技術(shù)并大規(guī)模推廣應用，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，針對縫網(wǎng)波及體積評價尚未形成成熟的定量表征方法。目前通過微地震監(jiān)測是獲取改造體積的主要手段[16-20]，而后期產(chǎn)能擬合證實微地震監(jiān)測事件覆蓋體積往往與實際的縫網(wǎng)波及體積差異較大，無法有效指導礦場實踐。以更高產(chǎn)能為目標的壓裂工藝優(yōu)化亟需更準確合理的縫網(wǎng)波及體積評價方法進行有效支撐，開展縫網(wǎng)波及體積的評價與定量表征相關(guān)研究對頁巖油的開發(fā)意義重大。

縫網(wǎng)波及體積評價在水力壓裂領(lǐng)域一直被廣泛關(guān)注[21-23]，除微地震監(jiān)測方法，大量學者通過數(shù)值方法來模擬人工水力裂縫的形成過程，進而計算縫網(wǎng)改造體積[24-28]。然而，裂縫在儲層中的擴展形態(tài)受儲層巖石力學性質(zhì)、天然裂縫以及人工壓裂參數(shù)等多因素影響，機理十分復雜，且數(shù)值模擬假設(shè)條件較多，模擬結(jié)果需要用現(xiàn)場微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校正，同時缺乏壓后產(chǎn)能綜合評價，應用性受限。本文以鄂爾多斯盆地南部(鄂南)延長組7油層組(長7油層組)頁巖油西233區(qū)塊為研究對象，基于礦場微地震監(jiān)測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，對微地震覆蓋體積進行校正，建立更合理準確的縫網(wǎng)波及體積定量表征經(jīng)驗公式，為體積壓裂效果評價提供依據(jù)。

1 鄂南長7油層組頁巖儲層巖石力學特征

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組，自上而下劃分為長1—長10共10個油層組，長 7油層組為最大湖泛期的一套廣覆式富有機質(zhì)泥頁巖與細粒砂質(zhì)沉積，自生自儲、源內(nèi)成藏，為典型的陸相頁巖油層。長7油層組自上而下劃分為長71、長72和長73共3個甜點段，主要以半深湖-深湖亞相沉積為主[4-5]。

盆地頁巖儲層埋深為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。通過對盆地360塊井下巖心的232組巖石力學參數(shù)測試實驗和80組地應力測試實驗得出，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%，水平應力差主要介于4.0～6.0 MPa，平均值為5.1 MPa。對比北美二疊盆地和中國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)低和水平應力差相對較高的特點(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層，實現(xiàn)水平井多段、多簇體積改造，形成復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)是有效動用頁巖油的關(guān)鍵技術(shù)。井下微地震是目前廣泛應用于礦場的一項有效的裂縫監(jiān)測技術(shù)，通過對水壓裂過程中進行微地震事件實時動態(tài)監(jiān)測，獲得微地震覆蓋體積(SRV，圖1藍色虛線區(qū)域所示)，而大量礦場統(tǒng)計與產(chǎn)能驗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，為了更準確地評價體積壓裂改造效果與指導壓裂優(yōu)化設(shè)計，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)，即在頁巖儲層建立有效的壓力驅(qū)動系統(tǒng)，使得頁巖油能夠被有效、經(jīng)濟動用的縫網(wǎng)區(qū)域。

表1 鄂爾多斯盆地與國內(nèi)外其他盆地頁巖油特征參數(shù)對比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)實驗表征

水力裂縫形態(tài)的準確表征是評價縫網(wǎng)復雜程度及改造效果的重要基礎(chǔ)，在充分認識頁巖油巖石力學參數(shù)和地應力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，為了進一步揭示長慶油田頁巖油體積壓裂后的縫網(wǎng)形態(tài)，在中國率先開展真三軸大型水力壓裂物模實驗研究，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展，獲取物模試件剖面，定性觀測水力裂縫形態(tài)剖面(圖2b)。同時采用聲波監(jiān)測技術(shù)對水力裂縫實時擴展動態(tài)進行準確監(jiān)測，獲取不同方位水力裂縫形態(tài)圖(圖3)。

以室內(nèi)實驗結(jié)論為基礎(chǔ)，結(jié)合井下微地震監(jiān)測技術(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)進行初步刻畫，為礦場體積壓裂效果評價和理論數(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驗及微地震監(jiān)測大數(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”，其復雜程度由天然裂縫發(fā)育程度、巖石力學參數(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，確定影響各項評價指標的關(guān)鍵因素，在儲層評價和油田增產(chǎn)改造方面廣泛應用[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)建立多因素評價矩陣，并對其標準化；其次通過計算灰色關(guān)聯(lián)度定量評價各因素對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驗人工試件(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)字為井筒模擬點編號；圖2b中紅色痕跡為水力壓裂裂縫擴展形態(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驗聲發(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表示不同壓裂段裂縫擴展微地震事件點。)

前期研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)水平井鉆遇儲層的脆性指數(shù)和水平應力差相對集中，因此本文重點研究儲層物性參數(shù)與壓裂工程參數(shù)對微地震覆蓋體積的影響，將計算得到的相關(guān)系數(shù)大于0.5的5項主控因素進行排序為：入地液量、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價的基礎(chǔ)之上，利用多元線性回歸法進一步對其進行定量表征。首先利用層次分析法建立多層次評價體系，其中目標層為微地震覆蓋體積(SRV)，子標準層為入地液量(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算模型。

運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(藍色線以內(nèi)為非主控因素區(qū)域，紅色和藍色數(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。

基于計算獲取的SRV，運用油藏數(shù)值模擬方法預測水平井累產(chǎn)油，與實際產(chǎn)能進行標定，建立FSV與SRV的相關(guān)性表達式。選取研究區(qū)生產(chǎn)滿1年的64口水平井，利用公式(2)計算單井SRV，對單井預測產(chǎn)量與實際第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)計算的FSV進行產(chǎn)能預測，結(jié)果顯示與實際累產(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)對儲層的有效波及程度。

同時，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具有較強的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.78。同時，當縫網(wǎng)波及體積超過一定值時也表現(xiàn)出累產(chǎn)油量增加幅度逐漸減小的趨勢，因此對于研究區(qū)水平井體積改造存在技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的FSV。

3 模型驗證及現(xiàn)場應用

3.1 礦場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證

利用公式(1)計算研究區(qū)水平井101段的SRV，與實際微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，整體擬合程度較好(圖8)，相對誤差在10%以內(nèi)，表明該計算方法具有較高的精度和適用性，具備在礦場推廣應用的價值。

3.2 典型平臺應用

慶城油田在華H6平臺開展整體壓裂試驗，平臺部署11口水平井，累計壓裂247段1 342簇，入地液量37.6×104m3、砂量3.9×104m3，平臺控制儲量166.9×104m3。單井第1年平均累產(chǎn)油達4 245 t，目前平臺已累產(chǎn)油5.2×104t，預測累產(chǎn)油16.5×104t。利用本文研究成果評價華H6平臺改造及開發(fā)效果(表2)，可以發(fā)現(xiàn)，預測產(chǎn)量與實際產(chǎn)量吻合度較高，隨著縫網(wǎng)波及體積的增大，單井EUR(預估最大可采儲量)顯著提高(圖9)，但在后期增幅有放緩趨勢。該平臺縫網(wǎng)波及系數(shù)介于34.4%～65.8%，平均值為48.3%，說明縫網(wǎng)波及體積仍有進一步擴大的必要。

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)波及體積預測值與實際值對比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平臺水平井壓裂參數(shù)及開發(fā)效果預測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)油具有較強的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.78。當縫網(wǎng)波及體積超過一定值時也表現(xiàn)出累產(chǎn)油量增加幅度逐漸減小的趨勢，存在技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的縫網(wǎng)波及體積。將研究成果應用于慶城油田華H6典型平臺，對水平井進行壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和產(chǎn)能預測，經(jīng)證實預測產(chǎn)能與實際產(chǎn)量吻合度較高，能夠為頁巖油體積壓裂設(shè)計提供快捷有效的理論支撐。

3) 基于礦場微地震監(jiān)測大數(shù)據(jù)，應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)驗公式，經(jīng)礦場實際井驗證預測結(jié)果準確可靠，是值得推廣的一種新方法。