低滲透油藏的劃分及致密油藏的開發(fā)

低滲透油藏的劃分及致密油藏的開發(fā)

近年來，致密油和天然氣的開發(fā)已成為國內(nèi)外的主要熱點(diǎn)之一。美國在威利斯頓盆地的巴肯區(qū)帶發(fā)現(xiàn)(4~6)×108t可采儲量的致密油藏,儲量規(guī)模大,產(chǎn)量逐年迅猛上升,單井初期產(chǎn)量超過274t/d,引起了全球油氣工業(yè)界的高度關(guān)注。2010年,威利斯頓盆地的總產(chǎn)量已超過2000×104t,約相當(dāng)于美國從科威特進(jìn)口石油的一半,僅巴肯區(qū)帶的致密油產(chǎn)量已達(dá)到1569×104t。美國在非常規(guī)油氣勘探和開發(fā)方面的重大突破,不但將改變美國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),而且也將對全球油氣市場產(chǎn)生持續(xù)和深遠(yuǎn)的影響。因此,依據(jù)國內(nèi)外對低滲透和致密油的開發(fā)實踐,對我國低滲透、特低滲透和超低滲透油藏進(jìn)行了重新劃分,對超低滲透油藏和致密油藏劃定了區(qū)分界限。同時,分析了巴肯致密油規(guī)模開發(fā)的水平井裸眼多段壓裂完井系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),以期對我國加快動用超低滲透油藏的未動用儲量起到推動作用。1低滲透和致密油藏的基本概念1.1低滲透油田分類通常,低滲透油氣藏具有油層孔隙度低、滲透率低、喉道小、流體滲透能力差、產(chǎn)能低等特點(diǎn),一般需要進(jìn)行油藏改造,維持油氣田的正常生產(chǎn)。目前低滲透儲層的巖石類型包括砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)碳酸鹽巖、灰?guī)r、白云巖等,但以致密砂巖儲層為主。隨著技術(shù)的發(fā)展,低滲透的標(biāo)準(zhǔn)和界限將發(fā)生重大變化。綜合國內(nèi)外對于低滲透的認(rèn)識,根據(jù)目前我國油田開發(fā)低滲透油藏和特低滲透油藏的實踐,按油層平均滲透率將低滲透油田劃分為下面3類,但這個劃分不同于以前研究者的劃分,供低滲透油藏分類研究和開發(fā)參考。(1)低滲透油田,1.0mD≤油層平均滲透率≤10mD。這類油層接近正常油層,油井具有一定的工業(yè)油流,但自然產(chǎn)能很低,需采取壓裂措施,才能取得較好的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。(2)特低滲透油田,0.1mD≤油層平均滲透率≤1.0mD。這類油層與正常油層差別比較明顯,一般束縛水飽和度增高,測井電阻率降低,正常測試,基本沒有工業(yè)油流,必須采取較大型的壓裂改造和其它相應(yīng)措施,才能有效地投入工業(yè)開發(fā)。(3)超低滲透油田,0.05mD≤油層平均滲透率≤0.10mD。這類油層束縛水飽和度很高,沒有自然產(chǎn)能,但通常油層較厚,埋藏較淺,原油性質(zhì)較好,同時采取既能提高油井產(chǎn)量,又能減少投資、降低成本的有力措施,可進(jìn)行工業(yè)開發(fā),并取得一定經(jīng)濟(jì)效益。1.2油氣水為因變質(zhì)地層儲層致密油藏成為全球非常規(guī)石油勘探開發(fā)的關(guān)注領(lǐng)域,主要源自于威利斯頓盆地巴肯致密油開發(fā)的重大突破。致密油藏不同于低滲透油藏,它是伴隨“非常規(guī)油氣”的概念而出現(xiàn)的。非常規(guī)油氣是相對于常規(guī)油氣而提出。非常規(guī)油氣主要指連續(xù)分布的油氣,無明確圈閉與蓋層界限,流體分異差,無統(tǒng)一油氣水界面和壓力系統(tǒng),含油氣飽和度差異大,油氣水常多相共存。2007年,由SPE、AAPG、WPC和SPEE聯(lián)合發(fā)布的《石油資源管理系統(tǒng)》認(rèn)為:連續(xù)性礦產(chǎn)和非常規(guī)資源基本等同。連續(xù)油氣藏一般性地質(zhì)特征為:缺少明顯的蓋層和圈閉;彌漫式富油或氣;大范圍分布;儲層基質(zhì)滲透率低;異常壓力;與源巖距離較近。致密油是指以吸附或游離狀態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)且滲透率極低的暗色灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖夾層系統(tǒng)中的自生自儲、連續(xù)分布的石油聚集。頁巖生成的油氣除部分排出并運(yùn)移至砂巖或碳酸鹽巖等滲透性巖石中形成常規(guī)油氣藏外,大量(高達(dá)總生烴量的50%以上)在“原地”滯留,以游離烴和吸附烴的形式賦存于納米級孔隙或微裂縫中,形成可供商業(yè)開采的致密油(氣)。致密油藏屬于非常規(guī)油藏,而油氣大面積連續(xù)分布是連續(xù)型致密油的標(biāo)志性特征,因此,將儲層面積作為一項考慮因素。定義致密油藏孔隙度小于12%,空氣滲透率在0.001~0.05mD,含油面積大于1×104km2。2巴氏油藏特征致密2.1巴肯組和威利斯頓盆地上泥盆系—下密西西比系的巴肯組位于美國最大的陸相沉積盆地—威利斯頓盆地,是美國最主要的致密油成藏組合,面積約為518000km2。該層組從蒙大拿州東北部延伸到北達(dá)科他州西北角,并向北進(jìn)入加拿大薩斯喀徹溫省。巴肯組含油氣系統(tǒng)包括巴肯組、下Lodgepole組和上ThreeForks組。巴肯組和ThreeForks組在盆地深部可能是整合接觸關(guān)系,但沿著盆地周緣為不整合接觸關(guān)系。巴肯組被Lodgepole組整合覆蓋。巴肯組厚度范圍從楔狀體邊緣到大于42.7m,其中最厚的位置在北達(dá)科他州西北部的Nesson背斜東部。威利斯頓盆地大部分的巴肯組包含3部分(圖1):(1)上部頁巖;(2)中部粉砂質(zhì)白云巖或白云巖化粉砂巖和砂巖;(3)下部頁巖。該含油氣系統(tǒng)的烴源巖層是巴肯組上部和下部有機(jī)質(zhì)豐富的頁巖,儲層為整個巴肯組及下Lodgepole組和上ThreeForks組。2.2油藏功能2.2.1西藏特征巴肯組含油氣系統(tǒng)是在威利斯頓盆地深層形成的一個連續(xù)型油氣藏,具有前面有所提及連續(xù)型油氣藏的所有特征。2.2.2巴肯含油氣系統(tǒng)的劃分正如前面提到的,巴肯組含油氣系統(tǒng)由3個不同的組——巴肯組、下Lodgepole組和上ThreeForks組,而巴肯組又可以分為3段:含致密砂巖的巴肯中段以及上下的過渡段。因此,巴肯含油氣系統(tǒng)可以劃分為5層,表1、圖2給出了每層的物性。由圖2可以看出,中巴肯地層孔隙度為1.8%~7.3%,滲透率為0.350×10-6~0.15mD,而下巴肯地層孔隙度在8.5%左右,滲透率4.5×10-3mD,巴肯屬于低孔低滲的致密油藏。2.2.3巴肯組解釋的裂縫上部和下部頁巖巖石學(xué)性質(zhì)在整個盆地內(nèi)均相似。頁巖質(zhì)地堅硬,硅質(zhì)含量高,輕微鈣化,呈塊狀或片狀,一般沿水平裂縫或貝殼狀斷口破裂。在巴肯組中識別出了3種裂縫:(1)與構(gòu)造活動相關(guān)的構(gòu)造裂縫,改善了巴肯組致密油藏的儲層質(zhì)量;(2)與應(yīng)力相關(guān)的區(qū)域性裂縫;(3)與生烴造成的超壓相關(guān)的排烴裂縫。產(chǎn)油區(qū)或甜點(diǎn)一般位于經(jīng)天然裂縫改良儲層滲透率的位置或基質(zhì)滲透率改良后的位置,或兩種因素共同作用的位置。M.Mullen在測定天然裂縫對產(chǎn)量影響時,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)井在甜點(diǎn)區(qū)鉆遇800多條天然裂縫,可見巴肯層甜點(diǎn)區(qū)天然裂縫相當(dāng)發(fā)育。2.2.4流量特征巴肯儲層流體為低密度低黏度原油,油品較好(表2),有利于開發(fā),彌補(bǔ)了儲層致密給生產(chǎn)帶來的不足。3巴氏合金緊密油的開發(fā)和生產(chǎn)3.1中方巴肯層為中方水平井開發(fā)階段,2.巴肯致密油藏開采的報道最早見于20世紀(jì)50年代。其開發(fā)經(jīng)歷了3個主要階段。第1開發(fā)階段(1953—1987年):采用常規(guī)垂直鉆井階段。自1953年至1987年,在北達(dá)科他州共有145口垂直井。整個巴肯層段的累積產(chǎn)量約為175×104m3。平均每口井的初期產(chǎn)量為4.45m3/d,并預(yù)期開采1352×104m3。第2開發(fā)階段(1987—2000年):上巴肯層采用了水平井開發(fā)。1987年9月,Meridian石油公司在巴肯地層鉆了第1口水平井,標(biāo)志著第2個開發(fā)階段的開始。在這期間,上巴肯層段鉆了225口水平井。上巴肯層段平均的水平井初期產(chǎn)量為13.7m3/d,預(yù)期最終采油量為2300×104m3。水平井產(chǎn)量是垂直井的2.5~3倍。第4開發(fā)階段(2000—至今):在中巴肯層采用了水平井開發(fā),顯示出了良好的發(fā)展前景。2000年,蒙大拿州的艾勒姆庫里油田中巴肯層段鉆了第1口水平井。中巴肯層段艾勒姆庫里油田的成功開發(fā),帶動了北達(dá)科他州的新一輪開發(fā)。目前,北達(dá)科他州的巴肯致密油開發(fā)是北美繼頁巖氣之后又一戰(zhàn)略性突破。北卡萊羅納州礦產(chǎn)資源部(NDDMR)宣稱:在北卡萊羅納98%開發(fā)井將采用水平井,是美國未來石油生產(chǎn)最有潛力的地區(qū)。北卡2009年已經(jīng)躍居為美國第3大產(chǎn)油州,這個地區(qū)也是美國未來產(chǎn)量的增長區(qū)。3.2管外封隔和內(nèi)分流巴肯組目前水平井多級水力壓裂增產(chǎn)所用的兩個主要的完井方法是[12,13,14,15,16,17,18]:裸眼多級壓裂系統(tǒng)和襯管固井橋塞射孔完井。它們分別采用不同的方法實現(xiàn)管外封隔和襯管內(nèi)部分流。襯管固井橋塞射孔完井借助水泥環(huán)實現(xiàn)管外封隔,而通過橋塞來實現(xiàn)管內(nèi)分流。裸眼多級壓裂系統(tǒng)采用裸眼封隔器實現(xiàn)管外分流。這些裸眼封隔器都有能夠擠壓或膨脹的彈性元件,可分別通過化學(xué)作用或液壓/機(jī)械驅(qū)動坐封。裸眼多級壓裂系統(tǒng)的襯管內(nèi)部分流可以由以下3種方法實現(xiàn):投球分流、橋塞射孔分流或者是兩者結(jié)合的混合體系。3.2.1井身壓裂井段水平井裸眼多級壓裂效果受裸眼條件的影響,因為光滑的井眼更有利于OHMS運(yùn)行到井底并實現(xiàn)良好的環(huán)空密封。常規(guī)定向鉆井技術(shù)難以獲得光滑均勻的井眼,而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(RSS)克服了常規(guī)定向鉆井的缺點(diǎn)。使用“鉆頭推進(jìn)”工具,使RSS成為一個簡單的具有全旋轉(zhuǎn)功能的系統(tǒng),在有效清洗井眼中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鉆頭的軸線與鉆柱組合(BHA)的軸線一致,可以進(jìn)行有效的鉆頭切削和鉆頭旋轉(zhuǎn),避免了常規(guī)定向鉆井產(chǎn)生的螺旋效應(yīng),鉆出的井眼光滑且均勻,為OHMS的成功實施打下了良好的基礎(chǔ)。投球分流:這種方法是下入裸眼機(jī)械坐封完井系統(tǒng)(OHMS)。此完井系統(tǒng)開始于2001年。這種新的完井系統(tǒng)能夠保證無論時間、成本還是可重復(fù)性和可靠性都更加有效。具體工藝是:水平段鉆完以后,將OHMS元件分布在生產(chǎn)襯管上并下入井眼。采用液壓/機(jī)械方式坐封裸眼封隔器。這種封隔器能快速安裝并保持長期有效。在各封隔器之間的管柱上有壓裂孔,安裝壓裂裝備并將一定尺寸的球按從小到大的順序投入井眼,打開對應(yīng)的壓裂孔,可通過投球或液壓打開滑套使孔眼開啟。投球到達(dá)水平段趾端,并在外加壓力下封住循環(huán)接頭。壓力繼續(xù)增大,坐封襯管懸掛封隔器,然后再一次繼續(xù)增大壓力來坐封裸眼封隔器。當(dāng)這個系統(tǒng)安置好以后,移走鉆機(jī)并安置井口裝置,準(zhǔn)備實施壓裂作業(yè),并將一定尺寸的投球按從小到大的順序投入井眼,打開對應(yīng)的壓裂孔,從井的趾端開始壓裂第1段,然后依次壓裂,一直到水平段的跟端,并達(dá)到所需要壓裂的級數(shù)。一旦完成壓裂,就立即進(jìn)行返排并投產(chǎn)。封隔器可采用遇某種烴反應(yīng)而膨脹的可膨脹封隔器,但是當(dāng)井眼的礦化度、溫度、黏度、pH或氣體含量改變后就會影響坐封效果和膨脹時間。通常采用液壓/機(jī)械膨脹器坐封的封隔器,這種封隔器坐封性能好,表現(xiàn)出很好的耐溫、耐鹽等性能。如前所述,投球分流需要在裸眼封隔器之間有一個壓裂孔,用投球或來自地面的液壓打開滑套,使壓裂孔與地層連通。底座直徑從井筒趾端到跟部逐漸減小,球與底座直徑要保持一致。投球分流的主要好處是泵入球的同時可以完成沖洗井筒的工作,減少了泵入量。此外,每段都能被單獨(dú)連續(xù)泵入,而不需要多條服務(wù)管線,節(jié)省了時間和成本,同時也減少了與作業(yè)和安全有關(guān)的風(fēng)險。橋塞射孔分流:首先要求,復(fù)合橋塞和射孔槍組合通過電纜從地面到達(dá)襯管的預(yù)定深度,襯管的環(huán)形空間由裸眼封隔器進(jìn)行隔離。坐封橋塞并釋放,隨后射孔,以建立與地層之間的聯(lián)系。從井眼中收回射孔槍罩和封堵裝置,投球到橋塞的閥座上,提供橋塞之上部位與連通地層的射孔通道的機(jī)械分流。對該級進(jìn)行壓裂,隨后在下入下一個橋塞和射孔槍組合并隔離下一級之前,用同井筒體積的液體來沖洗。重復(fù)這個過程直到得到所需的級數(shù)。最終,用連續(xù)油管或其它工具將所有橋塞取出,返排壓裂液,最終生產(chǎn)得以有效進(jìn)行?；旌象w系組成:水平井眼趾部井段采用投球分流,接著是水平井的跟部井段采用橋塞射孔分流。3.3分段壓裂發(fā)育井眼的油氣OHMS最早應(yīng)用于碳酸鹽巖地層,隨著技術(shù)的進(jìn)步,水平井段不斷增長,可實現(xiàn)的壓裂級數(shù)不斷增多。2006年下半年,優(yōu)化生產(chǎn)開始將重點(diǎn)集中在每一級的增產(chǎn)措施而不是加長整個水平井段的長度。這種趨勢一直延續(xù)到現(xiàn)在。在碳酸鹽巖地層中應(yīng)用OHMS的壓裂級數(shù)已超過18級。巴肯儲層已有操作者壓裂了更多的級數(shù)。在2010年,巴肯已經(jīng)在長約3048m的井中壓裂了47段。單分支短水平井早期生產(chǎn)時,分段壓裂級數(shù)越多,油井產(chǎn)量越高。在這些油井中壓裂支撐劑的數(shù)量是相同的,分段壓裂級數(shù)是影響油井產(chǎn)量的一個主要因素。多級分段壓裂的增產(chǎn)效果主要?dú)w功于最大限度地連通了儲層裂縫與井筒的滲流通道,使進(jìn)入井眼的油氣產(chǎn)量大幅度增加。同時,在巴肯地區(qū)發(fā)現(xiàn)一個重要現(xiàn)象,當(dāng)壓裂目的井時,相鄰井被同時壓裂,形成了連續(xù)的裂縫帶。在巴肯地區(qū)大量油井已經(jīng)進(jìn)行了重復(fù)壓裂,通過放射性示蹤劑發(fā)現(xiàn),形成了新的油氣滲流通道。該發(fā)現(xiàn)證實了這樣一個認(rèn)識:有壓裂生成的裂縫帶會形成一個應(yīng)力區(qū)帶,它會使連續(xù)裂縫改變方向,從而增加井眼與油藏的有效接觸面積。此現(xiàn)象在間距比較密集的裂縫中更容易發(fā)生。同時,在壓裂或重復(fù)壓裂時,其鄰井產(chǎn)量有明顯的增加。隨著操作者不斷增加分段壓裂的級數(shù),已經(jīng)從最初的幾級增加到了幾十級,且每段分布4個橫向裂縫帶,從油井的完井中可看到存在一定程度擴(kuò)展應(yīng)力區(qū)帶的證據(jù)。水平井多段壓裂每口井超過8段以上,普遍認(rèn)為達(dá)30~36級較好。分段的長度從122~168m縮短到66~80m,其縮短長度后的油井產(chǎn)量增加了2倍。目前的主要結(jié)論是:減少在水平井中的壓裂長度,增加壓裂級數(shù),增產(chǎn)效果較好,水平井多段壓裂已成為巴肯開發(fā)致密油藏的專有技術(shù)。4致密油氣藏開發(fā)技術(shù)(1)根據(jù)低滲透和致密油藏在其成藏和巖石結(jié)構(gòu)特征等方面的差異,將基質(zhì)滲透率在0.05~0.1mD儲層巖石劃為超低滲透儲層,將儲層基質(zhì)滲透率在0.001~0.05mD的儲層巖石劃分為致密儲層范圍。(2)中國石油目前的儲層滲透率動用下限雖然不斷降低,但從長慶油田華慶0.3mD油藏的成藏特征及滲透率范圍看,不屬于致密油藏范疇。而長慶油田滲透率為0.03mD長7組及四川盆地侏羅系滲透率為0.055mD涼高山儲層屬于致密油儲層。美國威利斯頓盆地開采致密油的實踐給我國開采已發(fā)現(xiàn)的致密油層開了先河,其裸眼水平井多段壓裂等技術(shù)可以借鑒。(3)北美地區(qū)巴肯致密油藏采用裸眼水平井/多分支井多