威遠(yuǎn)頁巖氣田單井產(chǎn)能主控因素與開發(fā)優(yōu)化技術(shù)對策

馬新華，李熙喆，梁峰，萬玉金，石強(qiáng)，王永輝，張曉偉，車明光，郭偉，郭為

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

繼北美頁巖氣成功開發(fā)后，中國川渝地區(qū)已成為全球頁巖氣產(chǎn)量增長最快的區(qū)域之一。截至2019年底，全國累計探明頁巖氣地質(zhì)儲量17 865×108m3，建成頁巖氣產(chǎn)能200×108m3，年產(chǎn)量達(dá)154×108m3，四川盆地海相頁巖氣將成為中國未來天然氣產(chǎn)量增長的主體[1-3]。

美國“頁巖氣革命”對世界能源格局產(chǎn)生了巨大影響，盡管目前有許多學(xué)者從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和管理等方面分析了美國頁巖氣成功開發(fā)的經(jīng)驗，但對單個頁巖氣田開發(fā)實踐及產(chǎn)能控制因素的詳細(xì)分析較少[4]。以美國第二大商業(yè)開發(fā)的Fayetteville頁巖氣田為例，其短期快速上產(chǎn)離不開對甜點區(qū)的深化認(rèn)識、“先肥后瘦”的滾動開發(fā)策略、鉆井工藝技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)以及大量的鉆井補(bǔ)充[4-8]。相較于北美頁巖儲集層[9-12]，四川盆地海相頁巖具有相對較低的TOC值、孔隙度、含氣飽和度和較小的優(yōu)質(zhì)儲集層厚度，熱演化程度高，成藏條件復(fù)雜[13-17]。其中，位于盆地斜坡部位的威遠(yuǎn)頁巖氣田與坳陷部位的長寧、昭通和涪陵氣田（箱狀斷背斜）[14,18]存在較大差異，優(yōu)質(zhì)儲集層厚度?。?～7 m，平均3.8 m），水平應(yīng)力差大（7.7～18.7 MPa），生產(chǎn)上表現(xiàn)出井間產(chǎn)能變化大、井均產(chǎn)量不高等特點。深入剖析單井產(chǎn)能主控因素、優(yōu)化開發(fā)技術(shù)政策、進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量，對于川南頁巖氣規(guī)模有效開發(fā)意義重大。

本文在威遠(yuǎn)頁巖氣田20余口評價井頁巖儲集層地質(zhì)和測井評價基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析、總結(jié)全區(qū) 100余口水平井優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度、優(yōu)質(zhì)儲集層厚度和壓裂工藝參數(shù)與單井測試產(chǎn)量的關(guān)系，明確單井產(chǎn)能的主控因素，提出水平井開發(fā)優(yōu)化技術(shù)對策。研究成果對復(fù)雜地質(zhì)條件下頁巖氣規(guī)模有效開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 威遠(yuǎn)頁巖氣田特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

威遠(yuǎn)頁巖氣田位于四川盆地西南部，隸屬川西南古中斜坡低褶帶，建產(chǎn)區(qū)面積1 520 km2（見圖1a）。奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組發(fā)育一套富有機(jī)質(zhì)海相頁巖，沉積于深水陸棚環(huán)境[19-20]，是頁巖氣勘探開發(fā)的重點層系。受加里東期樂山—龍女寺古隆起影響，地層由北西向南東厚度和埋深逐漸增大，頁巖厚度180～600 m，埋深2 000～4 000 m（見圖1a）。開發(fā)層段位于五峰組—龍一1亞段，龍一1亞段可分為龍一11、龍一12、龍一13和龍一14小層（見圖1b）。

圖1 威遠(yuǎn)頁巖氣田五峰組底界埋深等值線圖和五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

1.2 地質(zhì)特征

威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖儲集層靜態(tài)參數(shù)與盆地其他區(qū)域基本一致，但在斷裂和裂縫發(fā)育程度、優(yōu)質(zhì)儲集層厚度以及地應(yīng)力方面又有其自身特點。

1.2.1 儲集層靜態(tài)參數(shù)

五峰組—龍一1亞段各小層TOC值、孔隙度、脆性礦物含量和含氣量總體較高，TOC值為2.1%～8.1%，平均3.2%；孔隙度為 2.1%～9.6%，平均5.9%；脆性礦物含量為60%～82%，平均74%；含氣量為3.3～8.5 m3/t，平均 5.5 m3/t。

1.2.2 研究區(qū)特點

①斷裂局部發(fā)育，裂縫全區(qū)發(fā)育。三維地震曲率分布（見圖 2a）顯示，建產(chǎn)區(qū)內(nèi)斷裂局部發(fā)育，天然裂縫較發(fā)育（曲率較大區(qū)域），且以微細(xì)裂縫為主。其中，威202井區(qū)北部及威204井區(qū)中、東部天然裂縫最為發(fā)育，其次為自201井區(qū)。由單井成像測井圖（見圖2b）亦能看出儲集層中裂縫較為發(fā)育。

圖2 威遠(yuǎn)頁巖氣田龍一1亞段三維地震曲率分布圖與威202井成像測井圖

圖3 威遠(yuǎn)頁巖氣田五峰組—龍一1亞段儲集層對比剖面圖（剖面位置見圖1）

②優(yōu)質(zhì)儲集層厚度小，區(qū)域變化大。由圖3可見，工區(qū)內(nèi)Ⅰ+Ⅱ類儲集層厚度為 29～47 m，優(yōu)質(zhì)儲集層（即Ⅰa類儲集層，具有“四高”特征，下文詳述）厚度較小，區(qū)域變化較大，主要分布在龍一11小層，其中威202和威204井區(qū)優(yōu)質(zhì)儲集層厚度相對較大，但平均厚度僅3.8 m，導(dǎo)致鉆井過程中提高優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇率的難度較大。

③水平應(yīng)力差大。威202和威204井區(qū)水平應(yīng)力差明顯高于自 201井區(qū)，導(dǎo)致水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度增大。威202、威204井區(qū)最大主應(yīng)力為70.0～88.3 MPa，最小主應(yīng)力為54.0～69.6 MPa，水平應(yīng)力差達(dá) 16.0～18.7 MPa；自 201井區(qū)最大主應(yīng)力為 84.0 MPa，最小主應(yīng)力為76.3 MPa，水平應(yīng)力差為7.7 MPa（見表1）。

表1 威遠(yuǎn)氣田典型井五峰組—龍一1亞段地應(yīng)力參數(shù)統(tǒng)計

1.3 開發(fā)特征

截至2019年6月底，建產(chǎn)區(qū)共投產(chǎn)188口水平井，累計產(chǎn)氣53.87×108m3。已完鉆水平井水平段長816～2 200 m，平均1 595 m，井間距300～400 m。

①單井測試產(chǎn)量。投產(chǎn)井中共完成測試 173口，合計測試產(chǎn)量 3 126.85×104m3/d，單井測試產(chǎn)量為（1.81～71.22）×104m3/d，平均 18.1×104m3/d，單井測試井口壓力為5.7～36.7 MPa，平均19.0 MPa。

②首年平均日產(chǎn)量。采用頁巖氣井首年平均日產(chǎn)量評價氣井產(chǎn)能，該評價方法與北美頁巖氣井產(chǎn)能評價方法類似。投產(chǎn)井首年平均日產(chǎn)量為（1.0～32.0）×104m3，平均 8.2×104m3。

③產(chǎn)量遞減規(guī)律。威202井區(qū)和威204井區(qū)水平井產(chǎn)量遞減規(guī)律存在一定差異：威202井區(qū)前5年產(chǎn)量遞減率分別為 56%，34%，26%，21%和 18%；威204井區(qū)前5年產(chǎn)量遞減率分別為59%，32%，23%，18%和14%。

④單井EUR（預(yù)測最終可采儲量）。單井EUR為（0.12～2.34）×108m3，平均 0.78×108m3。其中Ⅰ類井平均單井EUR為 1.21×108m3，Ⅱ類井為 0.75×108m3，Ⅲ類井為 0.47×108m3。

2 單井產(chǎn)能主控因素

頁巖儲集層極低滲的特點決定了只有通過人工改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)量，其產(chǎn)氣量大小受控于儲集層品質(zhì)、儲集層發(fā)育規(guī)模和人工干預(yù)程度。本文從頁巖儲集層中原始天然氣儲量分析入手，通過對威遠(yuǎn)頁巖氣田地質(zhì)工程一體化分析，明確了優(yōu)質(zhì)儲量動用程度是水平井產(chǎn)能的主控因素，即頁巖氣水平井產(chǎn)能受控于優(yōu)質(zhì)儲集層厚度、優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度和儲集層改造程度。

頁巖氣儲量主要由游離氣量和吸附氣量組成[21]，在保存條件較好的超壓區(qū)，游離氣是單井產(chǎn)量貢獻(xiàn)的主體。根據(jù)頁巖游離氣儲量計算公式（見（1）式）可知，游離氣量的大小主要與孔隙度、含氣飽和度和體積系數(shù)有關(guān)。優(yōu)質(zhì)儲量指賦存于優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段的游離氣儲量，在縱向上該套頁巖儲集層具有高孔隙度和高含氣飽和度的特點。由于川南頁巖孔隙發(fā)育與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)[22-23]，后者可以間接反映頁巖孔隙發(fā)育程度，而脆性礦物含量直接影響頁巖儲集層的人工改造效果[24]，故添加TOC值和脆性礦物含量作為另外兩項指標(biāo)。根據(jù)圖4，將具有高TOC值（大于4%）、高孔隙度（大于6%）、高含氣飽和度（大于70%）、高脆性礦物含量（大于 75%）等“四高”特點的層段定義為優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層（賦存優(yōu)質(zhì)儲量的頁巖），即Ⅰa類儲集層。在威 202井區(qū)，優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布于龍馬溪組底部龍一11小層中、下部，在威204井區(qū)，優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布于龍一11小層。電性上具有中高自然伽馬、低密度、高電阻、低無鈾伽馬等特點，且硅質(zhì)礦物含量較高，頁理較為發(fā)育（見圖4）。

圖4 威202井含氣性測井綜合評價圖

對生產(chǎn)測井資料的分析可以印證上述結(jié)論：各層段中龍一11小層（優(yōu)質(zhì)儲集層）具有最高的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率，通常是龍一12小層（上覆地層，厚度普遍不超過5 m）的2～5倍，是龍一13小層的10倍以上（見圖5），說明盡管優(yōu)質(zhì)儲集層厚度較小，平均僅3.8 m，但若以龍一12等其他小層為靶體，則較難完全動用優(yōu)質(zhì)儲集層段儲量。

圖5 威遠(yuǎn)氣田不同氣井不同層段測試產(chǎn)量貢獻(xiàn)率

此外，通過分析威202井區(qū)H2平臺6口井的儲集層鉆遇情況及首年平均日產(chǎn)量可以看出，首年平均日產(chǎn)量與水平井優(yōu)質(zhì)儲集層段的鉆遇長度總體呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.93（見圖6）。

圖6 威202井區(qū)H2平臺6口水平井首年平均日產(chǎn)量與優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度關(guān)系圖

平面上，優(yōu)質(zhì)儲集層主要發(fā)育于威遠(yuǎn)縣城附近，厚度最高可達(dá)7 m，向四周逐漸減薄（見圖7）。相對于長寧和昭通，威遠(yuǎn)頁巖氣田優(yōu)質(zhì)儲集層厚度明顯減?。ㄒ妶D8）。

圖7 威遠(yuǎn)頁巖氣田優(yōu)質(zhì)儲集層厚度等值線圖

2.1 優(yōu)質(zhì)儲集層厚度和水平井鉆遇長度

圖8 威遠(yuǎn)—長寧—昭通典型井優(yōu)質(zhì)儲集層對比圖

圖9 頁巖氣水平井縱向動用示意圖及單井控制范圍示意圖

由于儲集層頁理發(fā)育，裂縫縱向延展受限，井溫測試表明井筒處人工壓裂裂縫的支撐縫高僅6～7 m，且更易向上延伸[25]。由圖9結(jié)合（1）式可知，靶體位置靠近優(yōu)質(zhì)儲集層段底部，其厚度（h1a）越大，賦存的儲量越多，在壓裂規(guī)模一定的條件下，氣井產(chǎn)量越高。同時，平面上其單井控制范圍（Agw）主要由L和Lf控制，其中L為水平井優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度，Lf為壓裂裂縫半長。

由圖10可知，測試產(chǎn)量與hlaL（優(yōu)質(zhì)儲集層厚度與鉆遇長度乘積）整體呈正相關(guān)關(guān)系。在儲集層改造程度相似的條件下，優(yōu)質(zhì)儲集層厚度和鉆遇長度是優(yōu)質(zhì)儲量動用的關(guān)鍵。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，部分井由于套管變形而影響改造長度或改造效果，另有一部分實施工藝試驗的氣井效果不甚理想。將受到工程因素影響的井剔除，優(yōu)選同等地質(zhì)條件下表現(xiàn)最優(yōu)的氣井，即圖10中紅色點，回歸得到在現(xiàn)有工程技術(shù)條件下單純由地質(zhì)條件控制的單井理想產(chǎn)能（qgt）與hlaL的關(guān)系，如（2）式所示。據(jù)此可以測算出不同優(yōu)質(zhì)儲集層厚度發(fā)育區(qū)所對應(yīng)的不同測試產(chǎn)量目標(biāo)所需最小優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度，反之亦然（見圖11）。

圖10 測試產(chǎn)量與優(yōu)質(zhì)儲集層厚度和鉆遇長度乘積關(guān)系圖

圖11 不同優(yōu)質(zhì)儲集層厚度、鉆遇長度下的測試產(chǎn)量以及不同測試產(chǎn)量目標(biāo)下優(yōu)質(zhì)儲集層厚度-鉆遇長度關(guān)系曲線

2.2 天然裂縫發(fā)育程度與人工改造程度

頁巖儲集層的改造程度是提高優(yōu)質(zhì)儲量動用程度的保障，主要包括天然裂縫發(fā)育和人工壓裂改造程度。

天然裂縫是頁巖儲集層在地應(yīng)力作用下形成的縫網(wǎng)，不僅可以拓展儲集空間，更有利于壓裂過程中溝通孤立孔隙。威遠(yuǎn)地區(qū)天然裂縫較為發(fā)育，為單井產(chǎn)量的提高提供了有利條件（見圖2）。

人工壓裂改造程度是影響頁巖氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[26]，而壓裂段數(shù)、加砂強(qiáng)度、用液強(qiáng)度、排量和簇數(shù)等是描述壓裂改造程度的關(guān)鍵參數(shù)。研究區(qū)平均壓裂段長68.2 m，平均壓裂段數(shù)22.4段，平均加砂強(qiáng)度1.61 t/m，平均用液強(qiáng)度27.4 m3/m，平均排量13.5 m3/min，簇數(shù)以3～4簇為主，2019年下半年以來部分井試驗了5～7簇。美國Haynesville頁巖氣區(qū)地質(zhì)特征與威遠(yuǎn)氣田類似，該區(qū)壓裂段長30～50 m，加砂強(qiáng)度2.36～5.17 t/m，用液強(qiáng)度19.9～43.5 m3/m。整體而言，威遠(yuǎn)頁巖氣田人工壓裂改造程度與北美相似頁巖氣區(qū)仍有較大差距。

提高排量和加砂強(qiáng)度，采用縮小段長和增加簇數(shù)的密切割工藝是提高水平井改造程度的主要技術(shù)手段。通過對威遠(yuǎn)氣田壓裂井分析發(fā)現(xiàn)，加大壓裂改造強(qiáng)度對頁巖氣井提高產(chǎn)量作用顯著。篩選出測試產(chǎn)量大于30×104m3/d的氣井進(jìn)行壓裂參數(shù)分析，可以看出高產(chǎn)井壓裂段長一般為52～77 m，壓裂段數(shù)23～33段，加砂強(qiáng)度1.57～2.00 t/m，用液強(qiáng)度26.4～32.1 m3/m，排量13.1～15.3 m3/min，較低產(chǎn)井改造強(qiáng)度更高。

3 開發(fā)優(yōu)化技術(shù)對策與效果

3.1 水平井靶體位置

在威202井區(qū)，考慮到龍一11小層頂部黏土及鈣質(zhì)含量增加、物性變差等因素，靶體位置定在TOC值、脆性礦物含量、含氣飽和度更高，頁理更加發(fā)育的龍一11小層中、下部；威204井區(qū)龍一11小層縱向變化較小，靶體位置定在龍一11小層。

3.2 水平井平面部署

水平井優(yōu)先部署在優(yōu)質(zhì)儲集層厚度較大的威遠(yuǎn)縣城周邊區(qū)域，逐步向外擴(kuò)展，采用“先肥后瘦”的開發(fā)策略，利用工程技術(shù)的不斷進(jìn)步彌補(bǔ)地質(zhì)條件變差帶來的影響。

3.3 壓裂工藝參數(shù)

結(jié)合威遠(yuǎn)頁巖氣田高產(chǎn)井壓裂參數(shù)分析成果以及與其地質(zhì)特征相近的美國Haynesville頁巖氣井壓裂參數(shù)分析，以大幅提高單井產(chǎn)量為目標(biāo)，建議采用中高強(qiáng)度改造方式：壓裂水平段長度大于1 800 m，壓裂段長小于60 m，加砂強(qiáng)度大于2.0 t/m，用液強(qiáng)度30 m3/m左右，排量14 m3/min以上。

3.4 應(yīng)用效果

2018年4月開始實施開發(fā)優(yōu)化措施，通過近兩年的現(xiàn)場精細(xì)施工，截至2019年底，威遠(yuǎn)頁巖氣田涌現(xiàn)出一批高產(chǎn)井和高產(chǎn)平臺，其中威202井區(qū)H15平臺4口井測試總產(chǎn)量達(dá)192.67×104m3/d，平均單井測試產(chǎn)量達(dá)48.17×104m3/d，最高測試產(chǎn)量突破70×104m3/d；2018年下半年以來，投產(chǎn)井首年平均日產(chǎn)量達(dá)到11.7×104m3，較2018年上半年投產(chǎn)井首年平均日產(chǎn)量6.3×104m3提高85.7%，較實施開發(fā)優(yōu)化技術(shù)措施前所有投產(chǎn)井首年平均日產(chǎn)量7.16×104m3提高63.4%（見圖12a）；投產(chǎn)井平均EUR達(dá)到1.11×108m3，較2018年上半年投產(chǎn)井平均EUR0.60×108m3提高85%，較實施開發(fā)優(yōu)化技術(shù)措施前所有投產(chǎn)井平均EUR0.68×108m3提高63.2%（見圖12b）。需要說明的是，為了保證單井EUR計算結(jié)果的可靠性，所有投產(chǎn)井的EUR都取Blasingame圖版法計算結(jié)果和解析法計算結(jié)果的平均值。

圖12 威遠(yuǎn)氣田2014—2019年首年平均日產(chǎn)量（a）與單井EUR（b）變化圖

4 結(jié)論

在深入剖析威遠(yuǎn)頁巖氣田地質(zhì)與開發(fā)特征基礎(chǔ)上，提出優(yōu)質(zhì)儲集層評價標(biāo)準(zhǔn)，明確了優(yōu)質(zhì)儲集層發(fā)育特征及其展布規(guī)律。優(yōu)質(zhì)儲集層具有高TOC值（大于 4%）、高孔隙度（大于 6%）、高含氣飽和度（大于70%）和高脆性礦物含量（大于 75%）等“四高”特征，主要分布于龍一11小層中、下部（威 202井區(qū)）或龍一11小層（威204井區(qū)），產(chǎn)氣貢獻(xiàn)大。明確了頁巖氣水平井產(chǎn)能主要受控于優(yōu)質(zhì)儲集層發(fā)育厚度、優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度和天然裂縫發(fā)育、人工改造程度。有針對性地提出了水平井靶體位置、水平井平面優(yōu)化部署和壓裂施工參數(shù)等決策建議，開發(fā)優(yōu)化措施實施后取得了單井產(chǎn)量的突破，新井EUR較2018年上半年提高 85%。下一步應(yīng)注重提高工程技術(shù)實施的穩(wěn)定性和先進(jìn)性，包括進(jìn)一步加大儲集層改造強(qiáng)度（重點是加砂強(qiáng)度）、降低套變段比例、減少壓竄等。

符號注釋：

Ag——儲集層面積，km2；Agw——單井控制面積，km2；Bgi——原始頁巖氣體積系數(shù)；Gx——總游離氣量，108m3；h——儲集層厚度，m；hla——優(yōu)質(zhì)儲集層厚度，m；L——優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇長度，m；Lf——壓裂裂縫半長，m；qgt——測試產(chǎn)量，104m3/d；Sgi——原始含氣飽和度，%；φ——有效孔隙度，%。