馮昕媛 張成娟 謝貴琪 郭得龍 劉 永

中國石油青海油田鉆采工藝研究院, 甘肅 敦煌 736202

0 前言

隨著常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)難度越來越大,非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)已成為國內(nèi)外油氣勘探重點。北美海相頁巖革命的成功標志著從“源外”向“源內(nèi)”的必然轉(zhuǎn)變[1],國內(nèi)也先后在鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、松遼盆地等發(fā)現(xiàn)陸相頁巖油,頁巖油勘探開發(fā)技術(shù)獲得較大突破[2-6]。

在柴達木盆地,油氣勘探開發(fā)也已從“常規(guī)”向“非常規(guī)”轉(zhuǎn)變。基于對源內(nèi)油氣形成機理和頁巖油評價標準的研究,2021年首次明確英雄嶺地區(qū)下干柴溝組上段發(fā)育頁巖油[7]。受沉積期咸化環(huán)境和成藏期青藏高原隆升的共同作用,英雄嶺地區(qū)下干柴溝組上段是獨特的“巨厚山地式”頁巖油。儲層縱向總有機碳含量(TOC)整體較高,具有烴源巖厚度大、差異小的特征,同時紋層發(fā)育,巖性以碳酸鹽礦物為主,包括層狀灰云/云灰?guī)r、紋層狀灰云/云灰?guī)r4類。根據(jù)取心資料分析,油組儲層孔隙度分布范圍3.05%～12.07%,平均值5.58%;有效儲層滲透率主要集中在0.05～0.1 mD,平均值為0.37 mD,屬低孔特低滲儲層。

目前英雄嶺頁巖油采用體積壓裂技術(shù)開發(fā),在采用工程地質(zhì)一體化模式進行探索的過程中,遇到了新的挑戰(zhàn),即無法準確評價工程甜點,這大大影響了儲層改造的施工效果。針對頁巖油勘探開發(fā)難題,開展儲層礦物成分分析、巖石力學實驗、可壓性評價等研究。通過不斷探索,形成了柴達木英雄嶺頁巖油“巖屑礦物分析技術(shù)、可壓性分析技術(shù)”為核心的工程甜點評價技術(shù),有效提升儲層改造方案質(zhì)量和施工效果。

1 巖屑礦物分析技術(shù)

1.1 可壓性分析基礎(chǔ)參數(shù)及獲取方法

在非常規(guī)油氣儲層改造中,甜點的發(fā)現(xiàn)是重中之重,地質(zhì)甜點代表了含油氣最高、物性最好的區(qū)域,也是最適合壓裂、改造效率最高、成本最低的區(qū)域[8-12]?；谀康膶拥牡V物分析、巖石力學參數(shù)分析可以有效評價工程甜點。通過巖心實驗可以獲得儲層礦物成分及巖石力學參數(shù),由于巖心是在鉆井的過程中采用取心工具獲得,具有成本高、難度大的局限性。研究發(fā)現(xiàn)針對小尺寸巖樣開展測試實驗也可以有效獲取儲層的基礎(chǔ)參數(shù)[13]。巖屑是隨鉆井液一起返到地面的小尺寸巖塊,成本低、容易獲取,開展巖屑礦物分析可以解決英雄嶺儲層深、取心難的問題。

1.2 巖屑礦物分析技術(shù)

巖屑礦物分析技術(shù)以顯微高光譜測試、微納米壓痕測試為基礎(chǔ),對巖屑進行掃描、測試及分析解釋得到礦物元素成分、含量及巖石力學參數(shù)。最后結(jié)合英雄嶺取心井巖石學實驗結(jié)果進行校正,獲得評價儲層地質(zhì)力學參數(shù)及地質(zhì)工程甜點的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

以干柴溝C902井為例,對該井4個層段的巖屑進行了礦物分析。顯微高光譜測試識別出巖屑中主要礦物為石英、碳酸鹽巖礦物和黏土類礦物,見表1;據(jù)此構(gòu)建了主要礦物成分的空間結(jié)構(gòu)數(shù)字模型,見圖1。

圖1 C902井巖屑數(shù)字模型圖

表1 C902井巖屑礦物成分表

巖石材料的宏觀變形與其礦物組成的力學性質(zhì)關(guān)系密切[14-15],微納米壓痕實驗是獲得巖石力學性能參數(shù)形成的重要手段[13,16-17]。通過微納米壓痕實驗,得到C902各礦物成分的彈性力學曲線和參數(shù),分別見圖2和表2。

圖2 C902井主要礦物成分載荷—位移曲線圖

表2 C902井主要礦物成分楊氏模量和泊松比表

結(jié)合C10井巖石力學實驗結(jié)果進行校正后得出C902井4個層段的數(shù)值計算結(jié)果,見表3。

表3 C902井巖石力學參數(shù)表

2 可壓性分析技術(shù)

頁巖油甜點段評價方法較多,評價參數(shù)的類型也存在較大差異[18]。結(jié)合英雄嶺頁巖油儲層特征和壓裂經(jīng)驗,基于測井解釋和巖屑基因掃描測試結(jié)果,把脆性、水平應力差和微裂隙發(fā)育評價3個因素作為可壓性評價指標,通過各參數(shù)的評價公式計算得到脆性指數(shù)、水平應力差異系數(shù)和微裂隙密度3個參數(shù),再確定參數(shù)的權(quán)重,形成了適用于英雄嶺頁巖油的可壓性評價模型,建立工程甜點評價技術(shù)。

結(jié)合文獻調(diào)研和英雄嶺工程經(jīng)驗,脆性是成功壓裂的基礎(chǔ)條件,最能反映儲層的可壓性,是最重要的參數(shù);其次是水平應力差,影響了裂縫的形態(tài);微裂隙發(fā)育評價主要影響裂縫擴展路徑,重要性最小[19]。

2.1 綜合脆性指數(shù)的計算方法

脆性分為礦物脆性和模量脆性,礦物脆性由礦物成分決定,模量脆性主要受裂隙的影響,所以采用考慮礦物和模量的綜合脆性指數(shù)公式。

礦物脆性公式[20]為:

(1)

模量脆性公式[21]為:

EBrit=(E-Emin)/(Emax-Emin)

(2)

μBrit=(μmax-μ)/(μmax-μmin)

(3)

B=(EBrit+μBrit)/2

(4)

綜合脆性指數(shù)公式為:

(5)

2.2 水平應力差異系數(shù)的計算方法

水平應力差異系數(shù)采用北美頁巖壓裂實踐經(jīng)驗,外國學者總結(jié)[22-23]計算公式:

Kh

(6)

2.3 微裂隙密度的計算方法

微裂隙密度是表征巖體結(jié)構(gòu)、物理力學特征的重要參數(shù)[24],采用的公式[25-27]為:

ρc

(7)

(8)

(9)

2.4 綜合可壓性指數(shù)公式和頁巖可壓性量化評價

通過層次分析法[28-29]對脆性指數(shù)、水平應力差異系數(shù)和微裂隙密度3個參數(shù)權(quán)重進行計算,判斷矩陣標度用來對比各參數(shù)之間的重要程度,數(shù)字1～3的比例標度來表示這種程度,見表4。通過對比與可壓性相關(guān)的各參數(shù)得到判斷矩陣,見表5。

表4 判斷矩陣標度表

表5 判斷矩陣A表

Tab.5 Judgment matrix A

表5 判斷矩陣A表

矩陣?A㊣參數(shù)水平應力差異系數(shù)微裂隙密度綜合脆性指數(shù)微裂隙密度123水平應力差異系數(shù)1/213/2綜合脆性指數(shù)1/32/31

(10)

(11)

(12)

ω=[ω1,ω2,···,ωn]T

(13)

FI=0.49FI1+0.31FI2+0.2FI3

(14)

根據(jù)英雄嶺頁巖油儲層特征,將可壓性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級,代表了高、中、低三種可壓性指數(shù),定義Ⅰ級為可壓性指數(shù)大于0.65的儲層,可壓性好,該區(qū)域代表儲層品質(zhì)最好的工程甜點;Ⅱ級為可壓性指數(shù)介于0.35～0.65之間儲層,可壓性中等,需要通過一些配套技術(shù)手段提高壓裂改造效果;Ⅲ級為可壓性指數(shù)小于0.35的儲層,可壓性差。

3 壓裂甜點評價技術(shù)應用實例

3.1 整體效果

工程甜點評價技術(shù)在柴達木盆地干柴溝區(qū)塊應用直井10井次30層組、水平井4井次,施工成功率達到100%。直井壓后平均產(chǎn)油量17.92 t/d,27層組達到工業(yè)油流,儲層改造有效率為90%,水平井平均產(chǎn)油量達54.77 t/d。

3.2 典型頁巖油井的應用效果

以水平井CP1井為例,水平段長997 m,應用情況見表6,采用工程甜點評價技術(shù)建立工程甜點解釋圖版,見圖3,可以得到楊氏模量范圍為30.64～59.44 GPa,平均值為37.22 GPa,泊松比平均值范圍為0.13～0.35,平均值為0.27?？蓧盒灾笖?shù)主要分布在0.48～0.62,平均為0.54,屬于Ⅱ類儲層,可壓性中等,需要配套提高施工規(guī)模等工藝手段進行壓裂改造。

圖3 CP1井可壓性指數(shù)解釋成果圖

表6 干柴溝組工程甜點評價技術(shù)應用情況表

基于測井數(shù)據(jù)與巖屑掃描結(jié)果沿井段進行甜點評價,地質(zhì)甜點主要對比孔隙度和含油飽和度兩個參數(shù)。將品質(zhì)相近的井段劃為同一壓裂段,降低段內(nèi)屬性差異,達到均勻改造的目的。壓裂段設(shè)計不跨層,不同小層內(nèi)部井段的品質(zhì)條件采用不同的參數(shù)閾值進行精細評價,突出顯示井段的屬性差異變化,為分段分簇設(shè)計提供基礎(chǔ)。采用限壓不限排量的原則優(yōu)化排量,根據(jù)孔眼摩阻與總孔數(shù)的關(guān)系優(yōu)化射孔總孔數(shù)為40孔以內(nèi),每段6簇、每簇射孔0.5 m、每簇6孔。通過模擬不同施工規(guī)模下的產(chǎn)能比變化規(guī)律及差異化設(shè)計原則,優(yōu)化砂量、液量等施工參數(shù),實現(xiàn)“縫控儲量”的動用,提高改造效果。壓后最高產(chǎn)油量達93.46 t/d,目前已累產(chǎn) 11 093.92 t,達到施工改造目的,見圖4。

圖4 CP1井壓后生產(chǎn)曲線圖

4 結(jié)論

1)針對深部地層取心作業(yè)難、取心少的難題,在柴達木盆地創(chuàng)新形成隨鉆巖屑基因掃描及基因解釋方法,填補了目的層段缺乏取心以及相關(guān)實驗的空白,為準確評價儲層地質(zhì)力學提供了依據(jù)。

2)針對柴達木頁巖油面臨的無法準確評價工程甜點的難點,初步形成了一套適應于柴達木盆地的頁巖油工程甜點評價技術(shù),能夠有效提高壓裂施工的質(zhì)量和效果。

3)工程甜點評價技術(shù)在干柴溝區(qū)塊成功應用14井次,儲層改造有效率為90%,取得了顯著的應用效果,助力頁巖油勘探開發(fā)取得新突破。