吉木薩爾陸相頁巖水平井壓裂后產量影響因素分析

孫翰文，費繁旭，高 陽，喻高明 ，辛顯康

(1.長江大學，湖北 武漢 430100 ；2.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

常規油藏經過多年開發，采出程度越來越高，勘探難度逐步增大，老油田多處于“雙高”階段，經濟效益不佳。以頁巖油、氣為代表的非常規油藏已逐步成為勘探開發的重點。據美國能源信息署2015年統計，俄羅斯、美國及中國頁巖油可采儲量位居世界前三位[1]。中國頁巖油地質儲量為4.76×1010t，主要分布于鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、四川盆地[2-3]，其中，位于準噶爾盆地的吉木薩爾資源豐厚，開采價值極高[4]。吉木薩爾蘆草溝組頁巖油在采用大規模體積壓裂開發過程中，單井產油量差異大，生產前期產能主控因素不明。因此，需要研究其體積壓裂后產量影響因素，明確各因素對吉木薩爾陸相頁巖油產量的影響，保障吉木薩爾陸相頁巖油得到經濟有效地開發。

1 區域概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部，邊界特征顯著，構造單元面積約為1 278 km2[5]。其中，二疊系蘆草溝組源儲一體，儲層滲透率(0.012 mD)和孔隙度(1.00%)極低，且整個凹陷皆有分布，為典型頁巖油藏(圖1)，但油藏非均質性強，油藏分布不連續，開采難度大。按照致密儲集層巖性和物性差異，將儲集層自上而下分為上、下 2 個“甜點”體：上“甜點”體位于蘆二段(P2l2)，主要分布在凹陷東部的斜坡帶，平均厚度為42.8 m；下“甜點”體位于蘆一段(P2l1)，全區均有分布，平均厚度為34.1 m。

2011 年 ，直井吉25井首次獲得工業油流，后續相繼部署了多口直井，皆取得較好成果[6]； 2012 年，水平井吉172_H井首次采用多級壓裂技術，取得巨大成功，最高日產油達77.8 t/d[7]，成為蘆草溝組第一口高產井，目前累計產油量已逾萬噸。隨后采用不同壓裂工藝部署多口水平井，經過不斷生產試驗，發現多級壓裂水平井產量遠優于直井，因此，確定了采用多段壓裂水平井開發的模式。2018年，JHW034井的小粒徑支撐劑試驗以及JHW035井高液量、高加砂改造的成功為后續開發提供了堅定信心[8]。

圖1 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷構造[9]

2 產量影響因素分析方法

2.1 一元線性回歸分析法

一元線性回歸是分析影響因素x和壓裂后產量Y線性相關關系的方法。當線性關系較明顯時，可以通過自變量x來預測因變量Y壓裂后產量受多個因素綜合影響，若其中某因素對產量影響相對較大，則可用LRA方法研究。

Y=Ax+B

(1)

(2)

(3)

式中：Y為產量，t；x為影響因素；A為回歸系數；B為常數項；Yk為第k口井產量，t；xk為影響因素在第k口井的取值；n為總井數。

2.2 灰色關聯分析法

灰色關聯分析(GRA)是鄧聚龍教授于1982年提出的灰色系統理論(GST)的主要內容之一[10]。通過GRA對比各因素與壓裂后產量在空間中幾何變化的相似程度，衡量各影響因素與壓裂后產量間的關聯程度，再通過比較影響因素之間關聯曲線得到關聯度[11-14]。

2.2.1 確定原始序列

原始序列分為2部分，即由各個時間段累計產油量組成的對照數列X0及由地質、工程因素構成的對比數列Xi。

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n)}

(4)

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n)}，i=1，2，3，…，m

(5)

式中：i為影響因素序號；m為影響因素個數。

2.2.2 處理原始數據

初始條件下X0和Xi單位不同、數值差距大，直接計算關聯度結果不準確，為提高準確性，需無量綱化處理原始數據。考慮到參照數列為各個時間段的累計產油量，因此，以效益型方法[15]進行無量綱化處理。其變換方法如下：

(6)

式中：Yi(k)為第i個影響因素下第k口井采用效益性方法進行無量綱化處理后的數值；max(Xi)為第i個影響因素在所有井中的最大值；min(Xi)為第i個影響因素在所有井中的最小值。

2.2.3 計算關聯系數

采用式(6)將歸一化后的式(4)、(5)相減，即可得到對應序列下各影響因素與累計產油量絕對值差：

Δ0i(k)=|Yi(k)-Y0(k)|

(7)

Δmax=maxΔ0i(k)

(8)

Δmin=minΔ0i(k)

(9)

式中：Δ0i為每個影響因素與累計產油量差的絕對值；Δmax為影響因素與累計產油量差的最大絕對值；Δmin為影響因素與累計產油量差的最小絕對值。

利用式(7)～(9)所得結果計算相對關聯系數，計算時為提高各影響因素差異的顯著性，加入關聯系數ρ，ρ越小，結果越準確，通常取0.5即可取得較理想的結果[15-23]。

將第i個影響因素與累計產油量在第k口井的相對關聯系數表示為：

(10)

式中：ξ0i(k)代表第i個影響因素與累計產油量在第k口井的相對關聯系數。

2.2.4 計算關聯度

由式(10)計算得到的ξ0i屬于分散信息，無法表現各個因素與累計產油量之間的關系，對n個ξ0i進行均值處理，以此反映各因素與累計產油量的關聯度r0i。

(11)

式中：r0i為第i個影響因素的關聯度。

2.2.5 權重計算及關聯度排序

根據式(11)中所得r0i計算權重Wi，并對各因素影響進行排序。

(12)

式中：Wi為第i個影響因素所占的權重。

3 實例分析

吉木薩爾頁巖油藏基質滲透率極低，需要采用大規模體積壓裂技術對水平井進行壓裂，人工造縫才能正常生產。由于目標區塊處于開發初始階段，地層能量充足，采用自噴方式加油嘴控壓生產。統計現場數據，大部分生產井自噴期約為3 a，自噴期結束后采用抽油方式生產；在自噴生產初期，地質情況相差不大的情況下，壓裂效果決定了水平井的生產能力。因此，對吉木薩爾陸相頁巖油開發過程中的地質因素(有效孔隙度、油層有效厚度、含油飽和度、原油黏度)以及工程因素(壓裂液量、總加砂量、每米加砂量、每米加液量、砂比、級數、改造長度、鉆遇油層長度、Ⅰ類鉆遇率)對壓裂后自噴期生產效果的影響進行了分析。

3.1 一元線性分析

選取實際生產數據，采用LRA方法對各影響因素與體積壓裂后1、2 a累計產油量相關性進行研究。以每米加砂量(圖2)為例，擬合系數R2>0.55的參數如表1所示。

由表1可知，地質因素中有效孔隙度及工程因素中總壓裂液量、總加砂量、Ⅰ類油層鉆遇率、每米加液量、每米加砂量分別與體積壓裂后水平井1、2 a累計采油量呈現較好線性關系，且各因素與2 a累計產油量的線性關系優于與1 a累計產油量的線性關系。通過LGR分析可知，自噴期各時段累計產油量的影響因素中工程因素相對較多，同時各工程因素與各時段累計產油量相關度較好。

圖2 每米加砂量與不同時期累計產油量關系

表1 一元線性回歸結果

Table 1 Unary linear regression result

影響因素1a累計產油量/t2a累計產油量/t壓裂液量/m3y=-2145.916+0.315x,R2=0.58y=-2261.884+0.465x,R2=0.66加砂量/m3y=-4695.538+6.292x,R2=0.82y=-5423.452+8.848x,R2=0.85每米加液量/(m3·m-1)y=-2447.837+455.355x,R2=0.72y=-2579.709+675.206x,R2=0.79每米加砂量/(m3·m-1)y=-3984.538+7716.695x,R2=0.85y=-4626.376+10969.268x,R2=0.88Ⅰ類油層鉆遇率/%y=519.022+105.509x,R2=0.77y=1885.336+148.962x,R2=0.80有效孔隙度/%y=-10121.771+1435.031x,R2=0.72y=-13542.649+2071.245x,R2=0.79

3.2 灰色關聯分析

選取目標區部分水平井的數據，X0為高產30 d及1、2、3 a累計產油量，t；Xi為考慮的13個影響因素，地質因素為有效厚度、有效孔隙度、原油黏度、含油飽和度；工程因素為Ⅰ類鉆遇率、鉆遇油層長度、壓裂液量、總加砂量、級數、改造長度、每米加砂量、每米加液量以及砂比。

將原始數據無量綱化處理后(表2、3)，計算各影響因素與各時間段累計產油量之間的關聯系數，處理結果見表4～7。

表2 水平井產量影響因素歸一化處理數據

表3 各階段累計產油量歸一化處理數據

表4 各影響因素與30 d累計產油量關聯度

表5 各影響因素與1 a累計產油量關聯度

表6 各影響因素與2 a累計產油量關聯度

表7 各影響因素與3 a累計產油量關聯度

通過對研究區各階段體積壓裂后產量的影響因素分析可知，生產2 a的過程中，工程因素對頁巖油水平井產量影響較大，Ⅰ類鉆遇率、每米加砂量、砂比、加砂量關聯度排序皆處于前列。地質因素中，原油黏度對壓裂后產量影響較大，在各階段一直保持在0.720以上；工程因素中Ⅰ類鉆遇率影響最大，關聯度在0.800以上，砂比、每米加砂量、總加砂量關聯度較高。

因此，在后續開發過程中，首先應選擇地質條件較好的“甜點”體進行開發，在此基礎上，進行水平井壓裂設計改造時，應對砂比、每米加砂量以及總加砂量3個關鍵因素進行優化來提高產量。

LRA 方法已證明工程因素在自噴前期占據主導地位，GRA與LRA結果一致，二者可相互驗證。但采用GRA分析3 a累計產油量與各影響因素關聯程度時，發現地質因素影響總體變大，與前2 a存在差異，故重新選取參考數列X0為第3 a累計產油量，計算各影響因素與第3 a累計產油量的關聯度。計算得出各因素與第3 a累計產油量關聯度從大到小依次是：加砂量(0.753)、有效孔隙度(0.745)、每米加液量(0.737)、壓裂液量(0.735)、油層長度(0.727)、Ⅰ類鉆遇率(0.726)、原油黏度(0.701)、有效厚度(0.692)、每米加砂量(0.691)、改造長度(0.691)、砂比(0.680)、含油飽和度(0.676)、級數(0.659)。

由GRA計算結果可知，地質因素中的有效孔隙度、有效厚度對第3 a累計產油量影響較前2 a有所提升，其中，有效孔隙度關聯度可達0.745。工程因素對產量影響相對降低，這是因為在水平井生產初期主要動用的資源來源于經過壓裂后形成的裂縫，但壓裂后形成的裂縫并非一直保持不變，伴隨水平井開采時間增長，地層能量的逐漸降低，通過壓裂制造的人工裂縫會逐漸閉合，裂縫導流能力逐漸變差，導致工程因素對產量的影響逐漸降低。油井生產時間逐漸增長的同時，動用資源面積逐漸增大，主要動用資源也逐漸由裂縫轉變為基質，在此過程中儲層本身的性質對產量的影響逐漸明顯，即地質因素對產量的影響逐漸增大。

4 結 論

(1) 采用LRA分析頁巖油體積壓裂水平井可知，在壓裂后自噴生產初期，與地質因素相比，工程因素與產量相關的因素更多，相關性更好。

(2) GRA結果表明，在生產井自噴生產前2 a，Ⅰ類鉆遇率、每米加砂量、砂比、總加砂量、原油黏度影響較大，鉆遇油層長度、壓裂液量、每米加液量、有效厚度、有效孔隙度次之，級數、含油飽和度、改造長度影響較小；在后續開發中，應優選儲層物性較好的“甜點”體進行開發，同時優化關聯度較高的工程參數以提高油井產量；

(3) 針對吉木薩爾頁巖油產量遞減快的特點，生產2 a的井可認為處于自噴生產中后期，此時動用儲量主要來源于基質，前期改造工藝對產量影響較小，地質因素影響較大。