1、非常规油气田储层增产技术探究 王海华 田黔宁 中国地质图书馆 中国地质调查局地学文献中心 摘 要： 页岩油气是具有商业价值的非常规能源资源, 美国对页岩油气的成功开采使得世界各国对其开发和利用越来越重视。页岩气的储藏特性及地质环境决定了只有采取储层改造措施才能实现增产。选取美国巴奈特、鹰滩 2 个页岩油气田实例, 通过储层评价及地层化学分析, 认识到天然裂缝、泥质含量等参数在井位选取、完井方案的优化方面的作用, 同时应用水平井钻井导向技术、压裂完井技术, 可以有效实现非常规油气田的增产。关键词： 非常规能源; 页岩油气; 增产; 裂缝; 水平井; 作者简介：王海华, 女, 1972 年出生,
2、高工, 博士, 石油地质专业, 目前从事地学方面情报分析研究工作。E-mail:。收稿日期：2016-09-20基金：中国地质调查“地学情报综合研究与产品研发” (121201015000150002) 项目资助Research of Reservoir Stimulation Technology in Unconventional Oil and Gas FieldWANG Hai-hua TIAN Qian-ning National Geological Library of China; Abstract： Shale oil and gas is unconventional en
3、ergy resources with commercial value, the success of US exploitation of it makes the world pay more and more attention to their development and use. The shale oil and gas reservoir characteristics and geological environment determine that only stimulating reservoirs can increase production. two case
4、s at Barnet, Eagle beach in the United States are selected, and through reservoir evaluation and chemostraigraphy analysis, it is recognized that parameters of natural fractures, clay content etc are important in the well site selection, well completion optimization, as well as application of orient
5、ed drilling technology of horizontal well, fracturing and completion technology, can effectively increase unconventional oil and gas production.Keyword： unconventional energy; shale oil and gas; increase production; fracture; horizontal well; Received： 2016-09-200 引言自水平井钻井及水力压裂技术出现以来, 使得油气行业能够开发特低渗非
6、常规油气藏, 美国是开发页岩油气资源最早、最成功的国家之一, 随着认识的不断深入, 在巴奈特 (Barnett) 、鹰滩 (Eagle Ford) 、马塞勒斯 (Marcellus) 、海因斯维尔 (Haynesville) 等页岩油气区带上开展了大规模的勘探开发活动。虽然近几年天然气价格持续低迷及钻机减少, 但截至 2015 年底, Marcellus、Eagle Ford、Woodford 及 Utica 页岩区带的页岩气产量仍保持增长。虽然过去几年中, 钻机数量大幅下降, 但产量却稳步增长, 2015 年 9 月创下历史新高, 这些都说明提高钻机效率和提高油井产能, 一直是美国国内石油和
7、天然气产量近期增长的主要驱动力, 而通过采用更先进的完井技术、优化开发策略实行增产, 北美一些典型的页岩油气区带获得经济效益。1 典型页岩油田完井优化设计在典型非常规储层中, 渗透率主要在微达西到纳米达西之间, 这使得尽可能多的令储层与井眼连接成为生产的关键, 同时也是水力压裂措施的驱动因素。正如 Dusterhoft 等人在 2014 年所论述的, 连通天然裂缝能够显著提高油气的预计采收率, 在含有丰富液态烃的页岩储层中尤其明显1。这可以归因于开发出复杂裂缝网络的完井设计使储层中已经存在的天然裂缝系统重新开启或连接, 这一复杂裂缝网络与平面裂缝相比, 生成的导流路径具有更多的表面积 (Sol
8、iman 等, 2010) 2。在怀斯县 (Wise County) 的巴奈特页岩的凝析油窗阶段, 高密度、多类型的天然裂缝存在于整个地层中。这些天然产生的裂缝不仅使储层对于水力压裂的反应产生很大影响, 也会影响到油气采收率。以美国巴奈特 (Barnett) 产油区为例, 主要通过基于净压力、天然裂缝密度、导流技术对于所产生的裂缝网络的影响来最优化增产措施从而对怀斯县的巴奈特页岩的三口位于凝析油阶段的井进行研究。北怀斯县巴奈特页岩富含凝析油区域的三口井 (A, B, C) 都采用了相似的基于运用储层中已经存在的天然裂缝网络和增加净压力并以提高传导率和复杂性为目的的水力压裂增产措施, C 井还用
9、了分流器材料来提供跨阶段导流, 并且提高每个时间间隔内的多集群设计的集群效率。1.1 确定天然裂缝在像巴奈特这样的非常规储层中, 已经可以确定的是连通储层中的天然裂缝对其开发有重要影响, 在富含液态烃的储层中这种影响尤为明显5 (达尔, 2014年) 。通过恰当设计的水力压裂增产措施连通先前存在的天然裂缝系统能够增加连通裂缝的表面积并且使得井眼与储层的联系更加紧密从而提高油气产率以及累计产量。为了确定该区巴奈特组页岩中天然裂缝网络的位置, 在这些井钻井过程中运用了方位聚焦电阻率测井。这种测井能提供用来分析确定井眼周围天然裂缝密度和类型的数据并且能够洞察储层中已经存在的天然裂缝网络。从这些分析中
10、, 可以在模拟过程中建立并考虑对于开启、闭合以及充填的天然裂缝的描述。同时, 在那些各项异化性较差且产生复杂裂缝网络的概率比较低的储层中, 能够确定其主要和次要走向的天然裂缝。主要天然裂缝是存在于沿最小水平应力方向所钻井眼周围与贯穿井眼裂缝相似的走向方向。次要裂缝主要是这些存在于不同平面的天然裂缝, 通常与主应力方向垂直, 可以为水力压裂增产措施提供一个通道生成非常规页岩储层中低各向异性条件的复杂性。1.2 裂缝匹配分析及复杂裂缝模拟技术对北怀斯县巴奈特页岩富含凝析油区域的三口井进行分析过程如下:首先, 编辑目标层段的储层数据, 包括完井、套管等数据, 获得了井 A、B、C井眼和套管的相关图表
11、, 然后, 进行微地震和成像测井裂缝匹配分析以及复杂裂缝模拟。在井 A、B、C 井模拟之前, 对于该区的微地震测量数据进行了一个微地震裂缝匹配分析, 确定一个定义该区裂缝发育行为的基线。微震分析的基线之后会根据地层的微电阻率成像测井进行校正。成像测井裂缝匹配分析以及复杂裂缝模拟分析, 使用储层的多种数据描述, 能够用来确定天然裂缝网络、岩土力学特性以及以增强对于非常规地层的理解为目的而进行的当前并未在北美页岩储层中应用的增产措施。该分析过程同时也使用了一系列的新一代的主要针对非常规页岩储层市场工程设计的裂缝匹配和复杂裂缝模拟软件。目前普遍采用的压力增产措施在井眼周围和储层中变化较大。如果没有对
12、地下储层特征以及裂缝密度进行研究, 水力压裂的效果将会变化很大。2 优化含油气段开发策略的工程方法以美国鹰滩页岩 (Eagle Ford Shale) 气田为例, 优化含油气段开发策略的工程方法, 确定在水平井中桥塞射孔完井和球阀压裂完井技术在生产过程中的不同功能, 评价水平井不同完井方法的效率;研究水平井的横向布局和处理层段的选择对于生产的影响, 评价水平井井眼轨迹对生产的影响。2.1 测试球阀压裂完井和桥塞射孔完井策略Neil Stegent 等 (2013) 对位于鹰滩页岩含油段的多组相互平行的水平井的钻井、完井、评价以及最优化过程中所实施的综合工程方法进行了分析研究4。在鹰滩页岩中钻了
13、两组相互平行的水平井。在钻井过程中运用化学地层分析法来帮助认识目标层段水平井的布置并评价区域断层作用。这些数据可用来设计增产措施阶段的间隔并且在裂缝改造过程中评价表面注射液反应。测试球阀压裂完井和桥塞射孔完井策略以确定哪种策略较优。使用油溶示踪剂来确定这些不同的完井策略的效率, 并且有助于产量对比。同时也运用井下微震成像技术来支持完井评价。综合各种工程数据, 可以得出关于水平井井位布置和水力压裂增产措施的影响, 以及对比井的最终产量, 这为鹰滩页岩的加密钻井、井位布置, 以及压裂完井措施的最优化提供重要信息, 研究所取得的经验会运用到同一油田的其他井中。2.2 化学地层学分析所谓化学地层学,
14、主要是通过单个岩石单元的沉积层序的无机化学特征, 对其进行描述的科学。本次研究主要用了实验室级光谱仪。该分析确定了 31 个元素并记录了 12 种主要的和 19 种次要的元素或化合物的浓度。这一信息加上元素比值可用来确定和模拟黏土含量、相对脆性指数 (RBI) 、氧化还原金属和钒升高因子 (EFV) (钒升高因子是总有机碳的相对指标, 可以指示烃类的存在) 。鹰滩目标层段, 尤其是该层段底部的钒升高因子和氧化还原金属含量较高。相对脆性指数随着黏土含量的增加 (韧性强) 而降低。运用这些值可以用来建立一个横向的记录, 之后运用这些测量记录来确定压裂增产层段和裂缝阀或射孔簇的位置。2.3 水平井压
15、裂层段选取典型完井将横向井段分成等长度的压裂层段 (每一层段通常为 250300 ft) 。这是一个简单、易行的沿井段分配压裂增产措施的方法, 但该方法并未试图把潜在的多产层段作为目标。Bazan (2011 年) 表明 50%60%的水平井产量来自于三分之一的完井簇3。该研究的目标之一是采用一个适合的工程技术来选择特定的增产处理层段来提高产量。依据地层化学分析记录确定在哪儿放置压裂阀门而不是典型的布置方法 (例如每 7 个套管节点放置一个阀门) 。所使用的主要参数为相对脆性指数、钒升高因子和黏土的总量。具有高相对脆性指数、高的钒升高因子和低黏土含量的层段是最理想的。2.4 页岩气田完井作业实
16、例分析选取相互平行且相距 2000 ft 的井 1H、2H、3H、4H 四口井 (见图 1) 。其中井1H 安装了球阀压裂装置, 而井 2H 则是通过桥塞射孔完井方式来完井的。两口井在每个破裂段都采用了等量的支撑剂、注入液的量、注入速率相同的完井设计。3H 井和 4H 井基于第一组井 (井 1H 和井 2H) 的结果, 运用同样的方式进行完井。在第一组井中运用井下微震成像技术来观察在完井过程中是否存在任何异常现象 (如地质特点、压裂段之间套管的干扰) , 以及确定破裂方位。按同样的安排, 对于两组井进行返排及最初的生产流动测试。因为每口井的横向长度和支撑剂变化都比较大, 故而在生产分析过程中将
17、长度和加入支撑剂的量进行标准化。每口井的井口生产压力配置大概相同, 所以并不包括在标准化的过程中。对于四口井都使用油溶示踪剂来帮助分析完井效率及产量。运用化学地层学建立一组横向的 4 口井的记录 (见图 2) , 很明显在低黏土含量区域及目的层油气产量都比较高, 而高黏土含量区域及目的层以外的区域相对产量较低, 基于这些测量记录我们可以确定确定压裂增产层段的位置。1H 井是第一口完井的井并且有 17 个层段运用了投球驱动压裂滑套, 最多能安置 17 个阀门。滑套是基于来自于化学地层记录 (钒升高因子、相对脆性指数和黏土含量) 和破裂初始点的间距等数据之间的平衡组合, 安装于套管柱上的。与井中其
18、他处理层段相比, 5 到 8 层段井口处理压力值较大 (10001500 Pa) 。主要是这些层段岩石是塑性的, 黏土含量较高。层段 5 和层段 6 的钒升高因子范围很低 (0.56.0) , 故这些层段因较低的钒升高因子、高黏土含量、以及较低的相对脆性指数, 很可能有较低的产率。油基示踪剂显示层段 6 和层段 9与其他层段相比产率确实较低。2H 井的水平距离比 1H 井要小, 该井在 15 个层段运用了桥塞射孔完井的方法进行完井, 该井钻于目标区以上的中到高黏土含量区域, 接近于一个富含碳酸盐岩的基底。总的来说, 该井的钒升高因子较低。该井的标准化产量也是四口井中最低的。3H 井是在 17
19、个层段运用投球驱动压裂滑套进行完井的。该井大部分钻于鹰滩目标层段的低黏土含量处。该井最上部的 2 个层段和最下部 (按所钻距离) 的3 个层段属于钒升高因子最低, 黏土含量较高的层段。根据示踪剂数据显示, 这些层段 (不包括层段 17, 该层没有示踪剂数据) 的产量也是最低。井口处理压力相对一致, 并且泵油率相对来说比前两口井要高。3H 井横向井段中部的 67%具有较高的相对脆性指数值和低黏土含量值, 钒升高因子值范围为高到很高 (14到 25) 。在四口对比井中, 该井的产量最高。4H 井是在 17 个层段运用投球驱动压裂滑套进行完井的。尽管 4H 井是 3H 井的补偿井, 并且钻井方式类似
20、, 它的韧性稍微比 3H 强, 也就说明其黏土矿物含量比 3H 井高。该井的钒升高因子变化波动比 3H 井大, 22%的横向井段这一值属于高到最高范围。横向上也存在少量钒升高因子较低的层段, 但大多数钒升高因子在中等范围 (10 到 14) 。尝试在高钒升高因子、高相对脆性指数、低黏土含量层段产生裂缝, 该井的完井层段的定位更具有战略意义。4H 井的产量比 3H井略微要低一些。2.5 应用油基示踪技术评价水平气井压裂效果经过压裂完井施工后, 对比四口井的产量, 3H 井和 4H 井其位置处于鹰滩页岩的主力产区, 且两口井的总黏土含量较低、钒升高因子较高、比 1H 井脆性岩石的含量更高。90 天
21、里 1H 井的累计产量是其直接补偿井 (2H 井) 的 2 倍, 而 3H井和 4H 井的产量是 2H 井的 4 到 5 倍。为了评价压裂完井的效果, 几乎所有的压裂层段都被标记了一种特殊的油基化学示踪剂, 用于确定相对产量剖面。前两口井的模拟产量对比表明 1H 井的压裂阀完井和 2H 井的桥塞射孔完井几乎在每个完井层段都能产生油气。预计 1H 井的 6 到 8 层段, 由于化学地层评价显示这些层段具有高黏土含量、低钒升高因子、且横向井段定位在目的层之上, 故属于低产层段, 2H 井的桥塞射孔完井似乎在横向上更一致, 每个压裂层段都有油气产生, 但 1H 井的 90 天标准化产量几乎是 2H
22、井产量的 2 倍。3H 井和 4H 井产量对比显示, 这两口井的压裂阀完井相对于 2H 井 (桥塞射孔完井) , 3H 井和 4H 井 90d 标准化产量平均值约为前两口井平均产量的 3 倍。其中 3H 井是四口井中产量最高的井, 这一产量的增长主要来自于即完井层段在目的层恰当的横向井眼定位。3 结论(1) 在页岩等非常规油气田中, 水平井井眼横向定位技术对含油气层段生产至关重要, 寻找裂缝发育、油气含量高的目的层, 作为水平井井眼轨迹设计的依据。(2) 将钻井和完井过程中所得到的信息结合起来, 通过测井井眼成像、微震成像、及化学示踪等技术, 进行储层裂缝匹配分析、复杂裂缝模拟和压裂效果评价等
23、, 对于非常规油气田增产、实现经济效益最大化有重要意义。(3) 完井井段的选择是储层增产的关键, 其中桥塞射孔方法的实施使得在压裂完井层段的选择上更加灵活。通过化学地层分析技术, 选定脆性指数较高的储层作为完井层段, 可以提高压裂增产效果, 有利于增加单井的油气产量。(4) 水力压裂技术是非常规油气田增产的一项主要措施, 是页岩油气田经济、有效、可持续开发的重要手段。(5) 目前, 页岩等非常规油气区块的开发处于一个新阶段, 由于油气价格低迷、钻井数量减少, 不能仅依靠钻更多的井来获取产量, 而是转向通过对钻井、完井技术进行优化而获得更高的产量。因此, 随着页岩油气的发展, 工程技术优化变得越
24、来越重要, 未来将会在储层描述、甜点识别、钻井设计、完井方式和压裂措施等方面不断优化创新, 取得重大进步。参考文献1DUSTERHOFT R, KUMAR A, SIDDIQUI S, et al.New Processes and Tools for Design and Execution to Optimize Hydraulic Fracturing Treatments in Shale Reservoirs.Paper SPE 168583 Presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference, The Wo
25、odlands, Texas, USA, 2014, 4-6 February.http:/:808/10.2118/168583-MS. 2SOLIMAN M Y, EAST L E, AUGUSTINE J R.Fracturing Design Aimed at Enhancing Fracture Complexity.Paper SPE 130043 Presented at the SPE EUROPEC/EAGE Annual Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 2010, 14-17 June.http:/:808/10.2
26、118/130043-MS. 3BAZAN L.Mechanical Interaction:Challenges with Opening Multiple Perforation Clusters.Presentation Given at the SPE Eagle Ford Shale ATW, Austin, Texas, USA, 2011, 24-26 August. 4NEIL STEGENT, ALBERT WAGNER, CHUCK STRINGER et al.Engineering Approach To Optimize Development Strategy in
27、 the Oil Segment of the Eagle Ford Shale:A Case Study.SPE Production&Operations, 2013. 5ERIC HOLDERBY, JEFF DAHL, JOHN SPAID et al.Case Study:Completion Design Optimization for Barnett Oil Producing Area.SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Amsterdam, 2014, The Netherlands. 6苏珊史密斯纳什.国际石油公司页岩气开发技术策略分析与展望J.石油钻探技术, 2014, 42 (5) :1-6.
