王瑞杰 王永康 馬福建 陳旭峰 梁曉偉 劉 原 齊 銀 丁 黎陳 波 王利鵬 柴慧強(qiáng) 潘元煒 劉 博 盧慶治

（ 1 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司；2 斯倫貝謝公司 ）

0 引言

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁巖油經(jīng)過多年攻關(guān)獲得重大突破，在2019 年發(fā)現(xiàn)了10億噸級(jí)的慶城大油田，為中國(guó)石油在非常規(guī)油氣領(lǐng)域注入了新鮮的血液和活力。長(zhǎng)7 段儲(chǔ)層的探明資源量約為20×108t[1]，資源潛力巨大。然而，復(fù)雜的薄層中—細(xì)砂巖分布特征和多變的含油性特征，以及泥頁巖夾層和微斷層/裂縫均超出地震分辨率的識(shí)別范圍，從而加大了長(zhǎng)7 段頁巖油的開發(fā)難度。

隴東地區(qū)有效砂體在橫向和垂向上分布復(fù)雜多變。垂向上，薄砂層（1～7m）常與泥頁巖層互層分布。由于儲(chǔ)層是深湖—半深湖背景下的重力流與濁流混合沉積，橫向上有效砂體與泥巖呈指狀交互分布。這為水平井鉆遇率的提高帶來較大的困難。

隨著研究區(qū)地震資料品質(zhì)的提升與成像測(cè)井的廣泛應(yīng)用，對(duì)于斷裂和裂縫的認(rèn)識(shí)越來越深入，但是斷裂對(duì)鉆井和完井，甚至生產(chǎn)方面的影響與認(rèn)識(shí)存在很大的提升空間。地質(zhì)工程一體化解決方案在針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層的科學(xué)布井和高效鉆井方面具有一套有效且科學(xué)的方法體系[2]。本文通過地質(zhì)工程一體化思路對(duì)隴東地區(qū)頁巖油開發(fā)存在的挑戰(zhàn)加以闡述，重點(diǎn)描述裂縫刻畫技術(shù)，以及利用多學(xué)科綜合研究裂縫屬性，并且把認(rèn)識(shí)應(yīng)用到后期的壓裂設(shè)計(jì)，以及返排和生產(chǎn)制度優(yōu)化方面。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個(gè)整體沉降、坳陷遷移、構(gòu)造簡(jiǎn)單的大型多旋回克拉通疊合盆地，橫跨陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古及山西5 ?。ㄗ灾螀^(qū)），劃分為西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起和渭北隆起6 個(gè)構(gòu)造單元，隴東地區(qū)是鄂爾多斯盆地頁巖油的主要富集區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻(xiàn)[2]）Fig.1 Structural location of the study area(according to reference [2])

上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組沉積期主要發(fā)育一套內(nèi)陸坳陷湖盆碎屑巖沉積，自上而下可分為10 段（長(zhǎng)1 段—長(zhǎng)10 段），其中長(zhǎng)7 段沉積期為最大湖泛期。根據(jù)巖性組合及沉積旋回，長(zhǎng)7 段自下而上可分為長(zhǎng)73、長(zhǎng)72和長(zhǎng)71三個(gè)小層。其中長(zhǎng)73小層沉積期為湖盆發(fā)育的鼎盛期，湖盆面積最大，主要沉積一套富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖，夾薄層砂巖[2-3]。長(zhǎng)72—長(zhǎng)71小層沉積期，盆地整體抬升，湖盆面積逐漸減小。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育多套重力流和濁流的細(xì)砂巖和泥頁巖的交互沉積。為了對(duì)長(zhǎng)7 段烴源巖層系內(nèi)的石油資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、整體系統(tǒng)研究與攻關(guān)，結(jié)合盆地長(zhǎng)7 段地質(zhì)特征與勘探開發(fā)實(shí)踐，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司采用廣義頁巖油定義。鄂爾多斯盆地中生界頁巖油是指三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 段烴源巖發(fā)育層系內(nèi)致密砂巖和泥頁巖中未經(jīng)過長(zhǎng)距離運(yùn)移而形成的石油聚集[3]。本文研究重點(diǎn)層系為長(zhǎng)71和長(zhǎng)72小層，其巖石物理屬性及地層劃分見圖2。

圖2 研究區(qū)典型井地層格架與巖石物理屬性圖Fig.2 Stratigraphic framework and petrophysical properties in typical well in the study area

2 地質(zhì)綜合研究

從巖心觀察和單井沉積相分析開始，利用層序地層學(xué)旋回對(duì)比方法對(duì)小層進(jìn)行劃分和對(duì)比，通過砂地比、沉積環(huán)境、有機(jī)地球化學(xué)、地球物理等方法深入分析砂體和烴源巖平面和剖面的展布規(guī)律等綜合地質(zhì)研究，前人已經(jīng)做了大量的工作[1-9]。馮張斌等[2]對(duì)地質(zhì)研究和鉆井方面的一體化工作已有研究。本文從天然裂縫入手，從天然裂縫的發(fā)育機(jī)理、觀測(cè)手段，以及天然裂縫對(duì)鉆完井和生產(chǎn)階段的影響等方面展開論述，希望對(duì)今后研究區(qū)頁巖油開發(fā)起到拋磚引玉的作用。

隴東地區(qū)的基底斷裂系統(tǒng)對(duì)后期鄂爾多斯盆地發(fā)育和地層均有一定程度的影響，在研究區(qū)分布的基底斷裂系統(tǒng)主要分為3 個(gè)系列：東西向斷裂（慶陽—富縣—宜川斷裂）、北東向斷裂（慶陽—大同斷裂帶）和北西向斷裂（定邊—華池?cái)嗔眩?。前人研究結(jié)果顯示，東西向斷裂、北東向斷裂均有現(xiàn)今活動(dòng)的證據(jù)[10]，尤其對(duì)三疊系有效烴源巖展布、砂體發(fā)育、天然裂縫發(fā)育和油氣運(yùn)移均有非常深遠(yuǎn)的影響[11-12]。

印支期，強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)使得南華北地區(qū)大規(guī)模隆升，秦嶺造山帶在此期間成型，該時(shí)期盆地沉積格局變化不大，沉積環(huán)境穩(wěn)定，以湖泊—三角洲相為主[13]，長(zhǎng)7 段頁巖油層段沉積期為該時(shí)期最大湖泛期；燕山期，古太平洋板塊開始向新生的亞洲大陸斜向俯沖，華北板塊中東部地區(qū)總體處于左旋擠壓構(gòu)造環(huán)境，鄂爾多斯盆地東部顯著向西掀斜，盆地西南緣發(fā)生強(qiáng)烈陸內(nèi)變形和多期逆沖推覆，形成了盆地西部坳陷、東部掀斜抬升的古構(gòu)造格局；喜馬拉雅期，受來自西南方向青藏高原隆升的擠壓作用影響，其構(gòu)造的主要表現(xiàn)形式為平移、擠壓、伸展、走滑[13]。在整體隆升的大背景下，局部地區(qū)由于差異性隆升而形成張性構(gòu)造。

通過對(duì)研究區(qū)鄰近區(qū)域的地震資料進(jìn)行螞蟻體分析，可以看到該區(qū)大致上分為兩組天然裂縫體系：一類為近南北向，包括北北東—北北西向的共軛裂縫；一類為近東西向，包括北東東向和北西西向裂縫（圖3）。根據(jù)上述區(qū)域構(gòu)造背景和構(gòu)造歷史，推測(cè)近南北向裂縫體系可能為燕山期構(gòu)造活動(dòng)和基底斷裂體系隱形活動(dòng)共同作用的結(jié)果，近東西向裂縫體系可能為喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和基底斷裂隱形活動(dòng)共同作用的結(jié)果。不同裂縫體系的導(dǎo)流能力與裂縫本身的產(chǎn)狀和現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，本文將在下面結(jié)合地質(zhì)力學(xué)和成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋做進(jìn)一步探討。

圖3 研究區(qū)鄰區(qū)地震螞蟻體對(duì)天然裂縫的響應(yīng)Fig.3 Seismic ant tracking response of nature fracturesin the adjacent study area

鉆井取心通常在直井中獲取，通過研究區(qū)12 口井巖心觀察發(fā)現(xiàn)有高角度天然裂縫和低角度天然裂縫（圖4）。由于并非定向取心，很難判定裂縫的走向。高角度裂縫一般在粉—細(xì)砂巖中發(fā)育，通常受到泥巖的隔斷（圖4b），部分裂縫有方解石充填（圖4c），裂縫開度大多數(shù)在1mm 以內(nèi)。

圖4 鉆井取心觀察到的天然裂縫Fig.4 Fractures observed in core

隨著成像測(cè)井技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)有成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)能為非常規(guī)油氣資源開發(fā)提供新的視角和信息，尤其對(duì)于天然裂縫的刻畫（圖5）。成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通常能夠提供關(guān)于天然裂縫的各種屬性，包括裂縫密度、傾向、傾角、開度[14-15]。然而，每種數(shù)據(jù)均有其自身的局限性。通常來講，直井的成像資料主要觀測(cè)低角度天然裂縫和部分高角度天然裂縫；而水平井的成像資料主要觀測(cè)與井筒正交或斜交的高角度天然裂縫。

圖5 天然裂縫觀測(cè)情況對(duì)比圖Fig.5 Comparation of fracture characterization from various data sources

地震資料對(duì)于天然裂縫的刻畫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的非常規(guī)油氣開發(fā)實(shí)踐中。由于鄂爾多斯盆地黃土塬覆蓋，直接影響地震資料在該區(qū)的應(yīng)用。但是隨著科研人員的不斷攻關(guān)和創(chuàng)新，近幾年最新采集和處理的資料品質(zhì)已經(jīng)極大提高，可以為長(zhǎng)7 段頁巖油開發(fā)提供相應(yīng)的支持。根據(jù)研究區(qū)的地震資料可以刻畫出4 組天然裂縫：（1）近東西向（±15°左右）；（2）北東東向；（3）北西西向；（4）近南北向（±15°左右）。4 組天然裂縫中低角度裂縫居多，高角度裂縫也有發(fā)育。

對(duì)于天然裂縫的刻畫，還可以從鉆井過程中得到一定信息，并且在后期綜合分析中多種數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。通過電阻率成像測(cè)井發(fā)現(xiàn)（圖6），在深度3660～3685m 處發(fā)育高角度斷層帶，包括16 個(gè)高導(dǎo)縫、5 個(gè)斷層。深度3665m 和3680m 圖像上的黑色低電阻率異常處為主斷面，對(duì)應(yīng)在常規(guī)測(cè)井曲線上自然伽馬值略高，深側(cè)向電阻率、淺側(cè)向電阻率為明顯低值，三孔隙度曲線均有明顯響應(yīng)。該斷層帶附近斯通利波時(shí)差明顯增大，在波形上見到典型的衰減和反射特征，表明斷層帶具備良好的滲透性能。H1 井的鉆進(jìn)過程中，在3665m 處發(fā)生了失返性漏失，這與上述的測(cè)井解釋結(jié)論一致。

圖6 研究區(qū)H1 井聲電成像綜合成果圖Fig.6 Comprehensive interpretation results of acoustic and electric images in Well H1 in the study area

基于巖心觀察、成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)和區(qū)域構(gòu)造分析建立的地質(zhì)模型，除了三維可視化儲(chǔ)層品質(zhì)，如孔隙度、滲透率和飽和度外，還可以把天然裂縫進(jìn)行可視化（DFN）。這樣一個(gè)綜合性的地質(zhì)模型不僅可以用來指導(dǎo)井位部署和鉆井實(shí)踐（圖7），而且可以在后續(xù)的壓裂、返排、生產(chǎn)模擬和分析中作為基本輸入，指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)踐。

圖7 基于地質(zhì)建模成果的井平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[2]）Fig.7 Schematic diagram of well platform design based on geological model (according to reference[2] )

圖7 展示了基于綜合地質(zhì)研究和建模成果進(jìn)行的井平臺(tái)和井軌跡的設(shè)計(jì)結(jié)果，其中紅色圓點(diǎn)為成像資料解釋出來的微斷層，從地質(zhì)導(dǎo)向模型中可以推斷出斷層垂直斷距在2～3m，這種規(guī)模的斷層在地震資料上基本上沒有顯示。圖中藍(lán)色圓圈處發(fā)生失返性漏失。在鉆完H1 井后，進(jìn)行了過鉆頭成像測(cè)井，根據(jù)成像資料解釋獲知有兩處發(fā)育微斷層，斷層走向如圖中藍(lán)色虛線所示?；跍y(cè)井解釋的斷層走向和開度能夠很好地預(yù)測(cè)后續(xù)鉆井H2 井的鉆井液漏失位置和大概情況，鉆井工程師可以提前采取預(yù)防措施和準(zhǔn)備堵漏材料，為“無意外”鉆井提供有價(jià)值信息，從而提升鉆井效率。

天然裂縫的開度是重要的刻畫參數(shù)之一，對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力有較強(qiáng)的控制作用。本文對(duì)研究區(qū)的成像測(cè)井資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：裂縫開度與裂縫走向具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，裂縫走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向（83°～85°）夾角越小，裂縫開度越大（圖8）。利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系回歸得到的經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算天然裂縫的開度，從而計(jì)算出三維綜合地質(zhì)模型中天然裂縫的導(dǎo)流能力，最終應(yīng)用到后期的壓裂設(shè)計(jì)、返排設(shè)計(jì)和指導(dǎo)生產(chǎn)的油藏?cái)?shù)值模擬。

圖8 成像資料中裂縫開度與裂縫走向的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between fracture openness and strike of image logging

3 地質(zhì)力學(xué)研究

為了更好地支持井軌跡設(shè)計(jì)和壓裂設(shè)計(jì)，本文開展了研究區(qū)某平臺(tái)的三維地質(zhì)力學(xué)精細(xì)建模。模型集成了地質(zhì)層位和構(gòu)造，并采用井震結(jié)合的技術(shù)建立三維地質(zhì)力學(xué)參數(shù)屬性體，包括楊氏模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角等。集成三維孔隙壓力場(chǎng)和邊界條件，最后采用非線性有限元模擬器進(jìn)行原場(chǎng)地應(yīng)力模擬（圖9），圖中箭頭展示了最大水平主應(yīng)力方向，井軌跡走向基本上垂直于最大水平主應(yīng)力方向。地質(zhì)力學(xué)建模的具體技術(shù)流程在相關(guān)文獻(xiàn)中已有詳細(xì)論述[16]。

圖9 研究區(qū)某平臺(tái)精細(xì)地質(zhì)力學(xué)模型的最小水平主應(yīng)力分布圖Fig.9 Minimum horizontal stress distribution in geomechanical model on a platform in the study area

獲得原場(chǎng)地應(yīng)力后，需要進(jìn)一步考慮天然裂縫在當(dāng)前應(yīng)力條件下的受力狀態(tài)及穩(wěn)定性。天然裂縫穩(wěn)定性是井軌跡設(shè)計(jì)和壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參考因素。在不同的地應(yīng)力條件下，天然裂縫處于不同的受力狀態(tài)，而裂縫的穩(wěn)定性可以依據(jù)摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則來判斷。首先，從三維地質(zhì)力學(xué)模型中抽取裂縫面所在位置的應(yīng)力張量（包括6 個(gè)應(yīng)力分量或3 個(gè)主應(yīng)力）；然后通過應(yīng)力張量變換，計(jì)算裂縫面正應(yīng)力σn與剪應(yīng)力τ；最后，將正應(yīng)力與剪應(yīng)力代入摩爾—庫侖準(zhǔn)則公式，就可以評(píng)估天然裂縫的穩(wěn)定性。

將摩爾—庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換，可以計(jì)算天然裂縫的滑動(dòng)因子（S），能夠更便捷地表征天然裂縫發(fā)生滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)滑動(dòng)因子小于1，裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)；滑動(dòng)因子等于1，裂縫達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)；滑動(dòng)因子大于1，裂縫發(fā)生滑動(dòng)。滑動(dòng)因子計(jì)算公式如下

式中σn——裂縫面正應(yīng)力，MPa；

τ——剪應(yīng)力，MPa；

c——天然裂縫內(nèi)聚力，MPa；

φ——天然裂縫內(nèi)摩擦角，（°）。

其中，tanφ也可以稱為內(nèi)摩擦系數(shù)μ，通過統(tǒng)計(jì)大量巖石的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，內(nèi)摩擦系數(shù)μ通常在0.6～1 之間[17-18]。內(nèi)聚力c無法直接測(cè)量，但是可以通過單軸抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角計(jì)算得到。對(duì)于弱膠結(jié)的天然裂縫，內(nèi)聚力可以忽略不計(jì)。

由于裂縫面并非平整面，以及受內(nèi)部自我支撐機(jī)制的作用，剪切滑動(dòng)對(duì)天然裂縫的導(dǎo)流能力有顯著影響[18-19]。一般認(rèn)為，發(fā)生滑動(dòng)的裂縫其開度會(huì)增大，導(dǎo)致裂縫滲透率增大，在鉆井過程中引起漏失，在壓裂過程中造成壓裂液濾失和增加砂堵風(fēng)險(xiǎn)。圖10 展示了天然裂縫導(dǎo)流能力與穩(wěn)定性的關(guān)系。在井筒與地層溫度平衡的條件下，流體進(jìn)出井筒會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)井發(fā)生變化。在成像測(cè)井識(shí)別到斷層或裂縫的深度，如果溫度梯度發(fā)生局部突變，就表明斷層或裂縫具有高導(dǎo)流能力，反之則表示低導(dǎo)流能力。圖10 將天然裂縫分為高導(dǎo)流能力和低導(dǎo)流能力兩類，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一條裂縫，紅線和黑線分別為μ=0.6 和μ=1.0 摩爾—庫侖破壞包絡(luò)線，高于紅線的裂縫發(fā)生了滑動(dòng)?？梢钥闯?，高導(dǎo)流能力的天然裂縫大多數(shù)處于發(fā)生滑動(dòng)的狀態(tài)，而低導(dǎo)流能力的天然裂縫恰好相反。

圖10 裂縫穩(wěn)定性對(duì)導(dǎo)流能力的影響（據(jù)文獻(xiàn)[17]）Fig.10 Influence of fracture stability on conductivity （according to reference [17]）

對(duì)研究區(qū)內(nèi)的天然裂縫開展應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算和穩(wěn)定性分析，考慮較保守的裂縫強(qiáng)度參數(shù)，c=0，φ=20°，結(jié)果如圖11所示。其中，左圖為每條裂縫受力的摩爾—庫侖圖，高于庫侖破壞包絡(luò)線意味著裂縫發(fā)生滑動(dòng)；右圖為極坐標(biāo)圖，傾角在40°以上、走向接近東西向（NE45°—NE110°）的裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高。由于區(qū)塊內(nèi)最大水平主應(yīng)力近東西向，上述產(chǎn)狀的裂縫受到的應(yīng)力差最大，是最不利于裂縫穩(wěn)定性的受力狀態(tài)。

圖11 天然裂縫穩(wěn)定性分析的摩爾—庫侖圖（左）和極坐標(biāo)圖（右）Fig.11 Mohr-Coulomb diagram (left) and polar coordinate diagram (right) for natural fracture stability analysis

綜上可知，當(dāng)天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角小于45°時(shí)，不穩(wěn)定性增強(qiáng)，導(dǎo)流能力也隨之增大，作為不同學(xué)科相互驗(yàn)證的很好例證，成像測(cè)井資料解釋結(jié)果也可以看到這部分裂縫開度較大（圖8），在壓裂設(shè)計(jì)中，需要考察井周裂縫在原始地應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性。如果處于極限應(yīng)力狀態(tài)的裂縫較多，裂縫具有高導(dǎo)流能力，壓裂過程中壓裂液容易濾失，增大近井筒砂堵的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)需要考慮提高壓裂液黏度，從而提高攜砂能力。

4 多級(jí)壓裂工程設(shè)計(jì)、施工與評(píng)價(jià)

水平井多級(jí)壓裂的設(shè)計(jì)、施工與評(píng)價(jià)是地質(zhì)工程一體化解決方案中的重要組成部分。在地質(zhì)認(rèn)識(shí)、水平井軌跡設(shè)計(jì)及水平井井筒鉆遇等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)得到合理優(yōu)化的前提下，通過水平井測(cè)井成果和地質(zhì)綜合認(rèn)識(shí)形成完井與壓裂工程、工藝方面的優(yōu)化方案，并在實(shí)施過程中更新地質(zhì)與油藏認(rèn)識(shí)，對(duì)于提高區(qū)塊認(rèn)識(shí)、理清核心工程因素、增強(qiáng)整井乃至區(qū)塊表現(xiàn)，均具有重大意義。

地質(zhì)工程一體化解決方案在多級(jí)壓裂設(shè)計(jì)、施工與評(píng)價(jià)上主要表現(xiàn)在完井策略優(yōu)化、壓裂工藝形式與參數(shù)優(yōu)化、工程現(xiàn)象與認(rèn)識(shí)3 個(gè)方面。

4.1 完井策略優(yōu)化

地質(zhì)工程一體化在完井策略優(yōu)化方面具有較明確的應(yīng)用。Baihly 等在2010 年前后提出根據(jù)水平井測(cè)井條件對(duì)頁巖油氣水平段完井進(jìn)行分級(jí)差異化處理，突出水平段非均質(zhì)性與工程工藝方法上的差異性，能夠使儲(chǔ)層品質(zhì)（RQ）與完井品質(zhì)（CQ）相對(duì)一致的相鄰儲(chǔ)層得到更好的井筒覆蓋率與改造體積[20]。工程化井筒分級(jí)方法也被應(yīng)用在本文研究當(dāng)中。依據(jù)此前建立的三維地質(zhì)力學(xué)模型，結(jié)合測(cè)井與鉆井中所獲取的井筒油藏品質(zhì)和完井品質(zhì)（應(yīng)力梯度和裂縫屬性等），秉承“相似歸類，少段多簇”的原則將油藏品質(zhì)與完井品質(zhì)相對(duì)均一的井段放在同一級(jí)次，盡量減小簇間物性差異，促使水力裂縫均勻起裂與延伸。同時(shí)，設(shè)計(jì)射孔簇位置時(shí)，在滿足一定簇間距的前提下還需要精細(xì)優(yōu)化。除了參考完井品質(zhì)以外，保證射孔簇較高的起裂效率，還需要考慮近井天然裂縫的影響，促使水力裂縫能夠充分延伸，增大油藏接觸面積，并最終提高水平層段覆蓋率。

成像測(cè)井結(jié)果、巖心觀察和地震資料等綜合研究表明，H1 井井周廣泛發(fā)育近南北向和近東西向的兩組天然裂縫，且近東西向的天然裂縫開度相對(duì)較大，滲透率較高，對(duì)后期壓裂改造中的壓裂液濾失可能造成較嚴(yán)重的影響。同時(shí)，結(jié)合天然裂縫穩(wěn)定性分析結(jié)果，近東西向的天然裂縫更容易被激活，將直接影響水力裂縫的擴(kuò)展。近南北向天然裂縫開度小，滲透率相對(duì)較低。為了進(jìn)一步明確天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響程度，以某壓裂段為例，采用非常規(guī)水力裂縫模擬器UFM[21]進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示（圖12），整體上，受天然裂縫影響，水力裂縫呈現(xiàn)出非對(duì)稱延伸的特征。近東西向天然裂縫更容易被激活，壓裂液在縫內(nèi)流動(dòng)，鋪設(shè)一定量支撐劑而導(dǎo)流能力較強(qiáng)。近南北向天然裂縫相對(duì)較難被激活，對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響較小，推測(cè)與天然裂縫開度小，以及天然裂縫與水力裂縫夾角較大有關(guān)。

圖12 壓裂模擬結(jié)果展示天然裂縫對(duì)水力裂縫的影響Fig.12 Influence of natural fractures on hydraulic fractures according to the fracturing simulation results

因此，分段分簇設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免選擇近東西向天然裂縫較發(fā)育的位置，防止近井水力裂縫擴(kuò)展復(fù)雜，壓裂液濾失過快導(dǎo)致攜砂困難，從而增加砂堵風(fēng)險(xiǎn)。近南北向天然裂縫雖然影響相對(duì)較小，但為了保證施工效率，可適當(dāng)考慮。根據(jù)地質(zhì)工程一體化改造理念，結(jié)合油藏品質(zhì)和完井品質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了適用于H1 井的工程化完井設(shè)計(jì)（圖13）。

圖13 基于儲(chǔ)層品質(zhì)（RQ）與完井品質(zhì)（CQ）的完井壓裂設(shè)計(jì)Fig.13 Fracturing design based on reservoir quality (RQ) and completion quality (CQ)

4.2 壓裂工藝形式與參數(shù)優(yōu)化

地質(zhì)工程一體化研究對(duì)壓裂工藝的參數(shù)選擇具有較大的影響。近年來隨著國(guó)內(nèi)非常規(guī)與致密油藏開發(fā)節(jié)奏的加快，體積壓裂成為針對(duì)水平井改造的重要工程方法。然而體積壓裂并非簡(jiǎn)單要求液量、排量的無限增加。合理細(xì)分切割水平段，并提升儲(chǔ)層的有效接觸面積，從而與實(shí)際油藏形成足夠的空間接觸，才是體積壓裂真實(shí)的核心思想。從項(xiàng)目前期地質(zhì)與油藏的認(rèn)識(shí)，尤其是巖石力學(xué)與層理?xiàng)l件等多方面的認(rèn)識(shí)看，研究區(qū)儲(chǔ)層巖性層理性較強(qiáng)，縱向應(yīng)力非均質(zhì)性強(qiáng)，但缺乏明確的應(yīng)力遮擋隔層。基于此特點(diǎn)，在本文研究的試驗(yàn)井中實(shí)驗(yàn)了“少液多砂，控縫高增縫長(zhǎng)”的體積壓裂策略，并且采用纖維加砂的工藝形式增加有效裂縫在垂向上的連通能力，從而盡可能將主力砂體縱向周邊分布的薄油層或差油層均有效連接支撐裂縫與生產(chǎn)系統(tǒng)（表1）。此外，前期一體化研究中發(fā)現(xiàn)井筒周邊部分位置存在斷層與裂縫高度發(fā)育的情況（圖13）。因此，壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)中，針對(duì)該部分層位采用“控制射孔簇?cái)?shù)，精準(zhǔn)射孔位置，減少入地液量，降低壓裂規(guī)?！钡牟呗裕瑫r(shí)對(duì)壓裂工藝參數(shù)進(jìn)行修正，減少斷裂帶、斷層可能存在的液體濾失、不規(guī)則裂縫、套管變形等方面的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 壓裂工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)表Table 1 Key parameters of fracturing design

4.3 工程現(xiàn)象與認(rèn)識(shí)

地質(zhì)研究工作中的認(rèn)識(shí)與警示在壓裂工程現(xiàn)象中也得到了充分響應(yīng)。得益于地質(zhì)油藏的整體認(rèn)識(shí)，井筒甜點(diǎn)選擇與工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案趨于合理，在作業(yè)過程中未遇到起裂、加砂、砂堵等與儲(chǔ)層相關(guān)的問題。完井壓裂的實(shí)際施工參數(shù)與理論設(shè)計(jì)基本保持一致。典型的施工作業(yè)曲線見圖14。

圖14 典型施工作業(yè)曲線（H1 井第4 段）Fig.14 Typical fracturing operation curve (Stage 4， Well H1)

工程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，停泵壓力等部分工程參數(shù)與地質(zhì)油藏認(rèn)識(shí)高度一致。以H1 井為例，因?yàn)樵摼捎昧苏w維加砂工藝，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極低，大部分級(jí)段作業(yè)中凈壓力變化不大，所以整井不同層段的停泵壓力與起始應(yīng)力模型基本一致，僅在部分級(jí)次斷層帶位置（第6 段、第12 段）出現(xiàn)作業(yè)停泵壓力與相鄰井段偏差較大的情況（與斷層、東西向裂縫的存在關(guān)聯(lián)極大，圖15）。此外，地質(zhì)與測(cè)井認(rèn)識(shí)上可壓裂性較好的層段實(shí)際停泵壓力普遍較低（第15 段、第21 段），而巖性條件相對(duì)復(fù)雜、砂體較薄的部分層段作業(yè)與停泵壓力相應(yīng)提高（第2 段—第5 段、第8 段—第11 段等）。該工程現(xiàn)象也印證了在鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 段儲(chǔ)層中，巖性和裂縫系統(tǒng)與應(yīng)力條件之間較強(qiáng)的相互影響關(guān)系，是作為完井壓裂設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

圖15 H1 井停泵壓力與儲(chǔ)層品質(zhì)和裂縫解釋對(duì)比圖Fig.15 ISIP and the corresponding reservior quality and fracture interpretation in Well H1

5 返排與生產(chǎn)制度優(yōu)化

壓裂施工結(jié)束后，油井投產(chǎn)之前，還須經(jīng)歷返排階段，壓裂返排的時(shí)機(jī)和返排制度對(duì)壓裂后產(chǎn)能至關(guān)重要。對(duì)于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層來說，為防止水鎖導(dǎo)致的儲(chǔ)層滲透性傷害，壓裂結(jié)束后應(yīng)盡快實(shí)施返排作業(yè)。然而，對(duì)于致密砂巖或頁巖儲(chǔ)層，越來越多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，關(guān)井一段時(shí)間后再實(shí)施返排，對(duì)初始產(chǎn)量具有正向影響。關(guān)井期間，受毛細(xì)管壓力控制，水鎖發(fā)生的位置將由水力裂縫面和天然裂縫面向油藏內(nèi)部推進(jìn)，并且改善沿裂縫面的含水飽和度分布和油氣的相對(duì)滲透率，對(duì)提高壓后初始產(chǎn)能具有正向影響[22-23]。水力裂縫和天然縫網(wǎng)滲透率越高，壓裂液被油藏基質(zhì)吸入的速度越快，所需的燜井時(shí)間越短。研究區(qū)近東西向天然裂縫開度大，且容易開啟，有助于提升改造縫網(wǎng)的滲透性、加快水鎖位置向地層內(nèi)部推進(jìn)的速度，從而縮短燜井時(shí)間。然而，關(guān)于壓裂液滲吸進(jìn)入儲(chǔ)層基質(zhì)的微觀機(jī)理非常復(fù)雜，確定燜井時(shí)間的有效方法還需進(jìn)一步研究。

油氣井進(jìn)入返排階段后，通常希望返排速度越快越好。然而，返排速度太快，作用在縫內(nèi)支撐劑的拖拽力增加，容易造成支撐裂縫失穩(wěn)出砂形成未支撐區(qū)域，該區(qū)域閉合將導(dǎo)致支撐裂縫與井筒的連通性變差，直接影響油井長(zhǎng)期產(chǎn)能；返排速度太慢，直接影響油井的投產(chǎn)時(shí)間，短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益差。因此，合理的返排制度至關(guān)重要。北美的非常規(guī)作業(yè)者在過去10 年中也逐步意識(shí)到，一個(gè)保守性的返排和生產(chǎn)制度對(duì)一口井的科學(xué)開采至關(guān)重要[24-26]。

目前，大多數(shù)的返排制度設(shè)計(jì)，主要以現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)為主，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面返排數(shù)據(jù)不斷調(diào)整。由于對(duì)地下的實(shí)際情況尤其是縫內(nèi)支撐劑的穩(wěn)定性缺乏認(rèn)識(shí)，當(dāng)?shù)貙訔l件或鉆完井參數(shù)顯著變化時(shí)，經(jīng)驗(yàn)性方法難以有效指導(dǎo)，帶來較大的出砂風(fēng)險(xiǎn)。Potapenko 等基于“安全返排作業(yè)窗口”的理念，提出了地質(zhì)工程一體化的返排策略設(shè)計(jì)思路，將油藏流體參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)、管柱結(jié)構(gòu)、壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)、支撐裂縫鋪置情況等結(jié)合起來，以地層不出砂為目標(biāo)，根據(jù)安全返排作業(yè)窗口示意圖中的最高井底流壓、最低井底流壓、最低返排速度、最高返排速度等參數(shù)，定量指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)返排作業(yè)[24]。

返排速度、生產(chǎn)速度與作用于支撐劑的拖拽力Fdrag密切相關(guān)。拖拽力大小直接控制支撐劑穩(wěn)定與否，與縫內(nèi)流體最高流速vp（m/d）正相關(guān)，直接受井口總返排速度Q（m3/d）、裂縫條數(shù)n、裂縫寬度wp（m）、支撐裂縫穩(wěn)定區(qū)半徑Rb（m）、流量分配系數(shù)γ（縫內(nèi)返排速度與平均返排速度的比值）等參數(shù)影響。

縫內(nèi)流體最高流速數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

井底流壓Fch影響作用于支撐劑的摩擦力。當(dāng)Fdrag＜Fch時(shí)，支撐裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖16 中支撐劑穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)Fdrag＞Fch時(shí)，支撐劑開始返出，形成未支撐區(qū)，對(duì)應(yīng)圖16 中黃色和紅色區(qū)域。持續(xù)返出到一定程度，未支撐區(qū)域開始閉合，對(duì)應(yīng)圖16中支撐劑失穩(wěn)閉合區(qū)。此外，油氣井返排前，井筒中可能殘留固體碎屑、支撐劑等，井筒內(nèi)流體需要達(dá)到最低返排速度，將其攜帶至地面，否則將沉降堵塞井筒，對(duì)應(yīng)支撐劑沉降高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

圖16 安全返排作業(yè)窗口示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[22]修改）Fig.16 Schematic diagram of safe flowback operation window (modified after reference [22])

基于“安全返排作業(yè)窗口”理念，盡可能將返排速度和井底流壓控制在支撐劑穩(wěn)定區(qū)。以H1 井、H2 井為例，根據(jù)地應(yīng)力學(xué)參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)、射孔簇?cái)?shù)、支撐劑類型、流量分配系數(shù)等，分析不同返排速度下縫內(nèi)支撐劑的受力條件，最終得到支撐劑返排安全作業(yè)窗口。

為保證支撐裂縫的穩(wěn)定性，最低有效應(yīng)力推薦3.5～7MPa[24]，本文采用7MPa，則最高井底流壓對(duì)應(yīng)21MPa。同時(shí)，為保證生產(chǎn)過程中油藏不出現(xiàn)油氣兩相，最低井底流壓至少為8MPa，本文采用9.8MPa（泡點(diǎn)壓力）。此外，為避免井筒內(nèi)固體碎屑等沉降和支撐裂縫失穩(wěn)，推薦等效返排速度介于28～64m3/d（井口），指導(dǎo)返排作業(yè)（圖17）。

圖17 研究區(qū)某井返排安全作業(yè)窗口Fig.17 Safe flowback window of a well in the study area

相比同平臺(tái)其他5 口井，按照本文所述方法返排和生產(chǎn)的兩口井累計(jì)產(chǎn)油量分別提升10%和26%，用實(shí)際數(shù)據(jù)證明了該方法的有效性。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作出發(fā)，返排安全作業(yè)窗口的最高返排速度與裂縫條數(shù)、裂縫寬度、支撐裂縫穩(wěn)定區(qū)半徑呈正比，也就是說，安全作業(yè)窗口的大小受控于壓裂施工的實(shí)施效果和天然裂縫的導(dǎo)流能力。可以通過射孔簇增加裂縫條數(shù)，或者通過增大支撐劑的尺度增加裂縫寬度，或者利用覆膜砂或纖維增加支撐裂縫穩(wěn)定區(qū)半徑，使總返排速度增大，擴(kuò)大返排安全作業(yè)窗口。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中難免在安全作業(yè)窗口以外進(jìn)行，在這種情況下，建議降低返排速度或生產(chǎn)速度，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)燜井，等到合適的工況下再開井返排或生產(chǎn)。

北美的非常規(guī)油氣現(xiàn)場(chǎng)返排和生產(chǎn)作業(yè)者已經(jīng)意識(shí)到，通過逐步增大油嘴直徑實(shí)現(xiàn)壓裂液的返排和后期生產(chǎn)對(duì)一口井的最終累計(jì)產(chǎn)量有非常積極的作用。并且建議采集高頻生產(chǎn)、返排數(shù)據(jù)，對(duì)返排和生產(chǎn)制度的調(diào)整以小時(shí)為單位進(jìn)行[24-26]。研究區(qū)各井建議從4mm 油嘴放噴開始，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)返排速度和井口壓力，并將井口壓力轉(zhuǎn)至井底流壓，對(duì)照針對(duì)每口井推薦的返排安全作業(yè)窗口的臨界值進(jìn)行。如果實(shí)際值在安全作業(yè)窗口內(nèi)，每間隔8h 或者更長(zhǎng)時(shí)間油嘴調(diào)大0.5mm，調(diào)整壓裂液返排速度，以安全作業(yè)窗口對(duì)應(yīng)的最高返排速率為最大值返排即可。后期生產(chǎn)制度也應(yīng)在返排制度的基礎(chǔ)上根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整。

6 結(jié)論和展望

本文提出的地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)相互關(guān)聯(lián)、互相依托，能為科學(xué)合理開發(fā)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 段頁巖油提供定制化方案。這套定制化方案從扎實(shí)的綜合地質(zhì)油藏研究出發(fā)，通過地質(zhì)建模、天然裂縫建模、地質(zhì)力學(xué)研究、建模及油藏工程分析和數(shù)值模擬，可以針對(duì)具體平臺(tái)提出井位設(shè)計(jì)方案、測(cè)井項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、返排和生產(chǎn)方案，為科學(xué)、可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)開發(fā)該區(qū)非常規(guī)資源提供全生命周期地質(zhì)工程一體化工作流程。

本文針對(duì)鄂爾多斯長(zhǎng)7 段頁巖油具體情況，在地質(zhì)工程一體化思路指導(dǎo)下首次對(duì)返排制度進(jìn)行量化科學(xué)優(yōu)化，對(duì)關(guān)鍵性的工作節(jié)點(diǎn)提出相應(yīng)的技術(shù)和實(shí)施方案。在非常規(guī)油氣資源進(jìn)行科學(xué)合理開發(fā)過程中，在一體化研究和實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)可以概況為：（1）扎實(shí)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究和主控因素的認(rèn)識(shí)深化技術(shù)；（2）基于平臺(tái)的計(jì)算機(jī)模擬和可視化技術(shù)，使不同專業(yè)和不同領(lǐng)域的人員可以在同一平臺(tái)和同一認(rèn)知程度進(jìn)行協(xié)同工作；（3）合理的壓裂方案設(shè)計(jì)和實(shí)施技術(shù)與工具應(yīng)用；（4）壓裂后分析和合理返排、生產(chǎn)制度定制技術(shù)，做到一井一策，并且隨著返排和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況調(diào)整相應(yīng)制度。

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)非常規(guī)油氣資源的精細(xì)科學(xué)管理的要求越來越高，在返排和生產(chǎn)方面，最好能提升現(xiàn)有的以天為單位的計(jì)量頻率。高頻率的計(jì)量數(shù)據(jù)（如以小時(shí)為計(jì)量單位，甚至更高精度），可以更高精度地理解井下復(fù)雜情況，為更精準(zhǔn)的優(yōu)化方案提供保障。同時(shí)，高精度計(jì)量可以為其他分析手段，如產(chǎn)量不穩(wěn)定分析（RTA）和更早預(yù)估、提升最終可采儲(chǔ)量（EUR）提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。