摘要：實(shí)踐證明，壓裂改造儲(chǔ)層是高效開(kāi)發(fā)氣藏的有效手段，其優(yōu)化設(shè)計(jì)是需要考慮的重要方面。根據(jù)Elkins理論，儲(chǔ)層滲透率越低，施工規(guī)模愈大，支撐裂縫越長(zhǎng)，壓裂后產(chǎn)量越高。但作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)表明，透鏡砂巖儲(chǔ)層的壓后產(chǎn)量與壓裂規(guī)模的關(guān)系并不完全遵循Elkins理論，即壓裂后的產(chǎn)量不單純隨著壓裂規(guī)模的增大而增加，而存在一個(gè)適度的最優(yōu)化壓裂規(guī)模問(wèn)題。為此，以四川盆地馬井氣田侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層為例，從地質(zhì)構(gòu)造、礦物沉積等角度分析了透鏡狀砂巖儲(chǔ)層的成因和特點(diǎn)，從地應(yīng)力方向、儲(chǔ)層展布特征、裂縫評(píng)估、試井分析、壓后效果統(tǒng)計(jì)等方面論證了透鏡狀砂巖儲(chǔ)層對(duì)壓裂規(guī)模的限制作用?；趦?chǔ)層厚度、砂體橫向展布及壓裂裂縫延伸特征，提出了透鏡狀砂巖儲(chǔ)層壓裂改造優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，并成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。其成果對(duì)于我國(guó)類似透鏡狀砂巖儲(chǔ)層的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)借鑒作用。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)集層；砂巖；低滲透；透鏡狀；壓裂；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；應(yīng)用

    我國(guó)擁有豐富的低滲透油氣資源，壓裂改造是實(shí)現(xiàn)其高效開(kāi)發(fā)的有效手段^[1～3]。按照Elkins理論，儲(chǔ)層滲透率越低，施工規(guī)模越大，改造效果越好。礦場(chǎng)實(shí)踐表明，該理論并不適合于透鏡體儲(chǔ)層改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者以四川盆地馬井氣田侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組透鏡狀砂巖儲(chǔ)層的改造優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，探討了該類儲(chǔ)層壓裂改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。前期壓裂實(shí)踐表明：大多數(shù)氣井壓裂后均能獲得產(chǎn)量；施工規(guī)模增加到一定程度后，產(chǎn)量不再增加；支撐裂縫長(zhǎng)度一般小于150m，低于Elkins理論的優(yōu)化結(jié)果。分析認(rèn)為Elkins方法對(duì)于橫向展布良好的儲(chǔ)層具有很好的可靠性，但對(duì)于透鏡狀砂巖儲(chǔ)層的壓裂優(yōu)化時(shí)必須考慮儲(chǔ)層展布對(duì)壓裂規(guī)模的影響。

    馬井氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層沉積微相以不同環(huán)境的河道疊置砂體、三角洲前緣河口壩、席狀砂和濱岸灘壩砂沉積為主，具有縱向疊置、呈帶狀、透鏡體分布的特點(diǎn)，有利的油氣富集的微相主要有曲流河道和分流河道，儲(chǔ)層的連通性和成層性差，孔隙度介于2.95%～7.49%，滲透率介于0.096 8～0.3419mD。蓬萊鎮(zhèn)組氣藏實(shí)質(zhì)上是由儲(chǔ)集砂體內(nèi)不同級(jí)別的儲(chǔ)滲體構(gòu)成，在開(kāi)發(fā)中具有以下特征：①相鄰井間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的井間干擾；②投產(chǎn)一段時(shí)間后的井與新投產(chǎn)鄰井壓力差別較大；③動(dòng)態(tài)、靜態(tài)資料預(yù)測(cè)儲(chǔ)集體的半徑為76～328m，主要分布在100～200m之間。

    分析表明：馬井氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層是由多個(gè)河道砂體疊置而成，各砂體間常會(huì)出現(xiàn)一些因沉積環(huán)境改變而造成的巖性界面，表面上看起來(lái)似層狀，卻又彼此隔絕；在相似的巖性體內(nèi)，就形成了若干個(gè)儲(chǔ)集體，而不同的巖性體中由于裂縫的改造作用也可分布在同一個(gè)儲(chǔ)集體。由于各個(gè)儲(chǔ)集體連通性差，所以一個(gè)儲(chǔ)集體就是一個(gè)基本的儲(chǔ)集單元，也即是一種特殊的油氣藏。蓬萊鎮(zhèn)組氣井壓裂后產(chǎn)量的高低主要受到這些儲(chǔ)集體單元大小的控制，最優(yōu)的壓裂規(guī)模就是支撐裂縫長(zhǎng)度穿過(guò)整個(gè)儲(chǔ)集體。

    綜合巖心波速各向異性試驗(yàn)、井壁崩落、微地震監(jiān)測(cè)等方法，確定馬井氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏主應(yīng)力方位為110°～130°。根據(jù)曲流河、分流河形成的古地理環(huán)境以及前期勘探、開(kāi)發(fā)資料表明，壓裂裂縫基本上與河道方向相垂直^[4]，而分流河、曲流河相砂巖體的橫向展布有限，這就為蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層的改造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

    河流相砂巖體寬度與厚度具有較好的正相關(guān)關(guān)系(表1)。何自新等^[5]通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)：當(dāng)砂巖體厚度為5m時(shí)，曲流河道砂巖體的平均寬度為100m，分流河道砂巖體的平均寬度為180m。蓬萊鎮(zhèn)組砂巖體厚度5～15m，預(yù)測(cè)砂巖體寬度100～900m?？紤]改造裂縫長(zhǎng)度為砂巖體寬度的一半，優(yōu)化蓬萊鎮(zhèn)組的支撐半縫長(zhǎng)為50～450m。

 

    對(duì)蓬萊鎮(zhèn)組4口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明：加砂強(qiáng)度1.8～2.6m³/m，擬合裂縫半長(zhǎng)150.8～187.9m、微地震監(jiān)測(cè)裂縫半長(zhǎng)107.5～153.0m、壓力恢復(fù)解釋裂縫半長(zhǎng)61.3～102.0m?？梢钥闯鋈斯ち芽p半長(zhǎng)并不隨著加砂強(qiáng)度的增加持續(xù)增加。壓裂井的壓力恢復(fù)曲線也得到了直觀地解釋：當(dāng)壓后氣井關(guān)井恢復(fù)產(chǎn)生的壓力響應(yīng)穿過(guò)大小、特性不一的透鏡狀砂巖儲(chǔ)集體時(shí)，在儲(chǔ)集體內(nèi)曲線特征表現(xiàn)出具有壓裂井有限導(dǎo)流垂直裂縫井特征，但內(nèi)區(qū)的響應(yīng)過(guò)渡段之后，氣藏顯示出相應(yīng)于外層的均質(zhì)特征，雙對(duì)數(shù)曲線有明顯上翹。典型井如MP104的壓力恢復(fù)曲線(圖1)，內(nèi)區(qū)半徑為61.3m，即61.3m之外的地層物性變差，裂縫延伸到非滲透泥巖隔層，滲透率減小。

 

    圖2是蓬萊鎮(zhèn)組壓裂后無(wú)阻流量與加砂強(qiáng)度間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，加砂強(qiáng)度一般在2.1～3.1m³/m、壓后無(wú)阻流量1.714×10⁴～1.948×10⁴m³/m。當(dāng)加砂強(qiáng)度大于2.2m³/m時(shí)，隨著加砂強(qiáng)度進(jìn)一步增加，壓后無(wú)阻的增加并不顯著；而且隨著壓裂規(guī)模增加，入地液量不斷增大，壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害愈嚴(yán)重，反而降低了改造效果，這也從側(cè)面反映了儲(chǔ)層的河道沉積橫向展布對(duì)壓裂規(guī)模具有很強(qiáng)的限制作用。

 

    儲(chǔ)滲體規(guī)模的大小，決定了蓬萊鎮(zhèn)組氣井壓后產(chǎn)能的高低，優(yōu)化的壓裂設(shè)計(jì)就是要使人工裂縫恰到好處的溝通展布整個(gè)儲(chǔ)滲體。水力壓裂的裂縫尺寸大小主要受到地應(yīng)力分布、巖石力學(xué)參數(shù)、儲(chǔ)層物性、施丁參數(shù)等因素的綜合影響，其中地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)的影響最大。由于蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層形成時(shí)的特殊沉積環(huán)境——砂巖儲(chǔ)集體位于中心而特低滲透的砂泥巖或致密泥巖在三維空間上形成它的封隔層。鄰近儲(chǔ)滲體的砂泥巖和泥巖就成為控制蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層改造時(shí)的裂縫延伸的主控因素。泥巖在圍壓下易于產(chǎn)生塑性變形，這使的深埋地層條件下的泥巖呈近似水靜力平衡狀態(tài)，其地應(yīng)力值也大于鄰近砂巖地層^[6～7]。

    對(duì)蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂時(shí)，壓裂裂縫在儲(chǔ)集體(砂巖儲(chǔ)層內(nèi))延伸時(shí)比較容易。當(dāng)裂縫延伸到儲(chǔ)滲體周圍的致密封隔層時(shí)，由于封隔層地應(yīng)力增加以及泥巖產(chǎn)生塑性變形的特點(diǎn)，使得裂縫延伸受阻，裂縫延伸的凈壓力增加，施工壓力急劇上升。繼續(xù)施工，增加了砂堵概率；另一方面，由于裂縫延伸進(jìn)入了非儲(chǔ)層段，形成無(wú)效裂縫。這也正是壓裂規(guī)模增加到一定程度后，壓后無(wú)阻流量不再增加的原因(圖3)。

 

   根據(jù)前期壓裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果：只有當(dāng)壓裂規(guī)模與儲(chǔ)滲體大小匹配時(shí)，才能得到較為理想的增產(chǎn)效果。針對(duì)蓬萊鎮(zhèn)組前期增產(chǎn)具有一定效果的井的壓力恢復(fù)曲線解釋結(jié)果，表明裂縫的有效長(zhǎng)度都在74.8m左右，且大多數(shù)在61.3～71.7m范圍(表2)。根據(jù)河道沉積砂巖體厚度資料，預(yù)測(cè)儲(chǔ)滲體半徑在50～450m之間。壓裂時(shí)只有將裂縫長(zhǎng)度控制在這個(gè)范圍內(nèi)，施工才會(huì)比較順利，而且形成的支撐裂縫才是有效裂縫。根據(jù)砂體的橫向展布規(guī)模，優(yōu)化的裂縫長(zhǎng)度能夠恰好控制整個(gè)儲(chǔ)集體，并且人工裂縫具有一定的導(dǎo)流能力。根據(jù)蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層的儲(chǔ)層厚度、產(chǎn)隔層情況以及巖石力學(xué)等參數(shù)為：產(chǎn)層厚度10m，滲透率0.3mD，隔產(chǎn)層應(yīng)力差5MPa，壓裂液基液黏度50mPa·s，稠度參數(shù)2.37mPa·s，流態(tài)指數(shù)0.5322，濾失系數(shù)2×10^-4m/min^1/2。結(jié)合FracproPT裂縫延伸模擬軟件，推薦馬井氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層的施工參數(shù)為：排量3.0～4.0m³/min，加砂強(qiáng)度2.0～3.0m³/m，平均砂比18.0%～25.0%，前置液比例32.0%～38.0%，就能夠形成支撐半縫長(zhǎng)125.0～200.5m、有效裂縫長(zhǎng)度62.2～95.5m、導(dǎo)流能力14.0～20.0μm²·cm的人工裂縫(圖4)，能夠滿足儲(chǔ)層增產(chǎn)的需要。

 

    針對(duì)由于曲流河道、分流河道砂巖體的沉積成因，分析了儲(chǔ)層在橫向發(fā)育程度有限以及展布范圍與儲(chǔ)層厚度密切相關(guān)的特點(diǎn)。該類儲(chǔ)層在優(yōu)化壓裂規(guī)模時(shí)不能照搬常規(guī)的Elkins理論。筆者以川西蓬萊鎮(zhèn)組河道砂巖體儲(chǔ)層為例，分析了透鏡狀砂巖儲(chǔ)層的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理和方法，推薦了該類儲(chǔ)層的壓裂規(guī)模優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。形成了蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：排量3.0～4.0m³/min，加砂強(qiáng)度2.0～3.0m³/m，平均砂比18.0%～25.0%，前置液比例32%～38%。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，增產(chǎn)效果顯著。

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(本文作者：曾凡輝¹ 郭建春² 1.西南石油大學(xué)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后科研流動(dòng)站；2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))