柴達木盆地頁巖油工程甜點評價技術與應用

馮昕媛 張成娟 謝貴琪 郭得龍 劉 永

中國石油青海油田鉆采工藝研究院, 甘肅 敦煌 736202

0 前言

隨著常規油氣藏的勘探開發難度越來越大,非常規油氣資源的勘探開發已成為國內外油氣勘探重點。北美海相頁巖革命的成功標志著從“源外”向“源內”的必然轉變[1],國內也先后在鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、松遼盆地等發現陸相頁巖油,頁巖油勘探開發技術獲得較大突破[2-6]。

在柴達木盆地,油氣勘探開發也已從“常規”向“非常規”轉變。基于對源內油氣形成機理和頁巖油評價標準的研究,2021年首次明確英雄嶺地區下干柴溝組上段發育頁巖油[7]。受沉積期咸化環境和成藏期青藏高原隆升的共同作用,英雄嶺地區下干柴溝組上段是獨特的“巨厚山地式”頁巖油。儲層縱向總有機碳含量(TOC)整體較高,具有烴源巖厚度大、差異小的特征,同時紋層發育,巖性以碳酸鹽礦物為主,包括層狀灰云/云灰巖、紋層狀灰云/云灰巖4類。根據取心資料分析,油組儲層孔隙度分布范圍3.05%～12.07%,平均值5.58%;有效儲層滲透率主要集中在0.05～0.1 mD,平均值為0.37 mD,屬低孔特低滲儲層。

目前英雄嶺頁巖油采用體積壓裂技術開發,在采用工程地質一體化模式進行探索的過程中,遇到了新的挑戰,即無法準確評價工程甜點,這大大影響了儲層改造的施工效果。針對頁巖油勘探開發難題,開展儲層礦物成分分析、巖石力學實驗、可壓性評價等研究。通過不斷探索,形成了柴達木英雄嶺頁巖油“巖屑礦物分析技術、可壓性分析技術”為核心的工程甜點評價技術,有效提升儲層改造方案質量和施工效果。

1 巖屑礦物分析技術

1.1 可壓性分析基礎參數及獲取方法

在非常規油氣儲層改造中,甜點的發現是重中之重,地質甜點代表了含油氣最高、物性最好的區域,也是最適合壓裂、改造效率最高、成本最低的區域[8-12]。基于目的層的礦物分析、巖石力學參數分析可以有效評價工程甜點。通過巖心實驗可以獲得儲層礦物成分及巖石力學參數,由于巖心是在鉆井的過程中采用取心工具獲得,具有成本高、難度大的局限性。研究發現針對小尺寸巖樣開展測試實驗也可以有效獲取儲層的基礎參數[13]。巖屑是隨鉆井液一起返到地面的小尺寸巖塊,成本低、容易獲取,開展巖屑礦物分析可以解決英雄嶺儲層深、取心難的問題。

1.2 巖屑礦物分析技術

巖屑礦物分析技術以顯微高光譜測試、微納米壓痕測試為基礎,對巖屑進行掃描、測試及分析解釋得到礦物元素成分、含量及巖石力學參數。最后結合英雄嶺取心井巖石學實驗結果進行校正,獲得評價儲層地質力學參數及地質工程甜點的基礎數據。

以干柴溝C902井為例,對該井4個層段的巖屑進行了礦物分析。顯微高光譜測試識別出巖屑中主要礦物為石英、碳酸鹽巖礦物和黏土類礦物,見表1;據此構建了主要礦物成分的空間結構數字模型,見圖1。

圖1 C902井巖屑數字模型圖

表1 C902井巖屑礦物成分表

巖石材料的宏觀變形與其礦物組成的力學性質關系密切[14-15],微納米壓痕實驗是獲得巖石力學性能參數形成的重要手段[13,16-17]。通過微納米壓痕實驗,得到C902各礦物成分的彈性力學曲線和參數,分別見圖2和表2。

圖2 C902井主要礦物成分載荷—位移曲線圖

表2 C902井主要礦物成分楊氏模量和泊松比表

結合C10井巖石力學實驗結果進行校正后得出C902井4個層段的數值計算結果,見表3。

表3 C902井巖石力學參數表

2 可壓性分析技術

頁巖油甜點段評價方法較多,評價參數的類型也存在較大差異[18]。結合英雄嶺頁巖油儲層特征和壓裂經驗,基于測井解釋和巖屑基因掃描測試結果,把脆性、水平應力差和微裂隙發育評價3個因素作為可壓性評價指標,通過各參數的評價公式計算得到脆性指數、水平應力差異系數和微裂隙密度3個參數,再確定參數的權重,形成了適用于英雄嶺頁巖油的可壓性評價模型,建立工程甜點評價技術。

結合文獻調研和英雄嶺工程經驗,脆性是成功壓裂的基礎條件,最能反映儲層的可壓性,是最重要的參數;其次是水平應力差,影響了裂縫的形態;微裂隙發育評價主要影響裂縫擴展路徑,重要性最小[19]。

2.1 綜合脆性指數的計算方法

脆性分為礦物脆性和模量脆性,礦物脆性由礦物成分決定,模量脆性主要受裂隙的影響,所以采用考慮礦物和模量的綜合脆性指數公式。

礦物脆性公式[20]為:

(1)

模量脆性公式[21]為:

EBrit=(E-Emin)/(Emax-Emin)

(2)

μBrit=(μmax-μ)/(μmax-μmin)

(3)

B=(EBrit+μBrit)/2

(4)

綜合脆性指數公式為:

(5)

2.2 水平應力差異系數的計算方法

水平應力差異系數采用北美頁巖壓裂實踐經驗,外國學者總結[22-23]計算公式:

Kh

(6)

2.3 微裂隙密度的計算方法

微裂隙密度是表征巖體結構、物理力學特征的重要參數[24],采用的公式[25-27]為:

ρc

(7)

(8)

(9)

2.4 綜合可壓性指數公式和頁巖可壓性量化評價

通過層次分析法[28-29]對脆性指數、水平應力差異系數和微裂隙密度3個參數權重進行計算,判斷矩陣標度用來對比各參數之間的重要程度,數字1～3的比例標度來表示這種程度,見表4。通過對比與可壓性相關的各參數得到判斷矩陣,見表5。

表4 判斷矩陣標度表

表5 判斷矩陣A表

Tab.5 Judgment matrix A

表5 判斷矩陣A表

矩陣?A㊣參數水平應力差異系數微裂隙密度綜合脆性指數微裂隙密度123水平應力差異系數1/213/2綜合脆性指數1/32/31

(10)

(11)

(12)

ω=[ω1,ω2,···,ωn]T

(13)

FI=0.49FI1+0.31FI2+0.2FI3

(14)

根據英雄嶺頁巖油儲層特征,將可壓性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級,代表了高、中、低三種可壓性指數,定義Ⅰ級為可壓性指數大于0.65的儲層,可壓性好,該區域代表儲層品質最好的工程甜點;Ⅱ級為可壓性指數介于0.35～0.65之間儲層,可壓性中等,需要通過一些配套技術手段提高壓裂改造效果;Ⅲ級為可壓性指數小于0.35的儲層,可壓性差。

3 壓裂甜點評價技術應用實例

3.1 整體效果

工程甜點評價技術在柴達木盆地干柴溝區塊應用直井10井次30層組、水平井4井次,施工成功率達到100%。直井壓后平均產油量17.92 t/d,27層組達到工業油流,儲層改造有效率為90%,水平井平均產油量達54.77 t/d。

3.2 典型頁巖油井的應用效果

以水平井CP1井為例,水平段長997 m,應用情況見表6,采用工程甜點評價技術建立工程甜點解釋圖版,見圖3,可以得到楊氏模量范圍為30.64～59.44 GPa,平均值為37.22 GPa,泊松比平均值范圍為0.13～0.35,平均值為0.27。可壓性指數主要分布在0.48～0.62,平均為0.54,屬于Ⅱ類儲層,可壓性中等,需要配套提高施工規模等工藝手段進行壓裂改造。

圖3 CP1井可壓性指數解釋成果圖

表6 干柴溝組工程甜點評價技術應用情況表

基于測井數據與巖屑掃描結果沿井段進行甜點評價,地質甜點主要對比孔隙度和含油飽和度兩個參數。將品質相近的井段劃為同一壓裂段,降低段內屬性差異,達到均勻改造的目的。壓裂段設計不跨層,不同小層內部井段的品質條件采用不同的參數閾值進行精細評價,突出顯示井段的屬性差異變化,為分段分簇設計提供基礎。采用限壓不限排量的原則優化排量,根據孔眼摩阻與總孔數的關系優化射孔總孔數為40孔以內,每段6簇、每簇射孔0.5 m、每簇6孔。通過模擬不同施工規模下的產能比變化規律及差異化設計原則,優化砂量、液量等施工參數,實現“縫控儲量”的動用,提高改造效果。壓后最高產油量達93.46 t/d,目前已累產 11 093.92 t,達到施工改造目的,見圖4。

圖4 CP1井壓后生產曲線圖

4 結論

1)針對深部地層取心作業難、取心少的難題,在柴達木盆地創新形成隨鉆巖屑基因掃描及基因解釋方法,填補了目的層段缺乏取心以及相關實驗的空白,為準確評價儲層地質力學提供了依據。

2)針對柴達木頁巖油面臨的無法準確評價工程甜點的難點,初步形成了一套適應于柴達木盆地的頁巖油工程甜點評價技術,能夠有效提高壓裂施工的質量和效果。

3)工程甜點評價技術在干柴溝區塊成功應用14井次,儲層改造有效率為90%,取得了顯著的應用效果,助力頁巖油勘探開發取得新突破。