San Jorge 盆地凝灰質河道砂體儲層特征及其對壓裂作業(yè)的影響

李行船,樊慶真,Sergio Roberto Giordano

（中石化國勘阿根廷項目部，阿根廷布宜諾斯艾利斯）

水力壓裂作業(yè)時，準確的儲層表征是水力壓裂優(yōu)化設計的基礎。國內油氣田得益于體制/集團優(yōu)勢，在實施水力壓裂優(yōu)化設計時，先期開展的儲層表征工作業(yè)已完成，能夠較好地滿足壓裂模擬所需地質參數。而對于海外項目，對基礎研究往往重視不夠，造成許多重要地質資料的不足，加大了儲層改造優(yōu)化的難度。中石化阿根廷項目就是這方面的典型示例。

阿根廷項目工區(qū)內90%的新井需要實施壓裂完井投產。項目接手時，僅有地層壓力/孔滲/流體敏感性資料，據此開展的增產設計相對粗放，致使工藝成功率低（81%）。需要補充更多的重要地質信息即加強儲層表征工作，認識儲層特征對工藝作業(yè)的影響，以進一步實施優(yōu)化設計、提高工藝成功率及有效率。

1 San Jorge盆地及儲層地質簡況

項目工區(qū)位于San Jorge 盆地南翼，面積4069km2。油藏巖石潤濕性偏親水性，油藏原始含水飽和度高（35%～65%）、殘余油飽和度中等偏低，兩相流區(qū)間窄，油藏水驅油效率中等偏低；當鉆井液、作業(yè)液侵入后易造成水相為連續(xù)相、開井生產時呈現(xiàn)高含水，沒有無水采油期。而工區(qū)鉆固井時出于安全及優(yōu)快作業(yè)的需要所用泥漿密度在1.09～1.22g/cm3區(qū)間，高于儲層地層壓力（儲層壓力系數為0.93，折合地層壓力梯度為0.092MPa/m），極易導致儲層傷害。

從1990S 起，水力壓裂就成為了San Jorge 盆地各作業(yè)者解除地層污染、提高儲層產能的重要措施。但水力壓裂設計所錄入的地質資料仍局限于流壓/孔滲資料，缺乏第一手地應力狀態(tài)信息特別是水平主壓應力方向資料；縫長設計時考慮300m 井距的限定條件，與國內低滲透開發(fā)井網的規(guī)模類似、而沒有考慮到因沉積相態(tài)特征的不同導致的地質體展布特征差異。因而地質因素考慮不足、工程設計缺乏針對性是壓裂作業(yè)工藝成功率及有效率都比較低的重要原因；相應地，加強儲層表征研究是項目開展優(yōu)化作業(yè)工作的著力點。

2 工區(qū)地質體展布特征研究

水力壓裂的規(guī)模須考慮儲層的展布面積。對于低滲透儲層來說，無論是近源山麓洪積扇、水下扇、沖積扇、湖底扇重力流沉積還是遠源的三角洲相沉積，普遍存在范圍廣、厚度大特點，具備大規(guī)模改造的儲層地質條件。而對于San Jorge 盆地，通過野外考察對主力儲層Bajo Barreal/Castillo的研究發(fā)現(xiàn)砂體主要為直流河道沉積、而辮狀河道砂體較為少見；直流河道迂曲度小于1.23、平均厚度2～5m。對盆地中部擠壓帶露頭區(qū)的實地考察證實了這一點[4]，且河道砂體寬厚比具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，W/T≈30m。

為研究河道砂體的走向，抽取了10個區(qū)塊34口井計337 個巖芯/井壁取芯樣品，其中西區(qū)4 個區(qū)塊16 口井 169 個、中區(qū) 4 個區(qū)塊 11 口井 87 個、東區(qū) 2 個區(qū)塊 7口井81 個（圖1a）。由巖樣分析制作的碎屑成分投影圖（圖1b）顯示出巖漿弧源在砂體沉積中的重要性；且自西至東，亦顯示出沉積由過渡型島弧—分割型島弧—再旋回造山帶的漸變規(guī)律。

圖1 取樣井分布及碎屑成分投影圖

進一步的巖石礦物組分檢測顯示（圖2），項目三個礦區(qū)礦物組分差異明顯：①在東區(qū)，變質巖碎屑、石英礦物的含量特別是多晶石英的含量遠高于中西部，反映出前寒武—古生代結晶基底的貢獻；②西區(qū)易風化分解斜長石含量遠高于中、東區(qū)，中性火山巖屑的含量亦具相似特征，揭示出盆地南緣的Deseado高地其中西部發(fā)育有大量的侏羅紀中性火山巖對砂體沉積的重要作用；③而在中區(qū)，斜長石與鉀長石的含量相仿、且其它多種礦物含量在西、東區(qū)之間，在一定程度反映出多物源沉積特征；但酸性火山巖屑的含量明顯高出西、東區(qū)，顯示出盆地以西遠源白堊紀火山弧的沉積貢獻。

從物源分析結果可大致推斷工區(qū)內即砂體展布大致沿南北向，西區(qū)Mesta Sirven區(qū)塊的地球物理解釋成果證實了這一點。識別出的砂體走向比較清晰，預測河道砂體最大寬度大約300～400m，多數幾十米。

對如此窄而薄的砂體上實施水力壓裂改造，水力裂縫的延展方向是進行壓裂優(yōu)化設計需要重點關注的問題。需要準確地認識地下應力狀態(tài)。

3 工區(qū)地應力研究

地應力的研究包括量值跟方向兩個方面。

為深入地認識地應力特別是分層地應力分布特征，實驗抽取了工區(qū)8個區(qū)塊、51口井、138個巖樣開展巖石力學參數實驗。巖芯實驗（圖3）表明砂/泥段泊松比大致在0.8 以上，泥/砂段楊氏模量比值大都在0.7 以上。機械參數的接近意味著壓裂目的層與頂底層地應力差值減小、不利于水力壓裂縫高的控制。測試壓裂分析也證實了這一點，測試表明約有66%井例屬于裂縫在高度上過度擴展情形[1]；對壓裂優(yōu)化設計帶來不小的難度。

對于最大水平主壓應力方向，井壁崩落及誘導裂縫信息亦都表明最大水平主壓應力方向為近東西向。

圖2 各礦區(qū)平均巖石組分統(tǒng)計情況

通過對砂體展布及主應力的深入探究，有助于認識水力裂縫的擴展特征，為有針對性的實施水力壓裂優(yōu)化設計提供了重要依據。

4 對水力壓裂作業(yè)的影響及儲層改造優(yōu)化對策

4.1 儲層特征對水力壓裂作業(yè)的影響

在上述地質條件下實施水力壓裂，水力裂縫極易突破儲層延伸到河道砂體外或頂底高凝灰質泥頁巖中、導致水力裂縫的無效填充及砂堵事件發(fā)生；投產后高凝灰質泥圍巖亦可能沿填砂裂縫運移到儲層內填砂裂縫內，降低壓裂作業(yè)有效性。先期作業(yè)井在孔、滲條件、地層系數相近情況下所表現(xiàn)出來的壓裂規(guī)模越大、排量越高、加砂強度越高壓后產量越低的反常響應進一步證實了這一現(xiàn)象。與常規(guī)認識有嚴重出入[2-9]。

如表1 所示，工區(qū)壓裂改造可按加砂強度、加液強度劃分為高、中、低改造強度類型。通過已施工井例發(fā)現(xiàn)壓后動態(tài)與改造規(guī)模、施工強度呈負相關關系（圖4）。

圖3 巖石力學參數實驗結果

4.2 儲層改造優(yōu)化對策

鑒于地質體展布特征及分層地應力狀態(tài)對水力壓裂作業(yè)的影響，在開展壓裂設計優(yōu)化時，結合水力壓裂油藏數值模擬成果及凝灰質含量自東至西逐漸增加、下部Castillo 層凝灰質含量高于上部Bajo Barreal 層等認識，提出了儲層水力壓裂改造方案，如表2、表3 所示。

在表2 中，根據儲層滲透率限定了水力裂縫規(guī)模：當滲透率大于K＞50mD 時，采用約15m 半縫長；隨著滲透率降低、設計半縫長隨之增加；考慮到河道砂體的寬度限制，最大裂縫半長限定為50m。

表1 工區(qū)儲層改造作業(yè)分類

圖4 壓裂規(guī)模對油井產量的影響比較

表2 水力壓裂規(guī)模優(yōu)化方案

表3 中，與以往相比，對泵注排量和加砂強度做出重要調整。泵注排量由原先2.5m3/min降到1.9m3/min以下，且在不同區(qū)、不同層位做了具體調整；加砂強度亦從以往1.9m3/m 調至0.9m3/m，對Castillo 層甚至降到了0.7m3/m。

表3 泵注參數優(yōu)化方案

應用優(yōu)化措施后效果顯著：單井成本降低40%；工藝成功率從81%（420 井次）提高到90%以上（760 井次）；壓后一年內單井日均增油3m3/d。

5 結論

通過對主力儲層地質體展布特征、地應力狀態(tài)深入探究，為水力壓裂優(yōu)化設計提供了基礎依據，增強了儲層改造優(yōu)化的針對性，提升了壓裂改造效果，也受到了一些重要啟發(fā)。

（1）通過物源分析、結合露頭考察、地震解釋技術揭示出工區(qū)儲層南北向、薄而窄的展布特征；

（2）結合測井資料巖芯力學實驗確定了工區(qū)地應力狀態(tài)；

（3）通過儲層表征研究，成功解釋了對以往工藝的脫砂事件高發(fā)的原因：實施儲層改造時，水力裂縫易進入圍巖，造成砂堵事件及填砂裂縫的有效性，降低改造效果；

（4）針對性水力壓裂改造方案得以順利實施，提高了工藝成功率、措施效果也得到了提升，儲層研究的重要作用得到體現(xiàn)；

（5）加強工程與地質相結合、提高工藝技術的針對性值得引起壓裂工程師的關注。