鄂爾多斯盆地頁巖油縫網波及研究及其在體積開發中的應用

焦方正

(中國石油天然氣集團有限公司，北京 100007)

中國頁巖油技術可采資源量可達145×108t，主要分布在鄂爾多斯、準噶爾、渤海灣和松遼等大型盆地，開發潛力巨大[1]。水平井體積壓裂技術實現了頁巖油氣商業化開發[2-3]，2019年在鄂爾多斯盆地發現了中國首個10億噸級頁巖油大油田——慶城油田[4-5]，并進行了水平井體積壓裂規模開發試驗[6-7]，建立了國家級頁巖油開發示范基地。

多年來，長慶油田借鑒北美頁巖油開發成功經驗，立足盆地頁巖油特征，攻關形成了長水平井超前蓄能細分切割體積壓裂技術并大規模推廣應用，有力助推了盆地頁巖油效益開發[8-15]，但頁巖層系人工縫網體積與單井產能的相關性不明確，針對縫網波及體積評價尚未形成成熟的定量表征方法。目前通過微地震監測是獲取改造體積的主要手段[16-20]，而后期產能擬合證實微地震監測事件覆蓋體積往往與實際的縫網波及體積差異較大，無法有效指導礦場實踐。以更高產能為目標的壓裂工藝優化亟需更準確合理的縫網波及體積評價方法進行有效支撐，開展縫網波及體積的評價與定量表征相關研究對頁巖油的開發意義重大。

縫網波及體積評價在水力壓裂領域一直被廣泛關注[21-23]，除微地震監測方法，大量學者通過數值方法來模擬人工水力裂縫的形成過程，進而計算縫網改造體積[24-28]。然而，裂縫在儲層中的擴展形態受儲層巖石力學性質、天然裂縫以及人工壓裂參數等多因素影響，機理十分復雜，且數值模擬假設條件較多，模擬結果需要用現場微地震監測數據進行校正，同時缺乏壓后產能綜合評價，應用性受限。本文以鄂爾多斯盆地南部(鄂南)延長組7油層組(長7油層組)頁巖油西233區塊為研究對象，基于礦場微地震監測和體積壓裂改造參數大數據，旨在綜合考慮地質工程關鍵參數，結合產能模擬方法，對微地震覆蓋體積進行校正，建立更合理準確的縫網波及體積定量表征經驗公式，為體積壓裂效果評價提供依據。

1 鄂南長7油層組頁巖儲層巖石力學特征

鄂爾多斯盆地晚三疊世發育典型的大型內陸拗陷型湖盆[29]，慶城油田位于盆地南部，主要含油層系為延長組，自上而下劃分為長1—長10共10個油層組，長 7油層組為最大湖泛期的一套廣覆式富有機質泥頁巖與細粒砂質沉積，自生自儲、源內成藏，為典型的陸相頁巖油層。長7油層組自上而下劃分為長71、長72和長73共3個甜點段，主要以半深湖-深湖亞相沉積為主[4-5]。

盆地頁巖儲層埋深為1 600～2 200 m，基質滲透率為(0.11～0.14)×10-3μm2，孔隙度為6%～12%，含油飽和度為67.7%～72.4%，壓力系數為0.77～0.84。通過對盆地360塊井下巖心的232組巖石力學參數測試實驗和80組地應力測試實驗得出，研究區塊頁巖油樣品脆性指數主要介于35.0%～45.0%，平均值為43.3%，水平應力差主要介于4.0～6.0 MPa，平均值為5.1 MPa。對比北美二疊盆地和中國其他盆地的頁巖油特征[30-32]，鄂爾多斯盆地頁巖油具有巖石脆性指數低和水平應力差相對較高的特點(表1)。

2 縫網波及體積模型的建立

2.1 定義及描述

通過將大規模壓裂液注入頁巖儲層，實現水平井多段、多簇體積改造，形成復雜裂縫網絡是有效動用頁巖油的關鍵技術。井下微地震是目前廣泛應用于礦場的一項有效的裂縫監測技術，通過對水壓裂過程中進行微地震事件實時動態監測，獲得微地震覆蓋體積(SRV，圖1藍色虛線區域所示)，而大量礦場統計與產能驗證得出體積壓裂改造有效縫網區域與微地震覆蓋體積差異較大。因此，為了更準確地評價體積壓裂改造效果與指導壓裂優化設計，本文定義水平井體積壓裂形成的有效增產改造體積稱為縫網波及體積(FSV，圖1紅色虛線區域所示)，即在頁巖儲層建立有效的壓力驅動系統，使得頁巖油能夠被有效、經濟動用的縫網區域。

表1 鄂爾多斯盆地與國內外其他盆地頁巖油特征參數對比Table 1 Characteristic parameter comparison of the shale oil from Ordos Basin and that from other basins home and abroad

2.2 縫網形態實驗表征

水力裂縫形態的準確表征是評價縫網復雜程度及改造效果的重要基礎，在充分認識頁巖油巖石力學參數和地應力分布規律的基礎上，為了進一步揭示長慶油田頁巖油體積壓裂后的縫網形態，在中國率先開展真三軸大型水力壓裂物模實驗研究，將人工試件制成尺寸為300 mm×300 mm×300 mm樣品(圖2a)，模擬水力裂縫起裂與擴展，獲取物模試件剖面，定性觀測水力裂縫形態剖面(圖2b)。同時采用聲波監測技術對水力裂縫實時擴展動態進行準確監測，獲取不同方位水力裂縫形態圖(圖3)。

以室內實驗結論為基礎，結合井下微地震監測技術，能夠對水平井體積壓裂后縫網形態、幾何尺寸及方位等參數進行初步刻畫，為礦場體積壓裂效果評價和理論數值模擬提供重要依據。本文收集了慶城油田35口水平井366段體積壓裂單段和全井段微地震監測事件的三維立體展布圖(圖4)。綜合室內真三軸水力壓裂物模實驗及微地震監測大數據得出，研究區體積改造裂縫總體呈現以主裂縫為主、分支縫為輔的條帶狀縫網形態，形似“仙人掌”，其復雜程度由天然裂縫發育程度、巖石力學參數和體積改造參數等共同決定。

圖1 水平井體積壓裂微地震事件平面顯示Fig.1 Planar map showing microseismic events of volume fracturing in horizontal wells

2.3 縫網波及體積計算模型

灰色關聯分析法是灰色理論中的重要內容，通過尋求系統中各因素的主次關系，確定影響各項評價指標的關鍵因素，在儲層評價和油田增產改造方面廣泛應用[31]。本文利用灰色關聯分析法綜合分析地質工程參數與微地震覆蓋體積之間的相關性。首先基于大數據建立多因素評價矩陣，并對其標準化；其次通過計算灰色關聯度定量評價各因素對微地震覆蓋體積的影響程度，明確其主控因素及排序。

圖2 真三軸水力壓裂物模實驗人工試件(a)與水力裂縫剖面(b)Fig.2 Artificial specimen (a) and hydraulic fracture profile (b) in the model test of true triaxial hydraulic fracturing(圖2a中紅色數字為井筒模擬點編號；圖2b中紅色痕跡為水力壓裂裂縫擴展形態，黃色線為水力裂縫輪廓，呈橢圓形。)

圖3 真三軸水力壓裂物模實驗聲發射事件分布Fig.3 Acoustic emission event distribution of true triaxial hydraulic fracturing physical modeling experimenta.整體方位；b.前視圖；c.左視圖；d.俯視圖(圖中黑色虛線為水力裂縫形態，箭頭表示不同方位聲波事件分布。)

圖4 慶城油田長7油層組頁巖油典型水平井體積壓裂微地震事件3D顯示圖Fig.4 3D display of microseismic events during volume fracturing of typical horizontal wells in Chang 7 Member shale oil，Qingcheng oilfield(圖中不同顏色的圓點表示不同壓裂段裂縫擴展微地震事件點。)

前期研究發現，研究區水平井鉆遇儲層的脆性指數和水平應力差相對集中，因此本文重點研究儲層物性參數與壓裂工程參數對微地震覆蓋體積的影響，將計算得到的相關系數大于0.5的5項主控因素進行排序為：入地液量、裂縫密度、排量、油層厚度和砂量(圖5)。

在微地震覆蓋體積影響因素綜合評價的基礎之上，利用多元線性回歸法進一步對其進行定量表征。首先利用層次分析法建立多層次評價體系，其中目標層為微地震覆蓋體積(SRV)，子標準層為入地液量(VL)、裂縫密度(n)、排量(Q)、油層厚度(h)、砂量(VP)；其次根據各水平井壓裂段參數集，建立線性回歸矩陣；最后采用多元線性回歸方法綜合考慮地質工程參數建立微地震覆蓋體積與各影響因素之間的計算模型。

運用多元線性回歸方法，建立了研究區水平井單段微地震覆蓋體積與關鍵地質工程參數耦合模型公式(1)，進而得到單井壓裂微地震覆蓋體積公式(2)。

圖5 微地震覆蓋體積影響因素排序Fig.5 Sequence diagram of factors affecting microseismic coverage volume(藍色線以內為非主控因素區域，紅色和藍色數字分別代表主控因素和非主控因素的灰色關聯度。)

式中：SRV為微地震覆蓋體積，104m3；VL為入地液量，m3；n為裂縫密度，簇/m；Q為排量，m3/min；VP為砂量，m3；h為油層厚度，m。

基于計算獲取的SRV，運用油藏數值模擬方法預測水平井累產油，與實際產能進行標定，建立FSV與SRV的相關性表達式。選取研究區生產滿1年的64口水平井，利用公式(2)計算單井SRV，對單井預測產量與實際第1年累產油量做差異系數區間概率分析(圖6a)，發現SRV與FSV差異系數主要集中在0.20，0.22和0.24，總概率約為80%。因此，利用3個差異系數的平均值0.22作為研究區SRV與FSV的校正系數，得到FSV定量表征公式如下：

FSV=0.22SRV

(3)

式中：FSV為縫網波及體積，104m3。

利用公式(3)計算的FSV進行產能預測，結果顯示與實際累產油具有較高的擬合度(圖6b)，因此表明該公式能較精確地表征人工縫網對儲層的有效波及程度。

同時，基于FSV公式，定義縫網波及系數為：

(4)

式中：Vr為油藏體積，m3；EFSV為縫網波及系數，%。

利用公式(1)—(3)計算48組壓裂水平井的FSV，建立單井第1年累產油與FSV的相關性圖版(圖7)。研究表明，單井第1年累產油與FSV具有較強的正相關性，相關系數達到0.78。同時，當縫網波及體積超過一定值時也表現出累產油量增加幅度逐漸減小的趨勢，因此對于研究區水平井體積改造存在技術經濟最優的FSV。

3 模型驗證及現場應用

3.1 礦場監測數據驗證

利用公式(1)計算研究區水平井101段的SRV，與實際微地震監測數據進行對比，整體擬合程度較好(圖8)，相對誤差在10%以內，表明該計算方法具有較高的精度和適用性，具備在礦場推廣應用的價值。

3.2 典型平臺應用

慶城油田在華H6平臺開展整體壓裂試驗，平臺部署11口水平井，累計壓裂247段1 342簇，入地液量37.6×104m3、砂量3.9×104m3，平臺控制儲量166.9×104m3。單井第1年平均累產油達4 245 t，目前平臺已累產油5.2×104t，預測累產油16.5×104t。利用本文研究成果評價華H6平臺改造及開發效果(表2)，可以發現，預測產量與實際產量吻合度較高，隨著縫網波及體積的增大，單井EUR(預估最大可采儲量)顯著提高(圖9)，但在后期增幅有放緩趨勢。該平臺縫網波及系數介于34.4%～65.8%，平均值為48.3%，說明縫網波及體積仍有進一步擴大的必要。

圖6 慶城油田頁巖油水平井年產油差異系數區間概率分布(a)與產量擬合圖(b)Fig.6 Interval probability distribution of annual oil production difference coefficient of horizontal wells (a) and production fitting diagram (b) for the shale oil in Qingcheng oilfield

圖7 慶城油田頁巖油水平井第1年累產油與縫網波及體積相關性Fig.7 Correlation diagram between accumulated oil production and FSV in horizontal wells for shale oil during the first year in Qingcheng oilfield

圖8 慶城油田頁巖油水平井單段縫網波及體積預測值與實際值對比Fig.8 Comparison between predicted value and actual value of single-sage FSV in horizontal wells for shale oil in Qingcheng oilfield

表2 慶城油田華H6平臺水平井壓裂參數及開發效果預測Table 2 Fracturing parameters and development effect prediction of horizontal wells on Hua H 6 pad,Qingcheng oilfield

圖9 慶城油田華H6平臺單井EUR與縫網波及體積相關性Fig.9 Correlation diagram of single well EUR and FSV on Hua H6 pad，Qingcheng oilfield

4 結論

1) 慶城油田頁巖油體積改造裂縫總體呈現以主裂縫為主、分支縫為輔的條帶狀縫網形態，形似“仙人掌”。影響水平井體積壓裂縫網波及體積主控因素依次為：入地液量、裂縫密度、排量、油層厚度和砂量。

2) 單井縫網波及體積與累產油具有較強的正相關性，相關系數達到0.78。當縫網波及體積超過一定值時也表現出累產油量增加幅度逐漸減小的趨勢，存在技術經濟最優的縫網波及體積。將研究成果應用于慶城油田華H6典型平臺，對水平井進行壓裂參數優化設計和產能預測，經證實預測產能與實際產量吻合度較高，能夠為頁巖油體積壓裂設計提供快捷有效的理論支撐。

3) 基于礦場微地震監測大數據，應用多元線性回歸方法建立了微地震覆蓋體積與關鍵地質工程參數的擬合模型，并通過產能校正建立了縫網波及體積定量表征經驗公式，經礦場實際井驗證預測結果準確可靠，是值得推廣的一種新方法。