賀 沛,吳金橋,劉安邦,張鋒三,李 珮,郭 慶,羅 攀,張 磊

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,西安 710065)

0 引言

中國(guó)頁(yè)巖資源分布于海相、陸相和海陸過(guò)渡相頁(yè)巖中,可采資源量達(dá)到25.08×1012m3,其中陸相頁(yè)巖氣可采資源潛力為7.9×1012m3,占頁(yè)巖氣總可采資源量的31.5%[1-2]。陸相頁(yè)巖除川西坳陷外,主要發(fā)育在鄂爾多斯盆地。自2008年起延長(zhǎng)石油對(duì)所屬探區(qū)陸相頁(yè)巖開(kāi)始勘探開(kāi)發(fā),2011年探區(qū)內(nèi)柳評(píng)177井成功壓裂并點(diǎn)火試氣,成為中國(guó)第1口陸相頁(yè)巖氣井[3],2012年建立延長(zhǎng)石油延安國(guó)家級(jí)陸相頁(yè)巖氣示范區(qū)。2014年起,探區(qū)內(nèi)開(kāi)發(fā)層位由中生界延長(zhǎng)組轉(zhuǎn)為古生界山西組,開(kāi)發(fā)井型由直井轉(zhuǎn)變?yōu)樗骄?借鑒目前“水平井+分段壓裂”開(kāi)發(fā)技術(shù),產(chǎn)量得到一定突破,但高產(chǎn)井少,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)采難度大。

水平井分段壓裂技術(shù)中,分段分簇參數(shù)設(shè)計(jì)是影響儲(chǔ)層改造體積的關(guān)鍵,過(guò)大或過(guò)小的簇間距均會(huì)降低壓裂效率[4-6]。北美2009年提出減少簇間距提高采收率的方法,Alcloser認(rèn)為,多簇大規(guī)模壓裂“打碎”井筒周?chē)膸r石是壓裂未來(lái)的發(fā)展方向;2012年減小簇間距和段間距設(shè)計(jì)的多簇壓裂技術(shù)開(kāi)始在國(guó)外推廣[7],2017年簇間距從20.0 m縮小到4.6 m[8]。2017年以來(lái),我國(guó)四川盆地頁(yè)巖氣加快多簇壓裂試驗(yàn),長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊水平井段內(nèi)最大簇?cái)?shù)由3簇增加至8簇[9]。相比于北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)和四川盆地海相頁(yè)巖研究,鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖研究起步晚,海陸相頁(yè)巖差異大,技術(shù)借鑒存在一定壁壘[10]。該文針對(duì)陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)特征,對(duì)延長(zhǎng)探區(qū)東部延川地區(qū)山西組頁(yè)巖儲(chǔ)層,開(kāi)展了水平井差異化分簇參數(shù)優(yōu)化,模擬不同壓裂簇間距及射孔數(shù)量對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響,優(yōu)化形成了不同類(lèi)型儲(chǔ)層壓裂工藝參數(shù),并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得良好效果。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

延長(zhǎng)探區(qū)陸相頁(yè)巖主要位于鄂爾多斯盆地東南部,古生界山西組山1段泥頁(yè)巖為淺湖環(huán)境下的三角洲前緣沉積,巖性主要為深灰-灰黑色泥頁(yè)巖、粉砂巖及中細(xì)砂巖,發(fā)育水平層理、平行層理和脈狀層理。山1段陸相頁(yè)巖埋深2 400～2 600 m,段累積厚度為30～75 m,孔隙度為0.4%～1.5%,滲透率為(0.007～0.242)×10-3μm2,平均脆性礦物含量為41.9%,以石英和長(zhǎng)石為主;平均黏土礦物含量為52.6%,主要為高嶺石和伊利石[11-14]。地層壓力系數(shù)為(0.70～0.91) MPa/100 m,水平應(yīng)力差為6～11 MPa。與國(guó)內(nèi)外海相頁(yè)巖相比[15],山1陸相頁(yè)巖氣吸附氣比例高,黏土礦物含量高,熱演化程度低,地層壓力低,脆性礦物含量低,巖性縱、橫向變化快,非均質(zhì)性強(qiáng)(見(jiàn)表1),儲(chǔ)層改造增產(chǎn)難度大。

2 差異化分簇設(shè)計(jì)

2.1 壓裂工程甜點(diǎn)優(yōu)選

山西組陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層物性變化快,常規(guī)分段分簇方式難以實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)儲(chǔ)層充分改造的要求[16]。為此考慮儲(chǔ)層品質(zhì)(巖性、物性和電性指標(biāo))以及工程品質(zhì)(楊氏模量、泊松比和可壓性指標(biāo))建立了儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2),綜合儲(chǔ)層地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程評(píng)價(jià)結(jié)果,優(yōu)選水平段“壓裂工程甜點(diǎn)”,為水平井壓裂射孔位置選擇提供參考。根據(jù)篩選,Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層主要為細(xì)砂巖,泥質(zhì)含量約為20%,氣測(cè)顯示良好段;Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層主要為泥頁(yè)巖夾薄層砂巖,是儲(chǔ)層含氣性差的層段;Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層主要為純泥巖段,幾乎無(wú)空隙及滲透性,無(wú)氣測(cè)顯示。

表2 陸相頁(yè)巖氣水平井儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Reservoir classification and evaluation criteria for horizontal shale gas wells in continental shale gas

2.2 壓裂縫網(wǎng)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型

建立全三維裂縫擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型,采用測(cè)井-錄井-巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)非均質(zhì)儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà),利用數(shù)值模擬計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂縫網(wǎng)改造的儲(chǔ)層改造體積和支撐裂縫表面積的定量預(yù)測(cè)。主要步驟:1)根據(jù)導(dǎo)眼井錄井、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果校正,建立連續(xù)的縱向巖石力學(xué)及地應(yīng)力剖面,表征儲(chǔ)層變化的垂向非均質(zhì)性。根據(jù)水平井鉆井、錄井和測(cè)井等井筒信息,建立儲(chǔ)層連續(xù)橫向巖石力學(xué)及地應(yīng)力剖面,表征儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性;2)根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)及套管參數(shù)建立水平井鉆井和完井井筒模型;3)以裂縫導(dǎo)流能力試驗(yàn)和壓裂液性能實(shí)驗(yàn)為依據(jù),獲取壓裂液及支撐劑性能參數(shù);4)以壓裂施工數(shù)據(jù)為約束,采用三維有限元方法,實(shí)現(xiàn)人工裂縫的精細(xì)描述。壓裂模擬后,通過(guò)微地震機(jī)制反演,提取微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),反演裂縫形態(tài),通過(guò)數(shù)據(jù)擬合匹配,修正校準(zhǔn)壓裂縫網(wǎng)模型。

YYP-4井是山西組陸相頁(yè)巖氣壓裂試驗(yàn)井,該井垂深2 596.54 m,水平段長(zhǎng)676 m,水平段主要在山西組山1段。壓裂施工8段24簇,單段液量為1 000～1 300 m3,單段砂量為55～75 m3,泵注排量為12～14 m3/min。以壓裂第5段為例,地層應(yīng)力剖面及裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖1和圖2所示,可以看出,山西組頁(yè)巖壓裂后裂縫更容易在儲(chǔ)層中下部擴(kuò)展,儲(chǔ)層濾失作用不嚴(yán)重,施工結(jié)束后,波及的裂縫長(zhǎng)度中有1/2可以實(shí)現(xiàn)有效支撐。對(duì)比裂縫正演和反演模擬數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3),模擬裂縫波及的縫長(zhǎng)與微地震反演縫長(zhǎng)一致性較高,誤差為9.56%,縫高模擬和儲(chǔ)層改造體積計(jì)算誤差約為20%。整體來(lái)看,通過(guò)微地震反演的裂縫形態(tài),校正該模型中地層參數(shù),可靠性較高,可用于研究區(qū)壓裂參數(shù)分析。

圖1 YYP-4井垂向應(yīng)力剖面與第5段裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.1 Vertical stress profile and fracture propagation of the fifth section in well YYP-4

圖2 YYP-4井第5段裂縫模擬與微地震監(jiān)測(cè)俯視圖Fig.2 Comparison of fracture simulation and microseismic monitoring in the fifth section of well YYP-4

表3 YYP-4井模擬裂縫形態(tài)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of simulated fracture pattern and monitoring data in well YYP-4

2.3 不同品質(zhì)儲(chǔ)層壓裂分簇參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 簇間距優(yōu)化

為保證裂縫均勻起裂,有效溝通儲(chǔ)層,壓裂分段時(shí)選擇巖性一致及應(yīng)力差較小的地層作為同一段。針對(duì)山1段Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層,利用上述方法建立模型,模擬不同簇?cái)?shù)下裂縫擴(kuò)展。在壓裂段80 m段長(zhǎng)內(nèi)等距離均勻布縫,設(shè)計(jì)簇間距分別為30 m,20 m,15 m,10 m和6 m,注入排量為14 m3/min,壓裂規(guī)模為1 200 m3,其他施工參數(shù)一致。不同簇間距優(yōu)化對(duì)比方案見(jiàn)表4;同一段內(nèi)不同簇間距下裂縫擴(kuò)展俯視圖如圖3所示。

圖3 同一段內(nèi),不同簇間距下裂縫擴(kuò)展俯視圖Fig.3 In the same section, the crack propagation under different cluster spacing

表4 不同簇間距優(yōu)化對(duì)比方案Table 4 Different cluster spacing optimization schemes

由圖3可以看出,段內(nèi)簇間距為30 m,20 m和15 m時(shí),各條裂縫均能獨(dú)立擴(kuò)展,裂縫間的相互影響很小;簇間距縮小到10 m時(shí)裂縫延伸不均勻;簇間距為6 m時(shí),各裂縫的增長(zhǎng)出現(xiàn)明顯差異,不是所有裂縫都能實(shí)現(xiàn)向儲(chǔ)層深部擴(kuò)展。隨著簇間距的減小,縫長(zhǎng)和縫寬呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(如圖4所示),一方面是多簇分流,降低了單簇進(jìn)液量,裂縫擴(kuò)展波及范圍減小;另一方面是簇間距的減小,使裂縫之間的相互作用力增強(qiáng),中間裂縫的擴(kuò)展受到抑制,更偏向形成短而窄的裂縫。

圖4 不同簇間距下,裂縫形態(tài)變化Fig.4 Under different cluster spacing, crack morphology changes

支撐裂縫面積是有效反映裂縫與儲(chǔ)層的接觸情況以及滲流通道大小的直接參數(shù),裂縫面積越大,儲(chǔ)層改造效果越好。不同簇?cái)?shù)壓裂后,裂縫總面積變化如圖5所示,可以看出,壓裂簇?cái)?shù)不是越多越好。對(duì)于Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層而言,因儲(chǔ)層滲透性好,濾失性強(qiáng),層理較發(fā)育,裂縫容易開(kāi)啟。隨著簇?cái)?shù)的增加,單簇進(jìn)液量快速降低,縫內(nèi)凈壓力降低,裂縫向地層延伸的能力減小,裂縫總面積降低。結(jié)合裂縫形態(tài),認(rèn)為Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層需要合理增大布縫強(qiáng)度,提高油氣滲流通道,即段內(nèi)4～7簇、簇間距為10～15 m時(shí)改造能力最大。

圖5 不同簇?cái)?shù)下,裂縫總面積變化Fig.5 Under different number of clusters,the total area of cracks changes

采用相同的研究方法,對(duì)Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層進(jìn)行簇間距優(yōu)化,結(jié)果如圖6所示。可以看出,不論哪類(lèi)儲(chǔ)層,簇間距過(guò)小,均會(huì)導(dǎo)致裂縫總面積減小,降低改造效果。同樣的壓裂簇?cái)?shù)下,儲(chǔ)層性質(zhì)越好,造縫性越強(qiáng),通過(guò)增加簇?cái)?shù)提高裂縫密度,擴(kuò)大裂縫總面積的改造效果越顯著。綜合考慮儲(chǔ)層和產(chǎn)能成本因素,Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層整體含氣性顯示低,需要盡可能釋放產(chǎn)能,其段內(nèi)壓裂3～5簇、簇間距為15～20 m較好;Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層采取精準(zhǔn)布縫的改造方式,盡可能溝通井筒遠(yuǎn)端地層裂縫,其段內(nèi)壓裂2～3簇、簇間距為20～35 m較好。

圖6 不同類(lèi)型儲(chǔ)層下,簇?cái)?shù)對(duì)裂縫總面積的影響Fig.6 Under different quality of reservoirs, the influence of the number of clusters on the total area of cracks

2.3.2 射孔數(shù)量?jī)?yōu)化

增加壓裂簇?cái)?shù),提高裂縫密度有助于充分改造儲(chǔ)層,但多簇壓裂時(shí)中間裂縫容易受到抑制。為了減弱多簇壓裂導(dǎo)致的裂縫非均勻擴(kuò)展,采用限流射孔的方式[17-19],降低孔數(shù)迫使壓裂液分流,改善段內(nèi)各簇裂縫的進(jìn)液量。根據(jù)上述簇間距模擬結(jié)果,對(duì)Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層壓裂6簇(簇間距11 m),段內(nèi)射孔數(shù)分別為8孔/簇、6孔/簇和4孔/簇的情況進(jìn)行裂縫擴(kuò)展模擬。模擬使用排量為14 m3/min,壓裂規(guī)模為1 200 m3,其他施工參數(shù)一致。

對(duì)比不同孔數(shù)下裂縫擴(kuò)展情況(如圖7所示)和各條裂縫的進(jìn)液量占比(如圖8所示),可以看出,隨著孔數(shù)減少,各裂縫的延伸更均勻,縫長(zhǎng)趨于一致。8孔/簇時(shí),外側(cè)裂縫與中間裂縫進(jìn)液量占比差異最大達(dá)到38%,射孔數(shù)減少到4孔/簇時(shí),中間裂縫的進(jìn)液量明顯增加,各條裂縫的進(jìn)液量差異減小到16%以?xún)?nèi),進(jìn)液量占比趨于均勻。考慮孔數(shù)與孔眼摩阻的相關(guān)性,孔數(shù)降低會(huì)增大孔眼摩阻,提高地面設(shè)備的施工壓裂。因此,Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層壓裂6簇時(shí),優(yōu)化孔數(shù)為6孔/簇。

圖7 不同射孔數(shù)下,裂縫擴(kuò)展情況Fig.7 Under different number of perforations, the crack propagation situation

圖8 不同射孔數(shù)下,各射孔簇進(jìn)液量占比Fig.8 Under different number of perforations, the percentage of liquid in each perforation cluster

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)估

通過(guò)上述壓裂模型和參數(shù)優(yōu)化方法,采用一井一策的壓裂方式,2019年以來(lái),針對(duì)山西組陸相頁(yè)巖氣開(kāi)展了7井次壓裂施工,有3井次完成了試氣求產(chǎn)。以YYP5-1井為例,該井水平段長(zhǎng)1 183 m,壓裂施工47簇,入地總液量為12 995 m3,支撐劑用量為649.5 m3,壓裂排量為12～14 m3/min,簇間距為19～26 m,進(jìn)液強(qiáng)度為10.95 m3/m,平均砂比為8.8%。壓裂井中微地震測(cè)試顯示(如圖9所示),4～13段裂縫整體擴(kuò)展不均勻向西翼延伸,僅第8段和第9段之間存在部分交叉重疊,前3段由于監(jiān)測(cè)井位置原因,只反映部分裂縫形態(tài)。整體儲(chǔ)層改造比較理想,證明壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)合理。該井試氣累積排液279天,返排率達(dá)26.4%,用“一點(diǎn)法”求產(chǎn),平均產(chǎn)氣量為3.141 3×104m3/d,不產(chǎn)水,無(wú)阻流量為6.008 8×104m3/d。YYP4和YYP5這2口頁(yè)巖氣井無(wú)阻流量分別為6.331 0×104m3/d和5.786 1×104m3/d,較之前單井無(wú)阻流量增加3倍,更具開(kāi)采價(jià)值。

圖9 YYP5-1井整體事件俯視圖Fig.9 Top view of the overall incident of well YYP5-1

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1)基于微地震監(jiān)測(cè)和壓裂施工數(shù)據(jù),建立準(zhǔn)確的壓裂模型,是有效預(yù)測(cè)裂縫擴(kuò)展形態(tài)和儲(chǔ)層改造效果的基礎(chǔ)。

2)陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),劃分儲(chǔ)層品質(zhì)應(yīng)一段一策,差異化分簇壓裂設(shè)計(jì)是提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度的有效方法。

3)多簇壓裂時(shí),儲(chǔ)層品質(zhì)越好,依靠增加簇?cái)?shù)提高支撐裂縫總面積的效果越顯著,但簇?cái)?shù)越多,裂縫的非均勻擴(kuò)展越嚴(yán)重。限流壓裂可以有效改善多簇裂縫的非均勻擴(kuò)展。

4)隨著“細(xì)分切割+縫控儲(chǔ)量”壓裂理念的發(fā)展,提高多簇裂縫擴(kuò)展能力的暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)將成為多簇壓裂必需的配套工藝。目前暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)處于現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)階段,轉(zhuǎn)向機(jī)理和暫堵時(shí)機(jī)還不明確,下一步將對(duì)此方向進(jìn)行研究。