非常规油气田储层增产技术探究
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2017年10月 油气井测试 第26卷第5期 非常规油气田储层增产技术探究 王海华 (1.中国地质图书馆摘要田黔宁 北京100083) 北京100083;2.中国地质调查局地学文献中心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 中图分类号:TE357 文献标识码:A 文章编号:1004—4388(2017)05—0047—04 0引言 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(Soliman等,2010)E2]。 在怀斯县(Wise Countv)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 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 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 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 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…。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 测井。这种测井能提供用来分析确定井眼周围天然 [基金项目]中国地质调查“地学情报综合研究与产品研发”(121201015000150002)项目资助。 [作者简介]王海华,女,1972年出生,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:24066320@qq.corn。 48 油气井测试 2017年10月 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,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 究_4 J。在鹰滩页岩中钻了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 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,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 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,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250—300 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%一60%的水平井产量来自于三分之一 的完井簇 j。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 华等:非常规油气Ⅲ储层增广:技术探究 49 ,In丁J}:2H则址通过桥寒射孔完J卜方J=I==来完井的。 富含碳酸 岩的 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f j井中最低的。 FⅢS 口e—S1 7 s16¥15 S14 a s{ ¥11 S10 s9 sB S7 S6 ss ∞ S 两rI F 每个破裂段郡采』 lr等量的支撑剂、注入 液的 、注入述牢卡¨Ili=】的完仆设计‘:3H外和4H 于 一组,F(井1 H和”2H)的结果,运用同样的 方 进仃完仆 第・ i井中运』十j井下微震成像技 术来观察在完井过 11是甭 在任fⅡ『异常现象(如 地质特 、 裂段之n1J套管的l:扰),以及确定破裂 化 按『f】]样的安排,对于两组,L}:进仃返排及最仞 ^ v、 ! II1 广_- 孑 一一 .: nh 的 , :流动测试 为何【]井的横向长度和支撑剂 变化都比较大,故 住牛产分析过程 fI将长度和加 入支:撑制的 进行标准化 每[_】井的井I-1生产压力 配 大慨州同,所以 包括在标准化的过程rfl。 埘丁f『Ll【1片郁使J{川i溶示踪剂来帮助分析完井效率 及广: 1 水、卜fF位 .图 运川化学地层学建 一组横向的4口片的记录 ( 圈2),很f1月 低黏土含量区域及目的层油气 产 郡比较岛,而I 黏 含谜区域及日的层以外的 域卡}I刈。产 较低,丛予这些测量记录我们叮以确 定确定J 裂增J : 段的位 1H,LI 足第一L_J完外的井并I1.有17个层段运用 丁投球 动』I 裂滑会,最多能安 17个阀门 滑套 是 于术rI于化。乏地层记录(饥升离冈子、相对脆性 指数和黏十 )和艘裂仞始点的问距等数据之问 的平衡 合,安装于奁管 上的 j井中 他处理 段卡I{比,5到8 段外【I处理压力值较大(1000~ l500 Pa) 主 足这些层段 足 性:的,黏上含 较尚J 段5干¨层段6的饥升高 子范Ⅲ很低 (0.5~6.0),敞这 层段冈较低的钒升高 子、高黏 t h 、以及较低的十II刈‘脆悱指数, 可能何较低的 产半汕』 ,J 踪剂 l ,J 层段6_羽l层段9与其他层段 fH比J :啐 确 较低 2H仆的水平 离比lH仆要小,该井在l5个 段运川J 桥 射孔完蚪的方法进行完井,该 钻 于H 以 的tII刘高孙 含 区域,接近于一个 f { s 、 “[ J J ‰: l f●_. 5『^ .” n— 一- —。、 Ft虻Stag… S17 S16 S1s S14 3 S12 S'T S,O 船 sI S7 锚s5 s‘ 钳 钮 / J— 一 ^ ,一—— 忡 ~— 、一d ~— 罔2 1H、2H、3H、4H井的化学地层记录 3I-I外是住17个层段运用投球驱动压裂滑套进 行完井的。该JF大部分钻于鹰滩目标层段的低黏土 含量处。该 r-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。 )t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,钒升高凶子值 范围为商到很离(14到25)。在四口对比井巾,该井 的产垲最高 4H Jt是在17个层段运用投球驱动压裂滑套进 行完井的。尽管4H外是3H井的补偿井,并H.钻井 方式类似,它的剀性稍微比3H强,也就说明其黏土 矿物含量比3H外高 、该 的钒升高【大J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 。横向上也存存少量钒升高 子较低的层段, 大多数'rJ,Ut 高冈子在中等范围(10到l4) 尝试 在高钒升高因子、高相对脆性指数、低黏土含吊层段 50 油气井测试 2017年10月 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天里1 H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90 d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,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 [1]DUSTERHOFT R,KUMAR A,SIDDIQUI S,et口2. 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