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巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示

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致密 油藏 开发 我国 渗透 启示
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第34卷第2期 2012年3月 石 油 钻 采 工 艺 04 012 文章编号:1000—7393(2012)02—0120—05 巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示 窦宏恩 马世英 (中国石油勘探开发研究院,北京100083) 引用格式:窦宏恩,马世英.巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示[J].石油钻采工艺,2012,34(2):120—124. 摘要:对低渗透、特低渗透和超低渗透油藏进行了重新划分,对超低渗透油藏和致密油藏在概念上进行了区分,对致密油 藏成藏、开发特点进行了讨论,指出了巴肯致密油藏和我国普通意义上的低渗透油藏之间的差异。同时,给出巴肯致密油藏开 发所采用的关键技术及其在开发致密油藏方面的理论认识,以期对我国开发超低渗透油藏或致密油藏从理论认识及技术等方 面都具有一定的参考价值。 关键词:致密油藏;概念区分;水平井;裸眼多段压裂;巴肯 中图分类号:献标识码:A of 0U A 00083,he of he of in he an a 年来,致密油气的开发在国内外已经成为热 点领域之一。美国在威利斯顿盆地的巴肯区带发现 (410 量规模大,产 量逐年迅猛上升,单井初期产量超过274 t/d,引起了 全球油气工业界的高度关注。2010年,威利斯顿盆 地的总产量已超过2 000×10 t,约相当于美国从科 威特进口石油的一半,仅巴肯区带的致密油产量已 达到1 569×10 t。美国在非常规油气勘探和开发 方面的重大突破,不但将改变美国的能源消费结构, 而且也将对全球油气市场产生持续和深远的影响。 因此,依据国内外对低渗透和致密油的开发实践,对 我国低渗透、特低渗透和超低渗透油藏进行了重新 划分,对超低渗透油藏和致密油藏划定了区分界限。 同时,分析了巴肯致密油规模开发的水平井裸眼多 段压裂完井系统的关键技术,以期对我国加快动用 超低渗透油藏的未动用储量起到推动作用。 1低渗透和致密油藏的基本概念 1.1低渗透油藏 通常,低渗透油气藏具有油层孔隙度低、渗透率 低、喉道小、流体渗透能力差、产能低等特点,一般需 要进行油藏改造,维持油气田的正常生产¨j。目前 低渗透储层的岩石类型包括砂岩、粉砂岩、砂质碳酸 盐岩、灰岩、白云岩等,但以致密砂岩储层为主。随 着技术的发展,低渗透的标准和界限将发生重大变 化。综合国内外对于低渗透的认识,根据目前我国 基金项目:国家科技重大专项“我国油气田开发理论技术发展及潜力预测”(编号:201102)。 作者简介:窦宏恩,1962年生。主要从事采油、油藏工程及石油机械研究工作,博士,硕士生导师。电话:010—83597724。122 石油钻采工艺 2012年3月(第34卷)第2期 表1 巴肯含油气系统各层物性 图2巴肯岩心数据 由图2可以看出,中巴肯地层孔隙度为 1.8%~7.3%,渗透率为0.350 X 105 下巴 肯地层孔隙度在8.5%左右,渗透率4.5×10一巴肯属于低孔低渗的致密油藏。 2.2.3 裂缝特征上部和下部页岩岩石学性质在整 个盆地内均相似 。页岩质地坚硬,硅质含量高,轻 微钙化,呈块状或片状,一般沿水平裂缝或贝壳状断 口破裂。在巴肯组中识别出了3种裂缝:(1)与构造 活动相关的构造裂缝,改善了巴肯组致密油藏的储 层质量;(2)与应力相关的区域性裂缝;(3)与生烃造 成的超压相关的排烃裂缝。 产油区或甜点一般位于经天然裂缝改良储层渗 透率的位置或基质渗透率改良后的位置,或两种因 素共同作用的位置。M.测定天然裂缝 对产量影响时,发现目标井在甜点区钻遇800多条 天然裂缝,可见巴肯层甜点区天然裂缝相当发育。 2.2.4流体特征巴肯储层流体为低密度低黏度原 油,油品较好(表2),有利于开发,弥补了储层致密 给生产带来的不足¨ “J。 表2 巴肯储层及流体参数 参数 孔隙度/% 渗透率/始含水饱和度 度/ 油的体积系数 气体相对密度 总压缩系数/油比/m ·t 3 巴肯致密油的开发现状及工艺 3.1 巴肯油田开发历程及现状 巴肯致密油藏开采的报道最早见于20世纪50 年代。其开发经历了3个主要阶段 。 第1开发阶段(1953一采用常规垂 直钻井阶段。自1953年至1987年,在北达科他州 共有145口垂直井。整个巴肯层段的累积产量约为 175×104 m 。平均每口井的初期产量为4.45 m /d, 并预期开采1 352×10 m 。 第2开发阶段(1987上巴肯层采 用了水平井开发。1987年9月,巴肯地层钻了第志着第2个开发 阶段的开始。在这期间,上巴肯层段钻了225口水 平井。上巴肯层段平均的水平井初期产量为13.7 d,预期最终采油量为2 300 X 10 m 。水平井产 量是垂直井的2.5~3倍。 第4开发阶段(2000一_至今):在中巴肯层采用 了水平井开发,显示出了良好的发展前景。2000年, 蒙大拿州的艾勒姆库里油田中巴肯层段钻了第1口 水平井。中巴肯层段艾勒姆库里油田的成功开发,带 动了北达科他州的新一轮开发。目前,北达科他州的 巴肯致密油开发是北美继页岩气之后又一战略性突 破。北卡莱罗纳州矿产资源部( )宣称:在北 卡莱罗纳98%开发井将采用水平井,是美国未来石油 生产最有潜力的地区。北卡2009年已经跃居为美国 第3大产油州,这个地区也是美国未来产量的增长区。 3.2巴肯致密油藏主要完井方法 巴肯组目前水平井多级水力压裂增产所用的两 个主要的完井方法是¨ 。 :裸眼多级压裂系统和衬 管固井桥塞射孔完井。它们分别采用不同的方法实 现管外封隔和衬管内部分流。衬管固井桥塞射孔完 井借助水泥环实现管外封隔,而通过桥塞来实现管 内分流。裸眼多级压裂系统采用裸眼封隔器实现管 外分流。这些裸眼封隔器都有能够挤压或膨胀的弹 性元件,可分别通过化学作用或液压/机械驱动坐 封。裸眼多级压裂系统的衬管内部分流可以由以下 3种方法实现:投球分流、桥塞射孔分流或者是两者 结合的混合体系。 3.2.1裸眼多级压裂系统水平井裸眼多级压裂 效果受裸眼条件的影响,因为光滑的井眼更有利于 规定 向钻井技术难以获得光滑均匀的井眼,而旋转导向 钻井系统(服了常规定向钻井的缺点。使用 “钻头推进”工具,使转功能的系统,在有效清洗井眼中发挥着关键作 她~4一~ 一一 窦宏恩等:巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示 123 用。钻头的轴线与钻柱组合(轴线一致,可 以进行有效的钻头切削和钻头旋转,避免了常规定 向钻井产生的螺旋效应,钻出的井眼光滑且均匀,为 投球分流:这种方法是下入裸眼机械坐封完井 系统(0此完井系统开始于2001年。这种 新的完井系统能够保证无论时间、成本还是可重复 性和可靠性都更加有效。 具体工艺是:水平段钻完以后,将在生产衬管上并下人井眼。采用液压/机械方式坐 封裸眼封隔器。这种封隔器能快速安装并保持长期有 效。在各封隔器之间的管柱上有压裂孔,安装压裂装 备并将一定尺寸的球按从小到大的顺序投入井眼,打 开对应的压裂孔,可通过投球或液压打开滑套使孔眼 开启。投球到达水平段趾端,并在外加压力下封住循 环接头。压力继续增大,坐封衬管悬挂封隔器,然后再 一次继续增大压力来坐封裸眼封隔器。当这个系统 安置好以后,移走钻机并安置井口装置,准备实施压裂 作业,并将一定尺寸的投球按从小到大的顺序投人井 眼,打开对应的压裂孔,从井的趾端开始压裂第然后依次压裂,一直到水平段的跟端,并达到所需要压 裂的级数。一旦完成压裂,就立即进行返排并投产。 封隔器可采用遇某种烃反应而膨胀的可膨胀封 隔器,但是当井眼的矿化度、温度、黏度、量改变后就会影响坐封效果和膨胀时间。通常采 用液压/机械膨胀器坐封的封隔器,这种封隔器坐封 性能好,表现出很好的耐温、耐盐等性能。 如前所述,投球分流需要在裸眼封隔器之间有 一个压裂孔,用投球或来自地面的液压打开滑套,使 压裂孔与地层连通。底座直径从井筒趾端到跟部逐 渐减小,球与底座直径要保持一致。投球分流的主 要好处是泵人球的同时可以完成冲洗井简的工作, 减少了泵人量。此外,每段都能被单独连续泵入,而 不需要多条服务管线,节省了时间和成本,同时也减 少了与作业和安全有关的风险。 桥塞射孑先要求,复合桥塞和射孑合通过电缆从地面到达衬管的预定深度,衬管的 环形空间由裸眼封隔器进行隔离。坐封桥塞并释放, 随后射孔,以建立与地层之间的联系。从井眼中收 回射孔枪罩和封堵装置,投球到桥塞的阀座上,提供 桥塞之上部位与连通地层的射孔通道的机械分流。 对该级进行压裂,随后在下人下一个桥塞和射孔枪 组合并隔离下一级之前,用同井简体积的液体来冲 洗。重复这个过程直到得到所需的级数。最终,用 连续油管或其它工具将所有桥塞取出,返排压裂液, 最终生产得以有效进行。 混合体系组成:水平井眼趾部井段采用投球分 流,接着是水平井的跟部井段采用桥塞射孔分流。 3.2.2衬管固井桥塞射孔完井系统井该完井方法 ’。 首先需要在水平井段内下人生产衬管并注入水 泥固井,水泥环提供了环形空间的阻隔。然后采用 电缆将复合桥塞和射孔枪从地面下放至水平井段的 预定深度。释放桥塞,收回射孔枪并点火射孔,连通 井眼和地层。将枪壳和桥塞坐封工具从井筒中起出, 投球实现坐封。随后实施压裂增产作业,并在下人 下一个桥塞和射孔枪之前,用同井筒体积的液体来 冲洗井眼。重复该过程来达到所需要的级数。最后, 使用连续油管或其它工具管将所有桥塞取出,反排 压裂液并进行投产。 3着技术的 进步,水平井段不断增长,可实现的压裂级数不断增 多 。2006年下半年,优化生产开始将重点集中在 每一级的增产措施而不是加长整个水平井段的长 度。这种趋势一直延续到现在。在碳酸盐岩地层中 应用肯储层已 有操作者压裂了更多的级数。在2010年,巴肯已经 在长约3 048 单分支短水平井早期生产时,分段压裂级数越 多,油井产量越高。在这些油井中压裂支撑剂的数量 是相同的,分段压裂级数是影响油井产量的一个主要 因素。多级分段压裂的增产效果主要归功于最大限 度地连通了储层裂缝与井筒的渗流通道,使进入井眼 的油气产量大幅度增加。同时,在巴肯地区发现一个 重要现象 J,当压裂目的井时,相邻井被同时压裂, 形成了连续的裂缝带。在巴肯地区大量油井已经进 行了重复压裂,通过放射性示踪剂发现,形成了新的 油气渗流通道。该发现证实了这样一个认识:有压 裂生成的裂缝带会形成一个应力区带,它会使连续裂 缝改变方向,从而增加井眼与油藏的有效接触面积。 此现象在间距比较密集的裂缝中更容易发生。同时, 在压裂或重复压裂时,其邻井产量有明显的增加。 随着操作者不断增加分段压裂的级数,已经从 最初的几级增加到了几十级,且每段分布4个横向 裂缝带,从油井的完井中可看到存在一定程度扩展 应力区带的证据。 水平井多段压裂每口井超过8段以上,普遍认 为达30~36级较好。分段的长度从122~168 66~80 m,其缩短长度后的油井产量增加了21"~L 。 目前的主要结论是:减少在水平井中的压裂长度, 124 石油钻采工艺2012年3月(第34卷)第2期 增加压裂级数,增产效果较好,水平井多段压裂已成 为巴肯开发致密油藏的专有技术。 4几点启示 (1)根据低渗透和致密油藏在其成藏和岩石结 构特征等方面的差异,将基质渗透率在0.05 层岩石划为超低渗透储层,将储层基质渗透率在 0.001~0.05 (2)中国石油目前的储层渗透率动用下限虽然 不断降低,但从长庆油田华庆0-3 及渗透率范围看,不属于致密油藏范畴。而长庆 油田渗透率为0。03 率为O.055 国威利斯顿盆地开采致密油的实践给我国开采已发 现的致密油层开了先河,其裸眼水平井多段压裂等 技术可以借鉴。 (3)北美地区巴肯致密油藏采用裸眼水平井/多 分支井多段压裂完井技术,成功动用了巴肯致密储 层。使该地区产量由2007年的110×10 2010年1200 x 10 t。其关键技术是:采用高效 精密的地质导向钻井技术、成功地运用水平井可膨 胀封隔器、陶瓷支撑剂和长水平井多段压裂。中石 油吉林、长庆油田低渗透储量在总的探明地质储量 中所占比例分别为73.2%和85.5%,极具开发潜力, 建议这些地区改变低渗透油层钻完井观念,针对这 些油田的储层特点,借鉴巴肯开发致密油藏的技术, 开展长水平井、多段压裂开发新技术研发和试验,提 高低渗透/超低渗透油藏的动用程度。 (4)裸眼水平井/多分支井多段压裂技术需要具 备裸眼完井所必须的地层条件,例如不易出砂,不易 坍塌的致密储层。巴肯地区致密油藏开发采用的裸 眼水平井多段压裂技术可否应用于中石油的低渗透 油藏开发,还需要进行储层、岩石力学性质评价。即 使裸眼水平井多段压裂完井有困难,但进行长水平 井多段压裂技术是可借鉴和学习的。 参考文献: [2] [3] [4] 李道品.低渗透油田开发[M].北京:石油工业出版社, 1999:1—50. 邹才能.非常规油气地质[M].北京:地质出版社, 2011:14.38. 林森虎,邹才能,袁选俊,等.美国致密油开发现状及启 示[J].岩性油气藏,2011,23(4):25.30. of ]. 01 5 j of ]. 009,93(9):1127一[6],,.of a to in ]. 1 6469.2008. [7]肯.非页岩的页岩油气藏[EB/ 2011—12/[8 J ,,.of in J.22570,2009. 1 9 J ,,.of an on R].35319,2010. 1 10 J of ]. 37514.2010. [11] et at .008. 1 12 J et in ].6105,2008. 1 13 l in a ].42741,2011. [14]ew l 2011(4):27[1 5 J of in R I.43066,201 1. 1 16 l in a ]. 35195,2010. 1 17 J ,,.].04557,2010. 1 18 j ,, C. in ].34595、2010. (修改稿收到日期2012—02.15) [编辑付丽霞]
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