四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣立體開發(fā)技術(shù)與對策
——以威202井區(qū)A平臺為例

高 健

中國石油集團長城鉆探工程有限公司

0 引言

頁巖氣是以甲烷為主要成分、賦存于富有機質(zhì)頁巖中的非常規(guī)天然氣[1-3]。四川盆地頁巖氣可采資源量達(dá)4.4×1012m3，是中國頁巖氣資源最豐富的區(qū)域[4-5]。盆地南部威遠(yuǎn)地區(qū)志留系龍馬溪組屬深水陸棚相沉積[6-7]，龍馬溪組龍一11小層富有機質(zhì)頁巖是當(dāng)前頁巖氣勘探開發(fā)主力層系[8-10]。

頁巖氣開發(fā)效果很大程度上依賴鉆完井和壓裂改造等工程技術(shù)水平的進(jìn)步。目前頁巖氣水平井水平段長度可超1 800 m，水平井靶體鉆遇率大幅提升，可達(dá)95%，壓裂施工規(guī)模逐漸增大，加砂強度大于2.0 t/m[11-12]。而威遠(yuǎn)區(qū)塊開發(fā)初期頁巖氣井水平段長度1 500 m，水平井靶體鉆遇率平均為50%，加砂強度小于1.5 t/m，從而導(dǎo)致儲量動用程度低，開發(fā)效果差，因此這類區(qū)域具備剩余氣開發(fā)潛力。

國內(nèi)外很早就開始注重對早期頁巖氣水平井鉆完井效果不太理想?yún)^(qū)域進(jìn)行資源挖潛。例如美國2013年在Permian盆地采用多層水平井開采Bone Spring及Wolfcamp等層系的頁巖氣，由于儲層厚度超過600 m且內(nèi)部存在砂巖夾層，上下開發(fā)層段不會因壓裂產(chǎn)生縱向干擾，多層段開發(fā)取得顯著效果[13-14]。2016年國內(nèi)針對礁石壩區(qū)塊產(chǎn)建初期水平井靶體鉆遇率低、壓裂施工規(guī)模小的開發(fā)區(qū)域，開展了針對五峰組—龍馬溪組頁巖氣層下部“甜點段”的加密井網(wǎng)立體開發(fā)試驗，充分地動用了儲量[15]，提高了區(qū)域產(chǎn)量。目前國內(nèi)外頁巖氣立體開發(fā)未對開發(fā)層位剩余氣進(jìn)行定量表征，且存在新加密井壓裂時干擾相鄰已投產(chǎn)老井的現(xiàn)象。本文通過開展針對性研究，解決了上述問題，實現(xiàn)了不同小層剩余儲量精細(xì)定量描述，有效預(yù)防了新井壓裂過程中對老井的干擾。

威202A平臺為早期投產(chǎn)平臺，上半支3口井在優(yōu)質(zhì)頁巖段龍一11小層鉆遇率僅25%，且壓裂施工規(guī)模小，平均單井加砂強度僅1.14 t/m，平均單井測試產(chǎn)量僅4.11×104m3/d，開發(fā)效果差，上半支區(qū)域儲量動用程度低。本次基于運用優(yōu)勢層位動用潛力和可采儲量開發(fā)潛力分析技術(shù)，明確上半支3口井區(qū)域主力層位龍一11小層剩余氣富集，潛力大；開展了不同層位“W”形加密井網(wǎng)立體開發(fā)研究與探索，在龍一11小層部署了3口加密井；通過加強地質(zhì)導(dǎo)向，并有針對性地開展了長段多簇和暫堵轉(zhuǎn)向等優(yōu)化措施，保證了鉆井和儲層改造效果，達(dá)到了預(yù)期的效果。該平臺為威遠(yuǎn)區(qū)塊首次開展不同層位井間加密試驗平臺，取得的成果為其他地區(qū)頁巖氣立體井網(wǎng)開發(fā)模式提供了借鑒，具有重要意義。

1 井區(qū)及平臺概況

威202井區(qū)構(gòu)造位于威遠(yuǎn)構(gòu)造南翼，開發(fā)層系為五峰組—龍馬溪組龍一1亞段，劃分為五峰組和龍一11—4共5個小層，厚度介于35～52 m，埋深介于 2 750～ 3 300 m，TOC含量介于 2.55% ～5.42%，孔隙度介于4.8%～6.9%，含氣量介于3.7～8.2 m3/t，脆性礦物含量介于54.3%～82.5%，地層壓力系數(shù)介于1.10～1.85，氣藏保存條件好。研究表明，龍一11小層TOC、孔隙度、含氣量、脆性礦物含量等頁巖儲層關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)，龍一13小層次之，龍一12小層、龍一14小層和五峰組儲層品質(zhì)相對較差（表1） 。統(tǒng)計區(qū)內(nèi)投產(chǎn)井證實龍一11小層鉆遇率與單井測試產(chǎn)量呈正相關(guān)[16]（圖1）, 表明氣井產(chǎn)量與頁巖儲層品質(zhì)密切相關(guān)[17-18]，進(jìn)一步證實龍一11小層為該區(qū)域主力產(chǎn)氣層位。

圖1 水平段龍一11小層鉆遇率與測試產(chǎn)量關(guān)系圖

表1 威遠(yuǎn)區(qū)塊評價井儲層參數(shù)統(tǒng)計表

威202A平臺位于威202井區(qū)東北部，平臺上下半支各3口井，其中1、2、3號井為上半支井，其余為下半支井（表2）。井間距400 m，水平段長度介于1 240～1 600 m，其中1、3、6號井水平靶體軌跡位于龍一13小層和龍一14小層內(nèi)，2號井水平靶體軌跡位于龍一12小層和龍一13小層，4、5號井水平靶體軌跡位于龍一1小層。上半支1、2、3號井龍一111小層鉆遇率分別為23.6%、29.7%、20.3%，優(yōu)質(zhì)儲層段鉆遇率低。由于當(dāng)時壓裂施工規(guī)模較小，平均單井加砂強度1.14 t/m，改造效果較差，導(dǎo)致各井測試產(chǎn)量差異大，測試產(chǎn)量介于 3.40×104～ 28.77×104m3/d，其中上半支3口井平均測試產(chǎn)量僅4.11×104m3/d，下半支水平靶體軌跡位于龍一11小層的2口井平均測試產(chǎn)量高達(dá) 24.39×104m3/d。截至2018年9月，平臺累計產(chǎn)氣2.58×108m3，其中上半支累計產(chǎn)氣0.65×108m3，下半支累計產(chǎn)氣 2.13×108m3，可見上半支3口井在龍一11小層鉆遇率低，壓裂未改造龍一11小層儲層，生產(chǎn)效果較差，EUR（最終可采儲量）及采收率低（表 2），分別為 0.32×108m3、0.47×108m3、0.38×108m3、5.5%、8.4%、7.7%，均低于下半支3口井，可見該平臺上半支區(qū)域具有進(jìn)一步挖潛的空間。

表2 威202A平臺氣井軌跡及生產(chǎn)參數(shù)統(tǒng)計表

2 立體開發(fā)潛力分析

2.1 優(yōu)勢層位動用潛力分析

優(yōu)勢層位動用潛力分析技術(shù)就是聯(lián)合使用微地震與數(shù)值模擬技術(shù)對平臺各井各小層儲量動用情況進(jìn)行綜合評價，定性掌握各井各小層潛力情況。該平臺上半支壓裂過程中，在下半支6號井進(jìn)行了井下微地震監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)上半支氣井東翼的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)延伸較短，西翼人工裂縫網(wǎng)絡(luò)延伸較長，東翼人工裂縫網(wǎng)絡(luò)平均縫長約163 m，西翼人工裂縫網(wǎng)絡(luò)平均縫長約226 m，監(jiān)測顯示平均縫高29.75 m （表3）。

微地震事件點是所監(jiān)測位置處的巖石破裂活動綜合響應(yīng)，實際的壓裂支撐縫長與縫高要遠(yuǎn)小于微地震監(jiān)測值。前人基于大物模實驗、示蹤劑等研究，認(rèn)為威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖儲層壓裂改造支撐縫高為10～20 m，且裂縫更易向上延伸，遠(yuǎn)離射孔位置向上裂縫導(dǎo)流能力迅速減小[19-21]。本平臺壓裂監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，微地震事件點主要集中在龍一12小層和龍一13小層，證實裂縫更易向上延伸（表3），1、2、3號井壓裂改造形成的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)沒有觸及到龍一11小層。

表3 威202A平臺上半支3口井微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)表

數(shù)值模擬研究表明上半支未動用龍一11小層儲量。在威202A平臺地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，建立井組氣藏數(shù)值模擬模型，面積 2 850 m×1 700 m，氣層厚度41 m，縱向上分為29個層，物性參數(shù)采用井區(qū)實際數(shù)據(jù)，人工裂縫采用模擬得到的支撐縫長，采用定產(chǎn)氣量擬合壓力，模擬的壓力變化趨勢與實際相符合，擬合誤差小于5 %（圖2）。模擬地層壓力結(jié)果顯示，上半支3口井地層壓力波動范圍主要集中在龍一13小層和龍一14小層下部，而區(qū)域主力層位龍一11小層儲量沒有得到有效動用（圖3）。

圖2 威202A平臺1井生產(chǎn)歷史擬合圖

圖3 威202A平臺上半支區(qū)域地層壓力模擬圖

2.2 可采儲量開發(fā)潛力分析

可采儲量開發(fā)潛力分析技術(shù)是利用生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬方法，分層描述氣井剩余可采儲量，以定量評價開發(fā)潛力，為優(yōu)化井位部署提供依據(jù)。據(jù)威202井區(qū)儲量申報結(jié)果，威202A平臺儲量豐度為7.25×108m3/km2，地質(zhì)儲量 32.25×108m3，儲量規(guī)模較大。然而平臺氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，上半支生產(chǎn)效果較差，階段累計產(chǎn)量僅為下半支的31%，EUR僅為下半支的37%，平均單井最終采收率僅7.21%，遠(yuǎn)低于同平臺5、6號井（表2）。

基于儲層反演、測井解釋以及巖心實驗數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，評估各小層儲量分布，并在建立精細(xì)地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬手段描述平臺剩余氣分布，計算各小層儲量動用程度，評價剩余氣開發(fā)潛力。研究結(jié)果表明平臺縱向上各小層儲量動用程度差異較大，其中上半支3口井主要動用龍一13小層儲量，且動用程度僅16.87 %，龍一11小層儲量動用程度僅1.35%；下半支4、5號井主要動用龍一11小層和龍一12小層儲量，動用程度分別為74.05%、54.17%，6號井主要動用龍一13小層?？梢姡习胫?口井主要動用龍一13小層和龍一14小層，而區(qū)域主力層位龍一11小層儲量未得到有效動用，上半支3 口井剩余儲量分別為 1.44×108m3、1.64×108m3和1.49×108m3，具備較好的資源基礎(chǔ)（表4），將上半支龍一11小層作為立體開發(fā)目的層進(jìn)行井位部署。

表4 威202A平臺各井不同層位儲量動用程度統(tǒng)計表

3 立體開發(fā)實踐及效果

3.1 立體開發(fā)井位部署

分析可知威遠(yuǎn)區(qū)塊龍一11小層儲層及含氣性品質(zhì)最優(yōu)，屬區(qū)域開發(fā)主力層位。威202A平臺上半支區(qū)域主力層位龍一11小層儲量動用程度僅1.35%，通過立體開發(fā)潛力技術(shù)分析認(rèn)為該小層具備部署立體開發(fā)井的潛力，因此以龍一11小層為目的層部署3口加密水平井，平面上加密井7、8、9號井處于1、2、3號井之間，與已實施的上半支3口井組成不同層位“W”形立體開發(fā)井網(wǎng)（圖4）。

圖4 威202A平臺立體部井方案示意圖

3.2 立體開發(fā)井實鉆軌跡

現(xiàn)場實施中通過優(yōu)化鉆井施工參數(shù)，迭代更新地質(zhì)導(dǎo)向模型，完善旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向軌跡調(diào)整方案，充分發(fā)揮地質(zhì)工程一體化優(yōu)勢，3口立體開發(fā)加密井實鉆水平段長度分別為 1 505 m、1 550 m 和 1 550 m，目標(biāo)靶體龍一11小層鉆遇率分別為89.4%、89.7%和91.4%，平均90.2%（表5）。加密井實鉆軌跡鉆遇率較理想，與原3口老井縱向上組成了“W”形井網(wǎng)，達(dá)到了立體開發(fā)井網(wǎng)對加密井水平段軌跡的要求，為提高開發(fā)效果奠定了基礎(chǔ)。

表5 威202A平臺3口新增井各小層鉆遇率統(tǒng)計表

3.3 壓裂設(shè)計與實施

如何保障壓裂改造效果是立體開發(fā)成功的關(guān)鍵，盡管目前在威遠(yuǎn)地區(qū)已經(jīng)形成了一套成熟的頁巖氣體積壓裂工藝及施工配套技術(shù)，但本次壓裂施工仍然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在兩個方面：①新部署井與老井之間井距較小，部分壓裂段與鄰井鉆遇相同層位，存在壓竄鄰井的風(fēng)險；②老井生產(chǎn)時間較長，地層存在“壓降漏斗”，壓裂裂縫易受誘導(dǎo)，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大，影響壓裂改造效果。

針對以上壓裂難點，通過模擬研究，提出了應(yīng)對措施，優(yōu)化了壓裂設(shè)計方案。針對難點①，采取合理控制壓裂規(guī)模，進(jìn)行差異化壓裂方案設(shè)計，并采用長段多簇措施射孔，當(dāng)新老井鉆遇相同層位時，單段長介于80～90 m，段內(nèi)6簇射孔，控制縫長延伸；當(dāng)與鄰井鉆遇層位不同的壓裂段時，采用單段長60～70 m，段內(nèi)3簇射孔，各壓裂段設(shè)計液量 1 600 ～ 1 800 m3，設(shè)計砂量 90 ～ 110 t。實施過程中嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計，避免了壓竄的發(fā)生。

針對難點②，上半支3口已投井提前60天關(guān)井，以恢復(fù)老井井底壓力，同時壓裂過程中監(jiān)測相鄰井壓力，借助微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，適時采取暫堵轉(zhuǎn)向等技術(shù)手段調(diào)整壓裂施工參數(shù)，提高加砂強度，提升裂縫復(fù)雜程度，保障壓裂改造效果。

在加密井壓裂過程中，鄰井壓力監(jiān)測顯示，前序壓裂段壓裂時發(fā)生了鄰井壓力不同程度上漲的現(xiàn)象，漲幅介于2～5 MPa，據(jù)此對后續(xù)施工參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，有效控制了此類現(xiàn)象的繼續(xù)發(fā)生。針對采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂段，暫堵升壓介于0.7～3.4 MPa，暫堵后施工壓力上漲介于0.5～4.5 MPa，壓力上升較明顯（圖5），微地震監(jiān)測顯示暫堵前后簇間、井筒兩側(cè)事件點發(fā)生轉(zhuǎn)移，裂縫擴展均衡（圖6）。這表明通過采取單段多簇射孔、控制施工規(guī)模、適時暫堵轉(zhuǎn)向等針對性措施有效控制了縫網(wǎng)長延伸，避免了老井被壓竄，同時提高了裂縫復(fù)雜程度。

圖5 暫堵轉(zhuǎn)向前后施工壓力對比圖

圖6 暫堵前后微地震監(jiān)測事件圖

3.4 實施效果

現(xiàn)場微地震監(jiān)測3口加密井平均壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)長約 190 m，縫高約 25 m（表 6）。壓裂模擬結(jié)果表明：平均支撐半縫長約140 m，支撐縫高約15 m（表7）。數(shù)值模擬結(jié)果也表明3口加密井對龍一11小層儲層改造效果良好（圖7），證實龍一11小層儲量得到了有效動用，并且對早期投產(chǎn)井未造成明顯干擾?？梢娙N技術(shù)手段都證明立體開發(fā)試驗主要改造了龍一11小層儲層，且沒有觸及早期老井改造區(qū)域，立體開發(fā)有效，提高整體采收率的試驗?zāi)康摹?/p>

表6 威202A平臺加密井微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)表

表7 威202A平臺加密井壓裂裂縫模擬參數(shù)表

圖7 威202A平臺新部署井地層壓力模擬圖

同時，實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)也證實儲層改造效果理想，3口加密井測試產(chǎn)量分別為 8.22×104m3/d、9.01×104m3/d和 13.98×104m3/d，EUR分 別 為 0.64×108m3、0.66×108m3和0.79×108m3。對比老井測試產(chǎn)量和EUR都得到了大幅度提升，立體開發(fā)試驗達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

1）采用優(yōu)勢層位動用潛力分析及可采儲量開發(fā)潛力分析技術(shù)研究表明，平臺內(nèi)各井對各小層儲量動用程度差異較大，上半支原3口井對主力產(chǎn)層龍一11小層儲量動用程度僅1.35%，未動用儲量較豐富，剩余氣富集，潛力大，具備進(jìn)一步挖潛空間。

2）在平臺上半支區(qū)域，以龍一11小層為目的層加密部署3口水平井，與已實施原3口老井組成不同層位“W”形立體開發(fā)井網(wǎng)；通過優(yōu)化鉆井參數(shù)，加強地質(zhì)導(dǎo)向跟蹤，加密井水平段在龍一11小層鉆遇率平均達(dá)90.2%，為提高開發(fā)效果奠定了基礎(chǔ)。

3）針對易壓竄、地層壓降漏斗等儲層改造難點，提出采用合理控制壓裂規(guī)模，簇間差異化設(shè)計，長段多簇射孔，和壓前鄰井提前關(guān)井恢復(fù)壓力及壓中適時暫堵轉(zhuǎn)向等技術(shù)提升裂縫復(fù)雜程度，保障壓裂效果。

4）微地震監(jiān)測、壓裂模擬及數(shù)值模擬研究表明加密井有效動用了龍一11小層儲量，測試產(chǎn)量分別為 8.22×104m3/d、9.01×104m3/d 和 13.98×104m3/d，EUR分別為 0.64×108m3、0.66×108m3和 0.79×108m3，較原3口老井大幅度提升。本次層間加密立體開發(fā)模式的研究和探索，為以后頁巖氣藏提高儲量動用程度提供優(yōu)異借鑒。