巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示

第34卷第2期2012年3月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol.34No.2March2012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：TE348　　　文献标识码：ALessonslearnedfromoilproductionoftightoilreservoirsinBakkenplayDOU Hongen, MA Shiying（ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China）Abstract:The ranges of permeability among low permeability, extra-low permeability and ultra-low permeability reservoirs are rede-fined, and the tight oil reservoir and low permeability reservoir are distinguished. The tight oil formation forming mechanism and development features are discussed, and the difference between Bakken tight oil reservoir and the common low permeability reservoir is pointed out. Also, the paper presents the key technologies and new knowledge of developing tight oil reservoirs in the Bakken play. The new technology and theory of developing Bakken tight oil reservoirs can provide low permeability reservoir development in China with a certain referential value. Keywords:tight oil reservoir; conceptual distinction; horizontal well; open hole multi-stage fracturing; Bakken play近年来，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（4~6）×108t可采储量的致密油藏，储量规模大，产量逐年迅猛上升，单井初期产量超过274t/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2000×104t，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1569×104t。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［1］。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：2011ZX05043-002）。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：[phone]。E-mail：douhongen　　　　　@petrochina.com.cn。121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油田开发低渗透油藏和特低渗透油藏的实践，按油层平均渗透率将低渗透油田划分为下面3类，但这个划分不同于以前研究者的划分［1］，供低渗透油藏分类研究和开发参考。（1）低渗透油田，1.0mD≤油层平均渗透率≤10mD。这类油层接近正常油层，油井具有一定的工业油流，但自然产能很低，需采取压裂措施，才能取得较好的开发效果和经济效益。（2）特低渗透油田，0.1mD≤油层平均渗透率≤1.0mD。这类油层与正常油层差别比较明显，一般束缚水饱和度增高，测井电阻率降低，正常测试，基本没有工业油流，必须采取较大型的压裂改造和其它相应措施，才能有效地投入工业开发。（3）超低渗透油田，0.05mD≤油层平均渗透率≤0.10mD。这类油层束缚水饱和度很高，没有自然产能，但通常油层较厚，埋藏较浅，原油性质较好，同时采取既能提高油井产量，又能减少投资、降低成本的有力措施，可进行工业开发，并取得一定经济效益。1.2　致密油藏致密油藏成为全球非常规石油勘探开发的关注领域，主要源自于威利斯顿盆地巴肯致密油开发的重大突破。致密油藏不同于低渗透油藏，它是伴随“非常规油气”的概念而出现的。非常规油气是相对于常规油气而提出。非常规油气主要指连续分布的油气，无明确圈闭与盖层界限，流体分异差，无统一油气水界面和压力系统，含油气饱和度差异大，油气水常多相共存［2］。2007年，由SPE、AAPG、WPC和SPEE联合发布的《石油资源管理系统》认为：连续性矿产和非常规资源基本等同。连续油气藏一般性地质特征为：缺少明显的盖层和圈闭；弥漫式富油或气；大范围分布；储层基质渗透率低；异常压力；与源岩距离较近。致密油是指以吸附或游离状态赋存于富有机质且渗透率极低的暗色灰岩、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储、连续分布的石油聚集。页岩生成的油气除部分排出并运移至砂岩或碳酸盐岩等渗透性岩石中形成常规油气藏外，大量（高达总生烃量的50%以上）在“原地”滞留，以游离烃和吸附烃的形式赋存于纳米级孔隙或微裂缝中，形成可供商业开采的致密油（气）［3］。致密油藏属于非常规油藏，而油气大面积连续分布是连续型致密油的标志性特征，因此，将储层面积作为一项考虑因素。定义致密油藏孔隙度小于12%，空气渗透率在0.001~0.05mD，含油面积大于1×104km2。2　巴肯致密油藏特征2.1　地质情况上泥盆系—下密西西比系的巴肯组位于美国最大的陆相沉积盆地—威利斯顿盆地，是美国最主要的致密油成藏组合，面积约为518000km2［4］。该层组从蒙大拿州东北部延伸到北达科他州西北角，并向北进入加拿大萨斯喀彻温省。巴肯组含油气系统包括巴肯组、下Lodgepole组和上ThreeForks组。巴肯组和ThreeForks组在盆地深部可能是整合接触关系，但沿着盆地周缘为不整合接触关系。巴肯组被Lodgepole组整合覆盖。巴肯组厚度范围从楔状体边缘到大于42.7m，其中最厚的位置在北达科他州西北部的Nesson背斜东部。威利斯顿盆地大部分的巴肯组包含3部分（图1）：（1）上部页岩；（2）中部粉砂质白云岩或白云岩化粉砂岩和砂岩；（3）下部页岩［5］。该含油气系统的烃源岩层是巴肯组上部和下部有机质丰富的页岩，储层为整个巴肯组及下Lodgepole组和上ThreeForks组。图1　威利斯顿盆地巴肯组页岩分布［6-7］2.2　油藏特征2.2.1　成藏特征　巴肯组含油气系统是在威利斯顿盆地深层形成的一个连续型油气藏［5］，具有前面有所提及连续型油气藏的所有特征。2.2.2　岩石结构特征　正如前面提到的，巴肯组含油气系统由3个不同的组——巴肯组、下Lodgepole组和上ThreeForks组，而巴肯组又可以分为3段：含致密砂岩的巴肯中段以及上下的过渡段。因此，巴肯含油气系统可以划分为5层，表1、图2给出了每层的物性［8］。石油钻采工艺　2012年3月（第34卷）第2期122表1　巴肯含油气系统各层物性层厚度/m孔隙度/%渗透率/mD14.57230.01023.04860.00534.57250.08043.65830.00554.57230.020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0.350×10−6~0.15mD，而下巴肯地层孔隙度在8.5%左右，渗透率4.5×10−3mD，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［5］。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.Mullen［9］在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［10-11］。表2　巴肯储层及流体参数参数数值孔隙度/%4渗透率/mD0.0003~3.36原始含水饱和度/%30~60API42黏度/mPa·s0.36油的体积系数1.8气体相对密度1总压缩系数/MPa−14.04E-03气油比/m3·t−11033503　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［8］。第1开发阶段（1953—1987年）：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175×104m3。平均每口井的初期产量为4.45m3/d，并预期开采1352×104m3。第2开发阶段（1987—2000年）：上巴肯层采用了水平井开发。1987年9月，Meridian石油公司在巴肯地层钻了第1口水平井，标志着第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13.7m3/d，预期最终采油量为2300×104m3。水平井产量是垂直井的2.5~3倍。第4开发阶段（2000—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（NDDMR）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