鄂尔多斯盆地海相深层页岩气压裂技术.pdf
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1、doi:10.11911/syztjs.2023081引用格式:赵振峰,王文雄,徐晓晨,等.鄂尔多斯盆地海相深层页岩气压裂技术 J.石油钻探技术,2023,51(5):23-32.ZHAOZhenfeng,WANGWenxiong,XUXiaochen,etal.HydraulicfracturingtechnologyfordeepmarineshalegasinOrdosBasinJ.PetroleumDrillingTechniques,2023,51(5):23-32.鄂尔多斯盆地海相深层页岩气压裂技术赵振峰1,3,王文雄2,3,徐晓晨2,3,叶亮2,3,李鸣2,3(1.中国石油长庆油
2、田分公司,陕西西安710018;2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安710018;3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安710018)摘要:鄂尔多斯盆地西部的乌拉力克组海相页岩气藏有利含气富集区面积达 9000km2,但气藏埋藏较深,地层压力系数低,且总有机碳含量与含气性等指标较低,压裂提产的难度较大。为此,分析了乌拉力克组页岩气储层地质特征和压裂技术难点,针对该类深层海相页岩气储层裂缝延伸和加砂难度大的问题,优化多段少簇裂缝设计,同时将井筒井口压力等级提高至140MPa;针对低压条件下大液量压后连续排采的要求,通过增加液氮伴注或者前置液态 CO2增加地层能量,室内模拟
3、和矿场数据拟合优化了压后控压排液生产制度。开展了直井高压混合压裂、水平井分段多簇增能体积压裂现场试验,单井压裂用液强度、加砂量及排量等关键参数达到四川页岩气水平,井下微地震监测裂缝带长 579m、带宽 266m,试气无阻流量直井突破10104m3,水平井超过 20104m3,实现了大规模体积改造提高产量的目的。鄂尔多斯盆地海相深层页岩气压裂技术为该地区页岩气勘探开发提供了技术支持。关键词:页岩气;水平井;体积压裂;增能压裂;控压排液;鄂尔多斯盆地中图分类号:TE357.1;TE357.2文献标志码:A文章编号:10010890(2023)05002310Hydraulic Fracturing
4、 Technology for Deep Marine Shale Gas in Ordos BasinZHAO Zhenfeng1,3,WANG Wenxiong2,3,XU Xiaochen2,3,YE Liang2,3,LI Ming2,3(1.PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi an,Shaanxi,710018,China;2.Oil and Gas Technology Research Institute,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xian,Shaanxi,710018,China;3
5、.National Engineering Laboratory for Exploration andDevelopment of Low Permeability Oil&Gas Fields,Xian,Shaanxi,710018,China)Abstract:ThemarineshalegasreservoirofWulalikeFormationinthewesternOrdosBasincoversafavorablegasenrichmentareaofapproximately9,000km2.However,thereservoirisdeepburied,hasalowfo
6、rmationpressurecoefficient,andexhibitslowindicatorsintermsoftotalorganiccarboncontent(TOC)andgas-bearingproperties,making hydraulic fracturing for production more challenging.This work conducted a comparison and analysis ofgeologicalcharacteristicsandfracturingdifficultiesofWulalikeshalegas,andthepr
7、oblemoffracturepropagationandsand-addingofdeepmarineshalegashasbeensolvedbyoptimizingmorestagesandfewerclustersfracturesandupgrading the wellhead pressure level to 140 MPa.In response to the requirement of continuous drainage afterfracturingwithlargeliquidvolumeunderlowformationpressureconditions,by
8、liquidnitrogeninjectionorpre-loadingliquid CO2 to enhance formation energy,the post-fracturing pressure-controlled drainage production system wasoptimized through laboratory simulation and field data fitting.On site tests of high-pressure hybrid fracturing ofverticalwellsandmulti-clusterenergizedvol
9、umefracturingtechnologyofhorizontalwellswereconducted,thekeyparameterssuchasoperationliquidcapacity,sandamount,anddischargerateofenergizedfracturingofhorizontalwellshavereachedthelevelofshalegasinSichuan.Thelengthandwidthoffracturezoneis579mand266maccordingtothemicroseismicmonitoringresults,respecti
10、vely.Theabsoluteopenflowhasexceeded10104m3forverticalwellsand20104m3forhorizontalwells,suggestingthattheproductionhasbeenimprovedwithlargescale收稿日期:2023-06-01;改回日期:2023-08-28。作者简介:赵振峰(1963),男,山东博兴人,1985 年毕业于华东石油学院采油工程专业,2007 年获中国石油大学(北京)油气井工程专业博士学位,正高级工程师,主要从事低渗透油气藏储层改造研究与应用方面的工作。E-mail:zzf_。基金项目:国家
11、科技重大专项“鄂尔多斯盆地大型低渗透岩性地层油气藏开发示范工程”(编号:2016ZX05050)资助。第51卷第5期石油钻探技术Vol.51No.52023年9月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESSep.,2023volumestimulation.ThehydraulicfracturingtechnologyfordeepmarineshaleinOrdosBasinhasprovidedtechnicalsupportfortheexplorationanddevelopmentofshaleinOrdosBasin.Key words:shalegas;horizo
12、ntalwell;volumefracturing;energizedfracturing;managedpressuredrainage;OrdosBasin页岩气是近年来最具代表性的非常规油气资源。美国最早开始进行页岩气资源勘探开发,其页岩气年产量在 2015 年已达到 4302108m3,占美国天然气年产总量的 56.1%1。我国页岩气勘探开发起步较晚,近年来也取得显著成效,其中具有代表性的四川盆地上奥陶统五峰组下志留统龙马溪组已实现商业开发突破和规模效益开发2。长庆油田作为目前国内最大的油气生产基地,面对增储上产的巨大需求,在致密气3、页岩油46勘探开发取得成功的同时,也开展了页岩气的
13、勘探实践,鄂尔多斯盆地西部下古生界的乌拉力克组有利含气富集区面积达9000km2,具有广阔勘探前景,是下一步天然气增储上产的重要对象。自 2017 年 Z4 井获得工业气流以来,优选直井开展探索试验,不断深化储层地质认识,创新发展储层改造思路和工艺方法,优选甜点区开展水平井先导试验,初步实现了该领域的勘探突破。从国内外页岩油气的勘探开发实践来看,以水平井+多段压裂为主的体积压裂技术78是提高单井产量、实现效益勘探开发的关键技术之一。国内外学者围绕页岩油气体积压裂的裂缝扩展规律、参数模拟优化、工艺技术和方法及关键工具材料915进行了持续攻关研究,形成了适合不同类型页岩油气的技术模式。其中,核心思
14、路就是坚持地质工程一体化16,深挖页岩气储层压裂地质特征的差异性,开展针对性的优化研究和试验。基于此,笔者从分析乌拉力克组页岩气地质特征入手,分析了压裂增产的技术难点,开展了直井和水平井 2 种井型的体积压裂工艺及参数优化,针对低压的难点进行了气体增压压裂和控压排液技术试验,形成了适合鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组海相页岩气的压裂提产技术,取得了单井产量和勘探实践的突破。1地质概况与储层特征 1.1页岩气地层分布和边界鄂尔多斯盆地下古生界地层在西缘发育较全。乌拉力克组发育在该盆地西部,面积约 2.5104km2,盆地中部未见沉积,整体呈现自东向西厚度增大的趋势。该盆地西部属祁连海域沉积,受差异沉降
15、影响,盆地本部隆升为陆,整体为陆缘海深水沉积,利于厚层页岩发育,岩性主要为黑色纹层状页岩,具有埋藏深度较深、低丰度和低孔隙的特征。目前已落实马家滩、上海庙、棋盘井 3 个含气富集区及银洞子含油富集区(见图 1)。图 1 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组含油气富集区示意Fig.1 Hydrocarbon enrichment area of Wulalike Forma-tion in the Western Ordos Basin 1.2构造及成藏特征鄂尔多斯盆地西部处于鄂尔多斯地块与西部活动带及地块的过渡区,处于弱构造发育稳定构造区,经历多期构造改动,其沉积、成藏受加里东、海西、印支燕山和喜山期构
16、造活动的影响,断裂普遍发育,构造特征非常复杂,且分区差异大。海相页岩气藏特征南北差异大,区域分布稳定,局部高压富集。上海庙地区局部构造复杂,西部构造稳定,紧邻横山堡构造带,发育系列东倾断层。白土井新上海庙断裂西侧发育通天断层,保存条件差。该断层以西具有一定含气性,气层埋藏浅(37004000m);棋盘井地区构造稳定,气层厚24石油钻探技术2023年9月度大,埋藏深(47005000m),铁克苏庙断裂西侧地层在燕山期发生强烈抬升、剥蚀,与古生界与白垩系角度不整合基础,不利于成藏,而东侧则构造稳定;马家滩主要发育 3 期断裂,整体以加里东断裂为主,整体为坡阶式构造,呈南北向展布,南西低、北东高。页
17、岩受南北向断裂切割,造成非均质性较强,单井产量差异明显,构造相对高点利于页岩气富集。乌拉力克组可识别出盆地、广海陆棚和斜坡3 类大相。斜坡相碳酸盐矿物含量明显增加,分为上斜坡、下斜坡 2 个亚相。下斜坡以页岩沉积为主,仅发育垮塌角砾灰岩;上斜坡页岩厚度小,发育角砾灰岩及泥晶灰岩。沉积相呈南北向展布,鄂尔多斯盆地西部以广海陆棚斜坡相沉积为主,水体“西深东浅,南深北浅”,斜坡坡度较大,相变快。广海陆棚、下斜坡黑色页岩发育,为有利相带。1.3厚度分布乌拉力克组地层平面分布稳定,厚度一般为40140m,整体具有“北厚南薄、西厚东薄”的特征。有效烃源岩发育在乌拉力克组底部,厚度在2060m 不等,该段泥
18、质岩在南北方向上分布相对连续,气测呈现多个异常区。棋盘井、上海庙地区厚度稳定,东侧古隆起区由于剥蚀变薄,厚度一般为 100140m,硅质泥页岩厚度 30100m,源岩条件好,勘探潜力大。马家滩地区西厚东薄,厚度为40100m。1.4地层和岩性特征乌拉力克组岩性以深灰色、灰黑色含灰泥岩为主,夹褐灰色、灰黑色泥质灰岩,局部发育薄层角砾灰岩、泥质灰岩。全岩资料表明,地层主要由硅质矿物、碳酸盐矿物与黏土矿物组成(见图 2)。矿物成分以长英质为主,含量为 54.6%,碳酸盐岩矿物含量 20.4%,脆性矿物含量高达 75.0%,黏土矿物含量23.5%,相对于四川盆地页岩气,硅质含量更高。乌拉力克组平面上整
19、体硅质页岩发育,西侧硅质含量更高。硅质页岩中可见大量放射虫、海绵骨针等硅质生物化石(见图 3),同时在 Si 与 Al 交会图中大部分表现为有机硅,表明乌拉力克组泥页岩中含有生物成因硅质。定量分析其 Si/(Si+Al+Fe)值均小于 0.9,表明西部乌拉力克组硅质页岩中硅质为混合成因,除了生物硅质外,还可见碎屑硅质、化学硅质。定量计算不同成因硅质含量发现,随着埋深增大,总硅、生物硅、化学硅含量增大,碎屑硅、成岩硅含量降低。硅质页岩主要发育在乌拉力克组底部,且主要为生物硅质页岩。依据沉积旋回将乌拉力克组划分为 3 段(见图 4),其中乌三段以硅质页岩为主,硅质含量高、烃源条件好,乌一段岩性以泥
20、岩为主,乌二段为混合页岩。200 m图 3 忠平 1 井乌拉力克组硅质页岩(井深 4 263.20 m)中的放射虫化石Fig.3 Radiolaria in the siliceous shale of Wulalike Forma-tion in Well Zhongping 1(well depth of 4 263.20 m)1.5热成熟度鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组页岩干酪根以、1型为主17,即腐泥或腐殖腐泥型有机质,并且都以高过成熟阶段为主,其海相沉积环境表明有机质来源主要为浮游生物、微生物及藻类。受“东西构造变化强烈”的影响,南北有机质成熟度差异明显,形成“南油北气”的差异化成藏特征
21、。北段有机质成熟度一般为 1.20%1.90%,以生气为主;南段有机质成熟度一般 0.72%1.25%,油气兼生,以生油为主。1.6总有机碳含量鄂尔多斯盆地西部中上奥陶统乌拉力克组烃源岩总有机碳含量(TOC)总体相对较低(见图 5,其中N 为总样本数,频率指某个 TOC 范围的样本数占总长英质矿物钙质硅质混合页岩(1)黏土质硅质混合页岩(3)钙质黏土质混合页岩(2)黏土岩(1)黏土质页岩(2)钙质页岩(2)硅质页岩 2硅质岩1灰岩(1)755025755025755025碳酸盐矿物黏土矿物黏土矿物图 2 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组泥页岩岩相三角图Fig.2 Lithologic triangl
22、e map of shale of Wulalike Forma-tion in the Western Ordos Basin第51卷第5期赵振峰等.鄂尔多斯盆地海相深层页岩气压裂技术25样本数的比例)。广海陆棚相烃源岩 TOC 相对更高,以生物硅质页岩相为主;深水斜坡相生物硅主要发育在局部洼地,为生物硅质和混合页岩相,在图 6 中广海陆棚相共测取烃源岩 TOC 样本 30 个,测取深水斜坡相烃源岩 TOC 样本 139 个。乌拉力克组整体泥质含量高,为了消除泥质对中子测井的影响,将有机质影响因素放大,构建了中子电阻率综合指数法,精确计算 TOC。乌拉力克组页岩的 TOC 一般为 0.43%
23、1.92%,平均为0.86%。纹层页岩的 TOC 为 1.02%;纹层灰质的67172737475767778798081666666677777788887井深/m取心岩性测井解释结论精细解释结论补偿中子/-1040%2.92.4(gcm3)150275(sm1)密度/声波时差/11 000(m)自然伽马/0200自然电位/0100吸附气/05游离气/05TOC,03%井径/1540cm计算渗透率/0.0110mD分析渗透率/0.0110mD脆性指数01综合品质指数02总含气量/05v11 000(m)11 000(m)4 5004 5104 5204 5304 5404 550计算孔隙度,
24、010%分析孔隙度,010%计算含水饱和度,0100%分子含水饱和度,0100%气测含水饱和度,气测泥岩泥岩拉什仲组乌一段乌二段乌三段克里摩里组黏土-硅质混合页岩钙质硅质混合页岩富黏土硅质页岩硅质页岩钙质硅质混合页岩白云岩白云石方解石石英黏土特殊矿物特殊矿物硬石膏孔隙度砂岩灰岩煤0100%三孔隙度比值010(m3t1)(m3t1)深双侧向/浅双侧向/微球/APImV(be1 61)图 4 李 86 井乌拉力克组测井解释成果Fig.4 Logging interpretation of Well Li 86 in WulalikeFormation403020频率,%1000.10.5 0.50
25、.8 0.81.0 1.01.5 1.52.0总有机碳含量,%N=2522.0图 5 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组 TOC 直方图Fig.5 TOC histogram of Wulalike Formation in the west-ern Ordos Basin010203040500.10.2 0.20.3 0.30.5 0.50.8 0.81.01.0总有机碳含量,%频率,%广海陆棚(30 个)深水斜坡(139 个)图 6 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组不同相带 TOC 对比Fig.6 Comparison of TOC in different facies belts of Wu-la
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