鄂尔多斯盆地长7段纹层型页岩油工程甜点评价

陈文斌 ,  马兵 ,  曹炜 ,  徐创朝 ,  朱海燕 ,  张兆鹏 ,  计鹏程

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9866-9873

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9866-9873 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506121
石油、天然气工业

鄂尔多斯盆地长7段纹层型页岩油工程甜点评价

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Engineering Sweet Spot Evaluation of Laminated Shale Oil in Chang 7 Member of Ordos Basin

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摘要

鄂尔多斯盆地长7段页岩油储层岩性纵向变化快且纹层发育,非均质性较强,导致目标层位工程甜点准确评价难度较大。针对上述问题,提出了一种用于纹层页岩油储层工程甜点的新型评价模型。通过引入纹层弱面开启指数和弱面密度指数来表示纹层对复杂水力裂缝空间分布的影响,建立了一个工程甜点指数的多尺度计算模型,将纹层弱面开启指数和弱面密度指数、矿物脆性指数、岩心脆性指数,以及水平应力差异系数结合,来评估储层的可压裂性,并用裂缝形态反演和微地震监测数据对工程甜点指数模型进行了验证。最后对鄂尔多斯盆地延长组长7段A井区各井进行工程甜点评价。结果显示,在工程甜点指数模型中,纹层弱面开启指数、纹层弱面密度指数、矿物脆性指数、岩心脆性指数和水平应力差异系数的权重分别为0.24、0.22、0.19、0.18和0.17。预测的工程甜点指数与反演的裂缝几何形态和微地震监测数据的匹配率超过90%,各生产井可根据工程甜点指数合理优化射孔位置。研究结论为纹层页岩油储层的射孔簇布局以及施工参数优化提供了有价值的指导。

Abstract

Rapid vertical lithological variations and well-developed laminae are exhibited in the shale oil reservoir of the Chang 7 Member in the Ordos Basin, leading to strong heterogeneity. As a result, great challenges are posed to the accurate evaluation of engineering sweet spots in target layers. To address these problems, a novel evaluation model for engineering sweet spots in laminated shale oil reservoirs was proposed. By introducing the laminae weakness opening index and weakness density index to characterize the influence of laminae on the spatial distribution of complex hydraulic fractures, a multi-scale computational model for the engineering sweet spot index was established. This model integrated the laminae weakness opening index, weakness density index, mineral brittleness index, core brittleness index, and horizontal stress difference coefficient to assess the reservoir fracturability. Validation of the engineering sweet spot index model was performed using fracture morphology inversion and microseismic monitoring data. Finally, engineering sweet spot evaluation was carried out for wells in the A well area of the Chang 7 Member of the Yanchang Formation in the Ordos Basin. The results indicate that in the engineering sweet spot index model, the weights assigned to the laminae weakness opening index, weakness density index, mineral brittleness index, core brittleness index, and horizontal stress difference coefficient are 0.24, 0.22, 0.19, 0.18, and 0.17, respectively. The predicted engineering sweet spot index achieves a match rate of over 90% with the inverted fracture geometry and microseismic monitoring data. Based on the engineering sweet spot index, rational optimization of perforation locations for production wells can be realized. The results provide valuable guidance for the design of perforation cluster placement and the optimization of operational parameters in laminated shale oil reservoirs.

Graphical abstract

关键词

页岩油 / 纹层弱面 / 多尺度 / 工程甜点 / 储层评价

Key words

shale oil / laminae weak surface / multi-scale / engineering sweet spot / reservoir evaluation

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陈文斌, 马兵, 曹炜, 徐创朝, 朱海燕, 张兆鹏, 计鹏程. 鄂尔多斯盆地长7段纹层型页岩油工程甜点评价[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 9866-9873 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506121
CHEN Wen-bin, MA Bing, CAO Wei, XU Chuang-chao, ZHU Hai-yan, ZHANG Zhao-peng, JI Peng-cheng. Engineering Sweet Spot Evaluation of Laminated Shale Oil in Chang 7 Member of Ordos Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 9866-9873 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506121

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鄂尔多斯盆地页岩油资源丰富,其中陇东地区庆城油田长7段页岩油采用“小井距、大井丛、多层系、立体式、工厂化作业以及密切割体积压裂”等生产方式,近年来,该区页岩油勘探开发取得了突破性进展,实现了大规模生产。2021年,庆城油田页岩油产量达到131.6×104 t,建成了中国第一个百万吨级页岩油示范性油田[1]。但由于长7段页岩油纹层发育导致储层在纵横向分布上呈现强非均质性,准确识别其工程甜点,对于水平井压裂段和射孔簇的有效部署,以及确保压裂后的稳定高产至关重要且具有一定的挑战性。
大量学者对页岩油工程甜点评价展开了各项研究。郭海萱等[2]认为页岩储层的工程甜点并非指是否适合压裂,而是指压裂过程中容易形成复杂缝网。Su等[3]认为工程甜点表示页岩在生成复杂缝网且能保证导流能力的情况下形成更好的改造体积。Fang等[4]认为工程甜点是页岩能够被有效压裂的指标。Guo等[5]认为在压裂改造中工程甜点区域通常会形成复杂裂缝系统,是页岩储层压裂难易程度的表征。李曙光等[6]定义的工程甜点是评价储层是否易于改造的指标。廖东良[7]认为目前地质甜点和工程甜点之间的相互关系不明确,需要从储层破裂形式(张性破裂和剪切破裂)来研究储层的可压裂性,进而优选压裂层段。魏志鹏等[8]通过预测裂缝发育位置以及脆性分布指数判断储层可压性,从而可以得到工程甜点有利区。陈超等[9]认为工程甜点影响因素主要为脆性、裂缝及地应力差。赵金洲等[10]认为工程甜点主要指岩石本身矿物脆性、力学脆性和地质特征(天然弱面等)的综合表现,是储层是否容易得到有效改造的评价指标。朱海燕等[11]认为工程甜点是岩石矿物脆性、岩石力学脆性和储层条件的综合表现,因此建立了岩心-井眼-储层多尺度的致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。郝运轻等[12]认为可压性是储层能够被有效压裂的基本性质。另外,张兵等[13]以鄂尔多斯盆地神府南区致密砂岩气藏为研究对象,形成了穿煤层双甜点二次优选评价技术。朱海燕等[14]充分考虑页岩油气富集、可动性、页岩纹层发育情况等特征,建立了考虑“岩屑—岩心—井眼—储层”的“地质—工程”双甜点评价模型。万有余等[15]通过实验确定了柴达木盆地英雄岭页岩油储层中纹层状页岩是最优的甜点储层。
对于页岩油储层,找准工程双甜点是实现页岩油有效开发的前提。中国鄂尔多斯盆地延长组长7段拥有丰富的陆相页岩油储量,但储层纹层发育导致非均质性强,砂岩、泥岩、页岩互层,垂向岩性变化快。这些复杂的地质特征给目标储层的工程甜点评价带来了困难,从而限制了页岩油资源的高效开发。因此纹层对长7段页岩油工程甜点评价至关重要,它很大程度上会限制水力压裂裂缝的扩展。因此,针对纹层型页岩油提出纹层弱面开启指数(井眼尺度)、纹层弱面密度指数(井眼尺度),再结合岩石矿物脆性指数(岩屑尺度)、岩心脆性指数(岩心尺度)和水平应力差异指数(储层尺度),提出一种考虑纹层弱面影响的页岩油多尺度工程甜点评价新方法。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是内陆河湖相多旋回沉积盆地,发育于古生代华北克拉通盆地基础之上叠合的中生代三叠纪-早白垩世,晚三叠世时期为巨型坳陷型盆地,油气资源禀赋巨大[16]。该盆地在晚三叠世经历了由海陆过渡相向陆相湖盆的沉积环境转变,形成了以河湖三角洲碎屑沉积为主的延长组,岩性上包括凝灰岩夹层、泥岩、粉砂岩和细砂岩(图1[17])。延长组由下至上划分为10个油层组(长1段~长10段)[18],其地层剖面展露好、发育较完整,是中国陆相三叠系地层的代表。研究区位于鄂尔多斯盆地中南部,区域构造形态不对称,地质条件复杂多样,非均质特征明显,纵向多岩性互层(图2),页岩整体发育于深湖-半深湖沉积环境,水体深度整体上由西南向东北方向逐渐变浅,展布范围由长73亚段到长71亚段逐渐变小。鄂尔多斯盆地东南部延长组长7段发育优质的富有机质页岩,具有分布范围广、生烃条件好、有机质丰度高、储集空间发育等特点,且纹层发育良好,纵向上可分为厚纹层(厚度1~10 cm)、中纹层(厚度1 mm~1 cm)和薄纹层(厚度小于1 mm)3种不同类型的纹层(图3),是非常规油气勘探的重要层系,也是中国页岩油勘探和开发的主阵地[18]。

由于长7段页岩储层纹层十分发育,储层非均质性强,砂岩、泥岩、页岩互层,垂向岩性变化快,这对工程甜点评价带来极大的困难,常规工程甜点评价方法无法适用于纹层型页岩油。因此,针对纹层提出纹层弱面开启指数以及纹层弱面密度指数两项参数,再结合岩石矿物脆性指数、岩心脆性指数和水平应力差异指数,提出一种适用于纹层型页岩油的考虑纹层弱面影响的页岩油多尺度工程甜点评价新方法。

2 工程甜点评价方法

2.1 纹层弱面开启指数

页岩纹层弱面指页岩中力学强度明显低于页岩基质的层间界面。这些界面胶结弱、摩擦系数低、抗剪强度差。在水力压裂过程中,水力裂缝的扩展会受到弱面的影响,水力裂缝是穿过弱面还是被弱面捕获、弱面能否再次开启等问题都取决于裂缝尖端受到的三向应力状态、弱面产状、表面摩擦系数、储层岩石本身的内聚力以及其力学性质,只有当弱面所受剪切应力大于剪切破坏的临界值时弱面才会开启,形成较为复杂的裂缝系统。弱面的剪切破坏的临界压力值与工程甜点评价紧密相关,具体剪切破坏受力示意图如图4所示。临界值过大会使裂缝只能穿层扩展,过小则会使裂缝单纯沿层理扩展,因此适中的临界值才能使裂缝既能穿层又能沿层理扩展,后续公式中则考虑将平均值作为临界值。纹层弱面开启指数可表征弱面的剪切破坏对工程甜点评价的影响,由岩石内聚力c、岩石内摩擦角ϕ和法向应力σn计算所得,见式(1)~式(5)。该指数越大,弱面剪切破坏的临界压力值越适中,对储层改造越有利。

$ \tau=c+\sigma_{\mathrm{n}} \tan \varphi$
$ \begin{aligned}c= & 0.00544 \rho^{2} v_{\mathrm{p}}^{4}\left(1-2 \mu_{\mathrm{d}}\right)\left(\frac{1+\mu_{\mathrm{d}}}{1-\mu_{\mathrm{d}}}\right)^{2} \times \\& \left(1+0.78 V_{\mathrm{sh}}\right)\end{aligned}$
$ \varphi=90-\frac{360}{\pi} \arctan (1 / \sqrt{4.73-0.098 \Phi})$
$ \sigma_{\mathrm{h}} \sin ^{2} \gamma \cos ^{2} \beta$
$ \tau_{\mathrm{n}}=1-\left|\frac{\tau-\tau_{\text {ave }}}{\tau_{\max }-\tau_{\min }}\right|$

式中:τ为弱面剪切破坏临界压力值[19],MPa;c为岩石内聚力,MPa;σn为法向应力[10],MPa;γ为天然弱面倾角,为0°~90°;β为天然弱面与最大水平主应力的夹角,为0°~90°,水平弱面时γ = β = 0°;σn等于储层垂向应力;ρ为岩石密度,g/cm3;vp为波速,m/s;μd为泊松比;ϕ为岩石内摩擦角,为0°~90°;Vsh为泥质含量;Φ为孔隙度,岩石内聚力和内摩擦角均可由测井解释资料计算所得;τn为纹层弱面开启指数; τave、τmax和τmin分别为平均、最大和最小弱面剪切破坏临界压力值,MPa。

2.2 纹层弱面密度指数

纹层弱面密度指数可以表征单位体积内储层纹层弱面的数量,纹层弱面数量较少时水力裂缝会难以沿横向扩展,而高纹层密度会使水力裂缝多数沿层理延伸,难以沿纵向扩展,因此中等纹层密度为最优,能使水力裂缝既能穿层又能沿层理扩展。由前期所做声波实验得出,砂质含量较高的地层对应声波时差较小值(700 ~ 900 m/s),泥质含量较高的地层则对应声波时差较大值(1 300 ~ 1 500 m/s),而含纹层弱面地层则对应声波时差中间值(图5),即可利用声波测井结果开展泥岩纹层弱面密度表征,该指数越大则说明纹层弱面密度越适中。该公式为

$ \rho_{\mathrm{n}}=1-\left\lvert\, \frac{\Delta t-\Delta t_{\text {ave }}}{\Delta t_{\max }-\Delta t_{\min } \mid}\right.$

式(6)中:ρn为纹层弱面密度指数;Δt为声波时差,μm/s;Δtave、Δtmax和Δtmin分别为声波时差的平均、最大和最小值,μm/s。

2.3 储层多尺度工程甜点评价模型

压裂改造是否位于优质的工程甜点处是能否进行有效压裂改造的关键,综合以上两种评价参数,借鉴朱海燕等[20]提出的工程甜点评价方法,结合岩石矿物脆性指数[21][式(7)]、岩心脆性指数[22][式(8)]以及水平应力差异系数[23][式(9)]等页岩油工程甜点影响因素,定义出考虑纹层弱面影响的页岩油多尺度工程甜点评价模型[式(10)]。

$ B_{\mathrm{bri}}=\frac{W_{\mathrm{QFM}}+W_{\mathrm{CAR}}}{W_{\mathrm{TOT}}}$

式(7)中:Bbri为岩石矿物脆性指数;WQFM为硅酸盐脆性矿物总含量(包括石英、长石、脆性云母等);WCAR为碳酸盐脆性矿物总含量;WTOT为矿物总含量。

$ B_{\mathrm{I}}=\frac{1}{2}\left(\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}+\frac{\nu_{\max }-\nu}{\nu_{\max }-\nu_{\min }}\right)$

式(8)中:BI为岩心脆性指数;E为动态杨氏模量,GPa;Emax、Emin为动态杨氏模量的最大值、最小值,GPa;ν为动态泊松比;νmax、νmin为最大、最小的动态泊松比。

$ K_{\mathrm{n}}=1-\frac{\sigma_{\mathrm{H}}-\sigma_{\mathrm{h}}}{\sigma_{\mathrm{h}}}$

式(9)中:Kn为水平应力差异系数;σH为最大水平主应力,MPa;σh为最小水平主应力,MPa。

$ F_{\mathrm{I}}=\omega_{1} \tau_{\mathrm{n}}+\omega_{2} \rho_{\mathrm{n}}+\omega_{3} B_{\mathrm{bri}}+\omega_{4} B_{\mathrm{I}}+\omega_{5} K_{\mathrm{n}}$

式(10)中:FI为综合工程甜点指数;ωi为权重系数,在没有实际现场数据的情况下采用平均分配,ω1~ω5之和为1,后续可根据实际压裂数据进行权重系数修正。

3 工程甜点系数校正

利用ZFRAC软件建立水平井分段多簇压裂模型,基于目标井现场压裂分段分簇设计方案,整理射孔顶深、射孔底深、压裂级和孔眼数量等数据,完成目标井全井段真实压裂分段分簇方案设计。基于目标井现场压裂泵注方案,整理压裂液、支撑剂、排量、液量、加砂浓度等参数,完成目标井全井段真实泵注程序方案设计,进行裂缝形态反演。以HH151-A井为例,针对HH151-A井每段压裂模拟结果进行净压力拟合,获得各段裂缝扩展形态数据,进行工程甜点准确校验。

华H151-A井单段拟合平均缝长在50~160 m,工程甜点与平均缝长发展在部分地方存在误差,如在第5、8、12、17~20段匹配性不足,在第1~3、9~11段匹配性较好,全井段符合率为54.2%,采用试错法对工程甜点系数进行调整后(表1),该井各压裂段工程甜点指数与压裂缝长的匹配度升至91.7%,仅有第17段匹配性较差,工程甜点模型结果基本准确(图6)。

用另外典型井(LY1H井)的产液剖面来验证调整后的工程甜点模型如图7所示,发现该井的单段产液百分比为0~ 8%,且多数压裂段产液占比在4%及以下,分布较为不均。单段工程甜点与产液剖面发展匹配度达到90.3%,仅在第3、4、6段匹配性有待提高,调整后的工程甜点模型结果基本准确。

4 模型应用

华H151-B井位于庆城油田环县区块南部,构造为鄂尔多斯盆地陕北斜坡,目的层位为长71,其完钻井深为3 930 m,水平段长为1 410 m,水平段未发育断层,于2022年5月16日开钻,2022年6月9日完钻。

运用校正后的模型系数,融合上述5项评价参数,绘制了HH151-B井的评价参数剖面和工程甜点指数剖面,如图8所示。可见矿物脆性指数、纹层弱面开启指数和水平应力差异指数变化较大,有明显的波动,表现出储层砂泥岩变化明显,但地层应力环境较为均匀;岩心脆性指数和纹层弱面密度指数相对稳定,表明纹层弱面的密集程度较为一致。不同指标在剖面中的变化趋势和稳定性各不相同,这些指标能够为甜点评价提供参考,帮助识别高甜点区域。

基于工程甜点段可优化分段布簇设计,该井工程甜点指数曲线及实际射孔位置如图9所示,在工程甜点2 500~2 780 m、3 100~3 450 m以及3 620~3 900 m等段密集射孔,在非工程甜点例如2 900~3 050 m,以及3 500~3 620 m等段不射孔或者减少射孔,具体分段布簇设计如表2所示。

结合微地震数据与工程甜点指数对比(图10)可以看出,该井第14~24段微地震事件数最大为89,最小为45,高工程甜点指数压裂段的微地震事件数明显多于低工程甜点指数压裂段,且微地震事件数与工程甜点指数的变化趋势大致对应。由此表明该井压裂段设计合理。

5 结论

针对纹层型页岩油储层纹层发育导致非均质性强,压后效果不稳定等问题,提出一种考虑纹层弱面影响的页岩油多尺度工程甜点评价方法,构建了页岩油储层工程甜点评价模型,有效指导了页岩油储层压裂射孔位置的优选,为页岩油储层压裂改造方案的优化提供了理论支撑。

(1)建立了鄂尔多斯盆地A井区页岩储层工程甜点模型,该模型充分考虑了纹层弱面、岩石脆性以及地应力等因素,其纹层弱面开启指数、纹层弱面密度指数、岩石矿物脆性指数、岩心脆性指数、和水平应力差异指数的权重系数分别为0.24、0.22、0.19、0.18、0.17。

(2)校正后的工程甜点模型与现场施工数据匹配良好,平均符合率达91%。该模型能够为该区块后续布井、钻井以及压裂改造等提供理论支撑。

(3)各生产井可根据工程甜点指数合理优化射孔位置,做到有的放矢,在最大程度降低成本的前提下实现高效生产。

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基金资助

国家重点研发计划(2023YFF0614102)

四川省自然科学基金(2024NSFSC0961)

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