頁巖油不同類型甜點對水平井壓裂產能影響規律*

張 方 高 陽 李映艷 何吉祥 徐東升 魯春華 李俊鍵

(1. 新疆油田公司勘探開發研究院 新疆克拉瑪依 834000； 2. 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249)

隨著水平井水力壓裂技術的進步，非常規油氣的開發逐漸成為全球能源領域的熱點問題，被認為是接替常規油氣能源、支撐油氣革命的重要力量[1-2]。中國致密油地質儲量豐富，全國9個重點陸相盆地的致密油地質資源約為146.6億噸，高效開發致密油氣藏對保障中國能源安全具有重要意義[3-4]。但由于致密儲層孔喉半徑小，滲透率低，無自然工業油流。即使儲層經過水力壓裂后，依然存在著產能低、穩產差的問題[5-7]。地質工程一體化技術被認為是開發致密油氣的關鍵技術[8]。大慶油田扶余油層利用地質工程一體化技術對水平井井位、井距、水平段長、裂縫半長、裂縫高度等進行優化，實現了致密儲層整體改造[9]；瑪湖凹陷百口泉組油藏基于地質工程一體化的思路對壓裂方案進行優化，實現了致密砂礫巖儲層的效益開發[10]；鄂爾多斯盆地延長組長7段利用地質工程一體化技術實現了科學布井和高效鉆井[11]。然而，這些應用大都是利用一體化的平臺，進行快速的井軌跡及壓裂方案設計，卻忽略了儲層物性品質和工程品質對致密油氣產能的影響，導致同樣的一體化壓裂設計下的生產井產能差異大，部分新井投產開發后產量遞減快，穩產困難。

在考慮儲層物性品質和工程品質時，很多學者提出了甜點的概念。陳福利 等[12]提出了致密儲層甜點甜度的概念，分析了在不同油價下的儲層甜點分布；楊智 等[13]系統闡述了甜點的內涵，并將儲層劃分為地質甜點區、工程甜點區和經濟甜點區；趙文智[14]從烴源巖有機碳含量、熱成熟度等地質沉積角度評價了泥巖和頁巖的甜點差異；諶卓恒 等[15]描述了致密油的生產特征并進行了甜點分布預測。然而，表征儲層供油能力的物性甜點與表征儲層改造潛力的工程甜點對產能的影響仍缺乏系統的認識。且對甜點進行多指標評價時，往往會出現不同指標之間評價結果不一致的情況，嚴重影響著甜點定量化評價的準確性。

本文利用模糊綜合評判方法，建立了多因素影響下的物性甜點模型和工程甜點模型，實現對儲層品質的定量化分級評價；基于水平井鉆遇的不同類型甜點組合，分析了水平井產能規律，劃分了3類典型生產模式；結合地質工程建模數模一體化技術，提出了3種壓裂模式，并優化了不同模式下的水平井壓裂參數。該結果對致密油的高效開發具有一定的指導意義。

1 研究區概況

吉木薩爾蘆草溝組頁巖油位于準噶爾盆地東部隆起吉木薩爾凹陷，是前陸咸化湖盆頁巖油典型代表。埋藏深度在2 500～4 500 m，發育上下兩個甜點體，上甜點體厚度8～26 m，下甜點體厚度12～40 m。地質儲量10.2億噸，其中探明儲量1.53億噸，是油田產量接替的重要保證。但儲集空間主要以粒間溶孔為主，納米級孔喉占儲集空間65%以上，平均孔喉半徑0.19 μm，平均孔隙度0.11，平均滲透率0.01 mD，且小于0.1 mD的實驗樣本占90%以上，含油飽和度在50%～95%。原油黏度較高，上甜點體50 ℃原油黏度在43.03～133.16 mPa·s，平均50.27 mPa·s，地層原油黏度10.70 mPa·s；下甜點體50 ℃原油黏度在94.20～407.08 mPa·s，平均 123.23 mPa·s，地層原油黏度14.10 mPa·s。

自2011年在吉25井發現了蘆草溝組頁巖油，目前已進入了規模建產階段。通過采用水平井+細分切割體積壓裂工藝(縫間距15 m、加砂強度2.0 m3/m、排量14 m3/min)，使得2口井年產油量突破萬噸，從而形成了以“水平井+細分切割體積壓裂”為主體的開發技術。2018年開展了200 m、260 m井距試驗和壓裂規模試驗，初步落實了以200 m井距、2.5 m3/m加砂強度、14 m3/min排量和15 m縫間距的主體開發部署參數。但是經體積壓裂改造后，水平井生產能力差異大，主要呈現3類典型特征(圖1)：I類井初期產油量高，產量上升快，累產高；II類井具有一定的初產和累產；III類井初產低，累產差。為了實現頁巖油的高效開發，需要明確造成產能差異大的原因，并給出相應的對策，提高頁巖油的開發效果。

圖1 研究區生產動態特征Fig.1 Dynamic characteristics of production in the study area

2 甜點對產能的影響

2.1 甜點模型建立

保障頁巖油壓裂水平井高效開發主要包括2點：一是盡可能鉆遇優質儲層，保證一定的井控儲量；二是盡可能對儲層進行壓裂改造，獲得最大的SRV[16-19]。優質儲層通常認為是物性好、含油飽和度高的區域，即常說的物性甜點，而改造效果不僅受到改造規模的影響，還受到儲層巖石力學性質的影響，即常說的工程甜點。根據孫龍德 等[3]從巖性、物性、含油性構建的甜點三級評價體系，頁巖油藏物性甜點通常可以由孔隙度、滲透率和含油飽和度等指標來表征，工程甜點主要可由脆性指數、抗張強度以及兩向應力差等巖石力學參數來表征。一般脆性指數大、抗張強度小、兩向應力差小的儲層可壓性高，改造效果好[20]。

當采用多個單指標對甜點進行評價時，往往會出現不同指標之間評價結果不一致的情況[21]。為了綜合考慮各個指標的影響，本文利用模糊綜合評判方法，建立多因素影響下的物性甜點模型和工程甜點模型。建立甜點模型主要分為2大步驟：一是各個指標權重的確定；二是儲層甜點分級。

1) 權重確定。

灰色關聯是確定權重常用的方法[22-23]。在確定各指標權重之前，需要對各指標進行初始化，消除量綱的影響。孔隙度、滲透率、含油飽和度、脆性指數均為正向指標，而抗張強度、水平兩向應力差為反向指標，正向指標和反向指標初始化分別由下式確定：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x1(m)和x1(n)分別為第一口井各正向指標和各反向指標值；xi(m)和xi(n)分別為第i口井的正向指標和反向指標值；yi(m)和yi(n)分別為初始化后的正向指標和反向指標值。

以生產井一年的累產油為參考序列，分別以物性甜點與工程甜點的指標參數為比較序列,構成矩陣[Y0,Y1,Y2,Y3]，其中，Y0為參考序列，Yi為比較序列；將矩陣中的每個比較序列與參考序列相減，可得到絕對差值矩陣：

將絕對差值矩陣中的數據作如下變換，即可得到相關系數矩陣：

(3)

式(3)中：Δi(k)為第k口井的第i個評價指標的絕對差值；分辨率系數ρ的值在(0，1)中，ρ越小，相關系數的差異越大；相關系數ξi(k)為不大于1的正數。

比較序列Yi和參考序列Y0之間的相關程度由n個相關系數反映，并且Yi和Y0的相關程度zi可以通過平均值來獲得(式(4))，關聯度的百分比即為權重(式(5))，結果如表1所示。

(4)

(5)

表1 甜點劃分標準Table 1 Classification criteria of sweet spot

2) 儲層甜點分級。

采用綜合指標評價甜點還需要解決分級的問題。由于表1已經給出了單指標分級區間，則模糊綜合評判是確定甜點不同級別的有效方法[17]。物性甜點和工程甜點的評語集均為I類(好)、II類(中)、III類(差)。根據表1的各分級區間，將各實際參數代入式(6)～(8)即可求得隸屬度矩陣。

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：rij為第i個評價指標屬于第j個甜點等級的隸屬度；xi為第i個評價指標的取值；aij和bij均為第i個指標在第j個甜點等級的指標參數；μj1和μj2分別為第j個甜點等級區間的上下界。

權重向量與隸屬度矩陣的積即為綜合評判向量(式(9))，根據最大隸屬度原則，即可判定研究區的甜點等級。

Fz=W·R

(9)

式(9)中：W為權重向量；R為由rij組成的隸屬度矩陣；Fz是1×3的向量，向量元素對應的最大值即為該段甜點所屬的等級。

物性甜點及工程甜點三維甜點數據體分別如圖2和3所示。

2.2 物性甜點和工程甜點對產能的影響

基于建立的甜點模型，統計研究區內各井沿井段的甜點分布，評價甜點與產能的關系。由于壓裂規模對壓裂水平井的產能影響很大，定義以500 m水平段長、10 000 m3壓裂液、2 m3/m 的加砂強度為基礎的半年產能，量化甜點對產能的影響(圖4、5)。物性甜點與工程甜點均和產能有一定的正相關關系，但從擬合系數來看，物性甜點與產能的相關性更好，同時由曲線擬合的斜率看，物性甜點對產能更加敏感。

圖3 工程甜點三維數據體Fig.3 3D data volume of engineering sweet spots

圖4 I類物性甜點與累產油關系Fig.4 Correlation results between type I geological sweet spot and cumulative oil production

圖5 I類工程甜點與累產油關系Fig.5 Correlation results between type I engineering sweet spot and cumulative oil production

甜點與產能存在一定的正相關關系，以水平井主要鉆遇的甜點類型與產能的大小為劃分標準，將研究區的井分為三類。I類井甜點主要為I類物性甜點與I類工程甜點，相應的產能高；II類井甜點主要為I類物性甜點和II/III類工程甜點，產能稍差于I類井；III類井甜點主要為II/III類物性甜點和I/II類工程甜點，產能遠差于I類井(表2)。

表2 不同類型井劃分Table 2 Different types of well division results

以3口典型井來具體分析甜點對產能的影響。從生產動態曲線來看，I類典型井J10043_H平均歸一化日產油3.6 t，并以平均3.9 t/d的產量穩產了近180 d，且未見下降趨勢；II類典型井J10019_H平均歸一化日產油2.9 t，并以平均2.7 t/d的產量穩產了近160天，且同樣未見下降趨勢；III類典型井J10021_H平均歸一化日產油0.6 t，雖有一定的穩產期，但產量遠低于I類井和II類井(圖6)。

進一步分析3口典型井沿井段的物性甜點及工程甜點分布比例。I類井J10043_H井沿井段I類物性甜點占比高達96.21%，II類和III類物性甜點基本沒有；I、II類工程甜點占比分別為76.24%和23.76%，且不含III類工程甜點(圖7)。

圖6 3口典型井生產曲線Fig.6 Production curves of 3 typical wells

圖7 I類井J10043_H井甜點分布Fig.7 Sweet spots distribution of type I Well J10043_H

II類井J10019_H井沿井段物性甜點同樣主要是I類，占比74.6%；II類和III類物性甜點也有所分布，占比分別為11.93%和13.46%；但該井I類工程甜點僅占比6.72%，而III類工程甜點占比高達60.3%(圖8)。對比I類典型井甜點分布，推測由于工程甜點欠佳，導致該井的累產差于I類典型井。

圖8 II類井J10019_H井甜點分布Fig.8 Sweet spots distribution of type II Well J10019_H

III類井J10021_H井沿井段I類物性甜點占比僅有23.57%，相反III類物性甜點占比卻高達53.21%；I、II類工程甜點占比分別為74.18%和25.82%，無III類工程甜點(圖9)。和I類、II類典型井相比，III類典型井物性甜點太差是造成低產能的主要原因。

圖9 III類井J10021_H井甜點分布Fig.9 Sweet spots distribution of type III Well J10021_H

基于上述分析，總結3類典型井生產特征。I類生產井累產高，穩產時間長，其甜點組合為I類物性甜點和I類工程甜點；II類生產井累產油及穩產稍差于I類井，其甜點組合為I類物性甜點和II/III類工程甜點；III類生產井累產低，生產效果最差，其甜點組合為II/III類物性甜點和I/II類工程甜點。

3 基于甜點的壓裂設計

由3類典型井的生產特征可知，當I類物性甜點占比很大，同時I/II類工程甜點也有一定的分布，則該井的生產效果一般較好。而當物性甜點較差時，即使I類工程甜點占比很高，該井的生產效果一般較差。而頁巖油的壓裂效果同樣直接影響著油井產能[24-25]，因而為了獲得最優的生產效果，需要針對不同的甜點分布，設計相應的壓裂方案，從而獲得最佳的生產效果。

3.1 從壓裂模擬到數值模擬

由甜點評價指標可知，物性甜點代表的是儲層的供油能力，工程甜點代表的是儲層改造難易程度。而要評價物性甜點與工程甜點對產能的綜合影響，需要進行壓裂模擬與油藏數值模擬。本文基于Petrel平臺，利用非常規裂縫模型(UFM)模擬水力裂縫擴展，UFM模型可模擬裂縫變形、高度增長、流體流動和支撐劑運移、水力裂縫之間應力陰影作用等過程，是目前主要的裂縫模擬器之一[26-27]。通過定義現場使用的壓裂液與支撐劑，并生成實際的泵注程序，得到典型的水力壓裂模擬結果(圖10)。在油藏數值模擬部分，通過對圖10所示的裂縫進行非結構化網格剖分生成數值模擬網格，進而進行油藏數值模擬(圖11)。在壓裂模擬及數值模擬過程中，通過對泵注曲線擬合校正裂縫模擬的結果以及利用生產動態擬合校正地質模型，經過校正后的模型構成了壓裂設計的起點。

圖10 水力壓裂裂縫模擬結果Fig.10 Hydraulic fracturing simulation results

圖11 水力裂縫非結構化網格剖分結果Fig.11 Results of unstructured mesh generation of hydraulic fractures

3.2 壓裂設計

在進行壓裂設計時，選取累產油和凈現值(NPV)為評價指標，凈現值計算參數來自于文獻[21]。三類井的優化結果如圖12～14所示。

由圖12可知，對于I類典型井，隨著壓裂段數的增多，累產油逐漸增多，同時其NPV也是逐漸增多。但壓裂段數超過40段后，其增油幅度很小，且NPV出現下降，故I類典型井的壓裂段數為40段。

這主要是因為I類典型井的I類物性甜點占比很大，保證了一定的產油能力，同時I類工程甜點保證了儲層的充分改造，所以通過增大壓裂段數會獲得較好的開發效果。但頁巖儲層畢竟導流能力有限，當儲層在一定壓裂規模下獲得最大的改造體積時，再增大壓裂段數對產油的貢獻也就很小了。

圖12 I類典型井壓裂規模優化結果Fig.12 Optimized results of fracturing scale in type I well

由圖13可知，對于II類典型井，當壓裂規模超過36段時，累產油量很難再增加，此時，NPV達到最高值。所以對于II類典型井，最優的壓裂段數為36段。相比于I類典型井，II類典型井的壓裂規模適當減小，這主要是因為II類典型井的工程甜點差于I類典型井，儲層改造效果不如I類典型井，導致儲層的供液能力不及I類典型井。

圖13 II類典型井壓裂規模優化結果Fig.13 Optimized results of fracturing scale in type II well

由圖14可知，對于III類典型井，在壓裂段數超過32段后，NPV即出現下降，因此該井的最優壓裂段數為32段。因為該典型井的物性甜點為II/III類，儲層供油能力差，即使儲層改造的很充分，也很難獲得很高的產量。

圖14 III類典型井壓裂規模優化結果Fig.14 Optimized results of fracturing scale in type III well

由此，確定三類水平井壓裂模式：模式1：I類物性甜點+I類工程甜點組合，采用大規模壓裂，保證產能的同時，追求經濟效益最大化；模式2：I類物性甜點+II/III類工程甜點組合，采用中規模壓裂，追求較高的產能和經濟效益；模式3：II/III類物性甜點+I類工程甜點組合，采用較小壓裂規模，主要是獲得一定產能的同時，保證一定的經濟效益。

3.3 現場實踐

以優化結果為指導，現場于2019年9月新鉆一口水平井，其中I類物性甜點占比81%，II、III類工程甜點占比分別為25%和70%，采用中等壓裂規模壓裂35段，單段內3簇射孔，注入壓裂液總量55 000 m3。投產后，該井初產2.7 t，并以35 t的日產量穩產6個月，當前已累產9 800 t，產量遠高于同期其他井。

4 結論

致密油產能受儲層物性甜點及工程甜點的影響，通過優化不同甜點組合下壓裂規模，可有效提高致密油開發效果。I類物性甜點+I類工程甜點組合模式下，適合大規模壓裂，追求產能及經濟效益最大化；I類物性甜點+II/III類工程甜點組合模式下，適合中規模壓裂，追求較高的產能和經濟效益；II/III類物性甜點+I類工程甜點組合模式下，適合小規模壓裂，追求一定產能的同時，保證一定的經濟效益。