引用本文
赵军, 于春勇, 侯国文, 杨昱琦, 孟立娜, 章俊. 歧口凹陷沙一下亚段页岩油井增产措施地质影响因素分析[J]. 录井工程, 2024,35(3): 121-129.
ZHAO Jun, YU Chunyong, HOU Guowen, YANG Yuqi, MENG Lina, ZHANG Jun. Geological influence factor analysis of stimulation treatment on shale oil wells of the lower first member of Shahejie Formation in Qikou Sag[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(3): 121-129.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.03.017  
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歧口凹陷沙一下亚段页岩油井增产措施地质影响因素分析
赵军①, 于春勇②, 侯国文①, 杨昱琦①, 孟立娜①, 章俊②
①中国石油大港油田公司勘探开发研究院
②中国石油渤海钻探第一录井公司

作者简介：赵军 工程师,1988年生,2015年硕士毕业于中国地质大学（武汉）地质工程专业,现在中国石油大港油田公司勘探开发研究院主要从事油气勘探目标评价工作。通信地址：300280 天津市滨海新区海滨街道大港油田勘探开发研究院。电话：17622860836。E-mail：zhaojun58@petrochina.com.cn

收稿日期: 2024-01-29
基金: 中国石油天然气股份有限公司前瞻性基础性科技项目“成熟探区精细勘探关键技术研究”（编号：2021DJ0702）
摘要

歧口凹陷沙一下亚段混合质页岩层系发育,孔隙结构主要为微孔-介孔,其中以灰质混合页岩孔隙结构最为发育,含油性以重质稠油为主。经过措施改造后,油井普遍达到工业油流,但尚未明确影响产能的地质因素,对此需要在该区开展相关研究,指导类似油井措施改造增产。根据岩石物性、岩石岩性,以及裂缝发育程度、地层压力和断裂规模、构造形态和曲率、电性参数等数据,总结出“自然产能井”“酸化有效果井”“压裂有效果井”“酸压有效果井”所对应的地质特征,以此来指导措施改造方式的选取。研究结果表明：（1）该区孔隙度低于15%、渗透率低于0.41 mD的页岩层系需经措施改造提产;（2）“自然产能井”以邻近断裂、裂缝较为发育的灰质混合页岩、长英质页岩为主, D值（井到断裂距离与垂直断距比值）普遍小于1,断裂影响较为明显,且构造曲率较大;（3）“酸化有效果井”以灰质混合页岩、云质混合页岩为主,总体上灰质含量较高, D值2.8~7.9,断裂对地层改造程度较弱,构造曲率中等,电性参数Δ GR普遍大于20 API;（4）“压裂有效果井”的 D值为1.2~5.2时,以裂缝发育较差的云质混合页岩、长英质页岩为主, D值大于16时,断裂的影响极其微弱,以不发育裂缝的灰质混合页岩为主,“压裂有效果井”对应的构造曲率较小,电性参数Δ GR普遍小于20 API。基于不同产能井的地质因素影响分析,归纳提出“自然产能井”“酸化有效果井”“压裂有效果井”“酸压有效果井”适用的地质环境,指导该区新完钻井采取相应增产措施,改造后达到了工业油流产出标准,有效地提高了油气产量,对油田页岩层系提产具有积极的作用。

关键词: 歧口凹陷; 沙一下亚段; 页岩油; 增产措施; 地质因素; 构造特征
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Geological influence factor analysis of stimulation treatment on shale oil wells of the lower first member of Shahejie Formation in Qikou Sag
ZHAO Jun①, YU Chunyong②, HOU Guowen①, YANG Yuqi①, MENG Lina①, ZHANG Jun②
①Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280, China
②No.1 Mud Logging Company, BHDC,CNPC,Tianjin 300280,China
Abstract

In the Qikou Sag of Bohai Bay Basin, the hybrid shale layer is developed, and the pore structure is mainly microporous and mesoporous, among which the pore structure of the calcareous hybrid shale is the most developed, and the oil content is mainly heavy crude oil. After the reconstruction of measures, the oil wells generally reach the industrial oil flow, but the geological factors influencing the productivity are not clear, so it is necessary to carry out relevant research in this area to guide the stimulation of similar oil wells. According to the data of rock physical property, rock lithology and fracture development degree, formation pressure and fracture scale, structural morphology and curvature, electrical parameters, etc., the corresponding geological characteristics of "natural productive wells" "acidizing effective wells" "fracturing effective wells" and "acid fracturing effective wells" are summarized to guide the selection of transformation methods. The results are obtained in four aspects. First, shale layers with porosity lower than 15% and permeability lower than 0.41 mD in this area need to be reformed to improve production. Second, "natural productive wells" are dominated by gray mixed shales and felsic shales with relatively developed adjacent faults and fractures. The D value （ratio of the distance from well to fault to vertical fault distance） is generally less than 1, and the influence of faults is obvious and the structural curvature is large. Third, acidizing effective wells are mainly composed of calcareous hybrid shale and dolomitic hybrid shale, with high calcareous content in general, D value of 2.8-7.9, weak degree of formation transformation by faults, medium structural curvature, and electrical parameterΔ GR generally greater than 20 API. Fourth, when the D value of "fracturing effective wells" is 1.2-5.2,dolomitic hybrid shale and felsic shale with poor fracture development are the main ones. When D value is greater than 16, the influence of faults is very weak, and the calcareous hybrid shale without fractures is the main one. The structural curvature corresponding to the well with effective fracturing is small, and the electrical parameterΔ GR is generally less than 20 API. According to the analysis of geological factors of different productive wells, the geological environment suitable for "natural productive wells" "acidizing effective wells" "fracturing effective wells" and "acid fracturing effective wells" is put forward to guide the newly completed drilling in the area to take stimulation treatment, and after the transformation, the industrial oil flow standard is reached, and the oil and gas production is effectively increased, which has a positive effect on the production of shale layers in the oilfield.

Keyword: Qikou Sag; the lower first member of Shahejie Formation; shale oil; stimulation treatment; geological factor; tectonic characteristics
0 引言

近些年来, 随着非常规油气勘探开发技术的进步, 非常规油气资源占比呈现逐年增加的趋势[1]; 面对常规油气资源剩余潜力逐渐减少, 勘探难度越来越大的情况, 非常规油气资源可作为化石燃料接替能源。页岩油（气）作为重要的非常规油气能源之一, 在国内各油田相继取得重大进展和成果[2, 3, 4, 5], 对油气产能贡献的地位越来越突出。在页岩油（气）井增产措施效果领域的研究多集中在提高油（气）井产能层面, 即从页岩岩相类别[6]、构造变形程度[7]、天然裂缝发育强度[8]、不同岩性应力敏感性[9]等方面进行论证分析, 通过一系列的数学算法来提取主控因素[10, 11], 并按照影响程度排序, 但是尚未对不同类型的页岩层系产能井进行区分。

目前, 页岩油（气）开发井型以水平井为主, 单井产量较高, 具备一定的经济效益。但在页岩油（气）勘探开发工作起步之前, 歧口凹陷存在一批钻遇页岩层系的直井或斜井, 根据试油、压裂和酸化资料, 将其划分为“ 自然产能井” 和“ 非自然产能井” 。“ 自然产能井” 是指射孔后试油达到陆地上最低工业油流标准的井; “ 非自然产能井” 是指射孔后采取措施进行改造后, 试油达到陆地上最低工业油流标准的井, 包括“ 酸化有效果井” “ 压裂有效果井” 和“ 酸压有效果井” 3种类型, 不包括厚度或措施效果达不到经济效益的井。针对不同类型页岩层系油（气）产能井, 地质影响因素分析方面的相关研究较少见诸报道。

本文研究基于直井或斜井揭示的歧口凹陷沙一下亚段（简称“ 沙一下” ）页岩资料, 从地质因素方面分析“ 自然产能井” “ 酸化有效果井” “ 压裂有效果井” 和“ 酸压有效果井” 的特征, 为类似区块钻遇页岩层系的直井、斜井和水平井采取酸化、压裂等增产技术措施提供参考意见, 实现油田精细化生产。

1 区域地质概况

歧口凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的东北部, 发育歧口主凹、北塘斜坡区、板桥斜坡区、歧北斜坡区、歧南斜坡区和埕北断坡区6个次级构造单元（图1）, 斜坡区缓坡带约占凹陷面积的70%[12], 本次以渤海湾盆地歧口凹陷歧北斜坡区和歧南斜坡区为主要研究区域。歧北、歧南斜坡区沙一下广泛发育页岩层系, 沉积期气候温暖湿润, 处于湖盆扩张早期的初始湖泛期, 水体逐渐加深, 本区古地貌呈低丘广湖特征[13], 由于水体清澈且较浅, 营养物质丰富, 水生生物繁盛, 在宽缓湖湾、水体深度、暖湿气候、水生生物等因素的共同作用下, 湖水发生咸化, 在该区形成灰云坪、云灰坪沉积, 颗石藻的勃发佐证了当时高盐度的沉积环境[14]。

图1 渤海湾盆地歧口凹陷区域地质概况及地层综合柱状图

2 岩石结构及含油性
2.1 岩石结构

根据沙一下岩石分类三角图板（图2）, 页岩层系主要分为云灰（灰云）质、黏土质、长英质、混合质页岩4种。根据岩石矿物含量差异, 上述4种页岩可进一步细分, 其中在混合质页岩中, 若长英质矿物含量为33.3%~50%, 定名为长英质混合页岩; 碳酸盐矿物含量为33.3%~50%, 定名为碳酸盐质混合页岩, 碳酸盐质混合页岩可进一步划分为灰质混合页岩（灰质含量高于白云质）和云质混合页岩（白云质含量高于灰质含量）; 黏土矿物含量为33.3%~50%, 定名为黏土质混合页岩[13]。沙一下岩性以混合质页岩为主, 其次发育云灰质页岩、长英质页岩和黏土质页岩。

图2 歧口凹陷西南缘沙一下岩石分类三角图板

沙一下页岩层系主要发育微孔-介孔结构。其中, 白云岩以2~60 nm微孔和0.1~0.3 μ m小孔为主; 云质页岩以2~20 nm微孔和0.5~0.8 μ m小孔为主; 云质混合页岩以20~100 nm微孔和0.1~1.0 μ m小孔为主; 灰质混合页岩以2~100 nm微孔和0.1~1.0 μ m小孔为主; 长英质页岩发育10~100 nm微孔、100~130 nm小孔和1~10 nm中孔; 黏土质混合页岩以0.2~40 nm微孔为主。总体上, 灰质混合页岩孔隙结构最为发育, 其次为白云岩、云质页岩和云质混合页岩, 黏土质混合页岩孔隙结构发育较差。

2.2 含油性分析

利用TSF全息扫描荧光光谱（图3）, 根据波长连续变化的激发光而扫描得到的发射光谱及其荧光强度可知, 沙一下页岩层系（以C 54X1井为例）内部赋存烃类主要位于350~400 nm发射波长范围内, 以中质油成分为主, 且不存在混源特征。

图3 歧口凹陷西南缘C 54X1井沙一下不同岩性荧光TSF光谱图所对应的油质类型

3 影响页岩油井增产措施效果的地质因素
3.1 物性条件的影响

由图4可知, “ 自然产能井” 具备较高的孔隙度和渗透率特征, 孔隙度普遍大于15%, 渗透率集中在0.16~0.72 mD, 其物性较好, 为油气提供了丰富的运移通道和充足的储集空间。“ 酸化有效果井” 和“ 压裂有效果井” 的物性大致相当：“ 酸化有效果井” 的孔隙度主要分布在5.1%~18.3%之间, 渗透率介于0.01~0.41 mD; “ 压裂有效果井” 的孔隙度主要分布在3.3%~13.1%之间, 渗透率介于0.03~0.26 mD。“ 酸化有效果井” 和“ 压裂有效果井” 物性较差, 需要采取酸化、压裂措施, 在地层中形成人工裂缝网络系统, 沟通各个孤立孔隙空间, 为油气运移建立起有效的渗流通道。因此, 针对该区页岩层系孔隙度低于15%、渗透率低于0.41 mD的页岩层系, 需要采取酸化或压裂措施予以改造, 通过制造人工裂缝实现页岩层系的有效开发。

图4 沙一下页岩层系不同产能井的岩石物性分布特征

3.2 岩石岩性和岩石裂缝发育程度的影响

该区沙一下页岩层系混合质页岩脆性矿物含量为53%~83%, 平均71.2%; 灰云质页岩脆性矿物含量为79%~85%, 平均81.8%; 长英质页岩脆性矿物含量为67%~87%, 平均73.8%（图5）。总体上, 该区页岩层系的脆性矿物含量较高, 为压裂、酸化及酸压措施改造提供了物质基础。如图6所示, 可知各种产能井的岩石岩性分布特征, 以此建立产能井类型与岩石岩性的关系。

图5 沙一下页岩层系各类岩石脆性矿物含量分布特征

图6 沙一下措施井岩性分布特征

该区发育张性断裂, 通常在断裂附近会伴生微裂缝, 微裂缝延伸距离和发育强度受到断裂规模、岩石性质等多重因素的控制。由于微裂缝空间展布的复杂性, 单一因素难以判别微裂缝的规模和强度, 本文采用产能井类型与井到断裂距离和垂直断距的比值（简称D值）建立相关关系, 以此等效表征断裂附近不同类型产能井受到断裂、微裂缝的综合贡献程度。

（1）“ 自然产能井” 以发育脆性矿物含量较高的灰质混合页岩、长英质页岩为主（图6）, “ 自然产能井” D值相对于其他类型产能井较小, 介于0.2~0.9之间（表1）, 表明平面上0.2~0.9倍断距的范围内, 微裂缝较为发育, 地层渗流能力较强, 为油气运移、聚集提供通道和空间, 因此更容易形成“ 自然产能井” 。

表1 歧口凹陷西南缘沙一下典型措施井地质参数数据

（2）“ 酸化有效果井” 以灰质混合页岩、云质混合页岩为主, 由于灰质混合页岩中灰质含量较高, 酸化措施改造更有助于拓展孔隙网络空间, 形成新的油气运移通道; 尽管云质混合页岩中白云质含量高于灰质, 但是云质混合页岩中的灰质依旧可以被酸化措施改造, 增强孔隙网络空间。

（3）“ 压裂有效果井” 以云质混合页岩、灰质混合页岩、长英质页岩为主（图6）。D值为1.2~5.2时, “ 压裂有效果井” 的储层主要为云质混合页岩、长英质页岩（表1）, 该类型井附近的断裂活动性较弱, 未在地层中形成明显的微裂缝, 且该类型井的云质混合页岩中的灰质含量较低, 因此适合采用压裂改造。D值大于16的“ 压裂有效果井” 储层主要为灰质混合页岩（表1）, 其脆性指数较高, 由于断裂规模较小, 钻井与断裂之间的距离很大, 导致断裂活动对地层的影响极其微弱, 需要压裂产生人工裂缝。

（4）“ 酸压有效果井” 以云质混合页岩和灰质混合页岩为主, D值为4.0~8.0（表1）, 断裂规模较小, 且钻井与断裂之间的距离较大, 导致在地层中未形成明显的微裂缝, 且灰质含量相对较高, 适合酸压改造。

3.3 地层压力和断裂规模的影响

根据地层压力系数以及D值, 分析地层压力和断裂规模对页岩油井增产措施实施效果的影响（表1）。

（1）“ 自然产能井” 的D值基本小于1, 当D值在0~0.8之间时, 超压普遍发育, 油气充注程度较高; 当D值在0.8~1.0之间时, 地层多为常压状态, 油气充注程度较低。当“ 自然产能井” 到断裂的距离较远时, 由于垂直断距较大（即断裂规模较大）, 较大规模的断裂对远距离地层的改造作用依然较为强烈, 仍可在页岩层系内形成较好的渗流通道和储集空间。当“ 自然产能井” 附近断裂的断距较小时（即断裂规模较小）, 由于钻井到断裂的距离较近, 导致断裂仍可影响邻近地层。

（2）“ 酸化有效果井” 的D值介于2.8~7.9之间, 垂直断距普遍小于80 m, 井到断裂的距离普遍大于150 m, 断裂对邻近地层的改造能力较弱, 且地层以常压为主。由于岩性中灰质含量较高, 适合采取酸化措施改造, 形成油气疏导通道。

（3）“ 压裂有效果井” 的D值呈现两极分化的特征, 如前所述, 当D值为1.2~5.2时, 对应岩性主要为云质混合页岩、长英质页岩, 总体上灰质含量较低, 且裂缝发育程度较差; 当D值大于16时, 邻近断裂的垂直断距较小, 井到断裂距离较大, 断裂活动对该区域地层影响甚微, 虽然对应岩性主要为灰质混合页岩, 但仍需要压裂措施改造, 以形成人工裂缝网络系统。

（4）“ 酸压有效果井” 的D值在4.0~8.0之间, 垂直断距4~18 m, 井到断裂距离24~130 m, 总体上断裂发育规模较小, 对邻近地层的影响作用有限, 导致天然裂缝不发育或发育极差, 岩性以灰质混合页岩和云质混合页岩为主, 总体上灰质含量较高, 适合酸压措施改造。

3.4 构造形态和曲率特征的影响

不同产能井钻遇地层的构造形态和曲率特征表明, 在微隆起构造区, 产能井对应的曲率由大到小依次是：“ 自然产能井” “ 酸化有效果井” “ 压裂有效果井” “ 酸压有效果井” 。在单斜构造区, “ 自然产能井” 对应的曲率高于“ 压裂有效果井” “ 酸化有效果井” , 且“ 酸压有效果井” 的曲率最低（图7）。具体如下：

图7 沙一下措施页岩油井钻遇构造及曲率分布特征

（1）“ 自然产能井” 位于背斜、微隆起和单斜构造上, 其背斜曲率为29.5~14.1 m-1, 微隆起曲率为56.9~17.6 m-1, 单斜曲率为18.6~14.7 m-1, 对应高曲率, 曲率高于14 m-1, 更有利于裂缝的发育, 是油气有利的聚集区。

（2）“ 酸化有效果井” 位于背斜、微隆起和单斜构造上, 其背斜曲率为13.2~12.9 m-1, 微隆起曲率为13.3~8.9 m-1, 单斜曲率在6 m-1左右, 对应中等曲率, 曲率介于14~12 m-1之间, 裂缝发育程度中等, 且由于岩性为灰质混合页岩和云质混合页岩, 灰质含量相对较高, 因此采取酸化措施改造可强化孔缝或形成新的孔缝。

（3）“ 压裂有效果井” 位于背斜、微隆起、单斜、向斜构造上, 由于向斜构造区发育挤压应力, 导致岩石物性较差, 更加适合压裂措施改造。在背斜构造区, 发育拉张应力, 通常裂缝较为发育, 背斜曲率为4.2~3.6 m-1, 微隆起曲率为8.4~7.9 m-1, 单斜曲率为13.8~1.4 m-1, 向斜曲率为21.4~12.1 m-1, 对应低曲率构造, 曲率集中在12~3.5 m-1之间, 裂缝发育较差, 需要通过压裂措施形成人工裂缝。

（4）“ 酸压有效果井” 位于微隆起、单斜、向斜构造上, 相较于其他类型产能井, “ 酸压有效果井” 在微隆起、单斜构造上的曲率均最低, 为6~3 m-1之间; 向斜曲率为15 m-1左右。总体上“ 酸压有效果井” 对应的构造曲率最低, 地层中裂缝发育程度弱或不发育, 又因为岩石中灰质含量较高, 所以通过采取酸压措施形成人工裂缝网络系统。

3.5 电性参数的影响

通过提取不同产能井射孔井段的电性参数, 分区建立电性参数ΔGR（自然伽马GR与泥岩基线的差值）和电阻率（RT）交会分布图（图8）。针对歧北斜坡区和歧南斜坡区进行分析可知：当ΔGR< 20 API时, 采取压裂措施对油层改造具有明显的效果, 生产实践表明, 该区压裂措施改造时, 压裂液> 200 m3, 加砂15~30 m³ , 以中密度陶粒0.3~0.9 mm为主, 反排率47.3%~78.7%; 当ΔGR> 20 API时, 该区对地层的改造应采取酸化或酸压的方式, 由于碳酸盐岩含量高, 酸溶蚀率高, 歧北-歧南斜坡区酸液用量215~320 m³ , 酸化效果好。由于歧南斜坡区和歧北斜坡区的沉积地层存在着差异性, 歧北斜坡区RT< 4 Ω · m时, 主要应采取酸压措施改造油层; RT> 4 Ω · m时, 采取酸化措施。歧南斜坡区RT< 5.5 Ω · m时, 应采取酸压措施改造; RT> 5.5 Ω · m时, 采取酸化措施。

图8 歧北和歧南斜坡区电性参数Δ GR和RT交会分布图

4 实例分析
4.1 C 54X1井

C 54X1井位于沙一下的向斜构造上, 构造曲率为12.4 m-1; 试油井段为3 196.9~3 214.4 m, 5.8 m/6层; 试油井段上部以云质混合页岩为主, 下部以灰质混合页岩为主。该井段平均孔隙度2.01%, 平均渗透率0.009 5 mD, 电性参数Δ GR为15 API, RT为9 Ω · m（图9）。根据向斜构造和电性参数特征, 该试油井段采取压裂措施改造油层。压裂前产水1.48 m³ /d, 压裂后产油5 t/d, 压裂措施改造效果明显。鉴于试油井段含有一定数量的灰质组分, 且电阻率数值较高, 建议后期采取酸化措施提产。

图9 C 54X1井岩性综合柱状图

4.2 Q 15-14井

Q 15-14井位于沙一下的背斜构造上, 构造曲率为13.0 m-1; 试油井段为2 652.0~2 660.0 m, 8.0 m/1层, 产油7.656 t/d, 为“ 自然产能井” ; 试油井段岩性以白云质灰岩为主, 平均孔隙度16%, 平均渗透率66 mD; 该井距离断裂约180 m, 邻近断裂垂直断距约500 m, D值约0.36; 电性参数Δ GR为31 API, RT为19.6 Ω · m。综合考虑该井目的层的构造曲率、岩性、电性等参数, 认为该井适合酸化提产, 油管注入酸量322 m3（31%盐酸100 t）, 挤入154 m3, 实排量204.69 m3, 酸化后水力泵排, 初期产油28.35 t/d, 产水9.84 m³ /d, 累计产油4 136 t, 累计产水2 249 m³ 。酸化后沟通了裂缝带, 达到了提产效果。

5 结论

通过分析不同类型产能井的岩石物性、岩性和裂缝发育程度、地层压力和断裂规模、构造形态和曲率、电性参数等地质数据, 明确了“ 自然产能井” “ 酸化有效果井” “ 压裂有效果井” 和“ 酸压有效果井” 对应的地质特征, 为页岩层系措施改造提供了针对性的指导意见。

研究结果表明：“ 自然产能井” 物性好, “ 井到断裂距离” 和“ 垂直断距” 的比值（D值）普遍小于1, 一般位于背斜和微隆起构造上, 且构造曲率较大; “ 酸化有效果井” 的岩性以灰质混合页岩和偏灰质的云质混合页岩为主, 邻近断裂的垂直断距普遍小于80 m, 构造曲率介于“ 自然产能井” 和“ 压裂有效果井” 之间; “ 压裂有效果井” 一般与断裂的距离较远, 超压普遍发育, 通常位于向斜构造和构造曲率较低的背斜、微隆起上, 且电性参数Δ GR通常小于20 API。

编辑 孔宪青

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