柴達(dá)木盆地英雄嶺頁巖油體積壓裂技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐

黨建鋒，張永國，邱 忠

（西部鉆探工程有限公司吐哈井下作業(yè)公司，新疆鄯善 838200）

柴達(dá)木盆地高山深盆的構(gòu)造格局和總體干旱缺水的沉積背景，形成了盆地邊緣相帶窄、“源儲(chǔ)一體”沉積體分布廣（占盆地沉積巖面積的60%以上）的特征，油氣資源勘探前景廣闊，對于千萬噸高原油氣田建成和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。英雄嶺構(gòu)造帶隸屬于柴達(dá)木盆地西部古近系-新近系含油氣系統(tǒng)，是盆地石油勘探的重要領(lǐng)域[1-3]，面積為4 900 km2，包括獅子溝、花土溝、游園溝、油砂山、英東、干柴溝、咸水泉、油泉子、黃瓜峁、開特、油墩子等地區(qū)[4]。1984 年，位于獅子溝的獅20 井在古近系下干柴溝組上段（E32）日噴油1 138 m3、氣22.7×104m3，發(fā)現(xiàn)深層孔縫系統(tǒng)的碳酸鹽巖油藏。由于地震資料品質(zhì)差，油藏主控因素認(rèn)識(shí)不清，歷經(jīng)12 年探索，先后共鉆探深井16 口，均未取得明顯進(jìn)展。2010 年，利用二維地震老資料重新處理解釋成果，優(yōu)選英東一號(hào)鉆探砂37 井，對10 個(gè)層組試油均獲工業(yè)油氣流，發(fā)現(xiàn)了淺層（N22～N21）碎屑巖斷塊油氣藏，實(shí)現(xiàn)了勘探的重大突破。英東淺層突破后，通過持續(xù)深化碳酸鹽巖成儲(chǔ)研究，明確了咸化半深湖-深湖相“源儲(chǔ)一體”碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育溶蝕孔洞、晶間孔、裂縫等多種儲(chǔ)集空間，具有整體含油、構(gòu)造改造調(diào)整的特征。在新認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)下，勘探由淺層轉(zhuǎn)戰(zhàn)深層，先后鉆探8 口千噸級高產(chǎn)井，在英西-英中地區(qū)平面上落實(shí)了5 個(gè)油氣富集區(qū)，累計(jì)探明油氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過7 000×104t。同時(shí)，引入頁巖油勘探新理念[5]，在深入研究和評價(jià)烴源巖的基礎(chǔ)上，優(yōu)選構(gòu)造變形較弱的干柴溝地區(qū)開展源內(nèi)頁巖油勘探，完鉆的6 口直井9 個(gè)層組壓裂后均獲工業(yè)油流，但油氣發(fā)現(xiàn)率仍較低[6-7]。英雄嶺地區(qū)自2019 年實(shí)施三維地震以來，進(jìn)入了新的勘探開發(fā)階段。2021 年以來，按照勘探開發(fā)一體化工作模式，共部署預(yù)探評價(jià)井11 口，開發(fā)井9 口，新發(fā)現(xiàn)E32 上段的高壓油氣藏。Ⅰ～Ⅲ油組射孔后均有自然產(chǎn)能，但Ⅳ～Ⅵ油組頁巖油儲(chǔ)層致密，物性差，無自然產(chǎn)能，需開展水平井分段分簇體積壓裂工藝技術(shù)研究，為青海油田頁巖油產(chǎn)能建設(shè)提供技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)干柴溝頁巖油氣藏效益開發(fā)。

1 油藏主要特征

英雄嶺地區(qū)位于柴達(dá)木盆地西部地區(qū)，為喜山晚期隆起帶，地面以風(fēng)蝕山地為主，海拔3 000～3 900 m，山高坡陡，溝壑縱橫。英雄嶺頁巖油具有“高原、高鹽、高應(yīng)力、高灰云質(zhì)、高頻旋回、高壓、高度缺水”的特殊地質(zhì)-工程背景和制約條件。

1.1 構(gòu)造特征

E32 沉積期，英雄嶺地區(qū)整體為大型坳陷，發(fā)育淺湖-深湖相沉積，形成大面積分布的咸化湖相頁巖，是青海油田頁巖油勘探開發(fā)的優(yōu)勢目標(biāo)區(qū)?；诘貙痈窦艿娜珔^(qū)對比，開展古地貌恢復(fù)，明確英雄嶺地區(qū)早期為坳陷，分布面積1 500 km2，沉積厚度1 500～2 000 m。滿坳分布的優(yōu)質(zhì)源儲(chǔ)組合，形成了規(guī)模頁巖油發(fā)育區(qū)，其中，深度在5 500 m 以內(nèi)、TOC 大于0.8%的分布面積為800 km2，資源量21×108t。

1.2 巖性特征

英雄嶺地區(qū)位于柴西坳陷中心，古近系下干柴溝組上段發(fā)育多期半深湖-深湖相頁巖，形成紋層型與混積型兩類頁巖。全巖礦物成分分析揭示，下干柴溝組上段巖性混積特征明顯，巖石類型包括灰云質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖以及碎屑巖，以灰云質(zhì)頁巖為主。脆性礦物含量高，礦物組分以粉砂級石英、長石和方解石、白云石為主（60.0%～90.0%），黏土和塑性礦物含量總體偏低（10.0%～40.0%）。巖心掃描測井結(jié)合X 射線衍射分析明確下干柴溝組上段礦物組分包括黏土、石英、長石、方解石、白云石、石膏等多種礦物，碳酸鹽含量40.0%～60.0%。對干柴溝地區(qū)柴2-4 井下干柴溝組上段開展全巖礦物組成分析，以碳酸鹽巖礦物為主，混積特征明顯。

1.3 物性特征

孔隙度隨白云石含量增加而增加，層狀灰云質(zhì)頁巖孔隙度略高，紋層狀頁巖滲透率最好，巖心孔隙度主要分布在3.04%～7.12%，平均值為5.10%；滲透率分布在0.01～18.46 mD，平均值為0.24 mD，整體以低孔、特低滲儲(chǔ)層為主。

1.4 溫度、壓力系統(tǒng)

根據(jù)干柴溝地區(qū)實(shí)測溫度擬合，該區(qū)地溫梯度為3.23 ℃/100m，屬于正常溫度系統(tǒng)，建立公式：T=0.032 3×H+10（H 為射孔井段中部深度），柴905 井MDT 測試結(jié)果顯示，Ⅳ油組壓力系數(shù)平均為1.91，屬于異常高壓系統(tǒng)。

1.5 儲(chǔ)層流體特征

地下原油：密度0.707 1 g/cm3，氣油比129.7 m3/m3，原油黏度0.502 1 mPa·s，泡點(diǎn)壓力23.22 MPa，地飽壓差30.32 MPa，表現(xiàn)為氣油比中等、地飽壓差大的特點(diǎn)。

地面原油及氣油比：密度0.809 8～0.851 7 t/m3，平均為0.840 8 t/m3，原油黏度4.760～14.900 mPa·s，平均為9.550 mPa·s，屬于輕質(zhì)低黏原油，氣油比在66.0～385.0 m3/m3。

地層水：密度1.23 g/cm3，氯根170 060 mg/L，pH 值6.0，總礦化度平均262 161 mg/L，水型為CaCl2型。

1.6 儲(chǔ)層可壓性評價(jià)

脆性礦物含量高，礦物學(xué)分析灰云質(zhì)頁巖（52.9%）、砂巖（11.4%）、脆性礦物占50.0%～70.0%，且黏土礦物主要為伊利石（>90.0%），水化膨脹率低。巖石物理學(xué)分析脆性指數(shù)在0.52～0.65，有利于儲(chǔ)層改造并形成復(fù)雜縫網(wǎng)。整體表現(xiàn)中等偏高楊氏模量，中等泊松比，中等偏高應(yīng)力差，通過評價(jià)，紋層頁巖油的可壓性整體好于層狀頁巖油。

2 體積壓裂技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐

2.1 體積壓裂技術(shù)難點(diǎn)

（1）高原地形。地處高原，壓裂設(shè)備功率僅為內(nèi)地的70%，對施工設(shè)備提出更高的要求。

（2）高鹽儲(chǔ)層。地層礦化度較高，在生產(chǎn)中結(jié)鹽影響產(chǎn)量問題需要提前考慮。

（3）高應(yīng)力儲(chǔ)層。水平主應(yīng)力差12.0～18.0 MPa，破裂壓力梯度0.024 7～0.027 9 MPa/m，最小主應(yīng)力梯度0.017 0～0.020 0 MPa/m，整體表現(xiàn)為高應(yīng)力特性，對施工設(shè)備和壓裂工藝技術(shù)提出高的要求。

（4）高灰云質(zhì)儲(chǔ)層。儲(chǔ)層親水，對燜井油水滲吸置換有利。

（5）儲(chǔ)層高頻旋回。層理/紋層發(fā)育，層間差異大，裂縫縱向上、橫向上改造受限。

（6）高壓儲(chǔ)層：壓力系數(shù)1.88～1.96，利于形成復(fù)雜裂縫。

（7）區(qū)域高度缺水。對蓄水、輸水及連續(xù)施工供液提出了較高要求。

2.2 直井體積壓裂技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐

2.2.1 直井體積壓裂技術(shù)研究 針對“七高”的特殊工程背景及制約條件，在縫網(wǎng)體積壓裂的前提下，采用“人工裂縫的主動(dòng)控制、石英砂+陶粒組合支撐、滲吸壓裂液、燜井+控排”的壓裂技術(shù)及理念，提高改造針對性。具體的壓裂技術(shù)思路：為了增大縫網(wǎng)有效性和波及范圍，采用三段式壓裂，第一段采用高黏液體階梯升排量壓裂造縫，為第二段提供一個(gè)有效通道；針對基質(zhì)改造需求，第二段采用大排量低黏滑溜水?dāng)U縫，進(jìn)一步提高縫內(nèi)凈壓力造復(fù)雜縫網(wǎng)，為基質(zhì)滲透提供更多通道；第三段采用高黏液體連續(xù)攜砂（高密高強(qiáng)陶粒）填充主裂縫，支撐好縫口，保障主裂縫及縫口導(dǎo)流能力。采用低密度石英砂+高密高強(qiáng)陶粒組合支撐劑，同時(shí)提高石英砂占比，在排量有限的情況下，最大程度的將小粒徑低密度支撐劑輸送到遠(yuǎn)端，保證遠(yuǎn)端裂縫的有效性，確保長期穩(wěn)產(chǎn)；采用滲吸驅(qū)油劑壓裂液體系，加強(qiáng)儲(chǔ)層油水置換，提高措施效果；返排制度采取“壓后燜井+控壓排液”，避免有效應(yīng)力的快速上升導(dǎo)致裂縫有效體積的損失；室內(nèi)攻關(guān)高礦化度壓裂液，開展高礦化度壓裂液實(shí)驗(yàn)，評價(jià)高鹽壓裂液體系在英雄嶺頁巖油的適應(yīng)性。

2.2.2 直井體積壓裂實(shí)施概況 2021 年，柴902 井的壓裂開啟了頁巖油壓裂的新篇章，主要采用直井體積壓裂工藝技術(shù)，實(shí)施7 井次14 層組，施工參數(shù)方面平均施工排量9.9 m3/min，液量1 208.9 m3，砂量92.23 m3，平均砂比18.09%。措施效果方面平均日產(chǎn)液36.2 m3，日產(chǎn)油12.7 m3，12 個(gè)層組獲工業(yè)油氣流。

2022 年，針對巨厚多箱體儲(chǔ)層試油周期長的問題，通過探索建立“逆向設(shè)計(jì)、正向施工”作業(yè)流程，開展“試油效率高、改造體積大”的直井套管分壓合試工藝試驗(yàn)3 井次18 層組，施工參數(shù)方面平均施工排量10.4 m3/min，液量1 261.7 m3，砂量98.00 m3。措施效果方面平均日產(chǎn)液99.1 m3，日產(chǎn)油23.0 m3。已完鉆的12口直井中，試油10 口井15 個(gè)層組全部獲工業(yè)油流，日產(chǎn)油5.4～44.9 m3，進(jìn)一步證實(shí)了頁巖油采用三段式主動(dòng)控制壓裂技術(shù)具有很好的適應(yīng)性，新型分壓合試工藝具有較好的穩(wěn)定生產(chǎn)能力和推廣潛力。

2.3 水平井體積壓裂技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐

2021-2022 年，英雄嶺頁巖油水平井改造堅(jiān)持以“密切割+極限限流+高強(qiáng)度改造”體積壓裂技術(shù)2.0 為指導(dǎo)，按照地質(zhì)-工程一體化原則，結(jié)合水平段儲(chǔ)層評價(jià)分類，實(shí)施差異化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化甜點(diǎn)改造。2022 年，柴平4 井、柴平2 井相繼取得較好的增油效果，英雄嶺頁巖油水平井壓裂技術(shù)適用性進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3.1 分段分簇與限流射孔優(yōu)化 利用Kinetix 地質(zhì)-工程一體化軟件進(jìn)行模擬計(jì)算：水平段長45.0～50.0 m，優(yōu)化排量與射孔數(shù)匹配關(guān)系，6 簇/段，簇間距5.5～6.5 m，射孔孔數(shù)5～6 孔/簇，16.0～18.0 m3/min 排量下，孔眼節(jié)流摩阻4.0～6.0 MPa，大于簇間應(yīng)力差（2.1 MPa），確保段內(nèi)各簇都能進(jìn)液。

2.3.2 入液強(qiáng)度與加砂強(qiáng)度優(yōu)化 利用Kinetix 地質(zhì)-工程一體化軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合裂縫擴(kuò)展模擬，合理優(yōu)化入液強(qiáng)度及加砂強(qiáng)度，平均入液強(qiáng)度由35.0 m3/m增加至40.0 m3/m，加砂強(qiáng)度由5.0 t/m 增加至5.5 t/m，裂縫改造規(guī)模及支撐效果最佳。對于英雄嶺頁巖油而言，入液強(qiáng)度過小會(huì)導(dǎo)致裂縫面積的減小，影響最終產(chǎn)能。同時(shí)考慮深層施工的加砂成功率，需增大入液強(qiáng)度，建議入液強(qiáng)度保持在40.0 m3/m，實(shí)際入液量優(yōu)化以保證加砂為前提。

2.3.3 壓裂排量優(yōu)化 開展不同排量方案對比，排量與EUR 呈一定正相關(guān)性，同時(shí)考慮裂縫參數(shù)與地層參數(shù)的匹配關(guān)系。優(yōu)化排量16.0～18.0 m3/min，限壓不限排量，模擬裂縫寬度有利于形成較好的裂縫導(dǎo)流能力，可減小滲流阻力，促進(jìn)增產(chǎn)效果。

2.3.4 壓裂液體系優(yōu)化 優(yōu)化壓裂液配方降低改造成本：根據(jù)儲(chǔ)層巖性及敏感性特征，結(jié)合防膨劑對巖心傷害實(shí)驗(yàn)，降低壓裂液中防膨劑加量，取消助排劑，降低單方壓裂液成本，配套形成了低黏、低阻、低成本壓裂液體系。

凍膠配方：0.30%～0.35%HPG+0.02%NaOH+0.50%NW+1.00%KCl+0.30%ZP+0.30%QGC+0.40%JLJ，優(yōu)化后配方為低黏低成本壓裂液配方：0.25%～0.30%HPG+0.02%NaOH+0.30%QGC+0.40%JLJ。一體化可變黏滑溜水壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用：通過配方調(diào)整，該體系兼具攜砂、減阻及性能穩(wěn)定等功能，可實(shí)現(xiàn)滑溜水、線性膠、高黏膠液自由切換。

滑溜水配方：0.15%～0.50%FR+0.50%NW+1.00%KCl+0.30%ZP+0.30%QGC，優(yōu)化后配方：0.10%～0.40%FR+0.10%NW+0.30%QGC。

首次開展?jié)B吸驅(qū)油現(xiàn)場試驗(yàn)：優(yōu)選滲吸驅(qū)油劑體系，滲吸驅(qū)油劑具有降低表界面張力和破乳功效，0.3%驅(qū)油劑界面張力為0.5 mN/m，滲吸驅(qū)油率25%，具有良好的滲吸驅(qū)油效果，在加有滲吸驅(qū)油劑的液體體系中可取消破乳助排劑的使用。

2.3.5 支撐劑組合優(yōu)化 結(jié)合儲(chǔ)層閉合壓力和支撐劑導(dǎo)流能力評價(jià)，優(yōu)選70～140 目石英砂（28 MPa）+40～70 目石英砂（28 MPa）+30～50 目陶粒（52 MPa）作為支撐劑，優(yōu)化組合比例為5∶4∶1，提高裂縫導(dǎo)流能力。70～140 目石英砂主要用于段塞打磨主裂縫和支撐更多的微裂縫；40～70 目石英砂填充分支縫；30～50 目陶粒填充主裂縫（表1）。

表1 壓裂支撐劑性能檢測數(shù)據(jù)

2.3.6 繩結(jié)暫堵實(shí)驗(yàn)優(yōu)化 繩結(jié)暫堵技術(shù)優(yōu)勢：炮眼經(jīng)支撐劑沖蝕后形狀不規(guī)則，纖維繩結(jié)暫堵劑是一種新型暫堵劑，具有柔性可變形、封堵強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，對不規(guī)則形狀炮眼具有更強(qiáng)針對性[8]。該暫堵劑采用100%可降解纖維材料制作，在120 ℃溫度下24 h 能夠完全降解。

為使段內(nèi)各簇均能得到均衡改造，并且壓后對產(chǎn)量均有所貢獻(xiàn)，壓前根據(jù)段內(nèi)各簇物性和應(yīng)力差，對儲(chǔ)層進(jìn)行暫堵分級評估，將每段暫堵分為兩級，通過加暫堵劑增大孔眼節(jié)流摩阻或井筒凈壓力，使液體分流轉(zhuǎn)向，從而使段內(nèi)各簇均能進(jìn)液并得到均衡改造，提高整個(gè)水平段動(dòng)用程度及各簇對產(chǎn)量貢獻(xiàn)率。結(jié)合長慶長7 頁巖油、新疆瑪湖致密油、吐哈油田繩結(jié)暫堵壓裂成功經(jīng)驗(yàn)，繩結(jié)暫堵個(gè)數(shù)按總孔眼數(shù)1/2 計(jì)算。

借鑒北美繩結(jié)暫堵技術(shù)與國內(nèi)其他各油田暫堵轉(zhuǎn)向成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選水溶性繩結(jié)暫堵劑，優(yōu)化暫堵劑加注時(shí)機(jī)，為確保施工人員安全與加注效率，在地面高壓管線連接專用投球器，待第一級加砂結(jié)束后停泵，倒換井口及地面流程后，將繩結(jié)暫堵劑放入投球器投球，人員遠(yuǎn)離高壓區(qū)倒換壓裂流程，進(jìn)行第二級壓裂。

2.3.7 水平井體積壓裂實(shí)施概況 2021-2022 年，頁巖油水平井實(shí)施13 井次/282 段，排量18.0 m3/min，平均入液強(qiáng)度32.7 m3/m，平均加砂強(qiáng)度5.2 t/m（表2、表3）。

表2 英雄嶺頁巖油水平井壓裂施工參數(shù)

表3 英雄嶺頁巖油水平井壓后效果統(tǒng)計(jì)

3 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

（1）通過前期英雄嶺頁巖油水平井壓后效果分析，目前“密切割+極限限流+高強(qiáng)度改造”體積壓裂技術(shù)2.0 對英雄嶺頁巖油效益開發(fā)適用性較好。

（2）按照柴平1、柴平2、柴平4 區(qū)塊高產(chǎn)井壓裂主體技術(shù)路線、工藝參數(shù)優(yōu)化、液體體系及支撐劑類型組合等，推廣復(fù)制分段段長、簇間距、射孔方式、入液強(qiáng)度、加砂強(qiáng)度、液體體系及支撐劑類型等關(guān)鍵參數(shù)，探索形成縱向上各有利建產(chǎn)箱體適用的體積壓裂技術(shù)。

（3）鑒于目前YY1H 平臺(tái)5 箱體3 口井與6 箱體4口井，壓后盡管見油返排率低（平均2.00%～3.00%），但含水率下降慢，高含水率周期長，分析可能是由于各箱體含油性差異，有待進(jìn)一步觀察。

（4）針對柴達(dá)木盆地高原缺水、地層水礦化度高的問題。結(jié)合油田不同區(qū)塊地層水，尤其針對特殊區(qū)塊高礦化度、高鈣離子等地層水開展各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。研發(fā)耐高礦化度壓裂液，實(shí)現(xiàn)返排液和地層水重復(fù)利用，節(jié)約水源，補(bǔ)充工廠化壓裂供水不足的問題。