致密储层体积压裂作用范围及裂缝分布模式——基于压裂后实际取心资料

牛小兵，冯胜斌，尤 源，梁晓伟，辛红刚，淡卫东，李廷艳，任继胜

(1.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018； 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.中国石油集团 渤海钻探工程有限公司 第二录井分公司，河北 任丘 062550)

非常规油气勘探、开发的成功得益于采用大规模体积压裂(体积改造)有效地“解放”了致密储层[1-3]。一般认为，储层改造体积越大，形成的有效裂缝网络范围越大，致密(页岩)油产量就越高[1]。近年来，压裂技术的重要发展方向是不断寻求有效的措施来增大改造体积[1]。目前，增大改造体积主要通过加大压裂规模，诱导裂缝转向，优化压裂设计参数，如：增加簇数或减小压裂缝间距等形成复杂缝网来实现。实际地层的改造体积及改造后储层中裂缝的分布情况则需要通过压裂效果检测得出[1,4]。目前，压裂效果检测最直观的方法就是井下微地震方法[5]，获得压裂缝的高度、宽度、改造体积等重要参数。而实际储层中的压裂缝是否和微地震解释的一样，也没有实物证据。近年来，有研究表明，通过井下微地震监测解释出的压裂改造范围[6]过于乐观，一些微地震响应点实际并没有产生裂缝，只是检测器接收到了微地震声波信号。也有研究认为，含支撑剂的压裂缝长度只有微地震解释得到的水力缝长[7]一半左右。此外，普遍认为体积压裂后形成的压裂缝主要是复杂的宏观缝[8]，甚至认为通过体积压裂形成了大量具有支撑剂支撑的人工裂缝网络。那么，实际地层中的压裂缝究竟如何，对于合理优化压裂设计，判断压裂后的储层特征，分析油藏动用范围和效果，确定单井控制储量等方面都具有重要的指导意义[1,9,10]。基于以上考虑，长庆油田在致密油试验区针对不同的压裂井型，部署了两种方式的取心井，依据实际取心资料和详细的测试分析来研究压裂改造区压裂缝的类型、体积压裂有效作用范围和油藏动用情况等。本文正是基于这些实际取心井观测及研究的成果，并结合测井、岩石分析测试等资料深入分析体积压裂改造后的储层裂缝发育特征，探讨压裂缝的有效作用范围，分析压裂缝分布模式等，以期对相关研究及生产部署提供依据。

1 试验井地质概况和取心井的部署

1.1 试验区地质特征

鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段发育陆相致密油(页岩油)[11-16]，其中陇东地区主要发育重力流成因的致密砂岩油，陕北地区主要发育三角洲前缘成因的致密砂岩油(图1a)。2011年以来，长庆油田针对长7段致密油开展了体积压裂试验攻关[2]，早期在陕北地区开展的直井体积压裂试验，随后在陇东地区开展的水平井体积压裂试验，均取得了较好的效果，单井产量大幅度提高，且有一定时间的稳产期，实现了致密油的有效动用[17-19]。2010～2011年，陕北姬塬地区A83井区(图1a)开展的定向井滑溜水缝网压裂试验，初步见到效果。2011～2012年，在陇东地区的X233井区实施的10口水平井，水平段平均长度1 500 m，开展了速钻桥塞分段多簇压裂、不同改造体积及改造参数等攻关试验，最终单井平均试油日产量超过100 t，开创了致密油有效提高单井产量的新途径，被列为中国石油首个致密油水平井技术攻关示范区(图1a)。目前，X233试验区10口水平井已连续生产7～8年，初期平均单井日产油13 t，已有6口井单井累计产油突破1×104t，3口井突破2×104t，最高超过3×104t，呈现出良好的稳产潜力。虽然试验取得了较好的效果，但对于致密油地质研究及储层改造来说，关切的问题是：大规模体积压裂作用范围究竟有多大，真实地层中的压裂缝如何分布，目前的压裂方法能否实现油藏充分改造和动用。围绕这些问题，2017年，长庆油田选择了致密油试验区，部署了两口不同类型的取心井，来获取相关研究资料：在陇东地区的X233试验区部署了YJ井(直井)，获取水平井体积压裂后的储层岩心；而在陕北地区的A83试验区部署了AJ井(水平井)，获取直井体积压裂后的储层岩心。

1.2 压裂改造方法及监测结果

陇东地区X233试验区的10口水平井采用了不同的压裂工艺和参数(表1，图1b—c)。YP1、YP2采用水力喷射分段多簇压裂，两口井均为13段26簇压裂，其中YP1井第7、8、9、10段与YP2井第6、7、8、9段同步压裂。YP3井、YP4井、YP5井，采用水力喷射分段多簇压裂工艺，交错布缝，单井水平段改造7～8段(2簇/段)，单段入地液量600～700 m3，排量6.0～8.0 m3/min，详细的压裂施工参数见表1。

在这些井压裂施工的同时，通过部署的监测井(同时也是导眼井和后期开发的注水井)YC1、YC2、YC3井对YP1和YP2井压裂效果进行监测，结果显示裂缝主要呈带状分布(图2)，平均裂缝半长200～300 m，缝网宽度80～110 m，缝高70～80 m。YP3井、YP4井、YP5井压裂时微地震监测也显示，裂缝主要呈带状展布，裂缝半长主要为150～200 m，缝网宽度为30～60 m，缝高为150～170 m。

图1 鄂尔多斯盆地致密油试验区位置及井位分布Fig.1 The location of the tight oil pilot areas and relevant wells in Ordos Basin(图中红色显示的井为取心井；黑色显示为采油井圈及井轨迹；蓝色显示为射孔段的延伸线；绿色显示为井距标注线。)

为了对比分析方便，在此也介绍一下陕北地区A83试验区的直井压裂参数。典型采油直井A24井的压裂参数如下：加砂50 m3，入地液量222.9 m3，砂比25%，排量2.0 m3/min，通过微地震监测，压裂缝也是带状展布(图2)，解释改造体积达到了310×81×42 m。

表1 鄂尔多斯盆地X233试验区压裂参数及试油效果Table 1 Statistical table of fracturing parameters and production test results of X233 pilot area,Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地致密油试验区直井和水平井体积压裂微地震监测Fig.2 Micro-seismic monitoring of volume fracturing in vertical and horizontal wells in tight oil pilot area,Ordos Basina. YP1与YP2井压裂微地震监测；b. A24井压裂微地震监测结果

1.3 取心井部署及实际取心情况

设计取心井井位时主要考虑以下因素：1)取心井反映油藏代表性特征，且区块地质资料较为齐全；2)压裂方式为大规模体积压裂；3)生产动态符合现阶段衰竭特征，对试验区正常生产不构成影响；4)对邻井的水平井(或直井)井距、储量控制范围和采出程度综合对比优选；5)考虑压裂参数和微地震裂缝监测结果；6)地面条件符合现场施工要求；7)兼顾检查井后期用途等。最终，在陇东地区X233试验区YP3井和YP4井中间部署了一口评价井——YJ井(直井)(图1b)。该井距离邻近的两口水平井井距基本相等，约为150 m，截止部署取心井前，邻近的两口水平井单井日产油1～2 t/d。YJ井设计在长7段连续取心，其中油层段密闭取心。2017年10月YJ井完钻，在长8段顶部到长6段底部连续取心141.95 m(图5)，其中长8段16.75 m，长7段99.20 m，长6段26.00 m。同时，在陕北地区的A83试验区针对直井压裂改造区部署一口水平井AJ井取心(图1d)。该井距邻近直井A24井垂直距离80 m，设计针对A24井长72段体积压裂后微地震解释的带宽范围内进行水平井取心，最终AJ井在长72段取心长度85 m。考虑到取心过程中可能会造成岩心的破损，给人工裂缝的判识带来影响，两口井在实际工程作业时，尽量避免采用长筒取心，且岩心出筒时禁止直接敲击岩心筒，技术人员均在出筒的第一时间观察和记录岩心中裂缝的情况。

2 裂缝识别和评价

2.1 裂缝类型

通过YJ井岩心观察及实际测试，在取心段共识别出裂缝8处(表2，图3，图4)，其中7处为天然裂缝，仅1处确定为人工裂缝。在AJ井水平段取心85 m的岩心中，仅见3条天然裂缝(图4)，未见到人工压裂缝。

鄂尔多斯盆地延长组的天然构造裂缝较为普遍，一般具有裂缝面平直、光滑，一部分裂缝具有方解石、石英等矿物充填，裂缝常在岩性变化界面终止及高角度发育等特征[20]。YJ井岩心中观测到的天然裂缝长度相对较短，砂岩中天然裂缝面齐整，偶见矿物充填，泥岩中只是见到裂缝印痕(图4)。

通过观察并经测试分析，在YJ1井长72段2 039.80～2 041.54 m见人工压裂形成的裂缝及受压裂影响扩展的层理缝(图5)。其中，2 041.29～2 041.54 m块状砂岩中发育长度0.13 m近垂直的张性微裂缝，邻近长度1.49 m均见大量层理缝顺层或斜交延伸，油气外渗显著，判断为压裂改造后形成的人工缝(图5a)。应用工业CT对2 041.29～2 041.54 m块状砂岩进行扫描，发现裂缝不平直，宽度不均一，空间分布扭曲、交汇，显示张性裂缝特征(图5b)。其中较宽的一条微裂缝开度为676 μm。通过成像测井，在该井长7段未见规模较大的天然裂缝特征，在2 039.80～2 041.54 m有疑似纵向裂缝的响应特征。

2.2 人工压裂缝的判别

综合YJ井岩心特征、分析测试结果及现场观察含油气性特征，判定长72段2 039.80～2 041.54 m处观察到的就是压裂改造缝。主要证据如下：1)按照邻井海拔比对，观察到的人工裂缝位置恰好对应于邻井长72段体积压裂改造段，水平井钻遇及射孔改造层段深度与YJ井的该段油层匹配；2)观察到的垂直张性裂缝发育在块状细砂岩上，这在以往本地区大量岩心观察中并未见到，可以排除层理缝和构造裂缝的可能性；3)该段人工裂缝面并不平直，宽度不均一，两侧尖灭，空间分布扭曲、交汇，具张性裂缝性质(图4b)；4)该段观察到的层理缝多顺层或斜交延伸，与以往本地区岩心观察见到的原生层理缝不同，显示受外力影响；5)该段岩心观察到的裂缝中见明显的油气外渗现象，渗出的速度和趋势与该区域其他取心井现场观察到的情况明显不同。

3 体积压裂有效作用范围和压裂缝发育模式

3.1 有效作用范围

体积压裂的目的是最大程度地增加改造体积，解放致密储层，形成“人工储层”，从而提升油气渗流能力[1,20]。目前的研究认为，按现阶段的工艺技术水平，在长7段进行体积压裂，裂缝的半缝长[20]一般为150～240 m，缝高为50～80 m(隔层较好的情况)，带宽为20～80 m。按照YP3和YP4井的微地震监测解释结果，位于这两口水平井中间的YJ井位置处压裂缝已经覆盖到。而实际上，并未在YJ井的岩心中观察到宏观裂缝。此外，AJ井也位于A24井压裂缝波及范围(图2b)，实际取心也未观察到明显的人工裂缝。可以说明压裂后宏观裂缝波及范围并未像微地震解释的那么大。根据大量压后测井检测的结果，缝高的范围可信度相对较高，而对于缝长和缝宽的分布范围则没有足够的实际证据。同时，在YJ井中观察到压裂影响下形成的微裂缝，说明储层中受到了压裂的影响范围至少达到了两口水平井中间，长度约150 m。综合了陇东地区YJ井和陕北地区AJ井岩心中观察结果和测试结果推测，目前体积压裂技术条件下，主缝并没有解释的那么多，但微裂缝波及范围较大，推测微地震监测解释范围内基本都可波及到。

表2 鄂尔多斯盆地致密油试验区YJ井取心段天然裂缝统计Table 2 Statistics of natural fractures in the coring interval of Well YJ in the tight oil pilot area,Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地致密油试验区YJ井单井综合柱状图Fig.3 An integrated histogram of Well YJ in the tight oil pilot area,Ordos Basin

3.2 压裂缝分布模式

一般认为，体积压裂可以形成尺度较大的宏观缝网络[21]。按照微地震的解释结果，长7段压裂形成了以主缝为主，分支缝为辅的裂缝系统[20]。然而，在陇东地区YJ井和陕北地区AJ井取心中，都没有观察到宏观裂缝(无论是主缝还是分支缝)，说明宏观裂缝发育的几率不高。作者认为宏观缝发育范围是较为局限的，很可能仅局限于射孔段(或喷射段)附近；进一步分析认为，受压裂缝影响而形成的微裂缝则非常普遍。因为，井眼的尺寸相对于整个改造区域非常小，在实际取心中恰好取到人工压裂形成的微裂缝，从概率论的角度，这并不是“运气好”，而是说明微裂缝发育的几率高。因此，本文认为在体积压裂改造区，这种微裂缝是普遍存在的，且分布范围较大。也有必要在未来的攻关研究中探究如何形成更多的微裂缝，并使主裂缝与微裂缝匹配，共同发挥作用。据以上分析，本文还提出了致密油层体积压裂压裂缝分布模式(图6)，即：致密油层体积压裂形成了少量的主缝及与主缝伴生形成的大量微裂缝，且受压裂影响，原有的层理缝延伸和张开，形成了改造区，提高油气渗流能力。此外，YJ井油层段密闭取心平均含油饱和度超过70%，与该区未开发前的油藏含油饱和度相差不大，油层开发潜力依然很高。按照这种分析，目前致密油储层体积压裂效果远没有达到形成“裂缝网络”和油藏整体动用的理想状态，现阶段技术开发后油藏还有进一步提高开发效果的潜力，需要未来在压裂方法和工艺设计上进一步优化。

图4 鄂尔多斯盆地致密油试验区YJ井和AJ井岩心中的天然裂缝照片Fig.4 Photos of natural fractures in the cores of Wells YJ and AJ in the tight oil pilot area,Ordos Basina. YJ井，长63亚段，埋深1 966.65 m，凝灰岩裂缝；b. YJ井，长71亚段，埋深1 999.96 m，裂缝，方解石半充填；c. YJ井，长71亚段，埋深2 001.27 m，裂缝；d. YJ井，长71亚段，埋深2 002.46 m，裂缝；e. YJ井，长72亚段，2 022.30 m 裂缝压痕；f. YJ井，长72亚段，埋深2 044.52 m，裂缝痕迹；g. YJ井，长73亚段，2 081.60 m，斜交缝；h. AJ井，长72亚段，埋深2 495.00～2 580.60 m，天然裂缝，裂缝面整齐；i. AJ井，长72亚段，埋深2 495.00～2 580.60 m，天然裂缝；j. AJ井，长72亚段，埋深2 495.00～2 580.60 m， 天然裂缝，见沥青充填

图5 鄂尔多斯盆地致密油试验区YJ井长72段岩心中的人工压裂缝特征Fig.5 Characteristics of artificial fractures in the cores from Well YJ (Chang 72) in the tight oil pilot area,Ordos Basina．压裂改造后形成的人工缝；b-b′.张性裂缝特征特征

图6 致密油体积压裂人工裂缝分布模式Fig.6 Distribution model of artificial fractures created by volume fracturing in tight oil reservoir

4 结论

1) 在鄂尔多斯盆地陇东地区X233致密油体积压裂试验区长7段体积压裂后油层段块状砂岩中首次观察到长度0.13 m近垂直的张性微裂缝，邻近长度1.49 m油层均见大量层理缝顺层或斜交延伸，油气外渗显著，判断为压裂改造后形成的人工缝。

2) 长7段致密油层体积压裂形成的压裂缝分布模式是数量有限的主缝、大量与主缝伴生的微裂缝及原有层理缝延伸和张开，共同构成改造区的裂缝特征，增强了油气渗流能力。

3) 长7段致密油体积压裂宏观主裂缝分布有限，作用范围小于微地震解释结果，而微裂缝分布广泛，作用范围可达100～200 m，体积压裂后的致密油储层相关评价研究应予以重新认识。

4) 按照致密油体积压裂形成缝网来实现油藏高效动用的理念，现阶段压裂技术和参数具有进一步优化的空间，从而可以进一步提高致密油动用效果。