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沙特頁巖氣開發 ? 技術驅動之路

文章2插圖

為應對美國的 “工廠模式”或“統計學模式”的基本方法,沙特阿拉伯采用了一種“技術驅動型”的方法開發頁巖氣資源。該工程中所用的技術驅動型方法和定制化的生產流程可以縮短了解儲層和選取最適技術所需的時間。截至目前,這套生產流程已經在單井分析中得到了應用并作出了相應的調整。

前言

通過最大化數據采集系統以及開發一種定制式的生產流程來獲取技術驅動型方法所需的數據,從而為下一個鉆井項目積累經驗。由于這是多臺鉆機同時工作的快速鉆井項目,其面臨的綜合挑戰在于如何對該項目進行快速的評價并進行高效率的鉆井作業。

通常,對儲層巖石的評價、測試和開采分別采用不同的工具,而這些方法則可以根據該地區的鉆完井數量,利用統計學方法來進行完善。在本研究案例中,所選取的是一口距離油田基礎設施1500千米遠的探井,沒有可供參考的鄰井資料。我們的方法是建立一個單一變量的模型,該模型結合了油田生產運行流程和水力壓裂生產流程。模型的基本組成必須包括以下內容:

巖心:由于地質、巖石物性、地質力學、鉆井和壓裂均需要了解巖石的性質,所以必須要獲取巖心,所采集的巖心應該包括儲層內部和儲層邊界區域的巖心。

巖石物性:錄井能為該模型提供所有數據,但要根據巖心和井的性能來校對相應的數據信息,保證數據的可靠性。

地質:由于構造作用會影響儲層巖石的圈閉作用,因此建立儲層的沉積模型至關重要,并且還要在巖心和巖石物性的基礎上對沉積模型進行校準。

地質力學:為了滿足鉆井和油層增產的需求,還應該分別建立以各向同性和各向異性為基礎的兩種模型。這些模型需要將靜態巖心數據和動態錄井數據相結合,如果可能的話,還需要用微型壓裂的直井壓力實驗對模型進行再次校準。

鉆井:地質資料對于水平井的水平段長度和鉆井來說非常重要,也關系到完井過程中泵速和壓力的選擇。

增產模型:該模型的建立需要收集該區塊的地質信息、巖石物性和地質力學資料。同時應在完井性能的基礎上考慮地質力學的限制,如它無法確定最大處理壓力,也無法控制水泥的膠結狀況等。

微地震:提供了一種有效的增產手段,這個過程需要與實時模擬的增產過程相結合。

生產數據:先設計出簡化的生產模型,用來理解由增產措施和壓裂規模所引起的油藏產量遞減的情況,隨著錄入數據的不斷增多,模型的復雜程度也會隨之而增大。

案例研究

文章2首圖

北阿拉伯頁巖A-1井總深2000英尺,該地區的頁巖具有兩種不同的巖性。頂部頁巖含有70%的黏土,使得頁巖具有一定的韌性且難以進行壓裂和油氣開采。第二種巖石則易碎,含60%的石英和伊利石。除了地層壓力不足之外,該井符合所有的生產標準。

為了獲得構建地質力學模型的數據,需要鉆出了一個領眼,主要用于水平方向布井和壓裂設計。通過獲取目的層的上部、中部和下部巖心,從而計算出儲層的楊氏模量、泊松比、三軸應力。為了進一步補充三軸拉伸實驗,對主要研究層位進行微型壓裂。通過微型壓裂可以校準柔性頁巖、兩種巖性的頁巖間的過渡區和下層粉砂巖的應力模型。而且,微型壓裂可以對頁巖橫斷面井孔模型的穩定性進行校正。

水平井眼方位應該沿著最小地應力方向鉆進,以確保垂直裂縫沿著水平段分布。北 阿拉伯地區部分鉆井情況表明,該區域最大地應力梯度方位為N10°W,該信息在借 助領眼井識別井筒破損和天然裂縫情況的測井圖像時也得到了證實。初始壓裂模型 能夠判斷出增產效果是增大還是減小。A-1井模型顯示出下降的生產曲線,也印證 了位于有機頁巖層頂部的水平井段產能情況。

A-1井計劃在有機頁巖層中擁有3000英尺水平井段,以保證滿足實行多級壓裂的水 平段長。地震資料所顯示出的1.5°地層傾角,保障了鉆進中的地質導向作用,使 得井段成功維持在有機頁巖層頂部;采用4-1/2″水泥襯里套管完井;通過完井測試 獲得裸眼段測井以及水泥環測試資料。水泥環測試對于最終的固井效果至關重要, 保證了各系統的獨立性,同時也是頁巖層段固井的關鍵部分,能夠保證98%的水平 井段的固結效果。

完井工程師記錄了關于目的層側向井的信息、井波動情況、軌道和儲層構造特點,然后按照相似的巖石應力、巖性和綜合指數來劃分水力壓裂層段。綜合指數指的是儲層孔隙度、頁巖的礦物組成以及完井質量等參數,其中完井質量包括了儲層巖石性質和水泥膠結情況。

為了找出最好的增產儲層,A-1井的完井工程師認為本井應分為12個壓裂階段。在這12個階段中,采用了常規壓裂、混合壓裂、潤滑液壓裂和射孔孔道壓裂4種方法,這些設計能夠快速評價壓裂效率和預測最大產能。由于井下作業和儲層特性中存在許多不可控因素,之后我們證明,用一個側向井去評價這么多方法則太過復雜,也無法評價各自的壓裂效果。

為了提高井下作業的效果,通過測試毛管滲吸時間來確定抑制黏土膨脹所需的鹽濃度。測試結果表明,一種黏土替代物可以有效地抑制黏土膨脹。有了這個快速測試方法,我們就可以省去將壓裂液與KCl提前混合這一步驟,從而改善了作業效果和壓裂液的性能。

在井底進行的分段壓裂試驗,比導向鉆孔的微型壓裂效果更好。之后,這項技術成為了一種標準,能夠判斷出儲層是產生了一個新的裂縫還是本就存在著天然裂縫。

這四種壓裂技術所用的壓裂液的量相差無幾,并使用了100目40/70高強度支撐劑(HSP)。從易于實施、微震情況和產量方面來考慮的話,壓裂作業首先在常規的射孔通道中進行。這些時期的產液中有77%是天然氣。潤滑液和混合壓裂的設計可以少量的增加產量,并能產生微震活動。這些不太理想的結果主要是由于先期設計理念和油流速率的限制,而油流速率則是由于完井最高壓力對其進行了限制。這些不理想的結果也可能是由于使用了較重的HSP,支撐劑無法送至裂縫所造成的。

除去清洗和反排支撐劑的時間, 13天內我們就完成了12次壓裂作業。這四種技術所用的壓裂液的量幾乎相同,并使用了100目40/70 的HSP作為支撐劑。選擇HSP的原因是它的適用性很強,但它并不是該井最適的支撐劑。

所有的壓裂作業都會增加油井產量,包括射孔后和常規壓裂設計的天然氣產量。我們從各個壓裂作業后的產量可以看出,壓裂作業幾乎對所有區域的產量均有較大的提升。由于裂縫受支撐劑的支撐,它們在井孔附近相連通,這減弱了微地震活動的作用效果。這些數據表明裂縫幾何形狀對其產量影響并不大,并且裂縫長度的增加似乎對其產量的提升作用不大,而微震所引起裂縫寬度的增加對其產量的提升作用卻比較明顯。

結論

最終的產量表明技術驅動型在頁巖氣開發方面應用前景較好。為了開采沙特阿拉伯北部的頁巖區塊,考慮到地質情況和壓裂結果關系到頁巖層的最終產氣率,我們在這些方面還有很多工作要做。目前還有一些工作正在進行,例如,通過地球化學測試方法和周期推算來探明返排液的來源等??紤]到巖石構造和天然裂縫會影響裂縫的幾何形狀,所以還需要優化我們的壓裂模型。由于微地震可以反應出二維裂縫與連接其他地層的復雜裂縫的區別,所以我們更應該對油井增量的原因進行分析。

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