頁巖氣藏地質(zhì)因素敏感性分析
——以平橋區(qū)塊為例*

張莉娜，張耀祖，劉欣

(1.中國石化華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京 210000；2.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266000；3.中國石化華東油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000)

近幾年，常壓頁巖氣開發(fā)成為我國頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域的熱門，四川盆地及其周圍分布的常壓頁巖氣相較于我國其他地區(qū)具有分布廣、面積大等特點。其中南川地區(qū)勝頁2井壓裂試氣獲產(chǎn)量30.2×104m3/d，標(biāo)志著我國頁巖氣藏具有良好的開發(fā)潛力。與常規(guī)氣藏不同，頁巖氣藏大都為微納米尺度孔隙，且吸附氣含量高、壓力系數(shù)低，同時生產(chǎn)周期較長，在礦場中大都通過壓裂手段來提高頁巖氣的滲流能力[1,2]，從而達(dá)到較高的經(jīng)濟價值[3]。頁巖氣藏開發(fā)為衰竭式開發(fā)[4-7]，在開發(fā)過程中易受各類影響因素控制，故需分析開發(fā)過程中的敏感性因素[8-13]，從而進行合理選區(qū)。

目前何希鵬等人[14，15]通過綜合地質(zhì)研究指出深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)，保存條件是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵，有機孔隙發(fā)育是頁巖氣高產(chǎn)的重要因素。高玉巧等人[16]通過含氣量測試研究甲烷碳同位素分餾特征，認(rèn)為頁巖孔隙度越大，游離氣含量越高，頁巖保存條件越好，甲烷碳同位素分餾作用就越不明顯。袁玉松[17]等人根據(jù)泥頁巖覆壓滲透率測試分析得出，處于脆性帶之上的泥頁巖，泥頁巖超固結(jié)比越大，裂縫閉合程度越差，對頁巖氣保存不利，容易導(dǎo)致超壓完全釋放。

但由于頁巖氣區(qū)塊多存在生產(chǎn)時間短、開發(fā)動態(tài)資料少等問題，現(xiàn)有研究對地質(zhì)參數(shù)的生產(chǎn)影響分析仍不全面，如吸附解吸參數(shù)尚未考慮[18，19]。然而地質(zhì)因素的生產(chǎn)敏感性分析，直接決定了選區(qū)是否具有經(jīng)濟開發(fā)價值，也為認(rèn)識頁巖氣井的動態(tài)規(guī)律提供理論依據(jù)。本文以平橋頁巖氣藏為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件建立頁巖氣藏數(shù)學(xué)機理模型，進行頁巖氣滲流模擬，通過對儲層基質(zhì)滲透率、吸附/解吸參數(shù)等重要地質(zhì)因素進行敏感性分析，得出頁巖氣藏開發(fā)過程中的地質(zhì)參數(shù)敏感性程度，為優(yōu)化頁巖氣選區(qū)和制定氣井合理生產(chǎn)制度提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

平橋區(qū)塊地處重慶市南川區(qū)境內(nèi)，屬渝黔南川頁巖氣勘查區(qū)塊，地形屬山地-丘陵地貌。構(gòu)造上隸屬于川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜南部的平橋斷背斜，屬隔檔式褶皺。目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組，屬深水-半深水陸棚沉積環(huán)境，展布相對穩(wěn)定。該區(qū)埋深相對較深，屬于中深層高壓頁巖氣藏，氣藏壓力25.5～58.5 MPa，主力層系厚度分布在25～48 m，平均孔隙度3.8%，且由北向南主力層物性逐漸變差?，F(xiàn)場測試含氣量平均為2.55 m3/t，以吸附氣為主，游離氣次之。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)平橋頁巖氣藏地質(zhì)特征及多口試采井壓恢解釋結(jié)果，利用地質(zhì)軟件PETREL建立立體復(fù)雜縫網(wǎng)型模型，具體參數(shù)設(shè)置見表1。由于地應(yīng)力會隨頁巖氣井的開發(fā)而變化，降低基質(zhì)孔隙度和滲透率，進而影響單井產(chǎn)能，并且地應(yīng)力在整個頁巖氣井選區(qū)評價中也是一個必不可少的因素，因此將地質(zhì)力學(xué)模型加入地質(zhì)模型中，用于耦合預(yù)測水力裂縫情況。

表1 數(shù)值模型基礎(chǔ)參數(shù)

通過選用正交網(wǎng)格，將氣藏模型復(fù)雜程度保持最小，將模型離散化成25×13×10=3250個網(wǎng)格，其中X方向網(wǎng)格步長為80 m，Y方向網(wǎng)格步長為30.75 m，縱向上4 m/層。

3 敏感性分析

根據(jù)所建立的機理模型，利用數(shù)值模擬的方法，設(shè)置5組敏感性方案，每組方案的參數(shù)取值見下表2。

表2 各分析方案參數(shù)設(shè)置

3.1 儲層基質(zhì)滲透率

超低的儲層基質(zhì)滲透率和頁巖儲層的親水性，決定著返排液低的現(xiàn)狀[20-22]。在相同氣藏下，模擬不同儲層基質(zhì)滲透率對應(yīng)的頁巖氣井采出程度和穩(wěn)產(chǎn)時間，其開發(fā)效果的差異性見表3。 由表3可知，隨著儲層基質(zhì)滲透率的增加，氣藏采出程度、穩(wěn)產(chǎn)時間隨之增加，尤其當(dāng)儲層基質(zhì)滲透率≤5×10-5mD時，二者與之有明顯的正相關(guān)性。儲層基質(zhì)滲透率越小，頁巖氣藏開發(fā)過程中壓力傳播越慢，壓裂改造范圍內(nèi)的壓力下降越快，穩(wěn)產(chǎn)結(jié)束后的遞減率越高。故在進行選區(qū)時，優(yōu)先考慮儲層基質(zhì)滲透率≥5×10-5mD的區(qū)域。

3.2 有效厚度

根據(jù)平橋頁巖氣藏實際有效厚度的分布，模擬地層有效厚度為15 m至45 m間隔5個數(shù)值，對有效厚度進行敏感性分析，各組生產(chǎn)指標(biāo)見表4。最終得到采出程度與油層厚度呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，穩(wěn)產(chǎn)時間則與之呈現(xiàn)良好的正相關(guān)。結(jié)果表明氣藏厚度越大，儲層縱向上的動用程度越低，采出程度則越低，壓降隨之變緩，如圖1所示。結(jié)合壓裂工藝水平，建議優(yōu)先考慮有效厚度為20～30 m范圍的儲層進行改造試氣。

表3 不同儲層基質(zhì)滲透率對頁巖氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響儲層基質(zhì)滲透率/mD累產(chǎn)氣量/×108 m3平均日產(chǎn)氣量/×104(m3/d)穩(wěn)產(chǎn)時間/d采出程度/%0.0000031.122.232020.940.0000051.563.152728.17 0.0000301.723.388334.620.0000502.153.9651240.34 0.0003002.275.2178543.22 0.0005002.315.3079143.240.0030002.425.3882643.59

表4 有效厚度對頁巖氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響有效厚度/m地質(zhì)儲量/×108 m3累產(chǎn)氣量/×108 m3平均日產(chǎn)氣量/×104(m3/d)穩(wěn)產(chǎn)時間/d采出程度/%152.681.292.364548.28203.351.562.8617946.75 254.021.813.3130445.16 304.692.043.7348843.54 355.352.244.0966941.84 406.022.414.4188840.07 456.502.474.5194737.99圖1 有效厚度對頁巖氣藏壓降的影響

3.3 地層壓力系數(shù)

壓力系數(shù)決定原始地層壓力的大小，壓力增大有利于增強頁巖氣的封存性，提高氣藏的儲量[23，24]。改變原始地層壓力，分析壓力系數(shù)對頁巖氣井生產(chǎn)的影響。由表5生產(chǎn)指標(biāo)結(jié)果可以看出，隨著壓力系數(shù)的增加，氣藏地質(zhì)儲量增加，穩(wěn)產(chǎn)期明顯增長，采出程度增加，生產(chǎn)結(jié)束時的地層中部壓力高。當(dāng)壓力系數(shù)≥1.2后，累產(chǎn)氣量隨壓力的增加程度降低，初期壓降差異減小(見圖2)，故可優(yōu)先改造高壓區(qū)域。

表5 地層壓力系數(shù)對頁巖氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響壓力系數(shù)地質(zhì)儲量/×108 m3累產(chǎn)氣量/×108 m3平均日產(chǎn)氣量/×104( m3/d)穩(wěn)產(chǎn)時間/d采出程度/%0.83.831.192.18531.241.04.401.582.8813035.82 1.24.911.963.5737039.49 1.45.352.244.0966941.84 1.65.742.464.5099042.89 1.86.092.654.83131043.44 2.06.402.775.06165643.34圖2 地層壓力系數(shù)對頁巖氣藏壓降的影響

3.4 吸附/解吸參數(shù)

改變Langmuir參數(shù)，分析蘭氏體積、蘭氏壓力對頁巖氣開發(fā)趨勢的影響[25]，開發(fā)指標(biāo)見表6、表7。可知：蘭氏體積對地質(zhì)儲量、采出程度有影響，對累產(chǎn)氣量、穩(wěn)產(chǎn)期的影響較??；地質(zhì)儲量、累產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)時間與蘭氏體積均呈正比，采出程度與之成反比，當(dāng)蘭氏體積≥2 cm3/g時，采出程度隨蘭氏體積的增加呈線性減小。由蘭氏壓力的模擬結(jié)果可知，該參數(shù)對氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響微弱。采出程度、穩(wěn)產(chǎn)時間與蘭氏壓力有微弱的線性正相關(guān)關(guān)系，地質(zhì)儲量與之呈負(fù)相關(guān)性。

因為吸附/解吸參數(shù)主要改變吸附氣的儲量，頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期主要受自由氣儲量影響，故生產(chǎn)初期的穩(wěn)產(chǎn)時間對吸附/解吸參數(shù)的敏感性弱一些。

表6 蘭氏體積對頁巖氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響蘭氏體積/(cm3/g)地質(zhì)儲量/×108m3累產(chǎn)氣量/×108m3平均日產(chǎn)氣量/×104(m3/d)穩(wěn)產(chǎn)時間/d采出程度/%1.54.312.053.7647747.652.54.452.073.8049246.403.55.352.183.8951240.34 4.55.912.304.1755039.085.56.402.304.2156136.17 6.56.932.324.2458833.37 7.57.472.354.4060231.52 表7 蘭氏壓力對頁巖氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響蘭氏壓力/MPa地質(zhì)儲量/×108m3累產(chǎn)氣量/×108m3平均日產(chǎn)氣量/×104(m3/d)穩(wěn)產(chǎn)時間/d采出程度/%35.462.163.7847640.2445.452.183.8049140.8555.382.193.9150341.2265.352.203.8951441.7975.322.214.0857941.9885.272.234.0961942.38 95.222.22 4.1062542.86

基于上述單因素模擬結(jié)果，選取儲層基質(zhì)滲透率、有效厚度、地層壓力系數(shù)等對頁巖氣井采出程度影響較明顯的三個因素，采用正交設(shè)計，進行多因素多水平分析。根據(jù)考慮頁巖氣井采出程度的正交設(shè)計表，計算三個因素不同取值下的方差均值，進而得到表征各因素敏感程度的極差，見表8。儲層基質(zhì)滲透率、有效厚度、壓力系數(shù)的極差分別為：4.12 mD、1.056 m、3.481。結(jié)合單因素敏感性結(jié)果可知，各參數(shù)敏感因子從大到小依次為：儲層基質(zhì)滲透率、壓力系數(shù)、有效厚度、蘭氏體積、蘭氏壓力。

表8 考慮頁巖氣井采出程度的正交設(shè)計表

4 模型驗證及應(yīng)用

根據(jù)平橋區(qū)塊礦場資料顯示，該文參數(shù)取值符合該區(qū)實際情況，同時對已試氣、試采井進行地質(zhì)對比、生產(chǎn)評價，得出對平橋區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)敏感性分析的結(jié)論符合該區(qū)頁巖氣井生產(chǎn)規(guī)律。

P1HF、P2HF、P3HF、P4HF四口井在平面上自西向東分布，東部近斷層，儲層基質(zhì)滲透率依次增大，其余屬性相近，其中P4HF天然裂縫最發(fā)育，在礦場試采6個月后，獲得最高平均日產(chǎn)氣量為12.6×104m3/d(P1HF最低，為3.8×104m3/d)，日均壓降最小，為0.14 MPa(P1HF最高，為0.5 MPa)。驗證了儲層基質(zhì)滲透率對平橋區(qū)塊頁巖氣初期開發(fā)效果的顯著影響。

P11HF、P12HF、P13HF三口井在平面上自南向北分布，儲層有效厚度、地層滲透率等參數(shù)基本一致，從北向南地層壓力系數(shù)逐漸增加，P11HF、P12HF、P13HF的壓力系數(shù)分別為：0.96、1.03、1.12，這三口井放噴測試獲得的產(chǎn)能評價分別為：7.6×104m3/d、11.2×104m3/d、16.1×104m3/d。證明地層壓力系數(shù)對于采收率有提高效果。

5 結(jié)論

(1)本文基于平橋頁巖氣工區(qū)，通過數(shù)值模擬研究，得到實際礦場中頁巖氣藏的地質(zhì)儲量與儲層有效厚度、地層壓力系數(shù)和蘭氏體積成正相關(guān)關(guān)系，與蘭氏壓力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)結(jié)合對地質(zhì)因素敏感性分析以及考慮各類開發(fā)指標(biāo)，得出評價頁巖氣藏最佳的地質(zhì)參數(shù)值為：當(dāng)儲層基質(zhì)滲透率≥5×10-5mD，地層壓力系數(shù)越大越有利，同時當(dāng)儲層厚度為20～30 m范圍時，與頁巖氣藏壓裂工藝匹配度高，具有較好的壓裂效果。

(3)研究表明儲層基質(zhì)滲透率、壓力系數(shù)是頁巖氣井選區(qū)不可忽略的兩個因素，對頁巖氣藏開發(fā)的影響最大。各參數(shù)敏感因子從大到小依次為：儲層基質(zhì)滲透率、壓力系數(shù)、有效厚度、蘭氏體積、蘭氏壓力。