天然气地球科学 >

2024 , Vol. 35 >Issue 8: 1467 - 1479

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.014

天然气开发

铝土岩储层水平井完井分段压裂关键技术及应用——以鄂尔多斯盆地陇东地区太原组为例

  • 肖元相 , 1, 2 ,
  • 解永刚 1, 2 ,
  • 李明瑞 1, 3 ,
  • 唐梅荣 1, 4 ,
  • 陈宝春 1, 2 ,
  • 周长静 1, 2 ,
  • 邝聃 1, 2 ,
  • 李达 1, 4 ,
  • 苏煜彬 1, 2 ,
  • 段志锋 1, 2 ,
  • 刘欣佳 1, 2
展开
  • 1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018
  • 2. 中国石油长庆油田公司油气工艺研究院，陕西 西安 710018
  • 3. 中国石油长庆油田公司勘探事业部，陕西 西安 710021
  • 4. 中国石油长庆油田公司天然气评价项目部，陕西 西安 710018

肖元相（1984-），男，湖北宜昌人，高级工程师，主要从事天然气储层改造技术研究.E-mail： .

收稿日期: 2024-01-12

  修回日期: 2024-04-10

  网络出版日期: 2024-04-28

收起

Key technology and application of horizontal well completion and multistage fracturing in bauxite reservoirs： A case study on Taiyuan Formation in Longdong area of Ordos Basin

  • Yuanxiang XIAO , 1, 2 ,
  • Yonggang XIE 1, 2 ,
  • Mingrui LI 1, 3 ,
  • Meirong TANG 1, 4 ,
  • Baochun CHEN 1, 2 ,
  • Changjing ZHOU 1, 2 ,
  • Dan KUANG 1, 2 ,
  • Da LI 1, 4 ,
  • Yubin SU 1, 2 ,
  • Zhifeng DUAN 1, 2 ,
  • Xinjia LIU 1, 2
Expand
  • 1. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields，Xi’an 710018，China
  • 2. Oil and Gas Technology Research Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 3. Exploration Division of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China
  • 4. Natural Gas Evaluation Project Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

Received date: 2024-01-12

  Revised date: 2024-04-10

  Online published: 2024-04-28

Supported by

The Major Project of CNPC(2023ZZ25YJ04)

Fold

摘要

近年来，鄂尔多斯盆地庆阳气田太原组铝土岩新类型储层勘探取得重大突破。为精细评价太原组铝土岩储层发育及含气状况，落实含气富集区规模及潜力，急需探索水平井提高单井产量的可行性。结合前期铝土岩地质特征分析和直定井压裂施工总结，明确了铝土岩水平井完井压裂的工艺难点和技术方向，通过论证完井井身结构设计，开展岩石力学及地应力实验，优选地质与工程双甜点，优化分段压裂差异化参数设计，应用多组分耦合活性酸及压裂液关键添加剂，完成了L47⁃1CH首口铝土岩水平井完井压裂现场试验。L47⁃1CH井试验结果表明：①庆阳气田太原组铝土岩储层埋藏深（3 900~4 500 m）、岩性特征复杂，气藏呈“鸡窝状”分布，储层岩石破裂压力高，可压性差，试气产量变化较大；②在结合水平段测井数据聚类分析法综合确定地质甜点段的基础上，根据太原组铝土岩储层地应力分布特征，运用岩石断裂力学理论优化分段多簇压裂工艺，增大气藏的泄流面积；③通过水平井完井压裂工程试验，试气获无阻流量353×104 m3/d，试采日产气达15×104 m3，单井产量实现大幅提升；④综合测试压裂分析、主压裂施工分析、试采评价分析和产出剖面分析，证实庆阳气田太原组铝土岩具有一定的勘探开发潜力，采用水平井开采是可行的，为鄂尔多斯盆地太原组铝土岩下一步高效开发积累了经验。

关键词： 太原组铝土岩; 多效耦合酸; 水平井分段压裂

本文引用格式

肖元相 , 解永刚 , 李明瑞 , 唐梅荣 , 陈宝春 , 周长静 , 邝聃 , 李达 , 苏煜彬 , 段志锋 , 刘欣佳 . 铝土岩储层水平井完井分段压裂关键技术及应用——以鄂尔多斯盆地陇东地区太原组为例[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(8) : 1467 -1479 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.014

Abstract

In recent years， remarkable breakthroughs have been made in exploring the new bauxite series type from the Taiyuan Formation in the Qinyang Gas Field located in the Ordos Basin. In order to elaborately evaluate the development and gas-bearing conditions of the bauxite reservoirs in the Taiyuan Formation and to ascertain the scale and potential of gas-rich accumulation zones， there is an urgent need to explore the feasibility of increasing single-well production with horizontal wells. This paper describes the design process of the first on-site completion and fracturing trial of the Well L47-1CH （horizontal well） in bauxite reservoirs， which includes a comprehensive analysis of the geological characteristics of bauxite and summarizes the construction of vertical well fracturing in previous stages. The technical difficulties and developmental directions for horizontal well completion and fracturing in bauxite reservoirs have been clarified. By verifying the wellbore structure design for completion and conducting rock mechanics and in-situ stress experiments， the optimal combination of geological and engineering sweet spots has been selected， and the design of differentiated parameters for multistage fracturing has also been optimized， with the application of multi-component coupled active acid and key additives in fracturing fluids. The test results of Well L47-1CH indicate： （1） The Taiyuan Formation bauxite reservoirs in the Qinyang Gas Field are buried at considerable depths（3 900–4 500 m）， exhibiting complex lithological characteristics and “chicken-nest” patterns of gas reservoirs， with high rock breakdown pressure， low compressibility， and significant variability in gas production test rates. （2） Based on the comprehensive determination of geological sweet spots using cluster analysis of logging data in the horizontal sections and considering the stress distribution characteristics of the Taiyuan Formation bauxite reservoirs， the rock fracture mechanisms are used to optimize the multi-stage multi-cluster fracturing technique to increase the gas drainage area of the reservoir. （3） Through horizontal well completion and fracturing engineering tests，an absolute open flow gas rate of 353×104 m3/d and daily gas test production of 15×104 m3 have been achieved during the trial production phase， exhibiting a significant increase in single-well production. （4） Comprehensive fracturing test analysis， primary fracturing implementation analysis， trial production evaluation， and output profile analysis prove that the Taiyuan Formation bauxite reservoirs in the Qinyang Gas Field have a certain degree of exploration and development potential with the feasibility of using horizontal wells， which accumulates experience for efficient development for the next steps in the Taiyuan Formation bauxite shale of Ordos Basin.

Key words： Taiyuan Formation bauxite series; Multi-effective coupled acid; Horizontal well multi-stage fracturing

0 引言

鄂尔多斯盆地前期勘探发现，在石炭系本溪组—二叠系太原组内发育铝土质泥岩，原地风化的下古生界碳酸盐岩为铝土岩系的主要物质来源［1］，其与暗色泥岩、炭质泥岩共同构成泥质岩系，是下部前石炭纪风化壳气藏的非渗透性盖层。自2015年盆地东部S464井试气获得日产气1 849 m3低产气流，首次发现本溪组铝土岩气藏以来，直至2020年，陇东地区庆阳气田通过兼探与老井复查试气10口，7口井获1×104 m3/d以上天然气流，其中L47井试气获无阻流量67.38×104 m3/d高产气流，C3-17-22井更是首次实现突破百万方的高产，开辟了天然气勘探新领域，展示出良好的开发前景［2-4］。
实践表明：水平井+分段压裂可以提高油气藏泄流面积，是非常规油气藏进一步提高单井产量，提升开发效益的方向［5-6］。前期，在庆阳气田致密气水平井开发过程中，针对发育层系单一（山西组为主）、埋深大（3 800~4 000 m）的地质特征，借鉴了苏里格气田转变完井方式的成功经验［7］，采用Φ114.3 mm小井眼完井，并通过增加套管壁厚、提升承压等级，实现了大规模体积压裂，达到了提高单井产量的目的。但是由于太原组铝土岩储层埋藏更深、物性差异大、岩性特征复杂［8-9］，前期铝土岩直井完井压裂存在施工加砂难、产量变化大的特点，所以，现有上古生界致密砂岩气小井眼水平井完井压裂工艺可能不适应。
鉴于此，本文基于太原组铝土岩地质特征和前期直定向井实践认识，首先分析了铝土岩水平井完井压裂的工艺需求，然后从完井设计、甜点优选、参数优化及材料优选等方面进行了优化论证，最后结合L47-1CH首口铝土岩水平井矿场试验进行了实例分析和总结，提出了下一步铝土岩水平井完井压裂的技术方向，为进一步推动鄂尔多斯盆地太原组铝土岩新类型储层评价开发积累了宝贵经验。

1 储层地质特征及工艺难点

1.1　基本地质特征

鄂尔多斯盆地西南部陇东地区太原组铝土岩位于下古生界碳酸盐岩古风化剥蚀面之上，中上石炭统海侵岩系下部，形成于盆地边缘的滨海潮间带，沿庆阳古陆周边坳陷呈“鸡窝”状、带状、片状分布，岩石矿物种类多样、复杂［8］。根据矿物成分含量不同，可将含铝岩系分为铝土岩、泥质铝土岩和铝土质泥岩3种岩石类型。储层矿物组分以水铝石为主，含量大于80%，其次为伊利石和高岭石，偶见菱铁矿、黄铁矿；矿物颗粒细小，以隐晶质或矿物集合体出现，主要孔隙类型为残余格架溶蚀孔、粒内溶孔、基质溶孔，偶见半充填微裂缝中的白云石晶间孔，平均孔隙度为10.65%，平均渗透率为4.04×10-3 μm2，渗透率大于0.1×10-3 μm2的占比36.2%，物性条件好［2］。
2020年以来，铝土岩勘探评价阶段全部采用直定井，完试17口井，试气产量（0.08~102.3）×104 m3/d，工业气流井占比17.6%，整体呈现试气产量低，局部富集高产的特征。围绕水平井开发的技术目标，总结分析完井压裂上主要面临以下多个难题。

1.2　水平井完井压裂难点分析

1.2.1　储层埋藏深度大、非均质性较强，施工改造难度大

统计表明，前期庆阳气田太原组铝土岩直井完试17口井，整体呈现储层类型多、施工难度大的特征，纯铝土岩施工加砂成功率为75%，而泥质铝土岩仅为12.5%，特别是在Q1-11-77井施工过程中，先后实施补孔作业、改变注入方式和升级井口承压，连续4次施工仍未能实现地层有效起裂。
为评价铝土岩储层的可压性，分别选取了HT2井和L58井的岩心，开展岩石力学参数实验（图1）。从结果来看，由于储层埋藏较深，杨氏模量为5.6~36.6 GPa，泊松比为0.31~0.34，抗压强度为67~119 MPa，整体呈现杨氏模量高，可压性差的特点，且水铝石含量越低，铝土岩抗压强度、泊松比越高、可压性越差。同时，通过不同取心方向岩石力学参数对比实验可以看出，由于铝土岩储层非均质性较强，不同岩性以及不同角度的岩心岩石力学参数各向异性程度较高，是致密砂岩的1.7~2.0倍，从而导致人工裂缝的迂曲度较大，更增加了施工难度。
图1 铝土岩不同水铝石含量和取心方向的抗压强度实验结果(HT2井)

Fig.1 Experimental results of compressive strength for various boehmite contents and coring directions in bauxite (Well HT2)

因此，需考虑水平井完井井身结构设计的系统优化，进一步提高缝内净压力，满足后期压裂裂缝起裂和顺利加砂的施工需求。

1.2.2　地质主控因素不清、可压性差异大，压裂甜点优选难

地质甜点和工程甜点是压裂甜点优选的2个考虑目标。关于地质甜点优选，前期在主要矿物为一水硬铝石的认识基础上，对照样品点的常规测井响应，找到直观反映一水硬铝石含量的测井曲线［9］，形成了声波时差—自然伽马含铝岩识别图版［10］，作为识别铝土岩地质甜点的最关键测井评价参数。但是，前期实施的17口直井中，Ⅰ类层6口井中仅2口获得高产，Ⅱ、Ⅲ类层11口井中仍有4口产量突破1×104 m3/d，动静态符合率偏低，基于岩性的铝土岩地质甜点评价方法还需要进一步优化。关于工程甜点优选，通过已实施层的破裂压力（图2）和延伸压力（图3）统计数据分析，可以看出，Ⅰ类破裂压力平均为40 MPa，裂缝延伸压力平均为76 MPa；Ⅱ类破裂压力平均为56.9 MPa，裂缝延伸压力平均为92.6 MPa；Ⅲ类破裂压力平均为62.7 MPa，裂缝延伸压力平均为94.3 MPa，不同类型储层的可压性差异性较大。
图2 不同类型铝土岩储层破裂压力散点图

Fig.2 Scatter plot of reservior breakdown pressure in different types of bauxite reservoirs

图3 不同类型铝土岩储层裂缝延伸压力散点图

Fig.3 Scatter plot of fracture extension pressure in different types of bauxite reservoirs

因此，需要结合矿物组分、测井解释和岩石力学实验结果，从地质与工程2个方面综合考虑，优选铝土岩储层压裂改造的甜点。

1.2.3　岩性特征复杂，物性变化大，工艺需要差异化设计

陇东地区铝土岩古地貌单元、海平面变化、容积空间和淋滤程度决定了垂向岩性组合的差异。纵向上具有三段式结构，即底部为角砾状铝土质泥岩+黏土岩；中部为铝质矿物含量极高（普遍大于 85%）的豆鲕状铝土岩；上部为炭质泥岩+纹层状铝土质泥岩，储层厚度薄，横向变化快［11-13］，矿物成分和岩石物性差异大。总体来看，铝土岩系中段的物性、含气性均好于上、下两段，是最理想的优质储层段。LIU等［14］将陇东地区太原组铝土岩沉积序列划分为5段，从下到上依次为：A段为铁质铝土岩段，厚度约为1.5 m；B段为铝土质泥岩段，厚度约为2.5 m；C段为铝土段，即多孔铝土岩段，厚度约为6.0 m；D段为含硅铝土岩段，局部发育，厚度约为 1.4 m；E段为含炭质泥岩和煤层段，厚度约为1.2 m。根据庆阳气田取心分析资料，A段—B段储层物性普遍较差，孔隙度一般介于0.52%~5.45%之间，平均为2.23%，渗透率一般为（0.006~0.35）×10-3 μm2，平均为0.059×10-3 μm2。C段是物性较好的层段，尤其是C段中上部孔渗更好，也就是多孔铝土岩，其厚度达到6 m，孔隙度介于6.62%~28.7%之间，平均为14.67%；渗透率介于（0.01~38.55）×10-3 μm2之间，平均达到5.57×10-3 μm2。D段物性差，孔隙度约为5.53%~13.77%，平均为7.87%，渗透率最高为0.068 7×10-3 μm2，平均为0.011 8×10-3 μm2［15］。所以，不同物性铝土岩储层对压裂改造裂缝的需求存在差别。
因此，需要结合不同类型储层物性特征、工程地质特征和纵向遮挡条件，优化裂缝参数及工艺参数，提高不同类型储层的针对性。

1.2.4　储层黏土含量高、压力系数低，压裂液体系需优化适配

研究发现，铝土岩储层主要矿物为4类：铝质矿物、黏土矿物、重矿物和砂质矿物。铝质矿物含量平均为54.9%，其主要成分为一水硬铝石，含量最高达96.9%；其次为高岭石、伊利石等黏土矿物，平均含量为35.2%；黄铁矿、菱铁矿等重矿物以及石英、钾长石等砂质矿物含量较少，平均含量仅为7.0%［16-17］。前期，针对庆阳气田山西组深薄致密气，研发了耐高温、低摩阻胍胶压裂液体系，应用效果较好［18］，但对于铝土岩储层需重新评价和优化。为优选压裂液体系，开展了压裂液对储层的伤害定量分析评价。
实验结果表明，岩样水敏损害率为52.3%，损害程度为中等偏强水敏，和岩石矿物成分高岭石和伊利石等黏土矿物较高结果一致（表1）；铝土岩由微小颗粒构成，局部有少量缝，水锁伤害对小孔隙产生较大影响，伤害程度为中等偏强，与扫描电镜和压汞测试结果一致；稠化剂大分子主要对大孔隙产生伤害，在30 MPa饱和压力下，伤害程度为9.54%，整体对储层的损害较小；当围压从2 MPa增加到25 MPa时，孔隙体积从93.47%减小到84.73%，减少幅度在0.39%~6.53%之间，应力敏感损害较小。综上实验结果，基本明确了水锁和水敏是造成铝土岩储层伤害的主控因素。
表1 HT2井铝土岩储层水敏性评价实验结果

Table 1 Experimental results of water sensitivity evaluation of bauxite reservoir in Well HT2

注入流体 矿化度 /（mg/L）

流量

/（mL/min）

 注入倍数

渗透率

/（10-3 µm2）

Dw

/%
地层水 25 000 0.05 15.2 0.021 0.00
1/2倍地层水 12 500 0.05 15.5 0.015 28.57
去离子水 0 0.05 15.8 0.010 52.30

注： Dw 为水敏损害率；注入倍数为体积倍数

因此，考虑铝土岩储层黏土矿物水化膨胀、微小孔隙压裂液水锁伤害和深层压后返排难的风险，需要考虑优化压裂液体系，提高返排效率，降低对铝土岩储层的伤害。

2 水平井完井分段压裂关键技术

2.1　采用大尺寸、高承压套管完井，提高压裂施工成功率

2.1.1　井身结构设计

庆阳气田铝土岩钻井上部钻遇地层从上到下依次为第四系、白垩系、侏罗系、三叠系和二叠系。前期，在山西组致密砂岩储层水平井钻井过程中，针对气田上部地层洛河组易漏、直罗组易塌的情况，水平井设计采用三开井身结构：一开表层套管封固承压能力低的洛河组和易塌的直罗组；二开技术套管封隔了易塌的石千峰组和石盒子组；三开生产套管固井完井封固山西组目标层，有利于井控，从而为预防发生井下故障、安全钻井和提高钻速奠定了基础［19］。结合铝土岩储层泥岩稳定性差，大段泥岩垮塌，完井作业难度大的特点，水平井设计坚持采用三开井身结构设计［20］。

2.1.2　完井套管优选

在采用三开完井井身结构设计的前提下，对于完井套管选择，主要考虑后期压裂改造施工对生产套管的需求，最终来确定水平井钻完井钻头和套管组合设计。参考前期直井铝土岩改造经验，按照储层垂深4 000 m、裂缝延伸压力76~94.3 MPa进行施工压力测算。若借鉴采用山西组致密气水平井Φ114.3 mm、P110钢级、8.56 mm壁厚的小井眼完井井身结构设计，由于储层埋深大、管内注入流体摩阻大，在井口84 MPa限压条件下，施工排量仅能达到6~8 m3/min，物性较好的I类层可以满足施工，但对于更加致密的II、III类层来说，存在压不开的施工风险。因此，考虑进一步降低施工摩阻、提高施工排量，设计采用Φ139.7 mm、Q125V钢级、12.7 mm壁厚的生产套管完井，预测压裂施工注入排量最高可达到16 m3/min。
综上所述，结合地质实际情况先部署定向井，再根据钻遇条件侧钻水平井的实施要求，最终明确了水平井的井身结构设计方案。在定向井实施阶段，采用Φ444.5 mm钻头*Φ339.7 mm套管+（Φ311.2 mm+Φ222.2 mm）钻头*Φ177.8 mm套管三开完井，进入目标层后根据实钻情况，确定下步完井方案：①若铝土岩储层显示不好，采取定向井完井，二开下入Φ177.8 mm套管固井完井。②若铝土岩储层显示较好，二开下入Φ244.5 mm套管固井，三开侧钻水平段，采用Φ215.9 mm钻头*Φ139.7 mm套管完井。

2.2　综合地质与工程甜点分析评价，优选压裂改造双甜点

2.2.1　地质甜点识别

L47-1CH井实际完钻水平段700 m，从岩性、物性、含水性及含气性等多角度进行录井综合评价［21-22］，解释铝土岩段长565 m，钻遇率为80.71%，含气铝土岩段长502 m，钻遇率为71.71%。结合水平井测井资料数据，立足采用聚类分析法，提出了通过反映储层电性的综合评价指数法来综合确定地质甜点段的方法。
综合评价指数=GR×CNL×DEN/RLLD
式（1）中：GR为自然伽马，API；CNL为补偿中子，%；DEN为密度，g/cm3；RLLD为深侧向电阻率，Ω·m。
依据综合评价指数法，将L47-1CH井水平段划分为16个小段，其中Ⅰ类井段长209.8 m，Ⅱ类井段长58.0 m，Ⅲ类井段长432.2 m，Ⅰ、Ⅱ类井段占比38.3%（表2）。
表2 L47-1CH井地质甜点分析结果统计

Table 2 Statistical table of geological sweet spot analysis results for Well L47-1CH

储层分类 Ⅰ类井段 Ⅱ类井段 Ⅲ类井段
铝土岩指示参数 0.335 0.281 <0.15
综合评价指数 2 600（>2 000） 1 430（500~2 000） 176（<500）
占比/% 29.9 8.3 61.7

2.2.2　工程甜点优选

为进一步精细评价储层可压性，指导优选工程甜点，结合导眼井L47-1C岩心开展三轴压缩和断裂韧性实验测试。从岩心分析结果来看，岩心弹性模量介于35.53~76.12 GPa之间，平均值为51.44 GPa，明显高于砂岩，而泊松比介于0.123~0.34之间，平均值为0.238，与砂岩基本相当。结合测井数据体拟合动静态相关关系，构建了动静态弹性转化关系，动静态弹性模量相关性较好，泊松比相关性相对较差（图4）。以L47-1CH水平井为例，基于动静态拟合关系，计算水平段连续地应力剖面，可以得到：Ⅰ类井段（<55 MPa）长195.5 m，Ⅱ类井段（55~60 MPa）长111.25 m，Ⅲ类井段（>65 MPa）长253.25 m，Ⅰ、Ⅱ类井段占比为54.8%（图5）。
图4 铝土岩动静态弹性模量、泊松比转化关系

Fig.4 Conversion relationship between dynamic and static elastic modulus and Poisson′s ratio of bauxite

图5 L47-1CH井水平段主应力解释成果

Fig.5 Interpretation results diagram of principal stress for the horizontal section of Well L47-1CH

结合前期岩心观察、测井评价和测试压裂分析认识，铝土岩储层天然裂缝不发育，水平两向应力差大（7.4~15.5 MPa），脆性程度差异大［8］，压裂形成复杂缝网的难度大。综合地质与工程甜点优选结果，以提高裂缝有效性为目标，坚持加密布缝、多段少簇设计，采取高应力差（最小水平井主应力差≥6 MPa）硬封隔、低应力差（最小水平井主应力差<6 MPa）软分簇的设计思路，设计10段17簇。

2.3　开展不同储层差异化参数设计，提高改造工艺针对性

2.3.1　裂缝参数优化

结合I、II、III类铝土岩储层物性与含气性参数建立地质模型，开展数值模拟研究（图6，图7）。通过不同裂缝参数的增产倍数模拟，结果表明：I类有效裂缝半长为160~200 m、导流能力为28~32 μm2·cm，II类有效裂缝半长为210~250 m、导流能力为20~24 μm2·cm，III类有效裂缝半长为260~300 m，导流能力为12~14 μm2·cm时最优。
图6 增产倍数随裂缝长度的变化曲线

Fig.6 Line chart of production multiplying factor changes versus fracture length variations

图7 增产倍数随导流能力的变化曲线

Fig.7 Line chart of production multiplying factor changes versus conductivity variations

2.3.2　改造工艺优化

结合L47-1C导眼井校深测井数据和动静态岩石力学数据拟合关系，建立纵向连续地应力剖面模型，可以得出：储层上下隔层厚度较大，应力差在10~17 MPa之间，遮挡条件好（图8），有利于高排量混合压裂，提高有效裂缝长度，增大改造体积。
图8 L47-1CH井校深后最小主应力解释成果

Fig.8 Interpretation result plot of minimum principal stress after depth correction for Well L47-1CH

结合单井水平段地应力模型开展压裂模拟，可以看出，支撑缝长和有效缝高与排量成正比，当单缝排量>8 m3/min时，支撑缝长增长减缓，有效缝高快速增大（图9）。结合铝土岩I类储层高导流，II、III类储层增缝长的思路，按单段2簇计算：I类储层排量为12~16 m3/min，加砂量为50~60 m3，砂比为12%~14%；II、III类储层排量为8~12 m3/min，加砂量为30~40 m3，砂比为8%~12%。
图9 L47-1CH井单缝缝长与缝高随排量增加变化模拟

Fig.9 Simulation plot of variation in single fracture length and height with increasing displacement for Well L47-1CH

2.4　优选压裂工作液体系组合，确保改造效果最优化

2.4.1　压裂液体系

L47-1C井岩心实验表明：铝土岩储层以水铝石、高岭石、伊利石为主，含部分锐钛矿，黏土矿物以高岭石和伊利石为主，存在水化膨胀潜在伤害。因此，在采用成熟稳定的耐高温胍胶压裂液体系的基础上，开展气田3种常用防膨剂的评价实验。通过CST毛细管吸收时间测定，与前期砂岩COP-1、COP-2相比，COP-3溶液CST值最小（41.7 s），防膨率最大，黏土稳定性最好（表3），优选COP-3长效防膨添加剂作为关键添加剂。
表3 L47-1C井不同类型储层岩屑黏土稳定性实验结果对比

Table 3 Comparison table of experimental results on the stability in different types of reservoir in Well L47-1C

岩性 深度/m

COP-1

标准液溶液

（0.5%）/s

 COP-1溶液黏土矿物稳定性/s

COP-2

标准液溶液

（0.5%）/s

 COP-2溶液黏土矿物稳定性/s

COP-3

标准液溶液

（0.5%）/s

 COP-3溶液黏土矿物稳定性/s
铝土岩 4 145 39.0 69.3 39.1 68.4 39.4 67.8
泥质铝土岩 4 149 39.0 66.2 39.1 65.6 39.4 64.5
铝土质泥岩 4 151 39.0 53.8 39.1 52.4 39.4 41.7

2.4.2　多组分耦合活性酸

针对II、III类铝土岩储层水铝石含量<75%，黏土含量高，各向异性强，可压性较差的难题，转变技术思路，尝试将溶蚀对象由前期水铝石骨架矿物转向为黏土矿物，提升酸岩反应活性，研发了多组分耦合活性酸。结合L47-1C导眼井岩心，开展室内溶解实验，结果表明：多组分耦合活性酸对L47-1C导眼井三类铝土岩岩心均具有优良的溶解性，尤其对于III类铝土质泥岩的溶蚀效果达到37.2%（表4）。
表4 L47-1C井铝土岩储层溶解实验结果统计

Table 4 Statistical table of dissolution experiment results for bauxite reservoirs of Well L47-1C

岩性 深度/m 5 g岩心粉末＋100 mL酸液、90 ℃、反应2 h溶蚀率/%
10%HCl HCl+HF 多效耦合活性酸
铝土岩（Ⅰ类） 4 149 1.76 5.9 21.5
泥质铝土岩（Ⅱ类） 4 145 2.24 6.1 21.7
铝土质泥岩（Ⅲ类） 4 151 1.67 8.8 37.2

3 应用实例分析

3.1　地质钻遇情况

为进一步精细评价L47井区铝土岩储层发育及含气情况，落实含气富集区规模及潜力，在同井场部署2口定向井（图10）。在L47-1井钻遇泥质铝土岩，取心显示无明显气测后，结合地质地震预测，调整向北东向侧钻实施斜导眼井并取心，实际钻遇铝土岩12.4 m，测井解释气层3.7 m、含气层2.3 m，与L47井相比气层厚度小，电性参数相当，气测值低。
图10 庆阳气田L47井区铝土岩有利面积

Fig.10 Favorable area map of bauxite in the L47 well area of Qingyang Gas Field

自L47-1C井钻探成功后，实施导眼井侧钻水平井，从铝土岩段上部含气层入靶，钻至下部气层中部。实际入靶井斜80.1°，靶前距127 m。完钻井深5 027 m，水平段700 m，铝土岩段长565 m，钻遇率80.71%，含气铝土岩段长502 m，钻遇率71.71%，气测峰值73.343 2%，基值0.193 2%。

3.2　试气压裂情况

L47-1CH井采用5 1/2″套管固井完井可溶球座分压10段17簇，排量8~14 m3/min，累计加砂500 m3，前置伴注二氧化碳504.4 m3，前置多组分耦合活性酸80 m3，施工顺利（图11）。压后初期采用5 1/2″光套管，后期带压下入2 3/8″油管排液，点火火焰呈黄红色，长10~12 m，压后最高关井油/套压27 MPa。
图11 L47-1CH井压裂施工曲线

Fig.11 Fracturing construction curve diagram for Well L47-1CH

采用“一点法”测试日产气39.83×104 m3，折算无阻流量353.4×104 m3/d，日产水18 m3，氯根浓度14 321 mg/L。采用“一点法”试采评价，以15.046 1×104 m3的平均日产量生产30 d，平均日产水19.8 m3，水气比1.3 m3/104 m3。试采结束，关井压力恢复47 d，折算气层中部垂深恢复最高压力30.588 5 MPa。

3.3　效果分析

3.3.1　测试压裂表明储层物性相对较好、闭合压力较低，是顺利施工、取得高产的基础

为评价认识铝土岩储层物性、天然裂缝发育情况以及近井筒摩阻等信息，在首段开展DIFT和小型测试压裂分析。通过井口压力数据分析（表5）表明：①DIFT和小型压裂测试均进入拟线性流阶段，尚未达到径向流，解释地层压力33 MPa，压力系数约0.8，属低压储层，地层渗透率分别为0.3×10-3 µm2（DIFT测试）和1.8×10-3 µm2（小压测试）。②地层闭合压力为53~56 MPa，闭合压力梯度为0.012 9~0.013 7 MPa/m，显示为I类铝土岩储层特征。③排量10 m3/min时地层快速破裂，井底破裂压力为61.3 MPa，排量14 m3/min时，工作压力为57.9 MPa，裂缝延伸压力梯度为0.016 3 MPa/m，较预测值0.018 5 MPa/m偏低，首段可压性较好。
表5 L47-1CH井测试压裂分析结果统计

Table 5 Statistical table of fracturing test analysis results for Well L47-1CH

测试分析内容

地面停泵压力

/MPa

延伸压力梯度

/（MPa/m）

渗透率

/（10-3 µm2）

地层压力

/MPa

地面闭合压力

/MPa

井底闭合压力

/MPa

闭合时间

/min

DIFT

测试

 平方根 24.54 / 0.30 32.7 13.83 54.47 25.43
G函数 12.11 52.76 32.54
双对数 12.48 53.13 31.01
均值 24.54 / 0.30 32.7 12.81 53.45 29.60

小压

测试

 平方根 26.62 0.016 1.8 35.0 15.57 56.22 12.18
G函数 15.37 56.01 12.51
双对数 17.51 58.15 9.32
均值 26.62 0.016 1.8 35.0 16.10 56.79 11.34

注：“/”代表无数据

3.3.2　优化大尺寸、高承压套管完井，配套多组分耦合活性酸，可以满足施工设计要求

大尺寸、高承压套管完井降低了管内流体摩阻，提高了压裂注入排量，有效增大了缝内净压力，提高了施工成功率。从整体10段的施工压力情况（表6）来看，I类储层平均破裂压力为39.6 MPa，II类储层的为48.7 MPa，III类储层的为43.9 MPa，除第9段携砂液阶段施工压力持续上涨超过84 MPa外，其他压裂段施工压力均不高。
表6 L47-1CH井主压裂施工数据统计分析

Table 6 Statistical analysis of main fracturing construction data for Well L47-1CH

段数 地质甜点 工程甜点 砂量/m3 排量/（m3/min） 液量/m3 破裂压力/MPa 停泵压力/MPa
第1段 I II 40 10 602.5 / 35.9
第2段 I I 50 8 606.2 30.9 41.7
第3段 I I 60 12 652.1 47.1 47.9
第4段 II II 40 9 680 52.3 47.8
第5段 I I 60 14 785.8 46.6 38.9
第6段 I I 60 14 769.9 35.9 43.6
第7段 III III 30 11 732.2 / 53.3
第8段 II III 40 12 722.9 43.9 43.2
第9段 I I 60 14 886 37.6 63.0
第10段 I II 60 14 747.4 45.1 41.3
第8段III类储层和第10段II类储层各注入多组分耦合活性酸40 m3。对比酸液进入地层后井口施工压力，前后降低6.2~8.8 MPa，证实了多组分耦合活性酸具有明显的溶蚀铝土岩、降低施工压力的效果。

3.3.3　试井解释分析和生产测试评价表明，裂缝有效延伸扩展，达到了分段改造的目的

结合实测数据、电测解释结果和计算数据，采用Saphir软件对压力恢复曲线进行拟合解释。从双对数曲线形态（图12）来看，未出现径向流阶段，早期井储段过后出现较长的水平井线性流导流段特征，解释平均有效裂缝半长95.4 m，说明经过长时间生产，储层压裂改造的效果仍比较明显。
图12 L47-1CH井双对数曲线拟合图

Fig.12 Log-log curves fitting plot of Well L47-1CH

为评价L47-1CH井压后各段产气、产水贡献及变化情况，在每一段压裂施工末尾，加入了不同代码的气相和水相量子点覆膜陶粒。从压后返排、试采评价2个阶段的示踪剂连续取样分析结果（图13）来看，各段均有产液、产气贡献。
图13 L47-1CH井示踪剂监测分析结果

Fig.13 Tracer monitoring analysis result plot of Well L47-1CH

3.3.4　从压力特征响应和后期产出评价表明，储层动静态符合率较低，需进一步评价优化

从压后停泵压力和30 min压力降落测试数据（图14）来看，压降速率与地质工程甜点类型的符合率比较低。比如：第5段地质和工程解释I类，但压降速率达到0.180 MPa/min，反映出储层渗透性差，而第7段地质和工程解释III类，但压降速率达到0.917 MPa/min时，反映出储层渗透性比较好，可能与铝土岩气藏整体规模不大有一定关系。
图14 不同井段压后30min压降速率统计结果

Fig.14 Statistical results of pressure drop rate after 30 minutes for different layer

从产液剖面来看，以第2、6、7段为主，从返排到试采阶段，由于井底流压变化，产水比例呈现变化，第2、7段呈下降趋势，第6段呈上升趋势，但各段均有产液，与前期直定向井基本产水的认识一致；从试采阶段产气剖面来看，以第4、5、10段为主，且变化幅度较大，可能与试采阶段日产液呈现一定波动有关系。
综合考虑地质甜点、工程参数和产量大小，绘制三维气泡图（图15），横坐标表示各段综合评价指数，纵坐标表示各段压裂改造强度（砂量×排量），气泡大小则表示各段产气贡献率。通过气泡图（图15）可以看出，整体上各段产气贡献率与地质条件具有一定相关性，与压裂改造参数相关性不强。但是，第2、3、6、9段均解释为I类储层，产气贡献率较低，第4段解释为III类储层，产气贡献率达到15%，反映出铝土岩储层非均质性较强，气藏规模可能有限。
图15 L47-1CH井各段产能贡献率与地质工程因素散点关系

Fig.15 Scatter plot of contribution rates of production for each section of Well L47-1CH with geological engineering factors

4 结论

（1）鄂尔多斯盆地庆阳气田太原组铝土岩储层埋藏深，地质认识气藏呈“鸡窝状”分布，非均质性强，横向连续性差，通过水平井开发可以实现沟通多个铝土岩储层，达到增大泄流面积，提高单井产量的目的，证实了鄂尔多斯盆地太原组铝土岩水平井开发的可行性。
--引用第三方内容--

（2）太原组铝土岩岩性特征复杂，整体呈现岩石破裂压力高、可压性差、试气产量变化大的特征，通过提升完井井筒承压等级、优选甜点布缝设计、优化工艺参数配套，满足了施工需求，需进一步优化提高技术针对性。

（3）通过水平井施工压力特征分析和压后产出测试评价，不同井段动静态符合率较差，下一步需结合不同类型储层成藏与地质特征，明确铝土岩储层地质与工程的产能主控因素，优化适应于不同类型储层的改造工艺及参数，进一步提高开发效果。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
李涵，付金华，季汉成，等.鄂尔多斯盆地西南部上古生界风化壳型铝土岩系发育过程及优势储层分布规律［J］.石油与天然气地质，2023，44（5）：1243-1255.

LI H， FU J H， JI H C， et al. Bauxite series in the Upper Paleozoic weathering crusts in the southwestern Ordos Basin：Development and distribution of dominant reservoirs［J］. Oil & Gas Geology，2023，44（5）：1243-1255.

2
付金华，李明瑞，张雷，等.鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩天然气勘探突破与油气地质意义探索［J］.天然气工业，2021，41（11）：1-11.

FU J H， LI M R， ZHANG L， et al. Breakthrough in the exploration of bauxite gas reservoir in Longdong area of the Ordos Basin and its petroleum geological implications［J］. Natural Gas Industry，2021，41（11）：1-11.

3
井向辉，张雷，李涵，等.鄂尔多斯盆地西南部含铝岩系天然气成藏地质特征及勘探潜力［C］//中国石油学会天然气专业委员会.第33届全国天然气学术年会（2023）论文集（01地质勘探）. 2023：13.DOI：10.26914/c.cnkihy.2023.070818.

JING X H， ZHANG L， LI H， et al. Geological characteristics and exploration potential of natural gas reservoirs in bauxite bearing formations in the southwestern part of the Ordos Basin［C］//Institute of Petroleum and Gas Professional Committee of China. Proceedings of the 33rd National Natural Gas Academic Annual Conference（2023） （01 Geological Exploration）. 2023：13.DOI：10.26914/c.cnkihy.2023.070818.

4
姚泾利，石小虎，杨伟伟，等.鄂尔多斯盆地陇东地区二叠系太原组铝土岩系储层特征及勘探意义［J］.沉积学报，2023，41（5）：1583-1597.

YAO J L，SHI X H，YANG W W，et al. Reservoir characteristics and exploration significance of the bauxite rock series of Permian Taiyuan Formation in the Longdong area of the Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2023，41（5）：1583-1597.

5
余浩杰，王振嘉，李进步，等.鄂尔多斯盆地长庆气区复杂致密砂岩气藏开发关键技术进展及攻关方向［J］.石油学报，2023，44（4）：698-712.

YU H J， WANG Z J， LI J B， et al. Key technological progress and breakthrough direction for the development of complex tight gas reservoirs in Changqing Gas Field， Ordos Basin［J］. Acta Petrolei Sinica，2023，44（4）：698-712.

6
慕立俊，马旭，张燕明，等.苏里格气田致密砂岩气藏储层体积改造关键问题及展望［J］.天然气工业，2018，38（4）：161-168.

MU L J， MA X， ZHANG Y M， et al. Volumetric stimulation of tight sand gas reservoirs in the Sulige Gas Field， Ordos Basin：Key issues and prospects［J］. Natural Gas Industry，2018，38（4）：161-168.

7
李宪文，王历历，王文雄，等.基于小井眼完井的压裂关键技术创新与高效开发实践——以苏里格气田致密气藏为例［J］.天然气工业，2022，42（9）：76-83.

LI X W，WANG L L，WANG W X， et al. Innovation and efficient development practice of key fracturing technologies based on slim-hole completion：A case study of tight gas reservoir in Sulige Gasfield［J］. Natural Gas Industry，2022，42（9）：76-83.

8
朱佳宝.陇东地区太原组铝土岩气藏成藏地质特征研究［D］.西安：西安石油大学，2023.

ZHU J B. Study on Geological Characteristics of Bauxite Gas Reservoir in Taiyuan Formation in Longdong Area［D］. Xi’an：Xi’an Shiyou University，2023.

9
ZHANG P，JING X H，PU R H，et al.Logging identification and distribution of bauxite in the Southwest Ordos Basin［J］.Minerals，2023，13（10）：1253.

10
南珺祥，柳娜，王邢颖，等.鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩储层特征及形成机理［J］.天然气地球科学，2022，33（2）：288-296.

NAN J X， LIU N， WANG X Y， et al. Characteristics and formation mechanism of bauxite reservoir in Taiyuan Formation， Longdong area，Ordos Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2022，33（2）：288-296.

11
杜广宏，李明瑞，于波，等.陇东地区太原组铝土岩储层地震预测技术及应用［C］//中国石油学会石油物探专业委员会，中国地球物理学会勘探地球物理委员会.2022年中国石油物探学术年会论文集（下册）. 2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039487.

DU G H， LI M R， YU B， et al. Seismic prediction technology and application of Taiyuan Formation bauxite reservoir in Longdong area［C］// Chinese Society of Petroleum Geophysicists， Chinese Geophysical Society. Proceedings of the 2022 China Petroleum Geophysical Exploration Academic Annual Conference （Volume 3）. 2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039487.

12
佘钰蔚，李斐，王永刚，等.鄂尔多斯盆地庆城地区铝土岩储层高分辨率反演技术及应用［C］//中国石油学会石油物探专业委员会，中国地球物理学会勘探地球物理委员会. 2022年中国石油物探学术年会论文集（下册）. 2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039499.

SHE Y W，LI F，WANG Y G，et al. High resolution inversion technology and application of bauxite reservoir in Qingcheng area of Ordos Basin［C］// Chinese Society of Petroleum Geophysicists， Chinese Geophysical Society. Proceedings of the 2022 China Petroleum Geophysical Exploration Academic Annual Conference （Volume 3）. 2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039499.

13
裴家学，蔡国钢，郭彦民，等.五维地震预测技术在鄂尔多斯N51井区的研究及应用［C］//中国石油学会石油物探专业委员会，中国地球物理学会勘探地球物理委员会.2022年中国石油物探学术年会论文集（中册）.2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039851.

PEI J X， CAI G G， GUO Y M， et al. Research and application of five dimensional earthquake prediction technology in the N51 well area of Ordos［C］∥ Chinese Society of Petroleum Geophysicists， Chinese Geophysical Society. Proceedings of the 2022 China Petroleum Geophysical Exploration Academic Annual Conference （Volume 2）. 2022：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.039851.

14
LIU N， NAN J X， WANG X Y， et al. Petrological characteristics and rock nomenclature of sedimentary bauxite gas reservoir：A case study of bauxite in Taiyuan Formation of Ordos Basin［J］. Geofluids， 2023，7079959.

15
郭笑锴，孙小平，袛淑华，等.鄂尔多斯盆地铝土岩岩性识别方法与应用［J］.测井技术，2023，47（4）：502-508.

GUO X K， SUN X P， DI S H， et al. Lithological identification method and application of bauxite reservoirs in Ordos Basin［J］. Well Logging Technology，2023，47（4）：502-508.

16
马琛璐，井向辉，贾连奇，等.矿物自动定量分析系统在含铝岩系岩矿分析中的应用——以陇东地区太原组为例［J/OL］. 沉积学报，2024：1-17. https：//doi.org/10.14027/j.issn.1000-0550.2023.034.

MA C L， JING X H， JIA L Q， et al. Application of mineral automatic quantitative analysis system in the petrology and mineralogy analysis of aluminiferous rock series：Taking Taiyuan Formation in the Longdong area as an example［J/OL］. Acta Sedimentologica Sinica，2024：1-17. https：//doi.org/10.14027/j.issn.1000-0550.2023.034.

17
朱佳宝，高胜利，王雷.鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩分布规律研究［J］.地下水，2023，45（2）：108-110，215.

ZHU J B， GAO S L， WANG L. Research on distribution regularity of Taiyuan Formation bauxite in Longdong area of Ordos Basin［J］. Ground Water， 2023，45（2）：108-110，215.

18
苏国辉，李树生，李达，等.陇东超深致密气储层改造技术研究［J］.石油化工应用，2018，37（5）：88-93.

SU G H， LI S S， LI D， et al. Study on the transformation technology of the super-deep dense gas reservoir in Longdong ［J］. Petrochemical Industry Application，2018，37（5）：88-93.

19
王万庆.陇东气田水平井钻井技术［J］.石油钻探技术，2017，45（2）：15-19.

WANG W Q. Horizontal drilling techniques in Longdong gas field［J］. Petroleum Drilling Techniques，2017，45（2）：15-19.

20
代长灵，蒙启腾，袁君.陇东铝土岩大三开结构水平井施工技术［J］.中国石油和化工标准与质量，2023，43（23）：143-145.

DAI C L， MENG Q T， YUAN J. Construction technology of horizontal well with large three openings structure in Longdong bauxite reservoir［J］. China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2023，43（23）：143-145.

21
刘蝶，张海涛，杨小明，等.鄂尔多斯盆地铝土岩储集层测井评价［J］.新疆石油地质，2022，43（3）：261-270.

LIU D， ZHANG H T， YANG X M， et al. Well logging evaluation of bauxite reservoirs in Ordos Basin［J］. Xinjiang Petroleum Geology，2022，43（3）：261-270.

22
张文雅，张春阳，刘治恒，等.鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩储层录井评价［J］.录井工程， 2022，33（3）：41-48.

ZHANG W Y， ZHANG C Y， LIU Z H， et al. Mud logging evaluation of bauxite reservoir in Taiyuan Formation， Longdong area，Ordos Basin［J］.Mud Logging Engineering，2022，33（3）：41-48.

Options
文章导航

/

〈 〉

陇ICP备2021001824号-7　 甘公网安备 62010202000678号
版权所有 © 《天然气地球科学》编辑部
地址：甘肃省兰州市天水中路8号　
邮编：730000　
电话：(0931)8277790　
E-mail：geogas@lzb.ac.cn
总访问量 　 今日访问 　 在线人数
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司