海上頁巖油壓裂地質優選技術應用研究

祝永甜

（中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司油藏技術中心，廣東湛江 524057）

目前全球多個地區發現泥頁巖石油聚集，地質資源總量約4 090×108t，顯示出良好的勘探前景[1]。美國通過頁巖油革命實現了能源自足，極大的鼓舞了全球頁巖油勘探的信心[2-3]。總體而言，國內學者關于頁巖油的研究主要集中在陸上盆地，對于海上盆地頁巖油研究相對較少。

南海北部灣盆地流二段發育豐富的頁巖油資源，潿西南凹陷頁巖油資源豐度高，可動用資源量合計8.19×108t[4]。潿西南凹陷鉆遇流沙港組油頁巖鉆探井64口，流二段下層序油頁巖單井平均厚度47 m，最大厚度可達112 m，潛力巨大。要實現頁巖油有效開發需滿足兩個方面的條件，首先尋找頁巖油的富集區，即頁巖油的地質“甜點”；其次是確定能進行有效壓裂的改造層段，即頁巖油的工程“甜點”。因此，頁巖油效益開發離不開地質+工程“雙甜點”的預測。本文基于巖心觀察、測井曲線、錄井資料的方法準確識別了地質“甜點”，建立了海上頁巖油地質“甜點”綜合評價方法。通過地質+工程“雙甜點”綜合優選技術，在海上各種條件受限的情況下，實現油頁巖有效改造，推進我國海上首口頁巖油探井壓裂測試成功并獲商業油流，為增儲上產開辟了新的接替領域。

1 區域特征

北部灣盆地位于中國南海北部灣海域，是中國近海重要的富油盆地之一。該盆地為新生代陸內裂谷盆地，處在華南板塊的西南邊緣，總面積約2.2×104km2，主要包括潿西南凹陷、烏石凹陷、邁陳凹陷、海中凹陷、福山凹陷等[5]。盆地經歷了古新世—始新世裂陷階段、漸新世走滑弱伸展階段和新近紀裂后熱沉降階段。盆地沉積序列與構造相對應，分別沉積了古新世長流組、始新統流沙港組、漸新統潿洲組以及中新統下洋組、角層組、燈樓角組。

2 地質油藏特征

本次壓裂目標井XY-1 井位于北部灣盆地潿西南凹陷西區一號斷裂帶下降盤，該構造整體是由北東、北西向斷層形成的大型斷塊圈閉群，包括東、中、西三塊，主要目的層為流二段和流三段。流二段下層序油頁巖段湖侵早期互層型頁巖油發育，有機地化指標高、成熟度適中，是頁巖油勘探的有利區。其沉積相流二段為湖盆鼎盛時期的欠補償沉積，表現為以暗色泥巖、頁巖、油頁巖為主的中深湖相沉積，局部發育濁積扇體。沉積相不僅影響了油頁巖的發育，也影響了油頁巖中砂層的沉積。目標井所在構造靠近物源油頁巖分布相對穩定，厚度較大，內部夾有砂巖層。

2.1 溫壓特征

地層孔隙壓力利用聲波計算，并利用實測MDT 結果刻度。壓裂目標層位地層孔隙壓力系數1.65～1.68，屬于異常高壓。地溫梯度為3.6 ℃/100m，為正常地溫梯度，MDT 結果推測流二段底部井底溫度約140 ℃。

2.2 物性特征

在XY-1 井取心井段底部取了兩個巖心，巖心滲透率分別為0.002、0.580 mD，物性差。

2.3 地應力與壓裂縫特征

根據前人研究成果，井壁崩落橢圓崩落長軸方向與最小水平主地應力方向一致，即與最大水平主應力方向垂直。井壁崩落橢圓為北東-南西，從而確定最大水平地應力方位為N130°E。根據構造應力系數及測井資料，應用分層地應力模型計算流二段地層地應力的大小關系為：垂向應力＞最大水平主應力＞最小水平主應力。流二段地層破裂壓力風險最大的方向在N130°E，與最大水平主應力方向一致，即人工裂縫與最大水平主應力方向平行。基于海上平臺空間限制，僅能擺放6 臺泵，壓裂的排量、規模受限，無法實現體積壓裂，壓裂縫以雙翼縫為主。

3 海上頁巖油壓裂地質優選技術

在前人關于區域地質構造、沉積研究的基礎上，結合地層溫壓特征、巖心物性特征和地應力與裂縫特征，考慮海上平臺空間受限的現狀，針對海上頁巖油壓裂技術開展地質工程一體化多學科攻關。

3.1 國內外技術發展水平

頁巖油與常規石油資源不同，具有很多特殊的特點：資源自生自儲，沒有發生運移或運移距離短；非構造高點控制，廣泛分布于烴源巖發育的斜坡區或洼陷的中央區；自身流動性差，需要經過水平井鉆探、壓裂等人工改造手段才能實現經濟、有效開發。國內頁巖油壓裂水平段長度大多在1 600～2 500 m，推廣采用平臺化+工廠化進行壓裂施工，排量在12～18 m3/d，壓裂時效通常為1.5～4.5 段/天，且壓裂規模和速度有逐年提高的趨勢。

國外頁巖油實現大規模商業性開采的時間較早，經歷了60 余年的艱辛探索，技術更為成熟，工程作業效率較國內高，工廠化作業完善，規模化和產業化較強。長慶油田長7 頁巖油是開發較成熟的油田之一。鄂爾多斯盆地晚三疊世發育典型的大型內陸坳陷湖盆，長7 為最大湖泛期，既是主力烴源巖，也是頁巖油發育的主要層段，自生自儲、源內成藏，為典型的陸相頁巖油。長7 頁巖油儲層具有縱橫向砂體變化快，儲層非均質性強、巖性致密、壓力系數低等特點。同時，含油飽和度高、原油性質好、脆性指數較高、天然裂縫較發育。根據巖性組合、砂地比、連續砂體厚度等因素，長7 頁巖油儲層分為三種類型：多期疊置砂巖發育型（Ⅰ類）、頁巖夾薄層砂巖型（Ⅱ類）和純頁巖型（Ⅲ類）。目前大規模開發主要針對Ⅰ類。長慶油田主要采用長水平井、小井距、大井叢、細分切割體積壓裂為核心的開發關鍵技術，在2018-2020 年，隴東示范區實施水平井377 口，平均水平段1 685 m，油層鉆遇率75.2%，壓裂22 段，入地液量28 019 m3，加砂量3 105 m3；初期日產油18.1 t，達產年日產油13.7 t，平均一年累產油4 701 t，預測單井EUR 達2.6×104t，開發效果較好。

3.2 地質“甜點”綜合評價

“甜點”儲層是頁巖油勘探開發的關鍵與核心。要實現頁巖油有效開發，首先要尋找頁巖油的富集區——頁巖油的地質“甜點”。有機質是頁巖油生成的基礎，儲集性決定了頁巖油類型及富集空間，含油性決定了其產出能力，脆性決定了商業開采價值[6]。

3.2.1 錄井 根據XY-1 井錄井描述分析表明，優質儲層可以分為四段。

①號井段為灰褐色頁巖：質較純，局部含少量粉砂，性硬，具脆性，局部頁理發育；灰褐色砂質頁巖：粉砂質分布較均勻，新鮮斷面見粉砂。

②號井段為灰褐色油頁巖：質不純，夾泥質粉砂條帶；灰色熒光泥質粉砂巖：成分以石英為主，少量暗色礦物；泥質分布均勻，不含灰，膠結致密。

③號井段與②號井段巖性描述基本一致，油氣顯示級別更高，其中包含④號井段為灰色油斑粉砂巖：成分主要為石英，見云母片，少量暗色礦物，泥質膠結，膠結致密，不含灰。直照見微弱暗黃色熒光，滴照呈淺乳白色慢速擴散，熒光級別D 級。

從錄井描述上來看③號井段3 030～3 050 m 井段為該方法認識的地質“甜點”。巖性為灰褐色油頁巖，夾泥質粉砂條帶或粉砂巖、泥質粉砂巖且膠結致密，氣測值較高，巖屑直照可見熒光、油斑等顯示，較上部儲層好。

3.2.2 測井解釋、TOC 反演成果 一般油頁巖“甜點”特征：高GR、高聲波、高電阻率、低密度、有機碳含量高。通常電阻率越大，氣測TG 值越高，表明油頁巖的含油飽和度越高。TOC 含量的高低與頁巖油產能呈正比，含量越高，頁巖的生烴潛力越大，頁巖的含油量越高。

基于烴源巖TOC 的測井響應機理，通過成熟的數學模型，實現TOC 展布由“點”及“線”的全井段反演，獲取全井段TOC 分布情況，完成對XY-1 井有機碳豐度的評價。根據測井解釋、TOC 反演成果分析，地質“甜點”有兩段：2 980～2 988 m、3 030～3 050 m。測井上具有“三高一低”的響應特征、氣測值高、TOC 含量高。

3.2.3 巖心觀察 儲集條件是頁巖油富集高產的產出核心。對油頁巖進行巖心觀察，取心井段為3 005.5～3 029.1 m，總體上，油頁巖純，性硬，具脆性，新鮮斷口見紋層裝頁理發育，局部可見粉砂巖條帶，泥質含量高。取心井段底部有1 m 比較純的致密粉砂巖層，致密砂巖局部有微裂縫發育。裂縫既可為油氣成藏提供儲集空間，又能為油氣運移提供通道。

綜合錄井資料、測井解釋、TOC 反演成果及巖心觀察分析，XY-1 井地質“甜點”有兩段：純油頁巖段2 980～2 988 m；砂巖+頁巖段3 030～3 050 m。

3.3 地質+工程“雙甜點”綜合優選技術

參考中國石油長慶油田長7 頁巖油儲層分類標準，本井上層2 950～3 028 m 井段為Ⅳ類純頁巖型，下層3 030～3 050 m 井段為Ⅲ類含薄砂巖夾層頁巖型，長慶油田目前只開發多期疊置砂巖發育型的Ⅰ類油頁巖，參考國內外頁巖油的開發經驗，有利的油頁巖儲層應夾有一定厚度的砂巖，否則難以獲得好的壓裂效果。因此，優選下層3 030～3 050 m 井段含薄砂巖夾層頁巖進行壓裂。

頁巖的工程“甜點”是進行有效的壓裂改造的儲層，地質+工程“雙甜點”的預測是頁巖油效益開發的基礎。結合工程“甜點”的脆性指數、壓力系數、裂縫發育程度等優化射孔方案。優選下層“甜點”位置的砂巖進行集中射孔，射孔厚度僅3 m，提高各向起裂延展能力。射孔層優選依據：（1）受壓裂規模所限，難以實現體積壓裂，油頁巖塑性強，返排時裂縫壓力下降，塑性鑲嵌，易導致裂縫閉合，因此，選擇砂巖“甜點”進行射孔；（2）③號射孔段砂巖底部為厚泥巖隔層，壓裂縫高一端受控，有利于縫長的延伸；（3）所選射孔位置砂巖、油頁巖含油氣性均較好；（4）結合固井質量，該井段上下隔層固井質量相對較好。

與地質方案相配套的工藝方案優化，采用限流射孔技術和混合壓裂工藝。限流射孔促進籠統壓裂層內裂縫均衡擴展。針對夾有砂巖條帶的頁巖儲層，主壓裂采用凍膠造主縫，低黏基液溝通頁巖微縫，凍膠攜砂的混合壓裂工藝，能更有效的改造儲層。

4 現場實施及效果評價

XY-1 井2022 年7 月完成主壓裂施工，施工順利，排量6～7 m3/min，泵注壓裂液641 m3。根據實際施工進行裂縫形態反演，實際裂縫參數均優于設計（圖1）。

圖1 主壓裂裂縫形態圖

XY-1 井壓后測試日產原油20 m3，天然氣1 589 m3/d，且產能穩定。該井壓裂效果符合預期，壓裂后落實了產能、獲取了一定的經濟可采儲量、為開發方案井網井距、配產等一系列開發技術政策提供依據，為實現了潿西南凹陷頁巖油具有一定經濟效益的開發奠定了基礎，標志著我國海上頁巖油勘探取得重大突破。

5 結論

（1）建立了海上頁巖油地質“甜點”綜合評價方法。基于測井曲線，參考錄井、巖心觀察的方法準確識別頁巖油的富集區——頁巖油的地質“甜點”。

（2）通過地質+工程“雙甜點”綜合優選技術，在海上各種條件受限的情況下，實現油頁巖有效改造。地質+工程“雙甜點”的預測是頁巖油效益開發的基礎。基于海上平臺空間限制，無法實現體積壓裂，通過綜合優選，達到預期壓裂效果。

（3）利用限流射孔技術促進籠統壓裂層內裂縫均衡擴展。限流射孔利用射孔節流的原理，實現整個壓裂井段內各層均有較高的凈壓力，從而實現在排量、規模受限的情況下各層砂巖及油頁巖的有效改造。