程壘明

（中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

2019 年，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油區(qū)塊共實(shí)施水平井體積壓裂改造 30 井次，實(shí)施井總體呈現(xiàn)開井初期產(chǎn)油量高、遞減快（持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力差）、自噴時(shí)間短的特點(diǎn)。以往水平井壓裂設(shè)計(jì)多是基于區(qū)塊井的施工經(jīng)驗(yàn)[1-2]，確定井段長(zhǎng)度、射孔位置、施工參數(shù)等，未充分考慮水平段近井地帶油層品質(zhì)及構(gòu)造縫（斷裂、天然裂縫等）發(fā)育情況，不能開展針對(duì)性、個(gè)性化設(shè)計(jì)；未考慮井間干擾與縫間干擾對(duì)水力裂縫延伸的影響，不能開展井組全井段壓裂設(shè)計(jì)；實(shí)施后雖有一定提產(chǎn)效果，但設(shè)計(jì)思路的科學(xué)合理性仍需進(jìn)一步完善。為進(jìn)一步優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)、提升改造效果，基于Petrel 平臺(tái)，應(yīng)用Mangrove模塊在頁(yè)巖油區(qū)塊開展全井段三維壓裂設(shè)計(jì)，充分利用一體化工作流程和一體化的協(xié)同環(huán)境，采用科學(xué)的研究思路，定制完善的壓裂方案，改善吉木薩爾頁(yè)巖油水平井體積壓裂效果。

1 設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介

Petrel 是由美國(guó)斯倫貝謝公司開發(fā)的勘探開發(fā)一體化平臺(tái)，集成了地震解釋、三維地質(zhì)建模、油藏?cái)?shù)值模擬等模塊，另外，平臺(tái)嵌入的Mangrove 模塊，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)認(rèn)識(shí)與工程技術(shù)的無(wú)縫銜接。同時(shí)，Petrel 應(yīng)用了先進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以更為直觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)油藏評(píng)估開發(fā)效果，最大限度地挖潛剩余油。對(duì)吉木薩爾凹陷頁(yè)巖油的不斷探索，形成了基于Petrel 平臺(tái)的地質(zhì)工程一體化完整工作流程（圖1），為高效開發(fā)頁(yè)巖油資源提供支撐。

圖1 吉木薩爾凹陷頁(yè)巖油地質(zhì)工程一體化 三維壓裂設(shè)計(jì)工作流程

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1 建立三維地質(zhì)模型

蘆草溝組頁(yè)巖油縱向上全井段含油，平均含油飽和度為 65%～84%，整體含油性較好。主要發(fā)育上、下兩個(gè)甜點(diǎn)體，上甜點(diǎn)體油層主要分布在 P2l22-1、P2l22-2、P2l22-3三個(gè)小層，巖性主要為砂屑云巖、巖屑長(zhǎng)石粉細(xì)砂巖和云屑砂巖。下甜點(diǎn)體油層分布在 P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3三個(gè)小層，巖性主要為云質(zhì)粉砂巖[2]。

基于Petrel 平臺(tái)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)146 口直井和水平井的鉆井、測(cè)井、錄井、巖心測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯及質(zhì)量控制，在地震層位及斷層解釋成果基礎(chǔ)上，建立精細(xì)構(gòu)造模型；在實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)基礎(chǔ)上，以地震反演成果為軟數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀約束；采用序貫高斯模擬算法，建立包含完整的上下甜點(diǎn)儲(chǔ)層物性的三維地質(zhì)模型。模型中具備了孔隙度、滲透率、飽和度、楊氏模量、泊松比等基本屬性，網(wǎng)格精度為 50.0 m×50.0 m×0.5 m，縱向甜點(diǎn)區(qū)網(wǎng)格精度達(dá)到 0.2 m。

2.2 建立天然裂縫模型

研究結(jié)果表明，天然裂縫影響水力裂縫的延伸方位，表現(xiàn)為捕集、張開和穿過(guò)現(xiàn)象，對(duì)最終壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜程度具有重要影響[3]。對(duì)取心、成像測(cè)井及露頭數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研認(rèn)為，吉木薩爾蘆草溝組發(fā)育高角度天然裂縫。

基于成像測(cè)井分析、裂縫描述以及地震數(shù)據(jù)體構(gòu)造平滑、去噪等前期處理，結(jié)合方差體進(jìn)行斷層及特殊巖性識(shí)別。采用迭代方法計(jì)算，確定螞蟻屬性體提取參數(shù)，開展螞蟻體追蹤，建立裂縫強(qiáng)度屬性體；再通過(guò)粗化算法，建立裂縫孔隙度、三方向裂縫滲透率及裂縫σ因子等裂縫屬性模型。對(duì)頁(yè)巖油區(qū)塊內(nèi)8 口成像測(cè)井結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中5 口水平井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)識(shí)別 P2l22-2小層NS 走向天然裂縫1 136條，3 口直井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)識(shí)別天然裂縫270 條（表1）。提取螞蟻屬性體和裂縫屬性模型平面屬性，結(jié)合天然裂縫DIP 產(chǎn)狀，采用DFN 模型離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模方法，在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上表征和描述天然裂縫的發(fā)育及展布特征。

2.3 建立地應(yīng)力場(chǎng)模型

地應(yīng)力場(chǎng)是影響壓裂效果的重要因素，水平最大主應(yīng)力方向決定了裂縫擴(kuò)展方向[4-5]。綜合微地震監(jiān)測(cè)、成像測(cè)井、井壁崩落等方法，明確頁(yè)巖油區(qū)塊最大水平主應(yīng)力為北西向（NW22°）。以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為微靜態(tài)數(shù)據(jù)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)歸一化進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)校正，共建立了15 口井的全井段精細(xì)一維巖石力學(xué)模型。采用Visage 有限元計(jì)算軟件，將頁(yè)巖油區(qū)塊單井測(cè)井解釋地質(zhì)屬性與地震反演數(shù)據(jù)結(jié)合，耦合天然裂縫模型，建立了考慮天然裂縫的三維地質(zhì)力學(xué)模型，模型網(wǎng)格精度與天然裂縫模型保持一致。

表1 吉木薩爾頁(yè)巖油成像測(cè)井天然裂縫識(shí)別情況統(tǒng)計(jì)

吉木薩爾凹陷頁(yè)巖油區(qū)塊水平應(yīng)力差3～7 MPa，平面上由北西部構(gòu)造低部位向南東部構(gòu)造高部位逐漸減小，縱向上應(yīng)力與深度呈正相關(guān)，與一維巖石力學(xué)結(jié)果一致。

3 Mangrove 模塊應(yīng)用探索

基于Mangrove 模塊，參照壓裂工程方案，設(shè)計(jì)模擬壓裂流程，模擬頁(yè)巖油區(qū)塊X 井組天然裂縫模型與地應(yīng)力場(chǎng)模型多場(chǎng)耦合的三維壓裂。該井組共部署6 口水平井，井間距200 m，水平段長(zhǎng)1 300～1 500 m，按40～45 m/段和1～3 簇/段分段。頁(yè)巖油X井基于三維地質(zhì)模型的Mangrove 模塊產(chǎn)能模擬結(jié)果，與實(shí)際井底生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合率達(dá)到85%，該產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型具有一定的可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)外多利用Mangrove 模塊與Petrel 基礎(chǔ)地質(zhì)模型可無(wú)縫銜接的特點(diǎn)進(jìn)行非常規(guī)儲(chǔ)層地質(zhì)工程一體化壓裂設(shè)計(jì)，實(shí)踐認(rèn)為，該軟件在吉木薩爾頁(yè)巖油具有較好的適用性。Mangrove 模塊一方面能夠針對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層非均質(zhì)特點(diǎn)，合理優(yōu)化段簇位置；另一方面能夠就頁(yè)巖儲(chǔ)層構(gòu)造縫發(fā)育特征，表征天然裂縫與應(yīng)力干擾對(duì)水力裂縫延伸的影響。該軟件在以上兩方面比其他壓裂設(shè)計(jì)軟件具有一定的優(yōu)越性，整體壓裂設(shè)計(jì)流程與其他軟件類似。

3.1 段/簇優(yōu)化

在綜合考慮井軌跡穿層情況以及油層品質(zhì)（孔隙度、滲透率、飽和度等）、巖石力學(xué)參數(shù)（地應(yīng)力、楊氏模量、泊松比等）、天然裂縫發(fā)育情況的前提下，優(yōu)化壓裂分段與分簇位置，提高射孔有效性。與常規(guī)全井段采用3 簇/段的布縫方式相比，采用個(gè)性化、差異化的壓裂措施方案，合理分配液體、支撐劑等壓裂材料，可避免無(wú)效射孔，加大油氣富集區(qū)的改造力度，實(shí)現(xiàn)全井段儲(chǔ)層充分動(dòng)用。以頁(yè)巖油區(qū)塊X1 井為例，通過(guò)井軌跡穿層含油飽和度縱向剖面圖，界定當(dāng)含油飽和度大于70%、油層有效厚度大于10 m 時(shí)，采用3～5 簇/段射孔方式；當(dāng)含油飽和度大于50%且小于70%、油層有效厚度小于10 m 時(shí)，采用2 簇/段射孔方式。

產(chǎn)能模擬結(jié)果顯示，差異化布縫方式下生產(chǎn)初期日產(chǎn)油、累計(jì)產(chǎn)油均優(yōu)于常規(guī)部分（圖2），分析認(rèn)為是差異化布縫對(duì)近井地帶的油氣富集區(qū)改造更為充分所致。隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，油氣富集區(qū)生產(chǎn)能力充分釋放，日產(chǎn)油逐漸接近常規(guī)生產(chǎn)水平。結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)，優(yōu)化布縫方式，可以提高油藏采收率，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)油藏經(jīng)濟(jì)高效動(dòng)用。

圖2 差異化布縫的產(chǎn)能預(yù)測(cè)曲線

3.2 應(yīng)力陰影表征

應(yīng)力陰影效應(yīng)給周圍巖石和相鄰裂縫施加額外的壓力，會(huì)限制裂縫寬度，改變裂縫延伸方向，影響縫網(wǎng)幾何形態(tài)。Mangrove 模塊基于Stress shadow 工作流還可實(shí)現(xiàn)縫間干擾與井間干擾對(duì)裂縫延伸影響的全井段壓裂模擬。以頁(yè)巖油區(qū)塊X 井組為例，考慮相鄰段、井之間的應(yīng)力干擾，將應(yīng)力干擾半徑設(shè)為300 m。模擬結(jié)果顯示，水力裂縫有偏向水平段根端的趨勢(shì)，這主要是先壓裂的井段施工作業(yè)改變了近井地應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)后壓裂的井段裂縫延伸產(chǎn)生一定影響[6-8]。統(tǒng)計(jì)模擬裂縫的幾何尺寸發(fā)現(xiàn)，在未考慮應(yīng)力陰影的情況下，水力裂縫在最大主應(yīng)力方向的平均延伸長(zhǎng)度111.3 m；而考慮應(yīng)力陰影時(shí)，相同方向的平均縫長(zhǎng)僅為92.1 m。應(yīng)力陰影可引發(fā)應(yīng)力場(chǎng)反轉(zhuǎn)，改變水力裂縫延伸方向，增加裂縫延伸阻力，這不利于溝通遠(yuǎn)井油氣富集區(qū)[9]。

從產(chǎn)能預(yù)測(cè)曲線上可以看出（圖3），考慮應(yīng)力陰影情況下日產(chǎn)油略低于不考慮應(yīng)力陰影的情況，主要是考慮應(yīng)力陰影情況的有效泄油區(qū)域減少所致。產(chǎn)量沒(méi)有明顯的差異，分析認(rèn)為，應(yīng)力陰影迫使裂縫轉(zhuǎn)向，使近井周圍儲(chǔ)層得到更為充分地改造，一定程度上降低了地層流體入井阻力。應(yīng)力陰影效應(yīng)在平臺(tái)井之間表現(xiàn)較為明顯，在壓裂作業(yè)模式上，采用拉鏈?zhǔn)阶鳂I(yè)，充分利用井間應(yīng)力效應(yīng)的正面影響，減弱應(yīng)力陰影對(duì)裂縫延伸的抑制作用；在布縫模式設(shè)計(jì)上，采用層內(nèi)鄰井交錯(cuò)布縫模式，配合采用交叉式拉鏈作業(yè)順序（圖4），利用縫間應(yīng)力陰影效應(yīng)提高縫網(wǎng)復(fù)雜程度。應(yīng)力陰影現(xiàn)象對(duì)改造儲(chǔ)層有利也有弊，如何更進(jìn)一步發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)、克服其弊端是接下來(lái)要研究的方向。

圖3 應(yīng)力陰影產(chǎn)能預(yù)測(cè)曲線

3.3 天然裂縫加載

吉木薩爾凹陷蘆草溝組發(fā)育天然裂縫，基于DFN 裂縫工作流將三維天然裂縫模型加載到頁(yè)巖油基礎(chǔ)模型中，模擬水力裂縫與天然裂縫的相互作用。天然裂縫的存在會(huì)改變水力裂縫的延伸方向，或發(fā)生轉(zhuǎn)向延天然裂縫繼續(xù)延伸，或穿過(guò)天然裂縫，或在天然裂縫處截止。統(tǒng)計(jì)分析頁(yè)巖油某口井其中3段的9 簇裂縫尺寸，可以發(fā)現(xiàn)，由于天然裂縫的存 在，水力裂縫延伸方向在一定程度上發(fā)生了改變，最大水平主應(yīng)力方向延伸長(zhǎng)度比未考慮天然裂縫情況下短。沿井筒的最小主應(yīng)力方向水力裂縫延伸更為明顯，這有利于提高近井筒縫網(wǎng)復(fù)雜程度，與吉木薩爾頁(yè)巖油“打碎儲(chǔ)層”的改造理念相契合。

圖4 交錯(cuò)布縫-拉鏈作業(yè)示意圖（俯視）

產(chǎn)能預(yù)測(cè)模擬發(fā)現(xiàn)（圖5），考慮天然裂縫情況下的生產(chǎn)水平顯著優(yōu)于未考慮天然裂縫的情況[10]。分析原因認(rèn)為：一是天然裂縫的存在增加了裂縫復(fù)雜程度，降低了滲流阻力；二是天然裂縫一定程度上會(huì)影響水力裂縫的延伸，但水力裂縫溝通天然裂縫后可間接溝通遠(yuǎn)井油氣富集區(qū)，擴(kuò)大儲(chǔ)層動(dòng)用范圍。需要特別指出的是，天然裂縫發(fā)育增加了壓裂過(guò)程中井間串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。因此，精細(xì)刻畫天然裂縫發(fā)育產(chǎn)狀、合理優(yōu)化壓裂工藝，是提高頁(yè)巖儲(chǔ)層油氣資源挖潛效率的有效舉措。

圖5 考慮天然裂縫的產(chǎn)能預(yù)測(cè)曲線

4 結(jié)論

（1）基于Petrel 平臺(tái)將天然裂縫模型、地應(yīng)力場(chǎng)模型與三維地質(zhì)基礎(chǔ)模型耦合，刻畫了頁(yè)巖油砂泥頻繁互層、巖性復(fù)雜多樣的地質(zhì)特征及該區(qū)塊部分區(qū)域天然裂縫發(fā)育情況。

（2）將地質(zhì)認(rèn)識(shí)與工程技術(shù)緊密結(jié)合，差異化布縫方式壓裂，初期生產(chǎn)效果優(yōu)于常規(guī)布縫方式壓裂；應(yīng)力陰影不利于裂縫向遠(yuǎn)井區(qū)域延伸，對(duì)產(chǎn)量的綜合影響不明顯；天然裂縫有利于改造復(fù)雜縫網(wǎng)、溝通遠(yuǎn)井富油氣區(qū)，對(duì)增儲(chǔ)上產(chǎn)具有積極作用。

（3）應(yīng)力陰影效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層壓裂改造程度具有一定負(fù)面作用，通過(guò)優(yōu)化作業(yè)順序、交錯(cuò)布縫等方式可一定程度弱化應(yīng)力陰影效應(yīng)對(duì)裂縫規(guī)模的不利影響。