柴达木盆地页岩油工程甜点评价技术与应用.pdf

第41卷第5期OIL&GASEXPLORATIONANDDEVELOPMENT油气探与开发63柴达木盆地页岩油工程甜点评价技术与应用engineering in the Qaidam BasinGansu,736202,China冯昕媛引张成娟谢贵琪郭得龙刘永中国石油青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌皇7 36 2 0 2摘要：2 0 2 1年首次明确柴达木盆地英雄岭地区干柴沟组上段发育页岩油，属低孔特低渗储层，需要采取压裂措施进行开发。通过体积压裂技术“打碎储层”提高储层渗流能力，是柴达木盆地英雄岭页岩油有效的开发方式。在开展体积压裂过程中，面临着无法准确评价工程甜点的难题，很大程度影响了储层改造的施工效果。通过开展储层矿物成分分析、岩石力学实验、可压性评价等研究，逐步形成了以“岩屑矿物分析技术、可压性分析技术”为核心的柴达木盆地英雄岭页岩油开发工程甜点评价技术。压裂后直井平均产油量17.92 t/d，水平井平均产油量达54.7 7 t/d，助力页岩油勘探开发取得新突破。关键词：柴达木盆地；页岩油；工程甜点；可压性D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.05.010Evaluation techniques and applications of sweet spots in shale oilFENG Xinyuan,ZHANG Chengjuan,XIE Guiqi,GUO Delong,LIU YongDrilling&Production Technology Research Institute of PetroChina Qinghai Oilfield Company,Dunhuang,Abstract:In 2021,shale oil was initially discovered in the upper member of the XiaganchaigouFormation in the Yingxiongling area of the Qaidam Basin.This reservoir is characterized by low porosityand ultra-low permeability,necessitating the use of fracturing techniques for its development.One effectivemethod for developing shale oil in this area is through the implementation of horizontal well volumefracturing technology,which involves“breaking the reservoir to enhance its seepage capacity.However,accurately evaluating the engineering sweet spot during the horizontal well volume fracturing processpresents a challenge.This issue significantly impacts the effectiveness of reservoir reconstruction.Therefore,techniques such as mineral composition analysis,rock mechanics experiments,and reservoircompressibility evaluation have been studied and applied.As a result,the sweet spot evaluation technologyfor the Qaidam Yingxiong Ling shale oil development project has gradually emerged,with a focus on“lithicmineral analysis technology and compressibility analysis technology.The average daily oil production offractured vertical wells reached 17.92 tons,while that of horizontal wells reached 54.77 tons,contributingto significant advancements in shale oil exploration and development.Keywords:Qaidam Basin;Shale oil;Sweet spot;Compressibility收稿日期:2 0 2 3-0 3-10基金项目：中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“页岩油储层复杂缝网形成机制与高效体积改造技术研究(2 0 2 1DJ1805)作者简介：冯昕媛（198 8-），女，上海人，工程师，硕士，主要从事油气田压裂、酸化设计工作。E-mail:物元素成分、含量及岩石力学参数。最后结合英雄岭取心井岩石学实验结果进行校正，获得评价储层地质力学天然气与石油642023年10 月NATURALGAS ANDOIL0前言随着常规油气藏的勘探开发难度越来越大，非常规油气资源的勘探开发已成为国内外油气勘探重点。北美海相页岩革命的成功标志着从“源外”向“源内”的必然转变 ,国内也先后在鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、松辽盆地等发现陆相页岩油，页岩油勘探开发技术获得较大突破 2-6 。在柴达木盆地，油气勘探开发也已从“常规”向“非常规”转变。基于对源内油气形成机理和页岩油评价标准的研究,2 0 2 1年首次明确英雄岭地区下干柴沟组上段发育页岩油 7 。受沉积期咸化环境和成藏期青藏高原隆升的共同作用,英雄岭地区下干柴沟组上段是独特的“巨厚山地式”页岩油。储层纵向总有机碳含量（TOC)整体较高，具有烃源岩厚度大、差异小的特征，同时纹层发育，岩性以碳酸盐矿物为主，包括层状灰云/云灰岩、纹层状灰云/云灰岩4类。根据取心资料分析，油组储层孔隙度分布范围3.0 5%12.0 7%，平均值5.58%；有效储层渗透率主要集中在0.0 50.1mD,平均值为0.37mD,属低孔特低渗储层。目前英雄岭页岩油采用体积压裂技术开发，在采用工程地质一体化模式进行探索的过程中,遇到了新的挑战，即无法准确评价工程甜点，这大大影响了储层改造的施工效果。针对页岩油勘探开发难题，开展储层矿物成分分析、岩石力学实验、可压性评价等研究。通过不断探索,形成了柴达木英雄岭页岩油“岩屑矿物分析技术、可压性分析技术”为核心的工程甜点评价技术，有效提升储层改造方案质量和施工效果。1者岩屑矿物分析技术1.1可可压性分析基础参数及获取方法在非常规油气储层改造中，甜点的发现是重中之重,地质甜点代表了含油气最高、物性最好的区域，也是最适合压裂、改造效率最高、成本最低的区域 8-12 。基于目的层的矿物分析、岩石力学参数分析可以有效评价工程甜点。通过岩心实验可以获得储层矿物成分及岩石力学参数，由于岩心是在钻井的过程中采用取心工具获得,具有成本高、难度大的局限性。研究发现针对小尺寸岩样开展测试实验也可以有效获取储层的基础参数 13。岩屑是随钻井液一起返到地面的小尺寸岩块，成本低、容易获取,开展岩屑矿物分析可以解决英雄岭储层深、取心难的问题。1.2岩屑矿物分析技术岩屑矿物分析技术以显微高光谱测试、微纳米压痕测试为基础，对岩屑进行扫描、测试及分析解释得到矿参数及地质工程甜点的基础数据。以干柴沟 C902井为例,对该井4个层段的岩屑进行了矿物分析。显微高光谱测试识别出岩屑中主要矿物为石英、碳酸盐岩矿物和黏土类矿物，见表1；据此构建了主要矿物成分的空间结构数字模型，见图1。表1C902井岩屑矿物成分表Tab.1 Mineral components of well C902 cuttings矿物成分深度/m石英239024.2%2.40023.5%319223.0%320224.4%图1C902井岩屑数字模型图Fig.1 Digital model of well C902 cuttings岩石材料的宏观变形与其矿物组成的力学性质关系密切 14-15，微纳米压痕实验是获得岩石力学性能参数形成的重要手段 13.16-17 。通过微纳米压痕实验，得到C902各矿物成分的弹性力学曲线和参数，分别见图2 和表2。曲线11000rM800N/600F400F200F0图2 C902井主要矿物成分载荷一位移曲线图Fig.2 Indentation-displacement curves of wellC902 main mineral components碳酸盐矿物40.2%43.0%51.7%51.1%曲线2200400600位移/mm黏土类矿物37.6%33.5%25.3%24.5%曲线380010001200(7)第41卷第5期OIL&GASEXPLORATIONANDDEVELOPMENT油气勘探与开发表2 C902井主要矿物成分杨氏模量和泊松比表(4)Tab.2Youngs modulus and Poissons ratio of main mineral式中：Bm为模量脆性指数;EBm和Bm为归一化杨氏模量components of well C902和泊松比;Emx和Emin为储层岩石杨氏模量最大值和最矿物成分杨氏模量/CPa石英3.3碳酸盐矿物70.0黏土类矿物101.0结合C10井岩石力学实验结果进行校正后得出C902井4个层段的数值计算结果,见表3。表3C902井岩石力学参数表Tab.3IRock mechanics parameters of well C902深度/m杨氏模量/CPa抗压强度/MPa泊松比2.39028.942.40030.90319232.22320233.792可压性分析技术页岩油甜点段评价方法较多，评价参数的类型也存在较大差异 18 。结合英雄岭页岩油储层特征和压裂经验,基于测井解释和岩屑基因扫描测试结果,把脆性、水平应力差和微裂隙发育评价3个因素作为可压性评价指标,通过各参数的评价公式计算得到脆性指数、水平应力差异系数和微裂隙密度3个参数,再确定参数的权重，形成了适用于英雄岭页岩油的可压性评价模型，建立工程甜点评价技术。结合文献调研和英雄岭工程经验，脆性是成功压裂的基础条件,最能反映储层的可压性,是最重要的参数；其次是水平应力差，影响了裂缝的形态；微裂隙发育评价主要影响裂缝扩展路径，重要性最小192.1综合脆性指数的计算方法脆性分为矿物脆性和模量脆性,矿物脆性由矿物成分决定,模量脆性主要受裂隙的影响，所以采用考虑矿物和模量的综合脆性指数公式。矿物脆性公式 2 0 1为：(W右袋+Wk石)K=W总2100式中：K为矿物脆性；W石英为石英矿物含量；W长为长石矿物含量；W总为总矿物含量。模量脆性公式 2 1 为：E=(E-m)(m-Em)Bm=(mx-)/(mx-min)65Ba=(EBal+Ba)/2泊松比小值，GPa;mx和min为泊松比最大值和最小值。0.34综合脆性指数公式为：K+Ba0.20F=20.06式中:F为综合脆性指数;K为矿物脆性。2.2水平应力差异系数的计算方法水平应力差异系数采用北美页岩压裂实践经验，外国学者总结 2-2 31计算公式：(6)式中K，为水平差异系数;Hv分别为最大、最小水平143.700.23133.640.23118.650.21117.600.22(1)(2)(3)(5)主应力,MPa。2.3微裂隙密度的计算方法微裂隙密度是表征岩体结构、物理力学特征的重要参数 2 4 采用的公式 2 5-2 7 为：2VP=(1-)K16(1-h=(1-)2EK=3(1-)式中：p。为微裂隙密度;K、K。分别为体积模量和最大体积模量,GPa;h为微裂隙密度系数;u、U。分别为泊松比和最大泊松比;E为杨氏模量，GPa。2.4综合可压性指数公式和页岩可压性量化评价通过层次分析法 2 8-2 9 对脆性指数、水平应力差异系数和微裂隙密度3个参数权重进行计算，判断矩阵标度用来对比各参数之间的重要程度,数字13的比例标度来表示这种程度,见表4。通过对比与可压性相关的各参数得到判断矩阵，见表5。表4判断矩阵标度表Tab.4Scale of judgment matrix标度135792.4.6.8(8)(9)相对重要性含义A1与A2同等重要A1比A2重要一些A1比A2明显重要A1比A2重要得多A1比A2极度重要上述两相邻标度相对重要性中间值天然气与石油662023年10 月NATURALGAS ANDOIL表5判断矩阵A表Tab.5Judgment matrix A水平应力微裂隙综合脆矩阵A参数差异系数密度微裂隙密度1水平应力差异系数1/2综合脆性指数1/3i;W;w=w1,W2,.,o,r式中：i,j=1,2,n;,为判断矩阵A的元素;为所求的特征向量。采用式(10）（13）的和积法计算判断矩阵A的最大特征根及其对应的特征向量，得到综合脆性指数、水平应力差异系数、微裂隙密度的权重分别为0.49、0.31和0.2,综合可压性指数公式为：F,=0.49Fn+0.31Fz+0.2FB式中：F,为综合脆性指数;F,为水平应力差异系数;Fs为微裂隙密度。根据英雄岭页岩油储层特征,将可压性分为I、三个等级,代表了高、中、低三种可压性指数,定义I级为可压性指数大于0.6 5的储层，可压性好，该区域代表储层品质最好的工程甜点；级为可压性指数介于0.350.6 5之间储层，可压性中等，需要通过一些配套技术手段提高压裂改造效果；级为可压性指数小于0.35的储层,可压性差。3压裂甜点评价技术应用实例3.1整体效果工程甜点评价技术在柴达木盆地干柴沟区块应用直井10 井次30 层组、水平井4井次，施工成功率达到100%。直井压后平均产油量17.92 t/d,27层组达到工业油流，储层改造有效率为90%，水平井平均产油量达54.77 t/d。3.2典型页岩油井的应用效果以水平井CP1井为例,水平段长997 m,应用情况见表6,采用工程甜点评价技术建立工程甜点解释图版,见图3,可以得到杨氏模量范围为30.6 4 59.44 GPa,平均值为37.2 2 GPa,泊松比平均值范围为0.13 0.35,平均值为0.2 7。可压性指数主要分布在0.48 0.6 2,平均为0.54,属于类储层，可压性中等，需要配套提高施工规模等工艺手段进行压裂改造。性指数表6 干柴沟组工程甜点评价技术应用情况表2313/22./31Tab.6Application of engineering sweet spot evaluationtechnology in Ganchaigou block层井段最井名TOC段数深/m(10)C9022C9031(11)C9042(12)C9052(13)C907 3C9088C10132541.130.490.61I类31.87(14)C1213991C13642980.48 0.57 0.58 46541.060.620.68类C14442480.48 0.58 0.54 4.4641.130.770.64CP121997CP2191 034CP3201 000CP42010080.450.580.53类39.15基于测井数据与岩屑扫描结果沿井段进行甜点评价，地质甜点主要对比孔隙度和含油饱和度两个参数。将品质相近的井段划为同一压裂段，降低段内属性差异,达到均匀改造的目的。压裂段设计不跨层，不同小层内部井段的品质条件采用不同的参数阈值进行精细评价,突出显示井段的属性差异变化，为分段分簇设计提供基础。采用限压不限排量的原则优化排量，根据孔眼摩阻与总孔数的关系优化射孔总孔数为40 孔以内，每段6 簇、每簇射孔0.5m、每簇6 孔。通过模拟不同施工规模下的产能比变化规律及差异化设计原则，优化砂量、液量等施工参数，实现“缝控储量”的动用，提高改造效果。压后最高产油量达93.46 t/d，目前已累产11093.92t,达到施工改造目的，见图4。脆性可压性可压性最高产量/指数指数等级(md-)32001.350.540.69I类15.912.8031.140.53 0.70I类32.5334611.110.650.58类15.1235240.970.670.57类23.9432570.870.660.55类12.1840260.59 0.550.69I类44.9538040.590.560.42类3.7339520.410.340.50类5.3935061.57 0.830.43类4.2231661.380.610.4832220.21 0.630.58 I/II24.603.6890.600.710.80类0.460.44 0.44类2.19I/I12.03类34.970.820.540.58类93.460.330.570.490.500.590.51类15.77类5.19类70.70第41卷第5期OIL&GASEXPLORATIONANDDEVELOPMENT油气勘探与开发67深度/m1:500027.842.500杨氏模量/GPa57.1910.004泊松比0.34745150水平最大主应力/kPa8611635.442水平最小主应力/kPa74.4460.405799可压性指数0.6881843.0003500图3CP1井可压性指数解释成果图Fig.3 Interpretation result of CP1 compressibility index1009080(.p.1)/鲁70605040302010400二广35030025020015010050生产天数/d图4CP1井压后生产曲线图Fig.4Production curve of CPl after compressionSONG Mingshui,WANG Yongshi,WANG Xuejun,et al.天然气与石油682023年10 月NATURALGAS ANDOIL4结论1)针对深部地层取心作业难、取心少的难题，在柴达木盆地创新形成随钻岩屑基因扫描及基因解释方法，填补了目的层段缺乏取心以及相关实验的空白，为准确评价储层地质力学提供了依据。2)针对柴达木页岩油面临的无法准确评价工程甜点的难点,初步形成了一套适应于柴达木盆地的页岩油工程甜点评价技术，能够有效提高压裂施工的质量和效果。3）工程甜点评价技术在干柴沟区块成功应用14井次，储层改造有效率为90%，取得了显著的应用效果，助力页岩油勘探开发取得新突破。参考文献：1 U.S.Energy Information Administration.Annual energyoutlook 2019 with projections to 2050 R.Washington D.C.:EIA,2019.2张晓.页岩油储层可压裂性评价 D.西安：西安石油大学,2 0 18.ZHANG Xiao.Fracture evaluation of shale-oil reserviorsD.Xian:Xian Shiyou University,2018.3侯连华，吴松涛，姜晓华，等.页岩油地质评价实验方法现状、挑战与发展方向 J.石油学报,2 0 2 3,44（1)：7 2-90.HOU Lianhua,WU Songtao,JIANG Xiaohua,et al.Situation,challenge and future direction of experimentalmethods for geological evaluation of shale oil J.ActaPetrolei 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