頁巖油不同類型甜點對水平井壓裂產(chǎn)能影響規(guī)律*

張 方 高 陽 李映艷 何吉祥 徐東升 魯春華 李俊鍵

(1. 新疆油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆克拉瑪依 834000； 2. 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249)

隨著水平井水力壓裂技術(shù)的進步，非常規(guī)油氣的開發(fā)逐漸成為全球能源領域的熱點問題，被認為是接替常規(guī)油氣能源、支撐油氣革命的重要力量[1-2]。中國致密油地質(zhì)儲量豐富，全國9個重點陸相盆地的致密油地質(zhì)資源約為146.6億噸，高效開發(fā)致密油氣藏對保障中國能源安全具有重要意義[3-4]。但由于致密儲層孔喉半徑小，滲透率低，無自然工業(yè)油流。即使儲層經(jīng)過水力壓裂后，依然存在著產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)差的問題[5-7]。地質(zhì)工程一體化技術(shù)被認為是開發(fā)致密油氣的關(guān)鍵技術(shù)[8]。大慶油田扶余油層利用地質(zhì)工程一體化技術(shù)對水平井井位、井距、水平段長、裂縫半長、裂縫高度等進行優(yōu)化，實現(xiàn)了致密儲層整體改造[9]；瑪湖凹陷百口泉組油藏基于地質(zhì)工程一體化的思路對壓裂方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)了致密砂礫巖儲層的效益開發(fā)[10]；鄂爾多斯盆地延長組長7段利用地質(zhì)工程一體化技術(shù)實現(xiàn)了科學布井和高效鉆井[11]。然而，這些應用大都是利用一體化的平臺，進行快速的井軌跡及壓裂方案設計，卻忽略了儲層物性品質(zhì)和工程品質(zhì)對致密油氣產(chǎn)能的影響，導致同樣的一體化壓裂設計下的生產(chǎn)井產(chǎn)能差異大，部分新井投產(chǎn)開發(fā)后產(chǎn)量遞減快，穩(wěn)產(chǎn)困難。

在考慮儲層物性品質(zhì)和工程品質(zhì)時，很多學者提出了甜點的概念。陳福利 等[12]提出了致密儲層甜點甜度的概念，分析了在不同油價下的儲層甜點分布；楊智 等[13]系統(tǒng)闡述了甜點的內(nèi)涵，并將儲層劃分為地質(zhì)甜點區(qū)、工程甜點區(qū)和經(jīng)濟甜點區(qū)；趙文智[14]從烴源巖有機碳含量、熱成熟度等地質(zhì)沉積角度評價了泥巖和頁巖的甜點差異；諶卓恒 等[15]描述了致密油的生產(chǎn)特征并進行了甜點分布預測。然而，表征儲層供油能力的物性甜點與表征儲層改造潛力的工程甜點對產(chǎn)能的影響仍缺乏系統(tǒng)的認識。且對甜點進行多指標評價時，往往會出現(xiàn)不同指標之間評價結(jié)果不一致的情況，嚴重影響著甜點定量化評價的準確性。

本文利用模糊綜合評判方法，建立了多因素影響下的物性甜點模型和工程甜點模型，實現(xiàn)對儲層品質(zhì)的定量化分級評價；基于水平井鉆遇的不同類型甜點組合，分析了水平井產(chǎn)能規(guī)律，劃分了3類典型生產(chǎn)模式；結(jié)合地質(zhì)工程建模數(shù)模一體化技術(shù)，提出了3種壓裂模式，并優(yōu)化了不同模式下的水平井壓裂參數(shù)。該結(jié)果對致密油的高效開發(fā)具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

吉木薩爾蘆草溝組頁巖油位于準噶爾盆地東部隆起吉木薩爾凹陷，是前陸咸化湖盆頁巖油典型代表。埋藏深度在2 500～4 500 m，發(fā)育上下兩個甜點體，上甜點體厚度8～26 m，下甜點體厚度12～40 m。地質(zhì)儲量10.2億噸，其中探明儲量1.53億噸，是油田產(chǎn)量接替的重要保證。但儲集空間主要以粒間溶孔為主，納米級孔喉占儲集空間65%以上，平均孔喉半徑0.19 μm，平均孔隙度0.11，平均滲透率0.01 mD，且小于0.1 mD的實驗樣本占90%以上，含油飽和度在50%～95%。原油黏度較高，上甜點體50 ℃原油黏度在43.03～133.16 mPa·s，平均50.27 mPa·s，地層原油黏度10.70 mPa·s；下甜點體50 ℃原油黏度在94.20～407.08 mPa·s，平均 123.23 mPa·s，地層原油黏度14.10 mPa·s。

自2011年在吉25井發(fā)現(xiàn)了蘆草溝組頁巖油，目前已進入了規(guī)模建產(chǎn)階段。通過采用水平井+細分切割體積壓裂工藝(縫間距15 m、加砂強度2.0 m3/m、排量14 m3/min)，使得2口井年產(chǎn)油量突破萬噸，從而形成了以“水平井+細分切割體積壓裂”為主體的開發(fā)技術(shù)。2018年開展了200 m、260 m井距試驗和壓裂規(guī)模試驗，初步落實了以200 m井距、2.5 m3/m加砂強度、14 m3/min排量和15 m縫間距的主體開發(fā)部署參數(shù)。但是經(jīng)體積壓裂改造后，水平井生產(chǎn)能力差異大，主要呈現(xiàn)3類典型特征(圖1)：I類井初期產(chǎn)油量高，產(chǎn)量上升快，累產(chǎn)高；II類井具有一定的初產(chǎn)和累產(chǎn)；III類井初產(chǎn)低，累產(chǎn)差。為了實現(xiàn)頁巖油的高效開發(fā)，需要明確造成產(chǎn)能差異大的原因，并給出相應的對策，提高頁巖油的開發(fā)效果。

圖1 研究區(qū)生產(chǎn)動態(tài)特征Fig.1 Dynamic characteristics of production in the study area

2 甜點對產(chǎn)能的影響

2.1 甜點模型建立

保障頁巖油壓裂水平井高效開發(fā)主要包括2點：一是盡可能鉆遇優(yōu)質(zhì)儲層，保證一定的井控儲量；二是盡可能對儲層進行壓裂改造，獲得最大的SRV[16-19]。優(yōu)質(zhì)儲層通常認為是物性好、含油飽和度高的區(qū)域，即常說的物性甜點，而改造效果不僅受到改造規(guī)模的影響，還受到儲層巖石力學性質(zhì)的影響，即常說的工程甜點。根據(jù)孫龍德 等[3]從巖性、物性、含油性構(gòu)建的甜點三級評價體系，頁巖油藏物性甜點通常可以由孔隙度、滲透率和含油飽和度等指標來表征，工程甜點主要可由脆性指數(shù)、抗張強度以及兩向應力差等巖石力學參數(shù)來表征。一般脆性指數(shù)大、抗張強度小、兩向應力差小的儲層可壓性高，改造效果好[20]。

當采用多個單指標對甜點進行評價時，往往會出現(xiàn)不同指標之間評價結(jié)果不一致的情況[21]。為了綜合考慮各個指標的影響，本文利用模糊綜合評判方法，建立多因素影響下的物性甜點模型和工程甜點模型。建立甜點模型主要分為2大步驟：一是各個指標權(quán)重的確定；二是儲層甜點分級。

1) 權(quán)重確定。

灰色關(guān)聯(lián)是確定權(quán)重常用的方法[22-23]。在確定各指標權(quán)重之前，需要對各指標進行初始化，消除量綱的影響。孔隙度、滲透率、含油飽和度、脆性指數(shù)均為正向指標，而抗張強度、水平兩向應力差為反向指標，正向指標和反向指標初始化分別由下式確定：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x1(m)和x1(n)分別為第一口井各正向指標和各反向指標值；xi(m)和xi(n)分別為第i口井的正向指標和反向指標值；yi(m)和yi(n)分別為初始化后的正向指標和反向指標值。

以生產(chǎn)井一年的累產(chǎn)油為參考序列，分別以物性甜點與工程甜點的指標參數(shù)為比較序列,構(gòu)成矩陣[Y0,Y1,Y2,Y3]，其中，Y0為參考序列，Yi為比較序列；將矩陣中的每個比較序列與參考序列相減，可得到絕對差值矩陣：

將絕對差值矩陣中的數(shù)據(jù)作如下變換，即可得到相關(guān)系數(shù)矩陣：

(3)

式(3)中：Δi(k)為第k口井的第i個評價指標的絕對差值；分辨率系數(shù)ρ的值在(0，1)中，ρ越小，相關(guān)系數(shù)的差異越大；相關(guān)系數(shù)ξi(k)為不大于1的正數(shù)。

比較序列Yi和參考序列Y0之間的相關(guān)程度由n個相關(guān)系數(shù)反映，并且Yi和Y0的相關(guān)程度zi可以通過平均值來獲得(式(4))，關(guān)聯(lián)度的百分比即為權(quán)重(式(5))，結(jié)果如表1所示。

(4)

(5)

表1 甜點劃分標準Table 1 Classification criteria of sweet spot

2) 儲層甜點分級。

采用綜合指標評價甜點還需要解決分級的問題。由于表1已經(jīng)給出了單指標分級區(qū)間，則模糊綜合評判是確定甜點不同級別的有效方法[17]。物性甜點和工程甜點的評語集均為I類(好)、II類(中)、III類(差)。根據(jù)表1的各分級區(qū)間，將各實際參數(shù)代入式(6)～(8)即可求得隸屬度矩陣。

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：rij為第i個評價指標屬于第j個甜點等級的隸屬度；xi為第i個評價指標的取值；aij和bij均為第i個指標在第j個甜點等級的指標參數(shù)；μj1和μj2分別為第j個甜點等級區(qū)間的上下界。

權(quán)重向量與隸屬度矩陣的積即為綜合評判向量(式(9))，根據(jù)最大隸屬度原則，即可判定研究區(qū)的甜點等級。

Fz=W·R

(9)

式(9)中：W為權(quán)重向量；R為由rij組成的隸屬度矩陣；Fz是1×3的向量，向量元素對應的最大值即為該段甜點所屬的等級。

物性甜點及工程甜點三維甜點數(shù)據(jù)體分別如圖2和3所示。

2.2 物性甜點和工程甜點對產(chǎn)能的影響

基于建立的甜點模型，統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)各井沿井段的甜點分布，評價甜點與產(chǎn)能的關(guān)系。由于壓裂規(guī)模對壓裂水平井的產(chǎn)能影響很大，定義以500 m水平段長、10 000 m3壓裂液、2 m3/m 的加砂強度為基礎的半年產(chǎn)能，量化甜點對產(chǎn)能的影響(圖4、5)。物性甜點與工程甜點均和產(chǎn)能有一定的正相關(guān)關(guān)系，但從擬合系數(shù)來看，物性甜點與產(chǎn)能的相關(guān)性更好，同時由曲線擬合的斜率看，物性甜點對產(chǎn)能更加敏感。

圖3 工程甜點三維數(shù)據(jù)體Fig.3 3D data volume of engineering sweet spots

圖4 I類物性甜點與累產(chǎn)油關(guān)系Fig.4 Correlation results between type I geological sweet spot and cumulative oil production

圖5 I類工程甜點與累產(chǎn)油關(guān)系Fig.5 Correlation results between type I engineering sweet spot and cumulative oil production

甜點與產(chǎn)能存在一定的正相關(guān)關(guān)系，以水平井主要鉆遇的甜點類型與產(chǎn)能的大小為劃分標準，將研究區(qū)的井分為三類。I類井甜點主要為I類物性甜點與I類工程甜點，相應的產(chǎn)能高；II類井甜點主要為I類物性甜點和II/III類工程甜點，產(chǎn)能稍差于I類井；III類井甜點主要為II/III類物性甜點和I/II類工程甜點，產(chǎn)能遠差于I類井(表2)。

表2 不同類型井劃分Table 2 Different types of well division results

以3口典型井來具體分析甜點對產(chǎn)能的影響。從生產(chǎn)動態(tài)曲線來看，I類典型井J10043_H平均歸一化日產(chǎn)油3.6 t，并以平均3.9 t/d的產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)了近180 d，且未見下降趨勢；II類典型井J10019_H平均歸一化日產(chǎn)油2.9 t，并以平均2.7 t/d的產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)了近160天，且同樣未見下降趨勢；III類典型井J10021_H平均歸一化日產(chǎn)油0.6 t，雖有一定的穩(wěn)產(chǎn)期，但產(chǎn)量遠低于I類井和II類井(圖6)。

進一步分析3口典型井沿井段的物性甜點及工程甜點分布比例。I類井J10043_H井沿井段I類物性甜點占比高達96.21%，II類和III類物性甜點基本沒有；I、II類工程甜點占比分別為76.24%和23.76%，且不含III類工程甜點(圖7)。

圖6 3口典型井生產(chǎn)曲線Fig.6 Production curves of 3 typical wells

圖7 I類井J10043_H井甜點分布Fig.7 Sweet spots distribution of type I Well J10043_H

II類井J10019_H井沿井段物性甜點同樣主要是I類，占比74.6%；II類和III類物性甜點也有所分布，占比分別為11.93%和13.46%；但該井I類工程甜點僅占比6.72%，而III類工程甜點占比高達60.3%(圖8)。對比I類典型井甜點分布，推測由于工程甜點欠佳，導致該井的累產(chǎn)差于I類典型井。

圖8 II類井J10019_H井甜點分布Fig.8 Sweet spots distribution of type II Well J10019_H

III類井J10021_H井沿井段I類物性甜點占比僅有23.57%，相反III類物性甜點占比卻高達53.21%；I、II類工程甜點占比分別為74.18%和25.82%，無III類工程甜點(圖9)。和I類、II類典型井相比，III類典型井物性甜點太差是造成低產(chǎn)能的主要原因。

圖9 III類井J10021_H井甜點分布Fig.9 Sweet spots distribution of type III Well J10021_H

基于上述分析，總結(jié)3類典型井生產(chǎn)特征。I類生產(chǎn)井累產(chǎn)高，穩(wěn)產(chǎn)時間長，其甜點組合為I類物性甜點和I類工程甜點；II類生產(chǎn)井累產(chǎn)油及穩(wěn)產(chǎn)稍差于I類井，其甜點組合為I類物性甜點和II/III類工程甜點；III類生產(chǎn)井累產(chǎn)低，生產(chǎn)效果最差，其甜點組合為II/III類物性甜點和I/II類工程甜點。

3 基于甜點的壓裂設計

由3類典型井的生產(chǎn)特征可知，當I類物性甜點占比很大，同時I/II類工程甜點也有一定的分布，則該井的生產(chǎn)效果一般較好。而當物性甜點較差時，即使I類工程甜點占比很高，該井的生產(chǎn)效果一般較差。而頁巖油的壓裂效果同樣直接影響著油井產(chǎn)能[24-25]，因而為了獲得最優(yōu)的生產(chǎn)效果，需要針對不同的甜點分布，設計相應的壓裂方案，從而獲得最佳的生產(chǎn)效果。

3.1 從壓裂模擬到數(shù)值模擬

由甜點評價指標可知，物性甜點代表的是儲層的供油能力，工程甜點代表的是儲層改造難易程度。而要評價物性甜點與工程甜點對產(chǎn)能的綜合影響，需要進行壓裂模擬與油藏數(shù)值模擬。本文基于Petrel平臺，利用非常規(guī)裂縫模型(UFM)模擬水力裂縫擴展，UFM模型可模擬裂縫變形、高度增長、流體流動和支撐劑運移、水力裂縫之間應力陰影作用等過程，是目前主要的裂縫模擬器之一[26-27]。通過定義現(xiàn)場使用的壓裂液與支撐劑，并生成實際的泵注程序，得到典型的水力壓裂模擬結(jié)果(圖10)。在油藏數(shù)值模擬部分，通過對圖10所示的裂縫進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分生成數(shù)值模擬網(wǎng)格，進而進行油藏數(shù)值模擬(圖11)。在壓裂模擬及數(shù)值模擬過程中，通過對泵注曲線擬合校正裂縫模擬的結(jié)果以及利用生產(chǎn)動態(tài)擬合校正地質(zhì)模型，經(jīng)過校正后的模型構(gòu)成了壓裂設計的起點。

圖10 水力壓裂裂縫模擬結(jié)果Fig.10 Hydraulic fracturing simulation results

圖11 水力裂縫非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分結(jié)果Fig.11 Results of unstructured mesh generation of hydraulic fractures

3.2 壓裂設計

在進行壓裂設計時，選取累產(chǎn)油和凈現(xiàn)值(NPV)為評價指標，凈現(xiàn)值計算參數(shù)來自于文獻[21]。三類井的優(yōu)化結(jié)果如圖12～14所示。

由圖12可知，對于I類典型井，隨著壓裂段數(shù)的增多，累產(chǎn)油逐漸增多，同時其NPV也是逐漸增多。但壓裂段數(shù)超過40段后，其增油幅度很小，且NPV出現(xiàn)下降，故I類典型井的壓裂段數(shù)為40段。

這主要是因為I類典型井的I類物性甜點占比很大，保證了一定的產(chǎn)油能力，同時I類工程甜點保證了儲層的充分改造，所以通過增大壓裂段數(shù)會獲得較好的開發(fā)效果。但頁巖儲層畢竟導流能力有限，當儲層在一定壓裂規(guī)模下獲得最大的改造體積時，再增大壓裂段數(shù)對產(chǎn)油的貢獻也就很小了。

圖12 I類典型井壓裂規(guī)模優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Optimized results of fracturing scale in type I well

由圖13可知，對于II類典型井，當壓裂規(guī)模超過36段時，累產(chǎn)油量很難再增加，此時，NPV達到最高值。所以對于II類典型井，最優(yōu)的壓裂段數(shù)為36段。相比于I類典型井，II類典型井的壓裂規(guī)模適當減小，這主要是因為II類典型井的工程甜點差于I類典型井，儲層改造效果不如I類典型井，導致儲層的供液能力不及I類典型井。

圖13 II類典型井壓裂規(guī)模優(yōu)化結(jié)果Fig.13 Optimized results of fracturing scale in type II well

由圖14可知，對于III類典型井，在壓裂段數(shù)超過32段后，NPV即出現(xiàn)下降，因此該井的最優(yōu)壓裂段數(shù)為32段。因為該典型井的物性甜點為II/III類，儲層供油能力差，即使儲層改造的很充分，也很難獲得很高的產(chǎn)量。

圖14 III類典型井壓裂規(guī)模優(yōu)化結(jié)果Fig.14 Optimized results of fracturing scale in type III well

由此，確定三類水平井壓裂模式：模式1：I類物性甜點+I類工程甜點組合，采用大規(guī)模壓裂，保證產(chǎn)能的同時，追求經(jīng)濟效益最大化；模式2：I類物性甜點+II/III類工程甜點組合，采用中規(guī)模壓裂，追求較高的產(chǎn)能和經(jīng)濟效益；模式3：II/III類物性甜點+I類工程甜點組合，采用較小壓裂規(guī)模，主要是獲得一定產(chǎn)能的同時，保證一定的經(jīng)濟效益。

3.3 現(xiàn)場實踐

以優(yōu)化結(jié)果為指導，現(xiàn)場于2019年9月新鉆一口水平井，其中I類物性甜點占比81%，II、III類工程甜點占比分別為25%和70%，采用中等壓裂規(guī)模壓裂35段，單段內(nèi)3簇射孔，注入壓裂液總量55 000 m3。投產(chǎn)后，該井初產(chǎn)2.7 t，并以35 t的日產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)6個月，當前已累產(chǎn)9 800 t，產(chǎn)量遠高于同期其他井。

4 結(jié)論

致密油產(chǎn)能受儲層物性甜點及工程甜點的影響，通過優(yōu)化不同甜點組合下壓裂規(guī)模，可有效提高致密油開發(fā)效果。I類物性甜點+I類工程甜點組合模式下，適合大規(guī)模壓裂，追求產(chǎn)能及經(jīng)濟效益最大化；I類物性甜點+II/III類工程甜點組合模式下，適合中規(guī)模壓裂，追求較高的產(chǎn)能和經(jīng)濟效益；II/III類物性甜點+I類工程甜點組合模式下，適合小規(guī)模壓裂，追求一定產(chǎn)能的同時，保證一定的經(jīng)濟效益。