長慶油田隴東地區(qū)頁巖油水平井細分切割壓裂技術(shù)

李杉杉，孫 虎，張 冕，池曉明，劉 歡

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶指揮部，陜西西安 710018）

長慶油田隴東地區(qū)長7 段頁巖油儲層埋深一般為1 600～2 200 m，滲透率0.07～0.22 mD，壓力系數(shù)0.77～0.85，脆性指數(shù) 0.34～0.45[1]。長7 段頁巖油藏與北美頁巖油藏具有相似性，但開發(fā)更具挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：沉積環(huán)境是湖相沉積，非均質(zhì)性更強，地層壓力系數(shù)低，脆性指數(shù)低，天然裂縫相對不發(fā)育。前期該頁巖油藏的水平井主體采用水力泵送橋塞分段體積壓裂工藝，初期單井日產(chǎn)油量 10 t 左右，未達到預(yù)期效果。分析認為，水平井分段多簇壓裂改造過程中，受儲層物性、地應(yīng)力、各向異性及水力裂縫簇間干擾等因素影響[2-5]，各簇不能均勻開啟，簇間進液不均，達不到均勻改造儲層的目的。因此，需要開展精細化分段壓裂技術(shù)研究，以實現(xiàn)精細分層、規(guī)模可控，從而解決水平井分段多簇壓裂部分射孔簇壓不開，或雖已壓開但并未建立起有效驅(qū)替壓差，導(dǎo)致有效期短、無法實現(xiàn)長期有效動用的問題。為此，長慶油田開展了單段單簇細分切割壓裂技術(shù)研究，形成了頁巖油水平井細分切割壓裂技術(shù)，實現(xiàn)了儲層均勻改造、縫控儲量的目的。目前，該技術(shù)已在隴東地區(qū)10 口頁巖油水平井進行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了顯著的增產(chǎn)效果。

1 單段單簇細分切割壓裂模擬研究

1.1 多簇壓裂和細分切割單段單簇壓裂模擬

利用軟件模擬分析了多簇壓裂和細分切割單段單簇壓裂時的裂縫擴展情況，結(jié)果見圖1（縫高、縫長固定，縫寬變化）。

圖1 不同壓裂方式下的裂縫擴展對比Fig.1 Comparison of fracture propagation under different fracturing modes

多簇壓裂方式下，2 簇壓開縫長260.00 m，縫高92.00 m；3 簇壓開縫長210.00 m，縫高67.00 m。模擬可知，并非所有簇都能均勻開啟，壓竄鄰井（井距400.00 m）的風(fēng)險很高，壓穿相鄰含水層的風(fēng)險也升高。現(xiàn)場常出現(xiàn)某井壓裂造成鄰井含水率迅速升至100%的情況，證實了普遍存在壓竄。

細分切割單段單簇壓裂方式下，各裂縫長度為180.00 m，縫高52.00 m。模擬可知，該壓裂方式可以確保儲層各射孔位置均勻分布，能夠保證每段均勻開啟、充分改造，避免了壓竄鄰井的風(fēng)險。

1.2 多簇合壓和單簇單壓下的產(chǎn)量預(yù)測

模擬了長7 段頁巖油藏1 口頁巖油水平井在多簇合壓和單簇單壓下的裂縫形態(tài)，并采用軟件預(yù)測了2 種工藝下的采油指數(shù)、無阻流量（見表1）和產(chǎn)能（見圖2）。

表1 多簇合壓和單簇單壓下的采油指數(shù)和無阻流量Table 1 Productivity index and open flow capacity under multi-cluster fracturing and single-cluster fracturing

圖2 多簇合壓和單簇單壓下的產(chǎn)能預(yù)測曲線Fig.2 Productivity prediction curves under multi-cluster fracturing and single-cluster fracturing

由表1 和圖2 可知，單簇單壓下的采油指數(shù)和無阻流量明顯高于多簇合壓，且單簇單壓較多簇合壓的穩(wěn)產(chǎn)時間更長。

2 細分切割壓裂優(yōu)化設(shè)計

以實現(xiàn)“縫控儲量最大化”為原則，利用壓裂地質(zhì)一體化設(shè)計方法，進行壓裂改造方案優(yōu)化，確定合理的儲層改造工藝參數(shù)。

2.1 壓裂段數(shù)優(yōu)化

以華HXX-X 井為例進行壓裂優(yōu)化設(shè)計。該井的基本參數(shù)：儲層有效厚度16.00 m，儲層壓力16 MPa，孔隙度10.1%，滲透率0.18 mD，含水飽和度40%，采用頁巖油水平井細分切割壓裂工藝，每段1 簇。

根據(jù)不同壓裂段數(shù)下壓裂后的累計產(chǎn)量、壓裂成本及壓裂凈現(xiàn)值模擬計算結(jié)果（見圖3），建議該井采用細分切割壓裂的最優(yōu)段數(shù)為38～42 段。

圖3 華HXX-X 井不同壓裂段數(shù)下壓后效果的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of fracturing effect under different fracturing sections of Well Hua HXX-X

2.2 射孔位置優(yōu)化

2.2.1 非均質(zhì)地質(zhì)模型的建立

以隴東地區(qū)華H34 平臺為例，根據(jù)測井解釋的水平段儲層物性參數(shù)，利用克里金空間插值方法，建立了華 H34 平臺的非均勻地質(zhì)模型[6]（見圖4）。

圖4 華H34 平臺的非均勻地質(zhì)模型Fig.4 Heterogeneous geological model of the Platform Hua H34

2.2.2 綜合甜點指數(shù)計算

首先，分別計算頁巖油儲層的工程甜點指數(shù)（可壓性）和地質(zhì)甜點指數(shù)（含油性）；然后，將二者結(jié)合得到綜合甜點指數(shù)[7-8]。其中，工程甜點指數(shù)由巖性和巖石力學(xué)參數(shù)2 部分構(gòu)成，巖性參數(shù)為脆性礦物含量與全巖礦物含量的比值，巖石力學(xué)參數(shù)為歸一化的彈性模量和泊松比的平均值；地質(zhì)甜點指數(shù)為歸一化的孔隙度、滲透率、含油飽和度及全烴值乘以權(quán)重系數(shù)之和；綜合甜點指數(shù)為工程甜點指數(shù)和地質(zhì)甜點指數(shù)乘以權(quán)重系數(shù)之和。

2.2.3 華H34 平臺綜合甜點分布

根據(jù)華H34 平臺各井的測井?dāng)?shù)據(jù)，計算得到了井筒綜合甜點指數(shù)，再利用空間插值獲得了區(qū)域甜點分布情況，如圖5 所示（圖例中的數(shù)據(jù)為該平臺綜合甜點指數(shù)）。

圖5 華H34 平臺綜合甜點分布Fig.5 Sweet spot distribution on the Platform Hua H34

2.2.4 射孔位置優(yōu)選

基于綜合甜點指數(shù)分布，設(shè)置最小縫間距，以壓裂射孔位置總甜點指數(shù)最高為目標(biāo)，避開套管接箍，優(yōu)選射孔位置，結(jié)果見表2。

表2 射孔位置優(yōu)選結(jié)果Table 2 Optimized perforating positions

由表2 可知，24 段平均段間距37.70 m，平均綜合甜點指數(shù)68.4%。

2.3 裂縫半長優(yōu)化

隴東地區(qū)頁巖油華H34 平臺平均井距308 m。在此條件下，模擬不同裂縫半長下的累計產(chǎn)油量，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，裂縫半長大于135 m 之后產(chǎn)油量增幅明顯減小。因此，將平均裂縫半長優(yōu)化為135 m。至于具體每一段的裂縫半長的設(shè)計值，可根據(jù)實際井距進行調(diào)整。

圖6 不同裂縫半長下的累計產(chǎn)量Fig.6 Cumulative production with different half-lengths of fractures

3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

3.1 加砂量、砂比的優(yōu)化

采用壓裂地質(zhì)一體化軟件，模擬了相同液量、不同砂比（加砂量）下的裂縫參數(shù)及壓后的產(chǎn)量，結(jié)果見表3。模擬采用的基本參數(shù)：儲層壓力16 MPa，滲透率0.10 mD，含水飽和度45%，井距300 m，水平段長度1 750 m，儲層鉆遇率80%，壓裂43 段，前置液占比40%。

表3 相同液量、不同砂比（加砂量）下的裂縫參數(shù)及壓后的產(chǎn)量Table 3 Fracture parameters and post-fracturing production with the same fluid rates but different proppant concentration (sand content)

從表3 可以看出，砂比降低，裂縫導(dǎo)流能力下降，但導(dǎo)流能力對產(chǎn)量的影響較小，主要是因為基質(zhì)滲透率很低、壓裂段數(shù)很多，且產(chǎn)量不高，裂縫的導(dǎo)流能力能滿足生產(chǎn)；但砂比降低到一定程度后，支撐縫長明顯縮短，產(chǎn)量大幅度降低。經(jīng)過綜合對比確定最佳砂比為15%，每段最佳加砂量為55.7 m3。

3.2 壓裂支撐劑組合的優(yōu)化

模擬計算了40/70 目和20/40 目支撐劑（石英砂）以不同比例組合后的裂縫導(dǎo)流能力與壓后的產(chǎn)量，結(jié)果見表4。

表4 兩種粒徑支撐劑以不同比例組合后的裂縫導(dǎo)流能力與壓后產(chǎn)量Table 4 Fracture conductivity and post-fracturing production after the proppant with two particle sizes were combined in different proportions

由表4 可知，40/70 目和20/40 目支撐劑組合中，隨著40/70 目支撐劑所占比例增大，裂縫導(dǎo)流能力降低，壓后第1 年的產(chǎn)量雖然有所降低但降低幅度非常小，這主要是因為導(dǎo)流能力已經(jīng)可以滿足流體流動的需求。不過，小粒徑支撐劑沉降速度更小，液體能攜帶更遠，支撐劑鋪置剖面更均勻，有利于形成更長的支撐裂縫[9-11]。因此，綜合考慮40/70 目與20/40 目支撐劑的最優(yōu)組合比例為2∶1。

3.3 施工排量的優(yōu)化

模擬計算了不同尺寸連續(xù)油管在不同排量下的環(huán)空流速，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)，參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油鉆采高壓管匯的使用、維護、維修與檢測》（SY/T 6 270—2012）高壓管匯液體流速不大于12.2 m/s的要求，并考慮連續(xù)油管在水平段會發(fā)生螺旋屈曲、增大沖蝕等情況，設(shè)計安全系數(shù)為1.20，將φ58.4 mm 連續(xù)油管最大施工排量優(yōu)化為5.6 m3/min。

表5 不同尺寸連續(xù)油管在不同排量下的環(huán)空流速Table 5 Annular flow velocity of coiled tubings in different sizes under different flow rates

4 現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖油水平井細分切割壓裂技術(shù)在長慶油田隴東地區(qū)10 口井的長7 段進行了應(yīng)用，通過“精細分段、定點布縫”，達到了精準(zhǔn)壓裂、有效改造的效果，施工成功率100%，改造后增加了縫控儲量，提高了單井產(chǎn)量。

其中，XP237 井組投產(chǎn)時間最長，生產(chǎn)31 個月，應(yīng)用井XP237-72 井有效儲層長度和改造強度均比同平臺鄰井略低。但從XP237 平臺改造和投產(chǎn)數(shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)（見表6）及XP237 平臺產(chǎn)油量曲線（見圖7）可以看出：目前XP237-72 井日產(chǎn)油量14.4 t，比鄰井平均日產(chǎn)油量高15.6%；累計產(chǎn)油量17 633.6 t，比鄰井平均累計產(chǎn)油量高39.5%。而從XP237 平臺含水曲線（見圖8）可以看出，XP237-72 井的含水率明顯低于同平臺鄰井。

圖7 XP237 平臺各井的產(chǎn)油量曲線Fig.7 Oil production curves of the wells on the Platform XP237

圖8 XP237 平臺各井的含水率曲線Fig.8 Water cut curves of the wells on the Platform XP237

表6 XP237 平臺各井改造和投產(chǎn)數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison of stimulation and production data of the wells on the Platform XP237

5 結(jié)論

1）針對長慶油田隴東地區(qū)頁巖油儲層脆性指數(shù)低、天然裂縫不發(fā)育、不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，以及采用分段多簇體積壓裂時因受儲層物性、地應(yīng)力、各向異性及水力裂縫簇間干擾等因素影響導(dǎo)致簇間進液不均、達不到儲層均勻改造目的的問題，研究了更具針對性的單段單簇細分切割壓裂技術(shù)。

2）利用壓裂優(yōu)化設(shè)計及監(jiān)測評價技術(shù)一體化平臺，建立了頁巖油水平井非均質(zhì)地質(zhì)模型；基于甜點空間分布優(yōu)化壓裂段數(shù)，形成了細分切割壓裂設(shè)計方法。同時，優(yōu)化了加砂量、砂比和排量等壓裂施工參數(shù)，實現(xiàn)了細分切割壓裂的充分改造。

3）長慶油田隴東地區(qū)頁巖油水平井細分切割壓裂技術(shù)已在現(xiàn)場應(yīng)用10 口井，采用“精細分段、定點布縫”壓裂設(shè)計，借助連續(xù)油管底封拖動壓裂工藝，對長7 段儲層進行了充分改造，改造效果明顯優(yōu)于鄰井采用的常規(guī)壓裂技術(shù)。