張 楊 王振蘭 范文同 鄭子君 李 偉 于銀華 滕 起

( 1中國(guó)石油塔里木油田公司;2能新科(西安)油氣技術(shù)有限公司 )

基于裂縫精細(xì)評(píng)價(jià)和力學(xué)活動(dòng)性分析的儲(chǔ)層改造方案優(yōu)選及其在博孜區(qū)塊的應(yīng)用

張 楊1王振蘭2范文同1鄭子君2李 偉1于銀華2滕 起1

( 1中國(guó)石油塔里木油田公司;2能新科(西安)油氣技術(shù)有限公司 )

庫(kù)車(chē)前陸盆地裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層具有超深超高壓的特點(diǎn),通過(guò)適當(dāng)?shù)母脑觳呗?盡可能地激發(fā)天然裂縫的潛能是獲得經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)能的關(guān)鍵.提出在精細(xì)儲(chǔ)層裂縫評(píng)價(jià)和測(cè)井解釋的基礎(chǔ)上,進(jìn)行天然裂縫的力學(xué)活動(dòng)性研究,優(yōu)選儲(chǔ)層改造工藝.通過(guò)數(shù)值模擬和理論推導(dǎo),指出除裂縫的傾角傾向以外,天然裂縫的有效性對(duì)其在改造中的力學(xué)活動(dòng)性有明顯的影響,并給出裂縫的剪切激活壓力的計(jì)算方法;從鉆井液漏失事件、成像測(cè)井參數(shù)定量分析、巖心分析、R/S變尺度分析等方面進(jìn)行裂縫有效性的綜合評(píng)價(jià),提出了適合此類(lèi)儲(chǔ)層裂縫分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn);根據(jù)天然裂縫力學(xué)活動(dòng)性的分析結(jié)果,提出了有針對(duì)性的改造策略,即對(duì)3種不同裂縫發(fā)育特征的儲(chǔ)層,可以分別優(yōu)先采用體積酸壓、縫網(wǎng)壓裂和大規(guī)模加砂壓裂等不同壓裂改造策略.以此方法改良的儲(chǔ)層改造方案,在庫(kù)車(chē)西部博孜區(qū)塊的實(shí)際井施工獲得了理想效果,改造后產(chǎn)量較鄰井提升顯著,為該地區(qū)近千億立方米儲(chǔ)量的有效動(dòng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持.

一體化方法;裂縫有效性;裂縫力學(xué)活動(dòng)性;壓裂策略;博孜區(qū)塊

博孜區(qū)塊位于庫(kù)車(chē)盆地克拉蘇沖斷帶-克拉蘇構(gòu)造帶-克深區(qū)帶-博孜段,儲(chǔ)層為白堊系巴什基奇克組砂巖,儲(chǔ)氣量豐富,且儲(chǔ)層整體天然裂縫較發(fā)育,裂縫密度高,開(kāi)發(fā)潛力大[1-2].由于目前博孜區(qū)塊僅完鉆4口評(píng)價(jià)井,在開(kāi)發(fā)上主要借鑒了地質(zhì)條件相似并且技術(shù)較成熟的克深區(qū)塊的經(jīng)驗(yàn).根據(jù)克深區(qū)塊的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),裂縫的密度和走向是該類(lèi)儲(chǔ)層產(chǎn)量的首要主控因素,對(duì)于裂縫密度較高的儲(chǔ)層,只要進(jìn)行常規(guī)酸壓即可獲得效益產(chǎn)能[3-4].但是對(duì)博孜區(qū)塊的評(píng)價(jià)井進(jìn)行酸壓改造后發(fā)現(xiàn)效果一般,壓后產(chǎn)量與裂縫的發(fā)育情況矛盾.初步分析發(fā)現(xiàn),相比克深區(qū)塊,博孜區(qū)塊盡管裂縫密度不低,但填充程度高,估計(jì)常規(guī)酸壓并沒(méi)有使得存在的天然裂縫得到充分動(dòng)用.因此僅用裂縫密度來(lái)表征博孜區(qū)塊儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育情況并進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)存在著局限性,應(yīng)當(dāng)更多關(guān)注儲(chǔ)層改造能夠激活的那部分天然裂縫的數(shù)量和質(zhì)量.為此既需要對(duì)儲(chǔ)層天然裂縫的有效性進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià),又需要對(duì)天然裂縫的力學(xué)活動(dòng)性,即天然裂縫可被激活的難易程度進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì).通過(guò)這樣的分析,不僅有望實(shí)現(xiàn)有效天然裂縫發(fā)育程度和產(chǎn)量的匹配,更可以為儲(chǔ)層改造方式的優(yōu)選提供支持.

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)博孜區(qū)塊裂縫進(jìn)行有效性分析是客觀(guān)評(píng)價(jià)區(qū)塊改造潛能的關(guān)鍵.裂縫有效性取決于裂縫的張開(kāi)程度、連通狀況和徑向延伸情況[5-6],通常根據(jù)區(qū)塊認(rèn)識(shí)和資料收集情況,綜合多種數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-8],如任康緒等[9]采用成像測(cè)井、常規(guī)測(cè)井與工程錄井相結(jié)合對(duì)庫(kù)車(chē)坳陷的裂縫性?xún)?chǔ)層提出了分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);李佳陽(yáng)等[10]利用成像測(cè)井和聲波測(cè)井來(lái)評(píng)價(jià)裂縫有效性;劉金華等[11]提出了用野外露頭、巖心、薄片等的觀(guān)察結(jié)合測(cè)井方法,對(duì)裂縫有效性進(jìn)行綜合分析;屈海洲等[12]綜合巖心-電成像資料對(duì)裂縫進(jìn)行了定量表征,計(jì)算了裂縫的線(xiàn)密度、面縫率、平均寬度和長(zhǎng)度等信息;信毅等[13]、孫加華等[14]在成像測(cè)井裂縫識(shí)別的基礎(chǔ)上依據(jù)多極子橫波測(cè)井資料中快、慢橫波的分裂來(lái)識(shí)別裂縫的有效性;柳智利等[15]指出構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、裂縫的充填程度、溶蝕作用以及現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)與裂縫走向大的關(guān)系等因素均能影響裂縫有效性.

上述天然裂縫的前期評(píng)價(jià)只考慮其初始狀況,它們能否在改造后被有效利用取決于其能否被激活.目前文獻(xiàn)已對(duì)天然裂縫激活條件進(jìn)行了一些研究,例如Cheng等[16]在PKN模型的基礎(chǔ)上建立天然裂縫激活模型,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定各個(gè)逼近角下激活壓力;金衍等[17]推導(dǎo)了井周應(yīng)力集中下,打開(kāi)天然裂縫需要的起裂壓力;趙金洲等[18]推導(dǎo)了水力裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)作用下,天然裂縫的穩(wěn)定性;Busetti[19]對(duì)水力壓裂過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并提出采用微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,反推天然裂縫的激活壓力;仲冠宇等[20]、Behnia等[21]則采用間斷位移法,對(duì)人工裂縫尖端處天然裂縫的活動(dòng)性和滑移量進(jìn)行了計(jì)算.

在討論裂縫力學(xué)活動(dòng)性時(shí),上述文獻(xiàn)主要關(guān)注裂縫傾角、傾向和地應(yīng)力狀態(tài),極少會(huì)使用前期評(píng)價(jià)中裂縫有效性、填充性等信息.這種脫節(jié)可能使得對(duì)改造后裂縫的預(yù)期表現(xiàn)和實(shí)際出現(xiàn)偏差,無(wú)法有效地指導(dǎo)儲(chǔ)層改造策略的優(yōu)選.本文通過(guò)模擬說(shuō)明裂縫有效性對(duì)其力學(xué)活動(dòng)性有著重要的影響,提出在裂縫力學(xué)活動(dòng)性研究中應(yīng)考慮裂縫有效性的影響;并根據(jù)博孜區(qū)塊儲(chǔ)層特點(diǎn),對(duì)裂縫的有效性進(jìn)行了多方面的綜合分析,提出了裂縫分類(lèi)方案;最后基于裂縫評(píng)價(jià)和力學(xué)活動(dòng)性分析結(jié)果提出改造方式的優(yōu)選策略.作為案例,以本文思路優(yōu)化了一口井的壓裂設(shè)計(jì),實(shí)測(cè)產(chǎn)量表明,該井的增產(chǎn)效果遠(yuǎn)優(yōu)于同區(qū)域其他井.

2 研究方法

2.1 裂縫的力學(xué)活動(dòng)性

裂縫的力學(xué)活動(dòng)性是描述天然裂縫在儲(chǔ)層改造中激活的難易程度的力學(xué)性質(zhì).分析裂縫的力學(xué)活動(dòng)性,對(duì)儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義.在改造時(shí),一方面主縫內(nèi)充滿(mǎn)較高壓力的壓裂液,同時(shí)在縫尖附近形成應(yīng)力集中,從而改變天然裂縫的受力狀態(tài),引起裂縫面的剪切滑移[16-18];另一方面,壓裂液部分進(jìn)入天然裂縫,對(duì)裂縫形成支撐,減小了裂縫上的有效接觸正應(yīng)力,從而有助于其發(fā)生剪切激活,因此必須考慮流體壓力分布的效應(yīng).

流體壓力在天然裂縫激活過(guò)程中的支撐作用,可以通過(guò)建立基于離散元方法的天然裂縫與主縫交會(huì)的流固耦合模型進(jìn)行說(shuō)明.如圖1所示,儲(chǔ)層處于原始地應(yīng)力狀態(tài),壓裂主縫沿最大主應(yīng)力方向,天然裂縫方向與最大主應(yīng)力斜交,流體可在裂縫中流動(dòng).通過(guò)在模型中固定井筒處的地層壓力為施工時(shí)井底壓力,可以模擬裂縫中壓力隨時(shí)間變化的情況.為研究裂縫有效性對(duì)其激活的影響,模擬時(shí)采用了兩種不同導(dǎo)流能力的天然裂縫作為對(duì)比.

圖1 天然裂縫與主縫交會(huì)的流固耦合模型

流固耦合模型計(jì)算結(jié)果反映出裂縫的導(dǎo)流能力對(duì)壓裂過(guò)程中天然裂縫激活程度有重要影響.圖2為相同地應(yīng)力和裂縫走向時(shí),不同導(dǎo)流能力裂縫壓力的模擬結(jié)果.可以看出,在同樣的力學(xué)條件和井底流壓下,導(dǎo)流能力弱的天然裂縫縫內(nèi)阻力大,壓裂液不容易進(jìn)入,導(dǎo)致天然裂縫內(nèi)壓力梯度較高,而平均壓力較低.

根據(jù)裂縫的庫(kù)倫強(qiáng)度模型,天然裂縫發(fā)生剪切激活的壓力條件為:

式中 τn、σn--分別是主縫裂尖到達(dá)天然裂縫時(shí)作用在裂縫面上的平均剪切應(yīng)力和正應(yīng)力,估算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[18];

pp--縫內(nèi)流體的平均壓力;

μf--裂縫面的摩擦系數(shù);

τf--天然裂縫的固有剪切強(qiáng)度.

從公式(1)中看出,縫內(nèi)流體的平均壓力pp增大,有利于天然裂縫剪切激活;反之,若平均壓力pp過(guò)低,不利于激活天然裂縫,而使得主壓裂縫更傾向于直接穿過(guò)天然裂縫.從裂縫壓力分布以及天然裂縫剪切滑移位移的模擬結(jié)果均可以看出這一點(diǎn)(圖2、圖3).

圖2 天然裂縫和人工裂縫內(nèi)的壓力分布

因此在相同的裂縫幾何條件和地應(yīng)力場(chǎng)下,有效性差的天然裂縫需要更大的施工井底流壓,才能使得縫內(nèi)平均壓力pp足夠高,從而激活裂縫.激活需要的井底流壓越高,說(shuō)明天然裂縫越不容易激活,因此可以用激活壓力p0來(lái)表征裂縫的力學(xué)活動(dòng)性.考慮到要分析大量天然裂縫的力學(xué)活動(dòng)性的統(tǒng)計(jì)情況,逐一按照上述數(shù)值模擬方法進(jìn)行流固耦合分析過(guò)于繁瑣,可通過(guò)下面方法快速估計(jì)裂縫激活壓力:由于流體摩阻的存在,壓裂時(shí)縫內(nèi)平均壓力pp低于激活壓力p0,形式上有:

圖3 天然裂縫剪切滑移量對(duì)比

式中αf為井底流壓支撐裂縫面的有效程度,根據(jù)其物理意義,它介于基質(zhì)比奧系數(shù)α和1之間,并且與裂縫的導(dǎo)流能力或有效性呈正相關(guān)關(guān)系.

如果對(duì)大量天然裂縫進(jìn)行有效性評(píng)價(jià),并據(jù)此估計(jì)αf的取值,再將公式(2)代入公式(1),即可快速地求解出每條天然裂縫的激活壓力p0,從而對(duì)儲(chǔ)層改造能動(dòng)用的天然裂縫的密度有更全面的認(rèn)識(shí).

2.2 裂縫的綜合分析

要進(jìn)行上述裂縫力學(xué)活動(dòng)性的計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同裂縫的儲(chǔ)層優(yōu)選壓裂改造策略,需要針對(duì)裂縫進(jìn)行精細(xì)研究.反映裂縫有效性的參數(shù)有很多,針對(duì)博孜區(qū)塊的資料情況,在提取可以反映區(qū)塊裂縫有效性的關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行裂縫的評(píng)價(jià)和分類(lèi).下面針對(duì)這幾個(gè)反映裂縫的參數(shù)進(jìn)行一一論述.

2.2.1 鉆井液漏失

在博孜區(qū)塊和鄰區(qū),由于是碎屑巖儲(chǔ)層,溶蝕較少,因此鉆井液漏失一般是裂縫性漏失,在一定程度上反映了遠(yuǎn)井眼的裂縫發(fā)育情況,可以間接反映地層產(chǎn)能,是裂縫分類(lèi)的重要指標(biāo).在進(jìn)行鉆井液漏失分析時(shí),從迪那、大北、克深等氣田統(tǒng)計(jì)來(lái)看,基本存在井漏量越大、漏速越高、單井產(chǎn)量越高的特征.不僅是漏失量,漏失速率也是一個(gè)重要的指標(biāo).C.G.Dyke就提出了如何利用鉆井液池的變化以及漏失速率來(lái)判斷裂縫的特征和性質(zhì)等[22],但是這個(gè)工作需要詳細(xì)的計(jì)量工具,在研究區(qū)并不具備,因此本文主要利用鉆井液漏失量作為參考.如圖4所示,鉆井液漏失量較小的井酸壓產(chǎn)能普遍較低,漏失量較大的井酸壓產(chǎn)能普遍較高.因此在進(jìn)行后期的精細(xì)裂縫評(píng)價(jià)時(shí),鉆井液漏失量將作為裂縫評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo),反映裂縫發(fā)育的程度.

圖4 鉆井液漏失量與產(chǎn)量的關(guān)系

2.2.2 成像測(cè)井得出的裂縫定量參數(shù)

研究區(qū)已鉆的4口井中有3口井有成像測(cè)井資料,2口井有取心資料,因此利用巖心刻度后的成像測(cè)井進(jìn)行裂縫的定性及定量評(píng)價(jià)是非?？煽康?成像測(cè)井可以反映全井段的裂縫發(fā)育情況,因此是非常好的裂縫評(píng)價(jià)工具,本文主要利用裂縫寬度、裂縫傾角及力縫夾角這3個(gè)參數(shù)對(duì)裂縫進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

2.2.2.1 裂縫寬度

裂縫寬度主要通過(guò)成像測(cè)井定量計(jì)算得到.Stepan.M.Luthi等[23]針對(duì)FMI成像儀器提出了裂縫寬度的定量計(jì)算公式:

式中 W--裂縫寬度;

A--由裂縫造成的電導(dǎo)異常面積;

Rxo--沖洗帶電阻率;

Rm--裂縫中流體電阻率,取值為井底溫度

下的鉆井液電阻率[24];

b、c--系數(shù),取決于FMI成像測(cè)井儀器的

具體結(jié)構(gòu).

當(dāng)FMI的測(cè)量電極靠近裂縫時(shí),裂縫內(nèi)鉆井液的異常低電阻將引起FMI測(cè)量電極電流的增大,直至該測(cè)量電極遠(yuǎn)離這一裂縫而不受其低電阻異常的影響.由于這一原因,一個(gè)僅為0.1mm寬的裂縫在微電阻率掃描成像測(cè)井圖像上的寬度可能顯示為實(shí)際寬度的好幾倍甚至幾十倍.這就使得從成像上可以識(shí)別出寬度小于0.1mm的裂縫.

通過(guò)成像測(cè)井計(jì)算,博孜區(qū)塊裂縫寬度一般小于0.1mm,B井裂縫寬度較大,在某些層段可以大于0.1mm,博孜C井裂縫寬度較小(圖5).

2.2.2.2 裂縫傾角

不管是從野外露頭的分析還是直觀(guān)的巖心觀(guān)察,裂縫傾角始終是評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育的重要指標(biāo).傾角大的裂縫溝通的儲(chǔ)層厚度大,有效性較好.博孜C井的傾角最低,主頻為65°左右,因此裂縫的有效性較低,博孜B井裂縫傾角主頻為72°,博孜D井裂縫傾角主頻為71°左右(圖6).

2.2.2.3 力縫夾角

圖5 博孜區(qū)塊裂縫寬度示意圖

圖6 博孜區(qū)塊高導(dǎo)縫的傾角直方圖

力縫夾角是指天然裂縫與最大水平主應(yīng)力之間的夾角,Zhang[24]認(rèn)為力縫夾角是產(chǎn)量的重要的指標(biāo),力縫夾角大于30°的井產(chǎn)量較低,裂縫的滲透率也受到力縫夾角的影響.力縫夾角較小的裂縫,受到現(xiàn)今地應(yīng)力的擠壓相對(duì)較小,對(duì)開(kāi)啟有利,因此對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)較大;反之,力縫夾角較大的裂縫對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)較小.研究區(qū)博孜B井大部分的力縫夾角小于30°,C井力縫夾角較大,普遍大于30°,兩口井酸壓結(jié)果顯示博孜B井產(chǎn)量比博孜C井高50%以上,因此力縫夾角可以作為衡量裂縫有效性的因素之一.博孜D井頂?shù)椎牧p夾角較大,主力儲(chǔ)層段力縫夾角較小,整體與博孜B井相當(dāng)(圖7).

2.2.3 R/S變尺度方法

變尺度分析法,即R/S分析,是一種半定量的裂縫性?xún)?chǔ)層描述方法,主要以常規(guī)聲波測(cè)井資料為基礎(chǔ).其中R為極差,是一組序列最大累積離差與最小累積離差之差,代表序列的復(fù)雜程度;S稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)差,代表序列的平均趨勢(shì);二者之比R/S代表無(wú)因次的序列相對(duì)波動(dòng)強(qiáng)度.在此基礎(chǔ)上做出R/S對(duì)n的雙對(duì)數(shù)圖像,記該圖像的斜率為k.那么分維值D=2-k,其意義代表構(gòu)造裂縫發(fā)育的復(fù)雜程度,分維值越大,天然裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜,當(dāng)D>1.2時(shí)表明裂縫十分發(fā)育[8].

圖7 博孜區(qū)塊裂縫力縫夾角示意圖

由博孜區(qū)塊的R/S變尺度分析結(jié)果可以看出,博孜B井的裂縫發(fā)育最好,其次為博孜D井,博孜C井裂縫發(fā)育較差(圖8).

圖8 博孜區(qū)塊R/S變尺度分析結(jié)果

2.2.4 裂縫的綜合分類(lèi)方法

基于上述的裂縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),建立了裂縫精細(xì)分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)的裂縫分為3類(lèi),其中Ⅰ類(lèi)裂縫的有效性最好,Ⅲ類(lèi)最差(圖9).

圖9 裂縫的精細(xì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述裂縫的精細(xì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),將博孜區(qū)塊3口井的成像測(cè)井資料解釋得到的裂縫進(jìn)行了分類(lèi)(圖10).博孜B井解釋Ⅰ類(lèi)裂縫42條,占比14.7%;Ⅱ類(lèi)裂縫89條,占比31.2%;Ⅲ類(lèi)裂縫154條,占比54%.博孜C井解釋II類(lèi)裂縫21條,占比19.6%;III類(lèi)裂縫86條,占比80.4%.博孜D井解釋Ⅱ類(lèi)裂縫41條,占比22%;Ⅲ類(lèi)裂縫145條,占比78%.綜合來(lái)看,博孜區(qū)塊裂縫發(fā)育程度由好到壞依次為:博孜B井,博孜D井,博孜C井.

3 基于裂縫力學(xué)分析的儲(chǔ)層改造策略

3.1 裂縫激活壓力的分布

根據(jù)裂縫激活壓力條件計(jì)算方法,對(duì)博孜區(qū)塊3口井儲(chǔ)層段成像測(cè)井識(shí)別到的裂縫計(jì)算了激活壓力.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn),公式(1)和公式(2)中計(jì)算參數(shù)分別取μf=0.6,α=0.65,而τf根據(jù)裂縫填充程度取0～10MPa[25].根據(jù)裂縫有效性和參數(shù)αf的正相關(guān)關(guān)系,3類(lèi)裂縫的αf分別取為0.9、0.8和0.7,則各井的裂縫激活壓力分布如圖11所示.

圖10 博孜區(qū)塊裂縫發(fā)育情況圖

受施工工藝限制,估計(jì)實(shí)際施工井底壓力可達(dá)到145MPa.此時(shí)從圖11可以看出,大部分的天然裂縫實(shí)際上無(wú)法被激活;其中博孜C井幾乎沒(méi)有激活天然裂縫,而博孜B井僅能夠打開(kāi)不到20%的天然裂縫(包括所有的Ⅰ類(lèi)裂縫和約40%的Ⅱ類(lèi)裂縫).事實(shí)上,根據(jù)博孜B井和博孜C井的實(shí)際壓裂曲線(xiàn)(圖12、圖13),博孜C井未見(jiàn)多裂縫特征,博孜B井有不明顯的多裂縫特征,與圖11吻合較好.對(duì)于尚未改造的博孜D井同樣可激活約40%的Ⅱ類(lèi)縫,但其激活裂縫條數(shù)多于博孜B井,并且考慮到博孜D井的裂縫發(fā)育段較博孜B井短,其可激活的裂縫條數(shù)高于博孜B井,是3口井中最有利于形成縫網(wǎng)的.

圖11 各井成像識(shí)別裂縫激活壓力分布

圖12 博孜B井酸壓施工曲線(xiàn)

圖13 博孜C井酸壓施工曲線(xiàn)

裂縫的走向和傾角對(duì)裂縫激活難易程度有著明顯的影響,圖14統(tǒng)計(jì)了博孜D井的裂縫走向分布情況,可以看出,可激活裂縫的走向大多接近最大水平主應(yīng)力方向,且多為高角度縫.同時(shí)也需要明確走向和傾角并不是影響裂縫活動(dòng)性的唯一因素,例如盡管有很多裂縫處于易激活的方位,但由于本身填充程度過(guò)高,實(shí)際上也難以激活.

圖14 博孜D井裂縫傾角與走向分布

3.2 儲(chǔ)層改造技術(shù)思路

通過(guò)前述裂縫力學(xué)活動(dòng)性分析可以看出,較高的壓力和較低的黏度對(duì)打開(kāi)天然裂縫比較有利.對(duì)博孜區(qū)塊的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn),Ⅰ類(lèi)裂縫和Ⅱ類(lèi)裂縫本身的力縫夾角對(duì)于天然裂縫激活比較有利,以施工井底壓力最大可達(dá)到的145MPa進(jìn)行分析,約有90%的Ⅰ類(lèi)裂縫和40%的Ⅱ類(lèi)裂縫能夠被激活,而Ⅲ類(lèi)裂縫幾乎不能被激活.因此可根據(jù)各井的3類(lèi)裂縫發(fā)育來(lái)預(yù)測(cè)壓裂改造中天然裂縫的激活情況,從而優(yōu)選改造方式.

對(duì)于主要發(fā)育Ⅰ類(lèi)裂縫的儲(chǔ)層,天然裂縫本身有效性高,近井裂縫容易激活,考慮到改造成本,可優(yōu)先選擇體積酸壓的方式進(jìn)行改造;對(duì)于主要發(fā)育Ⅱ類(lèi)裂縫的儲(chǔ)層,天然裂縫有效性適中,激活難度稍大,但仍有爭(zhēng)取的空間和必要性,因此為了盡可能動(dòng)用天然裂縫增產(chǎn),可選擇縫網(wǎng)壓裂的改造方式[26];而對(duì)于主要發(fā)育Ⅲ類(lèi)裂縫的儲(chǔ)層,天然裂縫有效性差,難以被改造手段大量激活,但是這反過(guò)來(lái)使得改造時(shí)輸入的能量不易消散,有利于造長(zhǎng)縫,溝通遠(yuǎn)井的裂縫網(wǎng)絡(luò),因此可以選擇大規(guī)模加砂壓裂的改造方式.上述改造方式優(yōu)選策略的總結(jié)見(jiàn)表1.

表1 博孜區(qū)塊儲(chǔ)層改造方式優(yōu)選表

4 應(yīng)用實(shí)例分析

博孜區(qū)塊博孜D井為繼博孜A井、博孜B井、博孜C井之后的第4口評(píng)價(jià)井,2016年9月完鉆,儲(chǔ)層段為白堊系巴什基奇克組,在本文研究開(kāi)展前尚未進(jìn)行儲(chǔ)層改造.

從基質(zhì)和裂縫兩方面對(duì)博孜D井和鄰井進(jìn)行對(duì)比.用孔隙度與儲(chǔ)層厚度的乘積代表基質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ),則博孜D井的物質(zhì)基礎(chǔ)處于博孜B井與博孜C井之間(圖15);從裂縫數(shù)量和分類(lèi)情況來(lái)看,博孜D井的裂縫發(fā)育情況也介于博孜B井和博孜C井之間(圖16).綜合來(lái)看,博孜D井儲(chǔ)層條件居于區(qū)塊的中等 水平,生產(chǎn)測(cè)試也表明博孜D井自然產(chǎn)能和博孜B井接近.據(jù)此可以估計(jì)如果按照博孜B井和博孜C井的方式改造博孜D井,則改造后產(chǎn)量與博孜B井相當(dāng)或略低,經(jīng)濟(jì)效益不高.因此采用本文所述方法優(yōu)選儲(chǔ)層改造方案,以期獲得更大產(chǎn)量.

圖15 博孜區(qū)塊"孔隙度與儲(chǔ)層厚度乘積"統(tǒng)計(jì)圖

圖16 博孜區(qū)塊裂縫發(fā)育統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)博孜D井的裂縫進(jìn)行力學(xué)活動(dòng)性分析,可知博孜D井Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)裂縫均發(fā)育,其中Ⅱ類(lèi)裂縫激活壓力在137～155MPa,平均為145MPa左右,Ⅲ類(lèi)裂縫激活壓力在166～187MPa,平均為180MPa左右(圖17).進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),博孜D井測(cè)試段上部(6757～6800m)Ⅱ類(lèi)裂縫發(fā)育密度較大,見(jiàn)角度較高直劈縫,裂縫寬度大,力縫夾角約30°,且水平兩向應(yīng)力差異小,巖石脆性較好,具備一定的縫網(wǎng)改造條件,考慮通過(guò)滑溜水加凍膠復(fù)合加砂壓裂和分級(jí)多簇射孔等方式提高縫網(wǎng)復(fù)雜程度;測(cè)試段下部(6800～6850m),Ⅲ類(lèi)裂縫發(fā)育密度較大,裂縫傾角中等,裂縫寬度較小,裂縫有效性較差,應(yīng)采用大規(guī)模加砂壓裂,盡可能溝通遠(yuǎn)井區(qū)域天然裂縫,提高改造體積與泄油氣面積.據(jù)此將博孜D井儲(chǔ)層分兩段,分別采用縫網(wǎng)壓裂和大規(guī)模加砂壓裂的改造方案.

圖17 博孜D井裂縫發(fā)育情況與激活壓力分布圖

對(duì)改造后施工曲線(xiàn)進(jìn)行分析可知,博孜D井的停泵壓力為76.1MPa,延伸壓力為152.5MPa,閉合壓力為146.7MPa,凈壓力為5.82MPa,可見(jiàn)主裂縫開(kāi)啟和延伸過(guò)程中具備激活部分有效性好的Ⅱ類(lèi)裂縫的條件.因此該井加砂壓裂時(shí)Ⅱ類(lèi)裂縫相當(dāng)于部分已經(jīng)開(kāi)啟,Ⅲ類(lèi)裂縫被打開(kāi)的幾率比較小,在壓裂施工曲線(xiàn)上也觀(guān)察到明顯多裂縫特征.

改造前后的無(wú)阻流量對(duì)比如圖18所示.可以看出,前期改造的博孜B井、博孜C井酸壓后絕對(duì)增量不大.而依托于地質(zhì)工程一體化的研究,博孜D井進(jìn)行了具有針對(duì)性的壓裂施工策略、方案制定及工藝優(yōu)化,后期施工實(shí)施順利,取得了該地區(qū)的產(chǎn)量突破,增產(chǎn)倍數(shù)遠(yuǎn)高于鄰井.現(xiàn)在博孜D井日產(chǎn)氣量在51X104m3左右,與鄰井相比,高了5倍左右,達(dá)到了效益開(kāi)發(fā)產(chǎn)量.如前所述,博孜D井的儲(chǔ)層條件與該區(qū)域鄰井相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì),估計(jì)通過(guò)在該區(qū)塊推廣本文方法,可有效提高博孜區(qū)域的生產(chǎn)效益,為該區(qū)塊近千億立方米儲(chǔ)量的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持.

圖18 博孜區(qū)塊各井自然產(chǎn)能與加砂壓裂產(chǎn)能對(duì)比

5 結(jié)論

采用離散元方法對(duì)水力裂縫逼近天然裂縫的過(guò)程進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示天然裂縫能否在儲(chǔ)層改造中被激活,不僅取決于其走向和傾向,還與天然裂縫的有效性有關(guān).初始有效性越強(qiáng)的天然裂縫在儲(chǔ)層改造中越容易發(fā)生剪切滑移而被激活,而有效性差的天然裂縫易被水力裂縫直接穿過(guò).據(jù)此提出了天然裂縫激活壓力的估算方法.

裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層中,裂縫發(fā)育程度是產(chǎn)量的主控因素,通過(guò)對(duì)鉆井液的漏失情況,成像測(cè)井得到的定量描述參數(shù),包括裂縫寬度、裂縫傾角以及力縫夾角等因素的綜合分析,可以對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的裂縫進(jìn)行精細(xì)分類(lèi),從而為后期裂縫的力學(xué)活動(dòng)性提供計(jì)算基礎(chǔ).

基于裂縫的分類(lèi)和力學(xué)活動(dòng)性,可以計(jì)算裂縫的激活壓力分布.根據(jù)壓裂施工曲線(xiàn),可以分析裂縫的激活程度,從而判斷壓裂過(guò)程中裂縫的激活狀態(tài)以及比例.通過(guò)這樣的分析可以應(yīng)用到后期的新井壓裂設(shè)計(jì)上.

應(yīng)用上述方法對(duì)博孜區(qū)塊D井進(jìn)行了裂縫的精細(xì)分類(lèi)以及激活壓力的計(jì)算,從而得到了比較合適的壓裂設(shè)計(jì)方案,方案實(shí)施后,博孜D井的產(chǎn)量得到了大幅度的提升.因此表明,基于地質(zhì)工程一體化的裂縫精細(xì)研究和力學(xué)活動(dòng)性計(jì)算的方法,可以實(shí)現(xiàn)有效增產(chǎn)的效果,同樣的方法也可以推廣到其他裂縫性油氣藏中.

致謝:塔里木油田地質(zhì)工程一體化的技術(shù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)對(duì)本文研究工作給予了大力支持,在生產(chǎn)分析、數(shù)據(jù)處理和施工設(shè)計(jì)論證方面提出了寶貴建議,在此表示感謝.

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Optimization of reservoir stimulation scheme based on fine fracture evaluation and mechanical activity analysis and its application in Bozi block

Zhang Yang1, Wang Zhenlan2, Fan Wentong1, Zheng Zijun2, Li Wei1, Yu Yinhua2, Teng Qi1
( 1 PetroChina Tarim Oilfield Company; 2 ENTI (Xi'an) Oil and Gas Technology Co., Ltd. )

The fractured tight sandstone reservoir in the Kuqa foreland basin is ultra-deep with ultra-high pressure. To obtain economic productivity from the reservoir, it is essential to stimulate the potential of natural fractures with appropriate strategy. Based on the fine fracture evaluation and logging interpretation, the mechanical activity of natural fractures is studied, and accordingly the reservoir stimulation treatment is optimized. Through numerical simulation and theoretical analysis, it is found that the effectiveness of natural fractures, in addition to the dip angle and dip direction, has a significant effect on the mechanical activity of fractures during the treatment, and the calculation method of the shear activation pressure of the fracture is given. The effectiveness of fractures is evaluated comprehensively in respect of mud loss events,quantitative analysis of imaging logging parameters, core analysis, R/S scale-variable analysis and so on, and the classification criteria for such reservoir fractures is put forward. According to the analysis on mechanical activity of natural fractures, the customized stimulation strategies are proposed. To be specific, different fracturing strategies, such as volumetric acid fracturing, fracture network fracturing and large-scale sand fracturing, can be employed for three types of reservoirs with different fracture development features. In this way, the reservoir stimulation scheme is improved. The improved scheme has been satisfactorily applied in the Bozi block in the western Kuqa basin. As a result, the actual production is significantly higher compared with adjacent wells. This scheme facilitates theoretically and technically the effective production of nearly 100 billion cubic meters of reserves in the block.

integration method, fracture effectiveness, mechanical activity, fracturing strategy, Bozhi block

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.06.006

TE357.1

A

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)"大型油氣田及煤層開(kāi)發(fā)"(2016ZX05051-003).

張楊(1985-),男,黑龍江哈爾濱人,碩士,2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣井工程專(zhuān)業(yè),助理工程師,主要從事石油工程巖石力學(xué)和超深高溫高壓儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)等方面的研究工作.地址:新疆庫(kù)爾勒市石化大道26號(hào)塔指小區(qū)油氣工程研究院,郵政編碼:841000,E-mail: zhangy5-tlm@petrochina.com.cn

2017-06-12,修改日期:2017-09-25