吉木薩爾凹陷頁巖油水平井地質工程一體化 三維壓裂設計探索

程壘明

（中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）

2019 年，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油區塊共實施水平井體積壓裂改造 30 井次，實施井總體呈現開井初期產油量高、遞減快（持續穩產能力差）、自噴時間短的特點。以往水平井壓裂設計多是基于區塊井的施工經驗[1-2]，確定井段長度、射孔位置、施工參數等，未充分考慮水平段近井地帶油層品質及構造縫（斷裂、天然裂縫等）發育情況，不能開展針對性、個性化設計；未考慮井間干擾與縫間干擾對水力裂縫延伸的影響，不能開展井組全井段壓裂設計；實施后雖有一定提產效果，但設計思路的科學合理性仍需進一步完善。為進一步優化壓裂工藝參數、提升改造效果，基于Petrel 平臺，應用Mangrove模塊在頁巖油區塊開展全井段三維壓裂設計，充分利用一體化工作流程和一體化的協同環境，采用科學的研究思路，定制完善的壓裂方案，改善吉木薩爾頁巖油水平井體積壓裂效果。

1 設計平臺簡介

Petrel 是由美國斯倫貝謝公司開發的勘探開發一體化平臺，集成了地震解釋、三維地質建模、油藏數值模擬等模塊，另外，平臺嵌入的Mangrove 模塊，實現了地質認識與工程技術的無縫銜接。同時，Petrel 應用了先進的三維計算機可視化和虛擬現實技術，可以更為直觀、準確地認識油藏評估開發效果，最大限度地挖潛剩余油。對吉木薩爾凹陷頁巖油的不斷探索，形成了基于Petrel 平臺的地質工程一體化完整工作流程（圖1），為高效開發頁巖油資源提供支撐。

圖1 吉木薩爾凹陷頁巖油地質工程一體化 三維壓裂設計工作流程

2 設計基礎

2.1 建立三維地質模型

蘆草溝組頁巖油縱向上全井段含油，平均含油飽和度為 65%～84%，整體含油性較好。主要發育上、下兩個甜點體，上甜點體油層主要分布在 P2l22-1、P2l22-2、P2l22-3三個小層，巖性主要為砂屑云巖、巖屑長石粉細砂巖和云屑砂巖。下甜點體油層分布在 P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3三個小層，巖性主要為云質粉砂巖[2]。

基于Petrel 平臺，對研究區內146 口直井和水平井的鉆井、測井、錄井、巖心測試數據進行整理、編輯及質量控制，在地震層位及斷層解釋成果基礎上，建立精細構造模型；在實驗變差函數基礎上，以地震反演成果為軟數據進行宏觀約束；采用序貫高斯模擬算法，建立包含完整的上下甜點儲層物性的三維地質模型。模型中具備了孔隙度、滲透率、飽和度、楊氏模量、泊松比等基本屬性，網格精度為 50.0 m×50.0 m×0.5 m，縱向甜點區網格精度達到 0.2 m。

2.2 建立天然裂縫模型

研究結果表明，天然裂縫影響水力裂縫的延伸方位，表現為捕集、張開和穿過現象，對最終壓裂縫網復雜程度具有重要影響[3]。對取心、成像測井及露頭數據進行調研認為，吉木薩爾蘆草溝組發育高角度天然裂縫。

基于成像測井分析、裂縫描述以及地震數據體構造平滑、去噪等前期處理，結合方差體進行斷層及特殊巖性識別。采用迭代方法計算，確定螞蟻屬性體提取參數，開展螞蟻體追蹤，建立裂縫強度屬性體；再通過粗化算法，建立裂縫孔隙度、三方向裂縫滲透率及裂縫σ因子等裂縫屬性模型。對頁巖油區塊內8 口成像測井結果進行統計，其中5 口水平井測井數據識別 P2l22-2小層NS 走向天然裂縫1 136條，3 口直井測井數據識別天然裂縫270 條（表1）。提取螞蟻屬性體和裂縫屬性模型平面屬性，結合天然裂縫DIP 產狀，采用DFN 模型離散裂縫網絡建模方法，在三維地質模型的基礎上表征和描述天然裂縫的發育及展布特征。

2.3 建立地應力場模型

地應力場是影響壓裂效果的重要因素，水平最大主應力方向決定了裂縫擴展方向[4-5]。綜合微地震監測、成像測井、井壁崩落等方法，明確頁巖油區塊最大水平主應力為北西向（NW22°）。以巖石力學實驗數據為微靜態數據，測井數據為動態數據，通過歸一化進行動靜態數據校正，共建立了15 口井的全井段精細一維巖石力學模型。采用Visage 有限元計算軟件，將頁巖油區塊單井測井解釋地質屬性與地震反演數據結合，耦合天然裂縫模型，建立了考慮天然裂縫的三維地質力學模型，模型網格精度與天然裂縫模型保持一致。

表1 吉木薩爾頁巖油成像測井天然裂縫識別情況統計

吉木薩爾凹陷頁巖油區塊水平應力差3～7 MPa，平面上由北西部構造低部位向南東部構造高部位逐漸減小，縱向上應力與深度呈正相關，與一維巖石力學結果一致。

3 Mangrove 模塊應用探索

基于Mangrove 模塊，參照壓裂工程方案，設計模擬壓裂流程，模擬頁巖油區塊X 井組天然裂縫模型與地應力場模型多場耦合的三維壓裂。該井組共部署6 口水平井，井間距200 m，水平段長1 300～1 500 m，按40～45 m/段和1～3 簇/段分段。頁巖油X井基于三維地質模型的Mangrove 模塊產能模擬結果，與實際井底生產數據擬合率達到85%，該產能預測模型具有一定的可靠性。

目前，國內外多利用Mangrove 模塊與Petrel 基礎地質模型可無縫銜接的特點進行非常規儲層地質工程一體化壓裂設計，實踐認為，該軟件在吉木薩爾頁巖油具有較好的適用性。Mangrove 模塊一方面能夠針對頁巖油儲層非均質特點，合理優化段簇位置；另一方面能夠就頁巖儲層構造縫發育特征，表征天然裂縫與應力干擾對水力裂縫延伸的影響。該軟件在以上兩方面比其他壓裂設計軟件具有一定的優越性，整體壓裂設計流程與其他軟件類似。

3.1 段/簇優化

在綜合考慮井軌跡穿層情況以及油層品質（孔隙度、滲透率、飽和度等）、巖石力學參數（地應力、楊氏模量、泊松比等）、天然裂縫發育情況的前提下，優化壓裂分段與分簇位置，提高射孔有效性。與常規全井段采用3 簇/段的布縫方式相比，采用個性化、差異化的壓裂措施方案，合理分配液體、支撐劑等壓裂材料，可避免無效射孔，加大油氣富集區的改造力度，實現全井段儲層充分動用。以頁巖油區塊X1 井為例，通過井軌跡穿層含油飽和度縱向剖面圖，界定當含油飽和度大于70%、油層有效厚度大于10 m 時，采用3～5 簇/段射孔方式；當含油飽和度大于50%且小于70%、油層有效厚度小于10 m 時，采用2 簇/段射孔方式。

產能模擬結果顯示，差異化布縫方式下生產初期日產油、累計產油均優于常規部分（圖2），分析認為是差異化布縫對近井地帶的油氣富集區改造更為充分所致。隨著生產時間的推移，油氣富集區生產能力充分釋放，日產油逐漸接近常規生產水平。結合地質認識，優化布縫方式，可以提高油藏采收率，降低開發風險，實現油藏經濟高效動用。

圖2 差異化布縫的產能預測曲線

3.2 應力陰影表征

應力陰影效應給周圍巖石和相鄰裂縫施加額外的壓力，會限制裂縫寬度，改變裂縫延伸方向，影響縫網幾何形態。Mangrove 模塊基于Stress shadow 工作流還可實現縫間干擾與井間干擾對裂縫延伸影響的全井段壓裂模擬。以頁巖油區塊X 井組為例，考慮相鄰段、井之間的應力干擾，將應力干擾半徑設為300 m。模擬結果顯示，水力裂縫有偏向水平段根端的趨勢，這主要是先壓裂的井段施工作業改變了近井地應力場，對后壓裂的井段裂縫延伸產生一定影響[6-8]。統計模擬裂縫的幾何尺寸發現，在未考慮應力陰影的情況下，水力裂縫在最大主應力方向的平均延伸長度111.3 m；而考慮應力陰影時，相同方向的平均縫長僅為92.1 m。應力陰影可引發應力場反轉，改變水力裂縫延伸方向，增加裂縫延伸阻力，這不利于溝通遠井油氣富集區[9]。

從產能預測曲線上可以看出（圖3），考慮應力陰影情況下日產油略低于不考慮應力陰影的情況，主要是考慮應力陰影情況的有效泄油區域減少所致。產量沒有明顯的差異，分析認為，應力陰影迫使裂縫轉向，使近井周圍儲層得到更為充分地改造，一定程度上降低了地層流體入井阻力。應力陰影效應在平臺井之間表現較為明顯，在壓裂作業模式上，采用拉鏈式作業，充分利用井間應力效應的正面影響，減弱應力陰影對裂縫延伸的抑制作用；在布縫模式設計上，采用層內鄰井交錯布縫模式，配合采用交叉式拉鏈作業順序（圖4），利用縫間應力陰影效應提高縫網復雜程度。應力陰影現象對改造儲層有利也有弊，如何更進一步發揮其優勢、克服其弊端是接下來要研究的方向。

圖3 應力陰影產能預測曲線

3.3 天然裂縫加載

吉木薩爾凹陷蘆草溝組發育天然裂縫，基于DFN 裂縫工作流將三維天然裂縫模型加載到頁巖油基礎模型中，模擬水力裂縫與天然裂縫的相互作用。天然裂縫的存在會改變水力裂縫的延伸方向，或發生轉向延天然裂縫繼續延伸，或穿過天然裂縫，或在天然裂縫處截止。統計分析頁巖油某口井其中3段的9 簇裂縫尺寸，可以發現，由于天然裂縫的存 在，水力裂縫延伸方向在一定程度上發生了改變，最大水平主應力方向延伸長度比未考慮天然裂縫情況下短。沿井筒的最小主應力方向水力裂縫延伸更為明顯，這有利于提高近井筒縫網復雜程度，與吉木薩爾頁巖油“打碎儲層”的改造理念相契合。

圖4 交錯布縫-拉鏈作業示意圖（俯視）

產能預測模擬發現（圖5），考慮天然裂縫情況下的生產水平顯著優于未考慮天然裂縫的情況[10]。分析原因認為：一是天然裂縫的存在增加了裂縫復雜程度，降低了滲流阻力；二是天然裂縫一定程度上會影響水力裂縫的延伸，但水力裂縫溝通天然裂縫后可間接溝通遠井油氣富集區，擴大儲層動用范圍。需要特別指出的是，天然裂縫發育增加了壓裂過程中井間串擾的風險[11-12]。因此，精細刻畫天然裂縫發育產狀、合理優化壓裂工藝，是提高頁巖儲層油氣資源挖潛效率的有效舉措。

圖5 考慮天然裂縫的產能預測曲線

4 結論

（1）基于Petrel 平臺將天然裂縫模型、地應力場模型與三維地質基礎模型耦合，刻畫了頁巖油砂泥頻繁互層、巖性復雜多樣的地質特征及該區塊部分區域天然裂縫發育情況。

（2）將地質認識與工程技術緊密結合，差異化布縫方式壓裂，初期生產效果優于常規布縫方式壓裂；應力陰影不利于裂縫向遠井區域延伸，對產量的綜合影響不明顯；天然裂縫有利于改造復雜縫網、溝通遠井富油氣區，對增儲上產具有積極作用。

（3）應力陰影效應對儲層壓裂改造程度具有一定負面作用，通過優化作業順序、交錯布縫等方式可一定程度弱化應力陰影效應對裂縫規模的不利影響。