巴彥河套盆地片麻巖儲(chǔ)層改造工藝研究及應(yīng)用

李 凱，王孝超，陳猛如，趙政嘉，張 輝，趙偉峰，魏 凱

(1.北京斯迪萊鉑油氣技術(shù)有限公司，北京 100176； 2.中國(guó)石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

基巖油氣藏屬于特殊類型的油氣藏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已有超過(guò)300個(gè)盆地中發(fā)現(xiàn)了基巖油氣，基巖油氣藏石油儲(chǔ)量為5 048×108t，天然氣儲(chǔ)量為2 681×108m3[1]，開(kāi)采前景十分可觀。國(guó)內(nèi)渤海灣盆地遼河坳陷、冀中坳陷太古界花崗巖和變質(zhì)巖油氣藏儲(chǔ)量規(guī)模達(dá)數(shù)億噸，海拉爾盆地布達(dá)特群變質(zhì)巖儲(chǔ)層儲(chǔ)量達(dá)0.8×108t[2]?；鶐r油氣藏在國(guó)內(nèi)分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，可作為部分油田增儲(chǔ)保產(chǎn)的重要保證。片麻巖作為一類變質(zhì)巖，廣泛的分布于基巖油氣藏中，可成為一類優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)集體[1-3]。

巴彥河套盆地自1979年以來(lái)勘探成效并不理想，一直未獲工業(yè)性突破。2017～2018年發(fā)現(xiàn)古近系、白堊系、太古宇3套含油層系見(jiàn)良好的油氣顯示，并獲得工業(yè)油流，實(shí)現(xiàn)了臨河坳陷油氣勘探的重要發(fā)現(xiàn)。其中吉蘭泰潛山構(gòu)造區(qū)太古宇片麻巖儲(chǔ)層埋藏淺(小于3 000 m)、構(gòu)造背景好，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效快速勘探，并以此帶動(dòng)臨河坳陷整體勘探部署[4]。潛山片麻巖儲(chǔ)層受巖性的影響和儲(chǔ)集類型的限制，常規(guī)的砂泥巖壓裂改造工藝和碳酸鹽巖酸壓改造均不適合片麻巖儲(chǔ)層改造[5]。本文分析了巴彥河套盆地吉蘭泰潛山片麻巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征，借鑒了致密砂巖和頁(yè)巖等非常規(guī)油氣藏改造工藝技術(shù)，形成了一套適合該地區(qū)片麻巖儲(chǔ)層改造技術(shù)，為臨河坳陷的持續(xù)探索和落實(shí)規(guī)模儲(chǔ)量提供重要依據(jù)。

1 區(qū)塊地質(zhì)概況

巴彥河套盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)河套地區(qū)，東西長(zhǎng)、南北窄，平面上呈狹長(zhǎng)的弧形分布于陰山褶皺帶與鄂爾多斯盆地之間，面積約40 000 km2，其中盆地西部的臨河坳陷是最主要的沉積坳陷和含油氣區(qū)，東北方向長(zhǎng)約320 km，西北方向?qū)捈s70 km，面積為22 400 km2。如圖1所示，臨河坳陷具走滑拉分的性質(zhì)，呈東西分帶、南北分塊的構(gòu)造特征，存在下白堊統(tǒng)和漸新統(tǒng)2套主要烴源巖及3套生儲(chǔ)蓋油氣組合。深化圈-源關(guān)系及油氣成藏模式綜合分析，吉蘭泰潛山緊鄰北部深洼槽生烴區(qū)，狼山山前斷裂為油氣運(yùn)移的主要通道，側(cè)向供油條件好，是油氣聚集的有利區(qū)。

2 片麻巖儲(chǔ)層特征

2.1 礦物學(xué)特征

利用X射線衍射(X-ray powder diffraction，XRD)分析了研究區(qū)域的片麻巖巖芯，主要礦物成分為鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石及石英，次要礦物成分為角閃石、黃鐵礦和針鐵礦等，具體巖石礦物組分見(jiàn)表1。其中鈉長(zhǎng)石含量36.4%～63.6%，平均46.8%；鉀長(zhǎng)石為1.5%～17.8%，平均9.4%；石英為8.0%～33.9%，平均22.6%。反映出片麻巖儲(chǔ)層礦物以長(zhǎng)石為主，這為微裂縫的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 巴彥河套盆地臨河凹陷區(qū)域位置圖Fig.1 The Linhe depression of Bayanhetao basin

表1 巖石礦物組分及含量測(cè)試表Table 1 Mineral composition and content test of rock

2.2 物性特征

表2為片麻巖巖芯物性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，巖芯孔隙度最大5.35%，最小3.39%，平均4.43%，滲透率最大0.014 3×10-3μm2，最小0.001 6×10-3μm2，平均0.006 6×10-3μm2，反映出片麻巖儲(chǔ)層巖石致密，滲透性差，表現(xiàn)出低孔特低滲的特征。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖2為ZK1井巖芯恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，喉道直徑集中分布在1.5～4 μm之間，喉道直徑的分布，集中程度相對(duì)較高，以細(xì)小喉道為主體；孔隙直徑集中分布在90～135 μm之間，巖芯以中孔隙、大孔隙為主；孔隙喉道半徑比集中分布在20～80之間，顯示片麻巖儲(chǔ)層分選差，非均質(zhì)性強(qiáng)，整體物性極差。

表2 巖石物性測(cè)試表Table 2 Physical property test sheet of rock

圖2 ZK1井巖芯孔隙結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Pore structure of gneiss core in ZK1 well

2.4 裂縫發(fā)育特征

本研究利用ZK2井447.86～729.16 m巖芯統(tǒng)計(jì)了776條構(gòu)造裂縫發(fā)育狀況(裂縫傾角、裂縫密度、含油性、裂縫寬度等方面)。 結(jié)果顯示，巖芯含油裂縫296條，占比38.1%；裂縫平均密度為11.21條/m，裂縫寬度為0.2～4 mm，裂縫內(nèi)充填物以方解石為主。統(tǒng)計(jì)裂縫中高角度縫、斜交縫、低角度縫分別占46.7%、42.3%、11.0%，區(qū)塊裂縫以高角度縫為主，傾角集中在50°～75°之間，其次為斜交縫，圖3為ZK2井558～561 m井段裂縫發(fā)育情況。

圖3 ZK2井558～561 m井段裂縫圖Fig.3 Fracture diagram of from 558 m to 561 m in ZK2 well

3 片麻巖儲(chǔ)層改造難點(diǎn)分析

3.1 儲(chǔ)層基質(zhì)致密，物性差，貢獻(xiàn)率低

片麻巖儲(chǔ)層基質(zhì)的滲透率小于0.1×10-3μm2，有效孔隙度小于5%，基質(zhì)貢獻(xiàn)率小，油藏改造目標(biāo)以裂縫儲(chǔ)集空間及滲流通道為主。這就要求盡量激活并溝通更多的天然裂縫系統(tǒng)，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，建立儲(chǔ)集空間與井筒之間有效滲流通[6]。

3.2 楊氏模量高，抗壓強(qiáng)度大，加砂難度大

根據(jù)KAISER效應(yīng)巖芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[7]，表3為片麻巖儲(chǔ)層巖芯巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試表，結(jié)果顯示巖石楊氏模量為4.58×104MPa，泊松比為0.112，基質(zhì)抗壓強(qiáng)度321 MPa，反映儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度大，基巖壓開(kāi)難度大，具有一定的脆性，表明本區(qū)域片麻巖儲(chǔ)層有利于實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂改造，但壓裂裂縫縫寬受限，容易引發(fā)砂堵，加砂難度大。

3.3 儲(chǔ)層隔層應(yīng)力差異小，高角度天然裂縫發(fā)育，裂縫縫高不易控制

根據(jù)該區(qū)域ZK2和ZK7兩口井陣列聲波測(cè)井分析結(jié)果，片麻巖儲(chǔ)層縱向上水平最小應(yīng)力值在10.20～11.20 MPa范圍變化，差異性小，由于無(wú)高應(yīng)力層隔擋，壓裂改造過(guò)程中裂縫易上下延伸；同時(shí)儲(chǔ)層以高角度天然裂縫為主，激活及溝通天然裂縫過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致裂縫上下延伸，因此片麻巖儲(chǔ)層改造過(guò)程縫高控制也是重點(diǎn)。

3.4 儲(chǔ)層埋藏淺，地層溫度低，壓裂液破膠困難

普通氧化破膠劑活性和溫度密切有關(guān)，一般當(dāng)溫度低于49 ℃時(shí)，反應(yīng)速度很慢，壓裂液破膠不徹底，會(huì)導(dǎo)致壓裂液殘膠吸附滯留在基質(zhì)孔隙和支撐裂縫中，對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害[8]，從而直接影響液體返排和壓裂施工效果。

河套盆地片麻巖儲(chǔ)層由于埋藏淺，地層溫度低，普遍在25～35 ℃之間，屬于低溫油藏。采用常規(guī)壓裂液破膠技術(shù)難以達(dá)到有效破膠、快速返排的目的。

4 片麻巖儲(chǔ)層改造技術(shù)探討

根據(jù)片麻巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征和巖石力學(xué)特征，采取了一系列配套的壓裂改造技術(shù)。

4.1 多尺度裂縫支撐技術(shù)

吉蘭泰凹陷片麻巖儲(chǔ)層具有天然裂縫發(fā)育、楊氏模量高、脆性明顯等特點(diǎn)。根據(jù)片麻巖儲(chǔ)層特點(diǎn)，借鑒非常規(guī)油氣縫網(wǎng)壓裂改造思路，采用不同粒徑支撐劑組合加砂技術(shù)，大粒徑支撐劑保持了主裂縫的高導(dǎo)流能力，小粒徑支撐劑降低了砂堵風(fēng)險(xiǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了多尺度裂縫支撐，充分釋放分支裂縫及微裂縫的產(chǎn)能[9]。

4.2 控縫高技術(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外裂縫垂向擴(kuò)展的研究成果，經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)精細(xì)評(píng)價(jià)和論證，結(jié)合河套盆地片麻巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特點(diǎn)，室內(nèi)模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，裂縫縫高與壓裂液黏度、施工排量呈正比關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可采用低黏度滑溜水進(jìn)行前置液造縫；同時(shí)前置液階段施工排量由低到高逐漸增大的變排量工藝技術(shù)，雙重作用下有效降低裂縫延伸高度[10]。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表Table 3 Mechanical parameters test results of rock

圖4 單因素與縫高關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between single factor and crack height

4.3 低溫破膠技術(shù)

針對(duì)低溫條件下破膠難度大的問(wèn)題，在篩選了多種破膠方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)壓裂液性能實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了一種破膠促進(jìn)劑。結(jié)果表明，由破膠劑與破膠促進(jìn)劑組成的液體的破膠速度隨用量的增大而加快，破膠時(shí)間可根據(jù)加入量控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的破膠促進(jìn)劑使用濃度在0.10%～0.20%范圍內(nèi)，可激發(fā)破膠劑的活性，實(shí)現(xiàn)壓裂液在低溫條件下也能徹底破膠的目的，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 低溫破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Experimental results of low-temperature gel breaking

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3口井(ZK2井、ZK5井、ZK7井，具體位置見(jiàn)圖1)，儲(chǔ)層巖性為片麻巖巖。改造井段范圍在428.20～600.00 m，具有低溫、低孔特低滲、天然裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，壓裂施工過(guò)程中，前置液采用滑溜水造縫，攜砂液采用線性膠攜砂，施工排量為5.0～8.0 m3/min，0.212～0.425 mm和0.300～0.600 mm粒徑組合支撐劑。

壓后返排順利，返排液破膠徹底，破膠液黏度控制在5 mPa·s以下；壓裂后微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，裂縫縫高范圍20～50 m，平均縫高35 m，控縫高方面取得了較好的效果；3口井壓裂后產(chǎn)油量為10.5～27.96 m3/d，平均產(chǎn)油量達(dá)到19.83 m3/d,達(dá)到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)吉蘭泰潛山片麻巖儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)具有重要的借鑒意義。

6 結(jié) 論

1) 借鑒縫網(wǎng)壓裂理論，采用不同粒徑支撐劑組合技術(shù)，既保持了主裂縫的高導(dǎo)流能力，又降低了砂堵風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了分支縫及微裂縫的產(chǎn)能釋放，利于片麻巖裂縫性儲(chǔ)層的有效開(kāi)發(fā)。

2) 采用低黏壓裂液及變排量施工技術(shù)，可有效控制裂縫縫高，降低裂縫穿越隔層引發(fā)縫高失控的風(fēng)險(xiǎn)，保障了壓裂改造效果。

3) 采用低溫活化破膠技術(shù)，添加破膠促進(jìn)劑，破膠時(shí)間可控，破膠徹底，有效降低了壓裂液殘膠對(duì)片麻巖儲(chǔ)層的傷害。

4) 片麻巖儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)3口井進(jìn)行了成功應(yīng)用，增產(chǎn)效果顯著，對(duì)類似儲(chǔ)層的壓裂改造具有積極的推廣應(yīng)用價(jià)值。