柴达木盆地页岩油工程甜点评价技术与应用

2023-11-06冯昕媛张成娟谢贵琪郭得龙

天然气与石油 2023年5期

冯昕媛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 736202

0 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[1],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,2021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3.05%～12.07%,平均值5.58%;有效储层渗透率主要集中在0.05～0.1 mD,平均值为0.37 mD,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 岩屑矿物分析技术

1.1 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。

图1 C902井岩屑数字模型图

表1 C902井岩屑矿物成分表

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。

图2 C902井主要矿物成分载荷—位移曲线图

表2 C902井主要矿物成分杨氏模量和泊松比表

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3 C902井岩石力学参数表

2 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[19]。

2.1 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[20]为:

(1)

模量脆性公式[21]为:

EBrit=(E-Emin)/(Emax-Emin)

(2)

μBrit=(μmax-μ)/(μmax-μmin)

(3)

B=(EBrit+μBrit)/2

(4)

综合脆性指数公式为:

(5)

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[22-23]计算公式:

(6)

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[24],采用的公式[25-27]为:

ρc

(7)

(8)

(9)

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[28-29]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1～3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

表5 判断矩阵A表

Tab.5 Judgment matrix A

表5 判断矩阵A表

矩阵㊞A㊣参数水平应力差异系数微裂隙密度综合脆性指数微裂隙密度123水平应力差异系数1/213/2综合脆性指数1/32/31

(10)

(11)

(12)

ω=[ω1,ω2,···,ωn]T

(13)

FI=0.49FI1+0.31FI2+0.2FI3

(14)

根据英雄岭页岩油储层特征,将可压性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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0.65的储层,可压性好,该区域代表储层品质最好的工程甜点;Ⅱ级为可压性指数介于0.35～0.65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;Ⅲ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30.64～59.44 GPa,平均值为37.22 GPa,泊松比平均值范围为0.13～0.35,平均值为0.27。可压性指数主要分布在0.48～0.62,平均为0.54,属于Ⅱ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。

图3 CP1井可压性指数解释成果图

表6 干柴沟组工程甜点评价技术应用情况表

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0.5 m、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 11 093.92 t,达到施工改造目的,见图4。