致密砂巖氣藏水平井開發(fā)關鍵技術
——以蘇里格氣田上古生界為例

費世祥，余浩杰，陳存良，朱李安，劉雪玲，王一軍

(1.中國石油長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018； 3.中國石油長慶油田 氣田開發(fā)事業(yè)部，陜西 西安 710018； 4.中國石油長慶油田 油氣工藝研究院，陜西 西安 710018； 5.東方地球物理公司研究院 長慶分院，陜西 西安 710021)

引 言

致密砂巖氣藏是目前我國用于增儲上產(chǎn)的非常規(guī)油氣來源的一種重要類型[1]。鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏總資源量超過10×1012m3，占盆地資源總量的80%以上[2]。盆地內(nèi)的蘇里格氣田是作為國內(nèi)致密砂巖氣田的典型代表，具有“四低一大”的特點，即低孔隙度、低滲透率、低壓力、低含氣豐度以及大面積分布[3-4]。為了加快蘇里格氣田致密砂巖氣的開發(fā)，在該氣田共投產(chǎn)2 000余口水平井，極大提高了致密砂巖氣藏的開發(fā)效果(1口水平井開發(fā)效果相當于2～3口直井的開發(fā)效果)[5]。

蘇里格氣田的水平井開發(fā)共經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：技術攻關階段、現(xiàn)場試驗階段、規(guī)模開發(fā)階段以及科學開發(fā)階段[6]。在此過程中，突顯出的一些問題，對水平井的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)：(1)研究區(qū)辮狀河砂體發(fā)育，但其分布復雜，水平井的砂體鉆遇率特別低[7]；(2)水平井布井方案與地球物理資料以及生產(chǎn)動態(tài)資料的結合不夠，水平井部署設計的時效性較差[5]；(3)由于鉆進過程中的數(shù)據(jù)整合與監(jiān)測平臺尚不統(tǒng)一，水平井的開發(fā)效果受到限制[8]；(4)確定不同產(chǎn)能的水平井的合理配產(chǎn)規(guī)模不夠及時。針對這些問題，已有研究成果提出了水平井差異化部署[5]、水平井三維地質導向[9]、水平井整體開發(fā)[10]以及多學科綜合導向[11]等技術。這對蘇里格氣田水平井開發(fā)效果的提升至關重要，但這些成果主要是對水平井開發(fā)過程中面臨的某個方面的問題提出的針對性解決方案，而關于提高致密砂巖氣藏產(chǎn)量的關鍵技術目前尚無較為全面的報道，水平井精細化壓裂改造相關技術也鮮有報道。

因此，本文通過總結蘇里格氣田水平井開發(fā)面臨的問題以及已有的產(chǎn)量提升方法，從儲層空間展布預測、水平井差異化部署與設計、水平井多元化導向以及水平井精細化改造等幾方面系統(tǒng)提出提高致密砂巖氣藏產(chǎn)量的關鍵技術，旨在為盆地其他致密砂巖氣田及具有相似地質條件的其他盆地的致密砂巖氣藏開發(fā)提供參考。

1 氣藏特征及面臨的主要問題

鄂爾多斯盆地致密氣藏主要發(fā)育在北部蘇里格氣田、北東部神木氣田、西南部慶陽氣田以及東南部宜黃(宜川-黃龍)氣田，氣藏整體均具有“低滲透、低豐度、低壓力、強非均質性和儲集層薄”的特征[12]。

蘇里格氣田主要發(fā)育河流三角洲沉積，南北向物源供應充足，砂體呈帶狀大規(guī)模延伸，且在垂向多期疊置。神木氣田同樣為河流三角洲沉積，物源為北北東向，砂體分布穩(wěn)定但物性較差，縱向呈現(xiàn)多層含氣但單層儲量豐度相對較低的特征。慶陽氣田以曲流河沉積為主，物源主要來自西南方向且供給量相對較少，砂體橫向展布窄、垂向上相對單一，由于地層埋深較大、壓實程度高，導致儲層十分致密。宜黃氣田物源來自東南方向，沉積體系類型主要為曲流河三角洲前緣沉積，物源供應相對充足、砂體多期發(fā)育且分布較廣，氣藏埋藏淺、儲層致密且含氣性較差。

試氣結果顯示，鄂爾多斯盆地直井的單井致密層平均產(chǎn)氣量每天僅1×104m3左右，并且氣藏內(nèi)儲層存在邊界反映(即壓力恢復的速度慢、程度低)，表明直井鉆遇的有效砂體供氣能力較差且單井控制儲量低。因此，急需要加強水平井的開發(fā)，但鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏水平井開發(fā)目前仍面臨以下幾方面問題：(1)砂體鉆遇率整體較低，儲層空間展布預測精度不高；(2)含氣層類型多樣，水平井部署方案缺乏針對性；(3)水平井導向效率低、精度較差；(4)水平井壓裂改造效率較低。

2 提高致密砂巖氣藏產(chǎn)量的關鍵技術

以蘇里格氣田為例，針對致密砂巖氣藏水平井開發(fā)中面臨的上述幾方面問題，主要采取儲層空間展布預測、水平井差異化部署與設計、水平井多元化導向、水平井精細化改造這4項關鍵技術提高致密砂巖氣的開發(fā)效率。

2.1 儲層空間展布預測

不同于其他氣田的是，蘇里格氣田致密砂巖氣藏砂體具有多期疊置的特征，這嚴重影響了水平井開發(fā)的效果，而在長期的氣藏開發(fā)實踐過程中逐漸形成的三維地震預測河道和多期砂體逐級精細刻畫技術為解決此難題提供了有效的思路。

2.1.1三維地震預測河道

三維地震河道刻畫以高品質地震資料為基礎，基于寬方位的相對振幅保持OVT處理技術，進行方位各向異性校正時，均衡了偏移后近、中、遠道整體的能量，使疊前道集的成像精度與一致性有所提高，從而為河道精細刻畫奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎[13]。為了克服地震頻帶、縱橫向分辨率的影響，還綜合地質、測井及三維地震等數(shù)據(jù)進行疊前地質統(tǒng)計學反演，從而提高河道砂體的空間描述精度。

在反演獲得的巖性數(shù)據(jù)體基礎上識別沉積地層界面，再利用地層切片技術識別河道的平面變化。結果顯示，鄂爾多斯盆地大型陸相三角州沉積體系中，河道橫向變化快，具有非均質性強的特點。該技術方法有效提升了多期河道平面分布預測的精度。

2.1.2 多期砂體逐級刻畫

多期砂體逐級刻畫技術主要包括高程對比切片、多期河流疊置厚砂體分層處理和沉積模式指導等多種方法并且相互印證[14-17]。同時靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)參數(shù)相結合驗證劃分結果的可靠性。其中，靜態(tài)驗證主要利用小層劃分的數(shù)據(jù)進行地層厚度分布圖及構造圖的繪制，分層正確的地層厚度和構造圖基本繼承盆地構造平緩、厚度均一的特征，同時可以利用水平井實鉆進行動態(tài)驗證，沿水平段揭示小層和砂體展布，確保單期砂體空間展布刻畫結果的準確性。利用該技術對鄂爾多斯盆地J區(qū)盒8段砂體空間展布刻畫的結果顯示，盒8下1期河道規(guī)模最大，砂體垂向厚，是水平井的主力開發(fā)小層；盒8下2期和盒8上2期的河道規(guī)模次之，可作為水平井立體部署層位和水平段鉆遇過程中導向替補砂體；盒8上1期的河道規(guī)模較小，基本沒有較厚的砂體(圖1)。上述分析表明，多期砂體逐級刻畫技術可更加精細地刻畫薄層砂體的展布特征。

圖1 J區(qū)盒8砂體平面展布

2.2 水平井差異化部署與設計

2.2.1 水平井差異化部署

水平井差異化部署需要考慮的因素主要有儲層發(fā)育條件、井控程度、砂體結構以及砂體展布特征[18]。蘇里格氣田采用的水平井差異化部署方案主要包括水平井立體開發(fā)部署、水平井整體開發(fā)部署和大井叢混合井組部署。

(1)水平井立體開發(fā)部署

該部署主要結合測井、鉆井、三維地震等多學科資料，評價含氣層系的砂體規(guī)模及含氣性、精細刻畫主力含氣層系的空間展布，并根據(jù)隔層厚度對其封隔能力評價后進行水平井井位的分層部署。水平井立體開發(fā)部署方案主要適用于有多套層系砂體發(fā)育、含氣性好，且砂體間存在厚泥巖隔層的區(qū)塊，該部署方式多用于有2套主力含氣層系的區(qū)塊。如研究區(qū)J72-62井組發(fā)育盒8下1、盒8下2兩套含氣主力層系，其泥巖隔夾層平均厚度大于10 m，壓裂時隔夾層無法突破，但通過分別在盒8下1、盒8下2內(nèi)按井網(wǎng)部署水平井，實現(xiàn)了研究區(qū)的水平井立體開發(fā)。

(2)水平井整體開發(fā)部署

水平井整體開發(fā)部署與水平井立體開發(fā)部署技術思路基本相似，差異在于此部署主要適用于有單套層系砂體發(fā)育且含氣性好的區(qū)塊。例如盆地內(nèi)S井區(qū)盒8下段作為優(yōu)勢明顯的主力含氣層位，可整體部署基于合理井網(wǎng)、井距的三維水平井組，進而實現(xiàn)水平井整體開發(fā)(圖2)。

圖2 蘇東南S區(qū)水平井部署

(3)大井叢混合井組部署

該類部署方案技術思路與前兩種方案基本一致，同樣主要適用于發(fā)育有多套含氣層系的區(qū)塊，但這些區(qū)塊內(nèi)砂體規(guī)模和含氣性無明顯主力層優(yōu)勢。例如，G井區(qū)發(fā)育多期疊置砂體，含氣層系多介于3～5套，其中，盒8下2小層砂體展布廣、含氣性好，適合開發(fā)水平井，因此，為了有效動用多層系儲量，在G井場于盒8下2小層部署7口水平井，同時部署直∕定向井7口(圖3)，從而建成由14口井組成的長慶氣區(qū)目前規(guī)模最大的大井叢混合井組。

圖3 G井組大井叢混合井組部署

2.2.2 水平井差異化設計

依據(jù)測井曲線GR形態(tài)特征，結合露頭砂體疊置模式研究成果，將儲集砂體分為塊狀厚層、多層疊置、分段薄層和薄互層4種疊置類型[19-20]?；谀繕松绑w結構類型及展布特征，設計了平直型、大斜度型和階梯型3種水平段軌跡模式。平直型水平段軌跡應用最廣，約占60%，主要應用于橫向連續(xù)性好的塊狀厚層砂體(圖4(a))。大斜度型水平段軌跡應用范圍次之，一般占30%，主要應用于局部發(fā)育泥質夾層的多層疊置砂體(圖4(b))。階梯型水平段軌跡應用最少，約占10%，主要應用于內(nèi)部存在穩(wěn)定泥巖隔層的分段發(fā)育的多套砂體(圖4(c))。

前人運用多因素分析方法綜合對比分析了不同軌跡類型水平井相應的開發(fā)效果數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)差異化軌跡設計水平井相比未采用此開發(fā)方案的相鄰區(qū)塊開發(fā)效果明顯提高[18]，這為指導后期優(yōu)化水平井地質設計和現(xiàn)場隨鉆導向提供了有利依據(jù)。

2.3 水平井多元化導向

水平井地質導向是一個多學科多因素綜合問題，因此，需要在導向過程中盡最大可能掌握更多的模型預測信息，并提供綜合比對分析，才能快速、準確地發(fā)出導向指令[11]。為提高儲層鉆遇率，針對強非均質性致密氣藏的開發(fā)需要，應用沉積學、三維地質模型等對其進行綜合分析，結合三維地震和大量已完鉆水平井資料進行儲層空間展布精細刻畫，并通過多專業(yè)協(xié)同、全過程跟蹤來精確控制水平井鉆進軌跡，形成主要包括沉積模型優(yōu)化導向技術、三維地質建模導向技術、三維地震預測導向技術以及多學科思維融合綜合導向技術的水平井多元化導向技術。

2.3.1 沉積模型導向

利用沉積學建立地質模型導向主要是基于區(qū)域地質沉積環(huán)境分析、應用“威爾遜相律”建立局部區(qū)域的地質沉積相模型、依據(jù)水平井隨鉆數(shù)據(jù)和錄井資料不斷修正模型，并在地質模型概念的指導下判斷目的層產(chǎn)狀[11,21-24]，進而指導水平井軌跡控制。盆地在二疊世盒8期的砂體為多期河道沉積，因此，對砂體疊置期次進行合理劃分并利用沉積學合理建立、不斷修正沿水平段方向的地質沉積相模型尤為重要。根據(jù)地質沉積相模型預測鉆頭與疊置砂體的相對位置，結合砂體空間展布和隔夾層形態(tài)分析，及時修正地質沉積相模型，制定調(diào)整對策[15]。在預測過程中需考慮儲層出現(xiàn)底穿、頂穿、鉆遇泥巖夾層和儲層尖滅等情況的應對方案。

2.3.2 三維地質建模導向

由于致密氣藏示范區(qū)河流相砂體變化快，空間展布復雜，通常在井控程度較高的區(qū)域，采用震控技術，結合地質認識，將井震結合建立的構造模型、沉積相模型及河道體系作為約束條件加入三維地質模型，精細刻畫研究區(qū)三維空間下的構造、儲層等相關地質特征[25]，力求精細預測小層砂體甚至單砂體。在水平井隨鉆導向過程中，基于巖相和屬性模型、依據(jù)實時鉆進資料及時修正模型，以期更準確地預判儲層巖性、物性邊界點，制定相應的導向預案，最大限度確保水平段在優(yōu)勢儲層中鉆進。例如J45-24H2前半段優(yōu)勢儲層厚度較大，后半段優(yōu)勢儲層變薄且整體垂深向上抬升，根據(jù)三維地質模型預測導向，將井底靶點抬升10 m，完鉆水平段長3 321 m，氣層3 099 m，有效儲層鉆遇93.3%，該井的成功實施為后期長水平井實施提供了完整的技術儲備。

2.3.3 三維地震預測導向

該導向技術主要是通過巖石物理分析及AVO分析，開展疊前反演，并結合方位各向異性分析等來提高研究區(qū)內(nèi)構造、儲層預測精度。針對三維地震區(qū)域接壤的區(qū)塊，實施不同年度三維地震資料連片處理和解釋，整體研究、評價，刻畫出縱向上大尺度范圍(5～10 m)內(nèi)的儲層空間展布，并對盒8下和山1氣藏各小層砂體進行分布預測和含氣性評價。

三維地震可真實地反映地質體情況，通過高效環(huán)保的寬頻帶、寬方位和高密度的“兩寬一高”可控震源三維地震采集技術，可有效提高地震資料的品質，實現(xiàn)優(yōu)勢砂體空間位置的精確判斷。利用三維地震OVT域規(guī)則化和偏移處理，改善成像效果，更好地保留地震數(shù)據(jù)的方位角和偏移距信息，從而使目標區(qū)內(nèi)主河道展布、微幅度構造、儲層及有效儲層預測的準確度有所提升。隨著新完鉆井資料的不斷加入，在隨鉆導向過程中，采用多輪迭代的高精度疊前反演，在完鉆井分層數(shù)據(jù)資料和解釋層位控制下，建立高精度速度場，實現(xiàn)了三維地震中時間域準確向深度域轉換，進而建立主力目的層位較為可靠的深度域地震氣藏模型，精準預測目的層位的儲層空間形態(tài)、規(guī)模、物性、含氣性等分布規(guī)律[26]。依據(jù)三維地震沿水平段方向的儲層預測結果，水平井可提前優(yōu)化軌跡參數(shù)，并對特殊地質體進行鉆前預警和鉆時確認。根據(jù)三維地震儲層預測結果認為Y-H2井沿水平段方向發(fā)育不同期次河道，依據(jù)預測結果逐點優(yōu)化軌跡參數(shù)，最終橫穿138 m泥巖鉆遇河道，其水平段長度為1 790 m，有效儲層長度達1 368 m，從而印證了三維地震預測導向技術的可靠性。

2.3.4 多學科思維融合綜合導向

上述3種水平井導向技術各有優(yōu)缺點，即沉積模型導向通過二維小層精細對比，并根據(jù)上覆地層厚度變化、標志層特征等情況修正沉積模型，有利于精確入靶，但由于垂向沉積序列難以建立，對水平段導向缺乏預判和指導性；地質建模導向與三維地震導向皆可建立三維模型，實現(xiàn)儲層空間展布的預測，其中基于數(shù)學算法預測儲層的地質建模與真實地質狀況存在一定誤差，而三維地震雖可反映地質體真實信息，但受分辨率所限，在小尺度下(厚度5～10 m)的導向精確性較差。

在水平井隨鉆導向過程中，在傳統(tǒng)地質導向基礎上，充分發(fā)揮鉆井、錄井、地質、測井、地震等多學科思維深度融合優(yōu)勢，多專業(yè)共同跟蹤分析且互享數(shù)據(jù)成果，將3種導向技術綜合應用，發(fā)揮多學科優(yōu)勢，以各專業(yè)結論相互佐證、補充，提出了“小層精細對比入靶、地質小尺度、地震大方向”的多學科思維深度融合的綜合導向技術，提升了水平井導向決策的科學性與時效性，有效地提高了氣層鉆遇率，該方法的應用使得水平井氣層鉆遇率在前期的58%的基礎上提高了10%以上。

2.4 水平井精細化改造

在縱向多層展布的薄儲層，對于水平井定點定位、小分段重復改造等方面，當前分段壓裂技術還存在工具和工藝難以實現(xiàn)局部精細化分段、精細化定點改造[27]?；诖耍岢龅刭|工程一體化精準布縫、橋塞分段+多簇射孔壓裂等方法和水平井壓裂作業(yè)工廠化模式等特色技術，旨在有效提高單井產(chǎn)能。

2.4.1 地質工程一體化精準布縫

不同類型水平井儲層與改造參數(shù)相關性分析表明，裂縫條數(shù)、支撐裂縫半長、施工排量、施工規(guī)模等壓裂改造參數(shù)均對產(chǎn)能有較大的影響[28-30]?？紤]氣層與砂體疊置關系，以井組為單元，以儲層接觸面積最大、最終累積產(chǎn)量最高為目標，結合三維地震砂體展布預測、儲層鉆遇解釋，采用甜點布縫+交錯布縫相結合的裂縫布置，優(yōu)選容易啟裂的優(yōu)質儲層，提高井間儲量動用程度。根據(jù)目標井的地質、巖性、物性參數(shù)、應力條件，在氣測>5%，低自然伽馬<70 API，鉆時<10 min/m的低地應力區(qū)布縫改造。

2.4.2 橋塞分段+多簇射孔壓裂

在致密砂巖儲層改造中，儲層的致密及強非均質性特點導致壓裂后不能有效封隔、單井產(chǎn)能無法發(fā)揮。針對這一問題，提出“固井完井橋塞分段壓裂改造工藝”，其具有封隔可靠、不限級數(shù)、精準布縫、井筒完善等優(yōu)點，可滿足高排量精細壓裂改造的需求。

在實現(xiàn)段間精準改造的同時，優(yōu)化段內(nèi)多簇射孔參數(shù)，適度加密裂縫，在水平段長度相當?shù)臈l件下，平均單井增加1.8段，裂縫間距由120～150 m縮小到90～120 m，平均97 m，以增大接觸面積和提高裂縫井筒覆蓋程度為目標，獲取更高的單井產(chǎn)能。

2.4.3 多方法壓裂設計優(yōu)化

結合水平井儲層鉆遇、三維地震砂體展布情況，針對不同砂體類型優(yōu)化改造思路，精細化、個性化、差異化設計裂縫改造參數(shù)，從而實現(xiàn)精準改造，并充分提高壓裂參數(shù)與儲層的匹配性，對整裝連續(xù)砂體采用密集布縫，對非整裝連續(xù)砂體采用甜點布縫，對單點分布砂體采用精準布縫(表1)。

在儲層改造參數(shù)方面，以獲取最大累計產(chǎn)量為設計總體思路，通過軟件模擬對改造參數(shù)進行優(yōu)化，主要包括水平井間距、簇間距、簇數(shù)、主裂縫半長4個方面。以水平段1 200 m模擬，14～16條裂縫為最佳方案，裂縫間距60～100 m，綜合有效儲層鉆遇率(一般在70%)、分簇成功率及施工效率，一般設計9～10段。同時綜合理論研究與裂縫監(jiān)測結果，優(yōu)化施工排量為7～8 m3/min，優(yōu)化單段壓裂液量為500～700 m3，支撐劑40～60 m3(表2)。J井通過優(yōu)化參數(shù)改造獲得無阻流量185×104m3/d，效果顯著。

表2 不同條件儲層分類優(yōu)化改造參數(shù)

2.4.4 水平井壓裂作業(yè)工廠化模式

水平井壓裂作業(yè)工廠化模式也簡稱為“138”壓裂作業(yè)模式，即1套壓裂機組+3套測井設備+8 000 m3/d供水能力。在蘇里格氣田應用該模式，實現(xiàn)了井組壓裂效率超越8 段/d的指標。如在G井組，單機組壓裂改造作業(yè)效率已提高至16 段/d，創(chuàng)造了該水力泵送橋塞分段工藝壓裂國內(nèi)單日作業(yè)效率記錄。

3 應用效果

三維地震預測技術和多期砂體逐級刻畫技術的應用有效提高了致密砂巖氣藏儲層空間展布的預測精度；水平井差異化部署和設計顯著提高了不同井型的開發(fā)適應性；沉積模型優(yōu)化、三維地質建模、三維地震預測以及多學科思維融合綜合導向等水平井多元化導向技術的應用使得對水平井的鉆井軌跡得以精確控制；地質工程一體化精準布縫、橋塞分段+多簇射孔壓裂、多方法壓裂設計優(yōu)化以及水平井壓裂作業(yè)工廠化模式等水平井精細化改造技術，有效解決了縱向多層展布的薄儲層的水平井定點定位小分段重復改造難題，進而顯著提升了單井的天然氣產(chǎn)能。天然氣開發(fā)實際數(shù)據(jù)顯示，2019—2020年共部署237口井(水平井142口)，截止2021年7月17日，共完井213口，其中水平井達117口，平均水平段長度1 422 m，有效儲層鉆遇率66.6%，通過多學科綜合導向，水平井鉆井參數(shù)明顯提高。已完成水平井壓裂83口，累計壓裂784段(1 539簇)，平均單井9.4段(氣田平均7.1段)，水平井工廠化壓裂作業(yè)最高日改造16段，創(chuàng)國內(nèi)水平井日壓裂段數(shù)記錄。已完試氣井80口，平均無阻流量由前期的65.2×104m3/d提高至90.76×104m3/d，其中38口無阻流量上百萬m3，占比達47.5%。投產(chǎn)水平井61口，日均配產(chǎn)372.3×104m3，平均單井產(chǎn)量也由前期的5×104m3/d提高至6.1×104m3/d，大幅提高了致密砂巖氣產(chǎn)能。

4 結 論

(1)三維地震預測河道和多期砂體逐級精細刻畫技術可有效提高砂體鉆遇率和儲層空間展布預測精度。

(2)水平井的整體、立體部署，大井叢混合井組部署以及平直型、大斜度型、階梯型3種水平段差異化設計對具有多種含氣層類型地區(qū)的水平井部署更具有針對性。

(3)沉積模型優(yōu)化導向、三維地質建模、三維地震預測導向以及多學科思維融合導向可以解決水平井導向效率低、精度較差的問題。

(4)地質工程一體化精準布縫、橋塞分段+多簇射孔壓裂、多方法壓裂設計優(yōu)化以及水平井壓裂作業(yè)工廠模式等是提高水平井壓裂改造效率的有效途徑。