San Jorge 盆地凝灰質(zhì)河道砂體儲(chǔ)層特征及其對(duì)壓裂作業(yè)的影響

李行船,樊慶真,Sergio Roberto Giordano

（中石化國(guó)勘阿根廷項(xiàng)目部，阿根廷布宜諾斯艾利斯）

水力壓裂作業(yè)時(shí)，準(zhǔn)確的儲(chǔ)層表征是水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)油氣田得益于體制/集團(tuán)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)施水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，先期開展的儲(chǔ)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(zhì)參數(shù)。而對(duì)于海外項(xiàng)目，對(duì)基礎(chǔ)研究往往重視不夠，造成許多重要地質(zhì)資料的不足，加大了儲(chǔ)層改造優(yōu)化的難度。中石化阿根廷項(xiàng)目就是這方面的典型示例。

阿根廷項(xiàng)目工區(qū)內(nèi)90%的新井需要實(shí)施壓裂完井投產(chǎn)。項(xiàng)目接手時(shí)，僅有地層壓力/孔滲/流體敏感性資料，據(jù)此開展的增產(chǎn)設(shè)計(jì)相對(duì)粗放，致使工藝成功率低（81%）。需要補(bǔ)充更多的重要地質(zhì)信息即加強(qiáng)儲(chǔ)層表征工作，認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層特征對(duì)工藝作業(yè)的影響，以進(jìn)一步實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高工藝成功率及有效率。

1 San Jorge盆地及儲(chǔ)層地質(zhì)簡(jiǎn)況

項(xiàng)目工區(qū)位于San Jorge 盆地南翼，面積4069km2。油藏巖石潤(rùn)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(qū)油效率中等偏低；當(dāng)鉆井液、作業(yè)液侵入后易造成水相為連續(xù)相、開井生產(chǎn)時(shí)呈現(xiàn)高含水，沒有無水采油期。而工區(qū)鉆固井時(shí)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(chǔ)層地層壓力（儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.93，折合地層壓力梯度為0.092MPa/m），極易導(dǎo)致儲(chǔ)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(chǔ)層產(chǎn)能的重要措施。但水力壓裂設(shè)計(jì)所錄入的地質(zhì)資料仍局限于流壓/孔滲資料，缺乏第一手地應(yīng)力狀態(tài)信息特別是水平主壓應(yīng)力方向資料；縫長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮300m 井距的限定條件，與國(guó)內(nèi)低滲透開發(fā)井網(wǎng)的規(guī)模類似、而沒有考慮到因沉積相態(tài)特征的不同導(dǎo)致的地質(zhì)體展布特征差異。因而地質(zhì)因素考慮不足、工程設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)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(yīng)地，加強(qiáng)儲(chǔ)層表征研究是項(xiàng)目開展優(yōu)化作業(yè)工作的著力點(diǎn)。

2 工區(qū)地質(zhì)體展布特征研究

水力壓裂的規(guī)模須考慮儲(chǔ)層的展布面積。對(duì)于低滲透儲(chǔ)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(yuǎn)源的三角洲相沉積，普遍存在范圍廣、厚度大特點(diǎn)，具備大規(guī)模改造的儲(chǔ)層地質(zhì)條件。而對(duì)于San Jorge 盆地，通過野外考察對(duì)主力儲(chǔ)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(duì)盆地中部擠壓帶露頭區(qū)的實(shí)地考察證實(shí)了這一點(diǎn)[4]，且河道砂體寬厚比具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，W/T≈30m。

為研究河道砂體的走向，抽取了10個(gè)區(qū)塊34口井計(jì)337 個(gè)巖芯/井壁取芯樣品，其中西區(qū)4 個(gè)區(qū)塊16 口井 169 個(gè)、中區(qū) 4 個(gè)區(qū)塊 11 口井 87 個(gè)、東區(qū) 2 個(gè)區(qū)塊 7口井81 個(gè)（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(jìn)一步的巖石礦物組分檢測(cè)顯示（圖2），項(xiàng)目三個(gè)礦區(qū)礦物組分差異明顯：①在東區(qū)，變質(zhì)巖碎屑、石英礦物的含量特別是多晶石英的含量遠(yuǎn)高于中西部，反映出前寒武—古生代結(jié)晶基底的貢獻(xiàn)；②西區(qū)易風(fēng)化分解斜長(zhǎng)石含量遠(yuǎn)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(jì)中性火山巖對(duì)砂體沉積的重要作用；③而在中區(qū)，斜長(zhǎng)石與鉀長(zhǎng)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(yuǎn)源白堊紀(jì)火山弧的沉積貢獻(xiàn)。

從物源分析結(jié)果可大致推斷工區(qū)內(nèi)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(shí)了這一點(diǎn)。識(shí)別出的砂體走向比較清晰，預(yù)測(cè)河道砂體最大寬度大約300～400m，多數(shù)幾十米。

對(duì)如此窄而薄的砂體上實(shí)施水力壓裂改造，水力裂縫的延展方向是進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。需要準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)地下應(yīng)力狀態(tài)。

3 工區(qū)地應(yīng)力研究

地應(yīng)力的研究包括量值跟方向兩個(gè)方面。

為深入地認(rèn)識(shí)地應(yīng)力特別是分層地應(yīng)力分布特征，實(shí)驗(yàn)抽取了工區(qū)8個(gè)區(qū)塊、51口井、138個(gè)巖樣開展巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)。巖芯實(shí)驗(yàn)（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(jī)械參數(shù)的接近意味著壓裂目的層與頂?shù)讓拥貞?yīng)力差值減小、不利于水力壓裂縫高的控制。測(cè)試壓裂分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，測(cè)試表明約有66%井例屬于裂縫在高度上過度擴(kuò)展情形[1]；對(duì)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來不小的難度。

對(duì)于最大水平主壓應(yīng)力方向，井壁崩落及誘導(dǎo)裂縫信息亦都表明最大水平主壓應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向。

圖2 各礦區(qū)平均巖石組分統(tǒng)計(jì)情況

通過對(duì)砂體展布及主應(yīng)力的深入探究，有助于認(rèn)識(shí)水力裂縫的擴(kuò)展特征，為有針對(duì)性的實(shí)施水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

4 對(duì)水力壓裂作業(yè)的影響及儲(chǔ)層改造優(yōu)化對(duì)策

4.1 儲(chǔ)層特征對(duì)水力壓裂作業(yè)的影響

在上述地質(zhì)條件下實(shí)施水力壓裂，水力裂縫極易突破儲(chǔ)層延伸到河道砂體外或頂?shù)赘吣屹|(zhì)泥頁巖中、導(dǎo)致水力裂縫的無效填充及砂堵事件發(fā)生；投產(chǎn)后高凝灰質(zhì)泥圍巖亦可能沿填砂裂縫運(yùn)移到儲(chǔ)層內(nèi)填砂裂縫內(nèi)，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(shù)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(qiáng)度越高壓后產(chǎn)量越低的反常響應(yīng)進(jìn)一步證實(shí)了這一現(xiàn)象。與常規(guī)認(rèn)識(shí)有嚴(yán)重出入[2-9]。

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

圖3 巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 儲(chǔ)層改造優(yōu)化對(duì)策

鑒于地質(zhì)體展布特征及分層地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)水力壓裂作業(yè)的影響，在開展壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，結(jié)合水力壓裂油藏?cái)?shù)值模擬成果及凝灰質(zhì)含量自東至西逐漸增加、下部Castillo 層凝灰質(zhì)含量高于上部Bajo Barreal 層等認(rèn)識(shí)，提出了儲(chǔ)層水力壓裂改造方案，如表2、表3 所示。

在表2 中，根據(jù)儲(chǔ)層滲透率限定了水力裂縫規(guī)模：當(dāng)滲透率大于K＞50mD 時(shí)，采用約15m 半縫長(zhǎng)；隨著滲透率降低、設(shè)計(jì)半縫長(zhǎng)隨之增加；考慮到河道砂體的寬度限制，最大裂縫半長(zhǎng)限定為50m。

表1 工區(qū)儲(chǔ)層改造作業(yè)分類

圖4 壓裂規(guī)模對(duì)油井產(chǎn)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(duì)泵注排量和加砂強(qiáng)度做出重要調(diào)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(diào)整；加砂強(qiáng)度亦從以往1.9m3/m 調(diào)至0.9m3/m，對(duì)Castillo 層甚至降到了0.7m3/m。

表3 泵注參數(shù)優(yōu)化方案

應(yīng)用優(yōu)化措施后效果顯著：?jiǎn)尉杀窘档?0%；工藝成功率從81%（420 井次）提高到90%以上（760 井次）；壓后一年內(nèi)單井日均增油3m3/d。

5 結(jié)論

通過對(duì)主力儲(chǔ)層地質(zhì)體展布特征、地應(yīng)力狀態(tài)深入探究，為水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)，增強(qiáng)了儲(chǔ)層改造優(yōu)化的針對(duì)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(jié)合露頭考察、地震解釋技術(shù)揭示出工區(qū)儲(chǔ)層南北向、薄而窄的展布特征；

（2）結(jié)合測(cè)井資料巖芯力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定了工區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)；

（3）通過儲(chǔ)層表征研究，成功解釋了對(duì)以往工藝的脫砂事件高發(fā)的原因：實(shí)施儲(chǔ)層改造時(shí)，水力裂縫易進(jìn)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(duì)性水力壓裂改造方案得以順利實(shí)施，提高了工藝成功率、措施效果也得到了提升，儲(chǔ)層研究的重要作用得到體現(xiàn)；

（5）加強(qiáng)工程與地質(zhì)相結(jié)合、提高工藝技術(shù)的針對(duì)性值得引起壓裂工程師的關(guān)注。