二叠盆地考虑远场裂缝连通性的增产措施设计

目前针对美国二叠纪盆地低孔隙度、低渗透率储层的完井设计着重于达到较高的初始生产率。井筒附近的导流性一直是获得高初始生产率值设计的一个环节。然而,远场裂缝的连通性则可能是提高生产寿命的关键。新技术为优化并增加非常规区带的产量提供了可能性。还可能减少新井完井成本及提高之前已完井的产量。实现生产寿命取决于创建远场裂缝网络并有效地支撑它们。服务公司正与勘探开发的客户紧密合作,以最新的技术为基础,来改善处理设计。针对低孔隙度、低渗透率区带的新型技术的开发需要新的实验室检测方法。Bertoncello 和Honarpour(2013)证明了传统实验室方法的局限及需要新的测试方法。在本文中,展示了对Wolfcamp 样品进行的3 次测试以对当前和未来井处理提出改善性的阶段建议。测试和建议通过几个问题引出,如:(1)页岩中的油起源于什么地方,它是如何移动的?(2)在复杂的裂缝网络中支撑剂能转向吗?(3)在远场裂缝中需要多少支撑剂才能维持其导流性?要回答第一个问题,需要采用2 种成像技术:显微CT 和SEM。了解富含有机质的页岩,特别是在Wolfcamp 地层中的泥岩是烃源岩是非常重要的。此外,低孔隙度和低渗透率使他们成为非常规储层。在后生作用和后沉积构造过程中,岩石发育了从宏观到纳米级多种尺度的裂缝(Marquez 和Mountjoy,1996)。随着页岩在经济上越来越重要,已经使用扫描电镜技术(SEM)来观察岩石中最细微的细节(Sondergeld 等,2010)。此外,显微CT 方法正被开发用于对原生孔隙及次生孔隙进行无损三维分析(Knackstedt等,2011)。随着关于实际复杂的裂缝网络架构和横向传播范围持续的讨论,第二个问题特别关系到支撑剂是否能“转向”并充填次生裂缝。本文中所提出的断裂槽模型设计与以往的相比更复杂,并且证实了如果设计的泵送计划允许,砂将进入到地层更深处。如果以次级裂缝为主,支撑剂必须足以提供导流通道。第三个问题来自于多年来关于近井导流性需要多少支撑剂的研究,但这里的重点是远场导流性。为了探测远场裂缝的导流性,使用了一种分裂岩心的较新的技术。分离岩心流动测试表明,在这些远端裂缝中进行生产,砂子是必需的,但并不像我们假设的那样多。最后,本研究的结果表明,远场裂缝的连通性是优化Wolfcamp 地层产量所必需的。为了实现这一目标,水力压裂需要利用天然裂缝网络将近端的原生和次生裂缝与更远端的次级裂缝连接以接触到更多的地表面积。随着暴露的表面越来越多,大量有机质充填的孔隙和微裂纹被横切并打开了生产通道。通过在较高的泵送速率使用较轻的支撑剂,最远端裂缝将继续保持开启,并传导到原生裂缝,为获得更高的导流能力,将使用较粗糙的支撑剂较低的泵送速率。有一点要注意的是,术语“Wolfcamp 地层”和“Wolfcamp 页岩”是同义词,构成Wolfcamp 地层的整套岩层包括泥岩到浊积颗粒灰岩。此处进行的实验具体指泥岩或泥岩岩性而不考虑地层位置。

非常规储层岩石中显微组构和孔隙成像中的最先进的技术发展源自于许多业界和学术界的地球科学家的贡献(Camp,Diaz 和Wawak,2013)。这些技术打开了以前通过传统的岩石物理实验方法无法获取的地质信息的大门。涉及高分辨率SEM 成像的精炼方法已被用来鉴别孔隙类型以及储集岩中捕获的烃的存在。最近,使用微型计算机断层扫描(显微CT)的岩石学成像方法提供了一种从三个维度观察泥岩孔隙度的互动方式。可使用FIB-SEM 方法对具纳米级孔隙的地质样品进行3D 成像,但是显微CT 把这些图像放到一个更大的角度来看,允许对整个样品的孔隙连通性进行观察。采用标准的SEM 反向散射模式对刚研磨出的Wolfcamp 泥岩拍摄扫描电子显微(SEM)图像。X 射线荧光可用于确定晶粒和目标区域的元素识别。页岩孔隙度是观察到的聚积体以及平行和近平行的粘土晶片(基质孔隙度晶间)的显微组构内、非粘土颗粒内部及周边、微体化石和黄铁矿微球内的空间及微裂缝。因为检查的岩石在生油窗内,观察到的有机孔隙度非常少,虽然存在大量以干酪根为主的孔隙度。

二叠纪Wolfcamp 地层中泥岩SEM 成像图说明被横切孔隙暴露的广泛的微米级孔到纳米级孔的排烃通道。(A)Arion 研磨表面的反向散射电子图像显示暴露出的孔,(B)(C)(D)沥青充填微裂缝附近的大孔隙的反向散射电子图像,这些微裂缝可能有助于油气流动及增长生产周期(E)方解石和沥青充填孔洞,包含空洞和通过叠片的曲折通道的6 幅图像拼接

除其他物理性质,页岩还具有低孔隙度及纳米级达西渗透率的特征。在水力压裂处理中,大型原生裂缝从井筒传播到远场,横切微-纳米级裂缝并且开启富含有机物的孔隙,露出很大的岩石表面。这些远场裂缝使纳米级存储空间的烃类气体被释放,并在微通道中运移。因此,在水力压裂过程中露出的表面积越大,被横切的有机质填充的孔隙及流动的烃就越多。使用微计算机断层摄影(显微CT),我们能够观察到烃在Wolfcamp 泥岩中运移的三维路径。显微CT 作为一种确定烃类运移通道(例如水平微裂缝)的非破坏性的补充方法是很有价值的,可以确定亚微米尺度的总孔隙度,最低(非空气)密度的区域表示富碳物质的存在。Lash 和Engelder(2005)提出,在后生作用时期,微裂缝以水平裂缝的形式形成。这些微裂缝是碳氢化合物运移的潜在的途径。通过结合SEM 和显微CT 成像方法,作者确定了:①存储在Wolfcamp 泥岩中的烃的来源;②所有级别的裂缝是运输和生产的主要机制。因此,为确保生产寿命,尽可能多的横切地层中的有机质填充孔隙及连接裂缝非常重要。为了做到这一点,水力压裂诱导裂缝要长并且包含大型分支裂缝网络。实现这种大型分支裂缝网络的最佳方法是使用滑溜水或线性凝胶经过高速处理接触较大的表面。

二叠纪Wolfcamp 地层的一英寸泥岩岩心的显微CT 图像,表明:(A)黄铁矿(白色;高密度)充填天然裂缝,(B)低密度(黑色)表明可能局部存在碳,(C)水平薄层的有机物和微裂缝,提供了泥岩中油气运移的主要机制

页岩地层的水力压裂产生的复杂的裂缝网络由相互交织的诱导裂缝和天然裂缝与裂缝组组成。由这些复杂的裂缝(如树枝状或格子状)创建的结构包含角连接,将导致裂缝越来越窄。Wolfcamp 地层中的目标层段在泥岩处显示有高密度的天然裂缝,在碳酸盐岩中显示有长的垂直裂缝。为了支撑近场和远场的天然裂缝及诱导裂缝,支撑剂必须通过复杂的裂缝网络,进入三、四级裂缝,而同时充填连接到井筒的原生裂缝。典型的实验室裂缝槽是原生裂缝模型,由具有光滑、平行板的单个插槽组成,这些插槽用来在一个特定的流体系统中观察砂运动的力学特征,以及断裂期间底形的演变和破坏。包括分岔和裂缝宽度的一些模型在现实世界建模和预测中非常重要。裂缝网络支撑剂传输插槽被设计为在一个复杂的裂缝网络周围的角落里检查支撑剂传输。它由一个长的原生平行板裂缝与多个以各种角度延伸的次生、三级及四级分岔组成。原生与次生裂缝宽度分别为1/4 英寸、1/8 英寸,三级及四级裂缝都为1/16英寸宽。每个裂缝都内置一个终端流体滤失阀以控制裂缝内的流体剪切速率。液态泥浆以不同速率(从1~10 加仑/分钟)通过单个1/2 英寸的孔从混合储存器中引入。不同的流体粘度、流速、支撑剂粒径、密度和浓度下的几个远场支撑剂运移试验已经成功进行。

装满砂子的裂缝网络支撑剂传输槽(A)插槽建设概述,包括原生、次生、三级及四级裂缝(B)(C)以慢速运移的中密度支撑剂产生了近井筒的沙丘,构建了原生和次生裂缝。(D)关闭后,高速的低密度支撑剂会沉淀下来并完全充填裂缝槽

研究发现,粗支撑剂(20/40 目)不能被携带至远离原生裂缝进入到模型的附属裂缝,而另外的测试表明,较细的支撑剂(100目)可以运移到三级、四级裂缝。高密度支撑剂在原生裂缝中携带能力不够好。因此,这将需要要么更高的速率或更高的粘度的流体系统以进一步将其携带到裂缝网络。在低速率时,沙子在井筒附近形成沙丘,在侧向构建通道进入次生裂缝。为了在原生裂缝中使用滑溜水携带砂子运移的更远,必须形成高流态,但是随着速度增加,紊流与底形异相并且开始片状流动,从而破坏沙丘。粗粒高密度支撑剂及低速率都不足以让其与远场裂缝接触,但是如果在末端引入,能在原生裂缝中提供更大的导流性。中密度支撑剂能更进一步传输进入到原生和次生裂缝,尽管形成了更陡的沙丘。沙丘的形成限制了所有流速下支撑剂进入深部裂缝的通道。在所有流速下低密度支撑剂通过裂缝模型进行得很好。虽然为增加搬运距离和防止沙丘堆积,中到高流态的介质是合适的。此外,更细小的颗粒会增加运移距离并分散到较窄的分支裂缝中。我们推荐的滑溜水阶段设计包括细粒度斜坡、低密度支撑剂和早期阶段高速率,以便能够在远场放置支撑剂。在滑溜水阶段末期,应使用较低速率的较高密度支撑剂以填充连通到射孔的原生裂缝。

观察支撑剂流动性和转弯能力提出了关于在三级、四级裂缝中保持裂缝导流性以及随后与次级及原生裂缝保持连通性必须要多少支撑剂的几个问题。裂缝中支撑剂浓度对水力压裂支撑剂浆液斜面的设计的影响已经进行了广泛研究。我们的测试结果提供了关于远场裂缝支撑剂浓度的影响的信息,该信息被用来修改改造计划。对纵向切割的直径一英寸的Wolfcamp 泥岩岩心进行了4 项渗透性测试。每个实验包括均匀分布的三种浓度(0.085 磅/平方英尺、0.17 磅/平方英尺、0.51 磅/平方英尺)的100 目渥太华支撑剂单层,夹在两半岩心之间的粗糙断裂面中。剩余的岩心没有支撑剂。对于每个测试,所制备的岩心被置于围压为3000 磅/平方英寸(由压裂后关井压力确定)的渗透仪中。2%的KCl 溶液以低注入速率(1 毫升/分钟)流过岩心,在一个小时内防止支撑剂通过裂缝迁移来观察流体的稳定性。压差测量被用于计算实时渗透率。这种短期实验的结果是初步的,将被用于设计长期岩心流测试和支撑剂导流性评估的研究。

在裂缝网络支撑剂传输插槽中进行的9 项滑溜水测试。第一列是每种类型的支撑剂的泵入速率比较散点图。第二列是在各个泵入速率下支撑剂密度比较散点图。x 轴和y 轴分别表示原生裂缝的长度和高度。在数据系列中点的坐标是从压裂槽直接网格化获取的

没用支撑剂的岩心表明没有渗透性,这表明在Wolfcamp地层使用支撑剂的好处。随着砂浓度增加,观察到的渗透率增加并持续了60 分钟。然而,在支撑剂浓度为0.51 磅/平方英尺的测试中,1 小时之前,渗透率就完全下降了。去除时,裂缝中的填充砂被彻底冲洗出来,从而提升较低浓度的支撑剂对远场生产寿命的成效。两种较低浓度的支撑剂(0.17 和0.085 磅/平方英尺)显示了其快速稳定的性质和整体寿命。

(A:左)钻取1~2 英寸的Wolfcamp 泥岩岩心,垂直劈成两半露出里面粗糙的表面(B:右)不同浓度下渗透率随泥岩内填砂时间的变化曲线

通过结合SEM 和微CT 成像方法,作者确定了:①存储在Wolfcamp 泥岩中的烃的来源;②所有级别的裂缝是运输和生产的主要机制。因此,为确保生产寿命,尽可能多的横切地层中的有机质填充孔隙及连接裂缝非常重要。为了做到这一点,水力压裂诱导裂缝要求较长并且包含大型分支裂缝网络。实现这种大型分支裂缝网络的最佳方法是使用滑溜水或线性凝胶采用高速处理接触较大的表面积。针对Wolfcamp 支撑剂需要考虑的是,高密度支撑剂在原生裂缝中运行不佳,因其要求更高的速率或更高粘度的流体系统才能将其携带到更远的裂缝网络。要使用滑溜水将砂子携带到更远的原生裂缝,必须建立一个有较高速率的流动机制。粗粒高密度支撑剂以及低速率都不足以与远场裂缝接触;但是如果在压裂段末端时引入,可以使原生裂缝具有更大的导流性。低密度支撑剂在所有流速裂缝模型中都运移的很好。虽然,为增加运移距离,防止沙丘堆积,中到高流态的介质很合适。此外,细小的晶粒会增加运移距离并分散到较窄的次级裂缝中。作者推荐的滑溜水阶段设计包括在早期使用细粒低密度支撑剂和高速率,以便能在远场放置支撑剂。在滑溜水阶段末期,使用较低速率的较高密度支撑剂来填充原生裂缝上的射孔。

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