多層系致密砂巖氣藏水平井開發(fā)適應(yīng)性評價(jià)

劉姣姣，王德龍，劉倩，湯敬

（中國石油 長慶油田分公司a.勘探開發(fā)研究院；b.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室；c.氣田開發(fā)事業(yè)部，西安 710018）

神木氣田發(fā)育多套含氣層系，儲(chǔ)集層致密，優(yōu)勢層不突出，砂體疊置關(guān)系復(fù)雜[1-2]。增大水平井與儲(chǔ)集層接觸面積，是致密氣藏提高單井產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)氣田高效開發(fā)的有效手段。但與國外致密氣藏穩(wěn)定分布的儲(chǔ)集層相比[3-4]，神木氣田有效儲(chǔ)集層規(guī)模小，連通性差，且縱向多層分散，僅部分區(qū)域存在優(yōu)勢儲(chǔ)集層。若開發(fā)地質(zhì)目標(biāo)選擇不當(dāng)，會(huì)造成水平井儲(chǔ)量動(dòng)用程度低、經(jīng)濟(jì)效益差等問題，具有一定的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。

前人對該氣田水平井開發(fā)適應(yīng)性方面的研究較少，缺乏針對強(qiáng)非均質(zhì)性、復(fù)雜多層疊置致密氣藏的水平井開發(fā)儲(chǔ)集層界限的系統(tǒng)性研究[7-10]。本文基于神木氣田砂體發(fā)育規(guī)模、有效儲(chǔ)集層空間構(gòu)型等研究，引入剖面儲(chǔ)量集中度，劃分有效儲(chǔ)集層空間疊置類型。利用數(shù)值模擬，評價(jià)不同類型儲(chǔ)集層的水平井開發(fā)效果，確定神木氣田多層致密氣藏水平井開發(fā)的最佳儲(chǔ)集層條件，評價(jià)水平井開發(fā)在氣田中的適應(yīng)性。

1 儲(chǔ)集層地質(zhì)特征

神木氣田位于陜西省榆林市神木縣境內(nèi)，與榆林、大牛地、子洲、米脂等氣田相鄰，構(gòu)造上屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部（圖1），地處盆地東部生烴中心，發(fā)育大面積三角洲沉積砂體，區(qū)域封蓋條件良好，有利于大型巖性氣藏的形成[11-12]。

神木地區(qū)石炭系—二疊系主要發(fā)育一套海陸交互相的含煤地層，自下而上依次發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組，下二疊統(tǒng)太原組、山西組，中二疊統(tǒng)石盒子組及上二疊統(tǒng)石千峰組。根據(jù)氣井鉆遇情況，主力氣層位于太原組、山西組山一段及山二段，平均氣層鉆遇率均大于70%，單氣層厚度為6.0～10.0 m。儲(chǔ)集層平均孔隙度為6.2%～7.6%，平均滲透率為0.41～0.64 mD，整體屬于多層系致密砂巖氣藏。

1.1 儲(chǔ)集層發(fā)育規(guī)模

利用野外露頭測量對比法和密井網(wǎng)地質(zhì)精細(xì)解剖法，定量評價(jià)有效砂體的厚度、寬度、長度等參數(shù)，明確儲(chǔ)集層有效砂體發(fā)育規(guī)模。神木氣田山西組山一段單砂體厚度為0.5～4.5 m，平均為2.5 m；寬度為200～600 m，平均為400 m；長度為400～1 200 m，平均為600 m。山二段單砂體厚度為0.8～6.5 m，平均為3.5 m；寬度為400～1 000 m，平均為600 m；長度為600～1 600 m，平均為800 m；太原組單砂體厚度為0.6～5.0 m，平均為2.8 m；寬度為400～1 000 m，平均為450 m；長度為500～1 400 m，平均為600 m。

山一段單砂體規(guī)模小，山二段單砂體規(guī)模大，太原組介于兩者之間（圖2）。神木氣田各巖組段單砂體規(guī)模有限，但多期單砂體復(fù)合疊置，可形成相對較大規(guī)模的復(fù)合砂體（表1）。受沉積相、古地貌、河道縱向下切與橫向側(cè)積作用的影響，多期河道砂體疊置，在太原組和山二段局部發(fā)育側(cè)向疊置及垂向疊加式復(fù)合砂體[13-14]，沿河道延伸方向，砂體厚度大，分布穩(wěn)定且連續(xù)性好，具備采用水平井開發(fā)的地質(zhì)條件。

表1 神木氣田有效砂體規(guī)模解剖參數(shù)Table 1.Parameters of effective sand bodies in Shenmu gas field

1.2 有效儲(chǔ)集層空間疊置特征

通過精細(xì)解剖研究區(qū)砂體可知，神木氣田多層系氣藏有效儲(chǔ)集層空間疊置類型可分為主力層突出型、多層多邊疊合型和多薄層分散型[15-16]。

為研究多層系氣藏水平井井位部署的定量篩選標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)層間儲(chǔ)量分布，引入剖面儲(chǔ)量集中度，即單層地質(zhì)儲(chǔ)量與儲(chǔ)集層總儲(chǔ)量比值。運(yùn)用剖面儲(chǔ)量集中度定量表征氣藏縱向單層儲(chǔ)量分布，挖掘相對優(yōu)勢層。

在解剖有效儲(chǔ)集層空間疊置結(jié)構(gòu)及計(jì)算剖面儲(chǔ)量集中度基礎(chǔ)上，將多層系氣藏劃分為單層式、雙層式和多層式3 種類型。多層式一般氣層較薄且層數(shù)多（3 層及以上），該類型發(fā)育廣泛，各層儲(chǔ)量集中度較均一，無明顯主產(chǎn)層；雙層式有2 個(gè)主力氣層，主要發(fā)育在氣田東部，2 個(gè)主產(chǎn)層儲(chǔ)量集中度之和大于85%，且分別大于35%；單層式有1 個(gè)主產(chǎn)層，在氣田局部發(fā)育，主力層的儲(chǔ)量集中度大于75%。

2 水平井可行性界限確定

利用數(shù)值模擬，建立不同有效儲(chǔ)集層空間疊置類型的氣藏模型，評價(jià)水平井在不同氣藏模式下的增產(chǎn)效果。神木氣田水平井的單井綜合投資是直井的2.80倍，因此，當(dāng)水平井增產(chǎn)倍比即氣井廢棄時(shí)，水平井最終累計(jì)產(chǎn)氣量與直井最終累計(jì)產(chǎn)氣量的比值，超過2.80 時(shí)，水平井開發(fā)效果優(yōu)于直井，選擇水平井開發(fā)。以水平井增產(chǎn)倍比作為經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)依據(jù)[17]，開展多層系致密氣藏水平井開發(fā)的可行性儲(chǔ)集層界限研究，為神木氣田開發(fā)提供依據(jù)。

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)氣田水平井平均綜合投資和天然氣價(jià)格，推算水平井內(nèi)部收益率達(dá)8%時(shí)的氣井累計(jì)產(chǎn)氣量，確定水平段合理長度[18-19]。目前，神木氣田主產(chǎn)層厚度為6.0～9.0 m，評價(jià)水平井水平段合理長度為1 200～1 800 m，平均為1 500 m，段間距為200 m 左右（圖3），以此為依據(jù)，建立1口水平井控制范圍的數(shù)值模型。

根據(jù)神木氣田有效儲(chǔ)集層空間疊置類型和物性參數(shù)，建立不同疊置模式下的氣藏?cái)?shù)值模型（圖4）。其中，依據(jù)模型面積為1.44 km2，寬度為600 m，長度為2 400 m，總有效厚度為15.0 m，平面網(wǎng)格尺寸為50 m×50 m，垂向設(shè)置3 層砂體，不同砂體疊置模型下各小層有效厚度不同（表2）。

表2 不同砂體疊置模式下的氣藏?cái)?shù)值模型參數(shù)Table 2.Parameters of numerical models under different stacking patterns

分別設(shè)置3 口直井或1 口水平井，直井全層段壓裂，日產(chǎn)量為1.5×104m3；水平井分7段壓裂，日產(chǎn)量為4.5×104m3，預(yù)測不同砂體疊置模式下直井和水平井的開發(fā)指標(biāo)。

2.2 儲(chǔ)量集中度界限

在不同有效儲(chǔ)集層疊置模型及開發(fā)方式下，因射孔層位及控制范圍不同，儲(chǔ)集層壓力分布及儲(chǔ)量動(dòng)用程度存在差異，水平井開發(fā)效果不同。在不同有效儲(chǔ)集層空間疊置模式下，對比直井與水平井在開發(fā)15年末期的壓力分布、采出程度（圖5、圖6）。

分析水平井在不同類型氣藏的開發(fā)效果可知：多層式氣藏中，水平井控制儲(chǔ)量有限，造成其他層儲(chǔ)量遺留，采出程度低，僅為24.3%，增產(chǎn)倍比為2.22，低于氣田水平井經(jīng)濟(jì)效益界限（2.80），水平井開發(fā)不適用；雙層式氣藏中，當(dāng)優(yōu)勢層儲(chǔ)量占比為45%，另2 層儲(chǔ)量占比為40%和15%時(shí)，增產(chǎn)倍比為2.81，此時(shí)水平井與直井開發(fā)效果相當(dāng)，說明采用水平井開發(fā)該類儲(chǔ)集層具備可行性；單層式氣藏中，水平井基本控制優(yōu)勢層儲(chǔ)量，增產(chǎn)倍比為3.75，開發(fā)效果優(yōu)于直井。

綜上所述，局部單層式儲(chǔ)集層疊置類型發(fā)育區(qū)域，水平井開發(fā)效果好；雙層式疊置類型發(fā)育區(qū)域，可采用直井與水平井混合井網(wǎng)或雙分支水平井開發(fā)，提高氣藏采出程度。

2.3 儲(chǔ)集層物性界限

多層致密氣藏儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，水平井產(chǎn)量與層間物性差異密切相關(guān)。從水平井增產(chǎn)效果來說，水平井在單層式及雙層式氣藏中均可有效開發(fā)，因此需進(jìn)一步開展單層式及雙層式氣藏層間物性差異對水平井開發(fā)效果的影響分析[20-21]，以確定適合水平井開發(fā)的最佳儲(chǔ)集層疊置類型。

根據(jù)神木氣田優(yōu)勢層與次產(chǎn)層滲透率差異范圍，分析主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率差異對水平井和直井開發(fā)效果的影響（圖7）。

氣井最終累計(jì)產(chǎn)氣量與滲透率級差呈半對數(shù)關(guān)系，單層式及雙層式氣藏，隨著主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率級差增大，水平井與直井累計(jì)產(chǎn)氣量增大，但增幅逐漸減?。▓D7）。

主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率差異對水平井增產(chǎn)倍比的影響表明，滲透率級差增大，水平井增產(chǎn)倍比先急劇增大后減?。▓D8）。因水平井接觸儲(chǔ)集層面積大，當(dāng)主產(chǎn)層滲流能力變強(qiáng)時(shí)，水平井開發(fā)效果較直井提升明顯；而隨著主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率比值進(jìn)一步增大，主產(chǎn)層對直井產(chǎn)量貢獻(xiàn)增大，且主產(chǎn)層規(guī)模有限，水平井產(chǎn)量增長幅度較小，因此，水平井增產(chǎn)倍比反而減小。單層式氣藏的水平井增產(chǎn)倍比均大于經(jīng)濟(jì)界限值2.80，即水平井開發(fā)單層式氣藏優(yōu)勢明顯（圖8a）。雙層式氣藏存在儲(chǔ)集層滲透率差異界限，當(dāng)主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率比值為0.8～3.9 時(shí)，水平井增產(chǎn)倍比大于經(jīng)濟(jì)效益界限值2.80，開發(fā)效果好（圖8b）。

綜上所述，根據(jù)儲(chǔ)集層地質(zhì)特征、儲(chǔ)量集中度、物性參數(shù)等，建立神木氣田水平井開發(fā)儲(chǔ)集層界限。分析認(rèn)為：水平井主力開發(fā)層段儲(chǔ)量集中度應(yīng)不低于75%，連續(xù)有效厚度應(yīng)大于6.0 m，砂體有效延伸長度應(yīng)大于1 500 m，主產(chǎn)層與次產(chǎn)層滲透率比值應(yīng)為0.8～3.9，以保證水平井較好的開發(fā)效益。

3 實(shí)例應(yīng)用

依據(jù)神木氣田水平井開發(fā)儲(chǔ)集層界限標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選出氣田水平井開發(fā)有利區(qū)。神木氣田太原組和山二段局部砂體厚度大，連續(xù)性較好，但整體規(guī)模較小，呈小面積零星分布，水平井不適合大面積整體部署，適用于局部單層優(yōu)勢區(qū)集中部署。

以S1-1 井組為例，該井組所處區(qū)域山二段和太原組儲(chǔ)集層連續(xù)砂體發(fā)育，平均有效厚度為7.5 m，儲(chǔ)量集中度占比為76%，滲透率為0.62 mD，各項(xiàng)指標(biāo)符合水平井開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合砂體展布形態(tài)，部署3 口水平井。

對比S1-1 井組氣井生產(chǎn)指標(biāo)可知，水平井平均日產(chǎn)量為3.4×104m3，預(yù)測最終累計(jì)產(chǎn)氣量為6 881×104m3，為直井的3.4 倍，各項(xiàng)指標(biāo)均為鄰近直井的3.0倍以上。因此，在地質(zhì)條件允許的前提下，局部部署水平井，有助于提高多層致密砂巖氣藏的開發(fā)效果。

4 結(jié)論

（1）神木氣田山二段和太原組單砂體規(guī)模有限，但多期砂體復(fù)合疊置，有效砂體展布面積為0.6～3.0 km2，具備采用水平井開發(fā)的地質(zhì)條件。

（2）多層致密砂巖氣藏分為多層式、單層式和雙層式3 種類型。不同類型氣藏，水平井開發(fā)適用性存在差異，單層式氣藏水平井開發(fā)效果好，雙層式氣藏水平井開發(fā)可行，但存在儲(chǔ)集層物性界限。

（3）多層系致密砂巖氣藏水平井開發(fā)最佳儲(chǔ)集層條件為：主力開發(fā)層段儲(chǔ)量集中度大于75%，連續(xù)有效厚度大于6.0 m，有效延伸長度為1 600～3 200 m，優(yōu)勢層與次產(chǎn)層滲透率比值為0.8～3.9。神木氣田總體不適合水平井大面積整體部署，適用于局部單層優(yōu)勢區(qū)集中部署。