工程因素對頁巖氣產(chǎn)量的影響——以北美Haynesville頁巖氣藏為例

李慶輝 陳勉 Fred P.Wang 金衍 李志猛

1.中國石油大學（北京）石油工程學院 2.University of Texas at Austin

工程因素對頁巖氣產(chǎn)量的影響
——以北美Haynesville頁巖氣藏為例

李慶輝1，2陳勉1Fred P.Wang2金衍1李志猛1

1.中國石油大學（北京）石油工程學院 2.University of Texas at Austin

我國頁巖氣開發(fā)尚處于前期探索階段，分析國外成功的開發(fā)案例具有重要的借鑒作用和參考價值。在對北美Haynesville頁巖氣藏生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析的基礎上，總結了工程因素對該頁巖氣藏開發(fā)的影響規(guī)律。結論認為：頁巖氣井水平段長度、壓裂級數(shù)、加砂量、油嘴尺寸、井底壓力和是否采取重復壓裂施工對累積產(chǎn)量有顯著影響；水平段長度在1 500～1 650 m之間、壓裂級數(shù)12～17級、加砂量1 500～3 000 t、油嘴尺寸8～9 mm為該地區(qū)常用且效果較好的設計方案；井底壓力高的區(qū)域頁巖氣產(chǎn)量相應較高，這與井底超壓改善頁巖脆性、優(yōu)化壓裂效果有關；重復壓裂能夠顯著提高頁巖氣總產(chǎn)量，作業(yè)時機的選擇與增產(chǎn)效果關系密切。

頁巖氣 工程因素 生產(chǎn)能力 水平井 壓裂（巖石） 規(guī)模 重復壓裂 增產(chǎn)效果

北美已圈定頁巖氣和頁巖油盆地超過70個。2010年美國頁巖氣產(chǎn)量約為1.27×1011m3，預計到2030年將增至2.83×1011m3。當前能源供需矛盾突出的情況下，頁巖氣的高效開發(fā)可有效緩解國家能源的對外依存情況，降低CO2排放。因此，頁巖氣的開采對我國乃至世界各國均具有重要意義［1－3］。

含氣頁巖的品位、供氣能力和產(chǎn)能持久性將決定頁巖氣開發(fā)的成功與否。頁巖的品質和供氣能力主要由總有機碳含量、熱成熟度、含氣量、厚度、脆性、壓力梯度和礦物組成決定。而產(chǎn)能的持久性除與儲層特性有關，還同時受到水平鉆井和分段壓裂等關鍵工程因素的顯著影響。由于頁巖具有低孔、低滲的特征，生儲共生的情況下，理論上的滲流理論和規(guī)律尚未建立起來。研究鉆井和壓裂工程因素對產(chǎn)能的影響，對于了解產(chǎn)氣規(guī)律，優(yōu)化鉆完井設計具有重要意義。

筆者在前人研究的基礎上，以北美Haynesville頁巖為例，結合實際資料和測試成果，綜合運用產(chǎn)能分析和模擬方法，分析水平鉆井和壓裂施工等關鍵因素對頁巖氣產(chǎn)能的影響，研究了該地區(qū)最新的鉆井和壓裂趨勢，為我國頁巖氣開發(fā)過程中把握關鍵設計因素、借鑒相關經(jīng)驗提供了依據(jù)。

1 Haynesville頁巖氣藏勘探開發(fā)現(xiàn)狀

晚侏羅世Haynesville頁巖是一套在相對半封閉沉積環(huán)境下發(fā)育的高碳泥頁巖，南西方向由碳酸鹽巖臺地包圍，北東方向為大陸架構造。Haynesville頁巖與下伏的Smackover、Buckner石灰?guī)r、碳酸鹽巖不整合接觸，與下伏的硅（砂）質Bossier地層局部整合接觸。構造形態(tài)上受石炭紀Sabine臺地隆升和北路易斯安那—東得克薩斯州鹽丘盆地形成的影響，該套頁巖形成北東—南西向傾斜產(chǎn)狀［5－6］。

古地理構造及環(huán)境影響著現(xiàn)今巖層的礦物組成。Haynesville頁巖在盆地的北及北西方向為高黏土—硅質頁巖，越往南西方向過渡碳酸鹽礦物和總有機碳含量逐漸升高。氣藏產(chǎn)層的孔隙度在8%～14%，束縛水飽和度和總有機碳含量相對較低，絕大多數(shù)游離氣儲存在非有機質骨架。頁巖總體礦物組成中方解石和石英等脆性礦物含量14%～35%，天然裂縫及地層超壓增強了頁巖的脆性［1，6－7］。

自2007年發(fā)現(xiàn)到2011年10月為止，已鉆頁巖氣井約1 500口，日產(chǎn)氣約1.56×108m3，累積產(chǎn)氣量已超過710×108m3。與開發(fā)歷史30年（1981—2011年）、累積產(chǎn)能2 550×108m3的Barnett頁巖（14 900口井）相比，Haynesville頁巖氣藏無疑是開發(fā)潛力極大的非常規(guī)能源。

由于缺乏共享數(shù)據(jù)，不同作業(yè)公司在該地區(qū)開發(fā)頁巖氣時采用的工藝技術有很大差距，已完鉆的1 500多口井中水平段長度范圍在427.6～2 220.8 m，壓裂級數(shù)3～20段，支撐劑用量460.7～3 413.0 t，油嘴尺寸3～25 mm。

考慮到目前Haynesville頁巖尚處于開發(fā)早期，絕大多數(shù)生產(chǎn)井未停止生產(chǎn)，因此，最終產(chǎn)量也無法確定。在分析上述工程因素對頁巖氣產(chǎn)能的影響時，采用初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量進行研究。

從圖1－a、b可以看到，初始產(chǎn)量和單井累積產(chǎn)量之間呈現(xiàn)大致的相關關系，初產(chǎn)越高，最終產(chǎn)量亦相應越高。從圖1－c、d看，1年和2年累積產(chǎn)量與單井累積產(chǎn)量的相關關系非常明顯，1年和2年累積產(chǎn)量越高，單井累積產(chǎn)量亦越高。因此，對于尚處生產(chǎn)期的頁巖氣井來說，采用初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量作為指標，分析工程因素對產(chǎn)能的影響具有可行性和借鑒性。

RTB Bor是塞爾維亞國有銅業(yè)公司，曾經(jīng)是該國的核心工業(yè)項目，控制MS、VK、NC、JM四個礦山和一個冶煉廠，是該國唯一的銅礦在產(chǎn)項目。

圖1 Haynesville頁巖氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的規(guī)律分析圖

2 工程因素對產(chǎn)能的影響

2.1 水平段長度的影響

Haynesville頁巖開發(fā)過程中大大地借鑒了鄰近Barnett頁巖氣開發(fā)積累下的經(jīng)驗。水平鉆井和多段壓裂是其普遍采用的開發(fā)技術。

一般頁巖氣井的水平段越長采氣面積越大，儲量的控制和動用程度越高。但是水平井的設計長度并不是越長越好，水平段越長施工難度越大，脆性頁巖垮塌和破裂等復雜問題越突出。同時，由于井筒壓差的存在，水平段越長抽吸壓力越大，總體頁巖氣產(chǎn)量反而降低。此外，從經(jīng)濟技術的角度考慮，水平段越長，鉆井及開發(fā)耗費資金越多，成本越高。

統(tǒng)計Louisiana州和Texas州頁巖氣井水平段的長度發(fā)現(xiàn)，兩個州分別傾向于選擇1 500 m和1 650 m水平段長度完井。Louisiana州集中在1 200～1 500 m，且以1 500 m為最多，兩側近似對稱分布；Texas州集中在1 350～1 800 m，以1 650 m為最多，兩側近似對稱分布（圖2－a）。

分析顯示，兩州頁巖氣井產(chǎn)能情況有差異，1 500 m以上產(chǎn)能與水平段長度線性關系變差。雖然兩州1 000～1 500 m水平段長度井數(shù)均最多，初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量最高的生產(chǎn)井也在此長度段范圍內(nèi)，該長度段內(nèi)產(chǎn)量差異性亦非常明顯，反映了頁巖氣鉆井過程中水平段長度不是決定產(chǎn)能的唯一因素。Texas州平均水平段長度（1 650 m）長于Louisiana州（1 500 m），但是產(chǎn)量卻低于后者。

2.2 壓裂級數(shù)影響

兩個州的頁巖氣井壓裂級數(shù)集中在2～20級。Louisiana州傾向于12～14級壓裂，Texas州傾向于15～17級壓裂（圖3－a）。從生產(chǎn)情況看，壓裂級數(shù)越多，產(chǎn)能傾向于越高（圖3－b、c、d）。Louisiana州的頁巖氣井產(chǎn)能情況優(yōu)于Texas州，初產(chǎn)產(chǎn)量一般高于Texas州，但Texas的San Augustine郡頁巖氣產(chǎn)能趨勢良好，此為例外，其2年累積產(chǎn)量仍落后于Louisiana州。

圖2 水平段長度與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖

2.3 加砂量的影響

上述兩州的加砂量情況上亦不相同。Louisiana州頁巖氣井加砂量多在1 500～2 500 t，Texas州則為1 500～3 000 t?？偧由傲康牟町愔饕晚搸r氣井的水平段長度、壓裂級數(shù)和壓裂規(guī)模有關?？傮w上看，加砂量越多產(chǎn)量不一定越好，加砂量與產(chǎn)量的線性關系最差（圖4）。

2.4 油嘴尺寸的影響

油嘴尺寸方面，Louisiana和Texas州分別傾向于9 mm和8 mm油嘴求產(chǎn)（圖5－a）。產(chǎn)能方面，油嘴尺寸選取越大，初產(chǎn)產(chǎn)量越高，相關關系明顯（圖5－b）。1年和2年累積產(chǎn)量與油嘴尺寸關系仍大致可見（圖5－c、d）。新的趨勢是：Louisiana州采用6 mm油嘴的案例逐漸增多，可能與經(jīng)濟環(huán)境、成本需求有關，具體原因有待分析。

2.5 井底壓力的影響

井底壓力方面，Louisiana州井底壓力大致正態(tài)分布，Texas州井底壓力則無明顯趨勢，這反映了兩個地區(qū)頁巖氣品質上的差異（圖6）。井底壓力與產(chǎn)能的關系較為明顯，初產(chǎn)產(chǎn)量與井底壓力的線性相關性較好。井底壓力對兩州頁巖氣累積產(chǎn)量的影響情況大致相當，沒有出現(xiàn)顯著的分化現(xiàn)象。

圖3 壓裂級數(shù)與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖

圖4 加砂量與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖

圖5 油嘴尺寸與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖

圖6 井底壓力與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖（1 psi＝6.894 76 kPa）

進一步研究發(fā)現(xiàn)，較高的壓力梯度增加了孔隙度、含氣量（來自于孔隙度和頁巖氣密度增加）和含氣頁巖的表觀脆性。大量數(shù)據(jù)顯示，Haynesville頁巖的內(nèi)在脆性實際上比Barnett頁巖更差，異常的壓力作用在增加孔隙度和含氣量的同時，降低了骨架有效應力，從而使得頁巖儲層容易壓裂，且效果顯著。通過對以Haynesville頁巖層為目的層的1 100多口井的井底壓力進行估算，看到井底壓力在70 MPa的井位以南西—北東向為主，包括Red River、Sabine、Nacogdoches和San Augustine等幾個郡縣。結合產(chǎn)能統(tǒng)計可見，這幾個郡縣的產(chǎn)量均較高。其中，以Red River為代表，井底壓力均值較高，介于76～83 MPa之間，頁巖氣井初產(chǎn)產(chǎn)量普遍較高，均值在42×104m3。這與井底超壓改善頁巖的脆性，從而激化壓裂增產(chǎn)效果有關。

2.6 重復壓裂時機的影響

重復壓裂是有效提高頁巖氣井產(chǎn)能的增產(chǎn)方法，壓裂時機的選擇對最終產(chǎn)量的影響顯著。選取A、B、C這3口頁巖氣井進行分析，3口井完井時間相近：A、C井2009年12月完井，B井2009年11月完井。求產(chǎn)時油嘴尺寸也相近：A井8 mm，B井和C井9 mm。首月產(chǎn)量接近：A井1 774×104m3，B井1 803×104m3，C井略高于前兩者為2 034×104m3。A井和B井分別在投產(chǎn)后第7個月開展重復壓裂，C井則在第12個月進行重復壓裂（圖7）。分析壓裂結果可得以下結論：①重復壓裂能夠顯著增加頁巖氣產(chǎn)量，重復壓裂后，A、B、C這3口井月產(chǎn)量均有大幅度提升；②重復壓裂時機的選擇非常關鍵，從上述3口井的結果看，重復壓裂時間越早，作業(yè)后單月產(chǎn)量和累積總產(chǎn)量越高。

圖7 重復壓裂與產(chǎn)能數(shù)據(jù)的關系圖

3 認識與建議

1）影響頁巖氣開發(fā)的工程因素主要有水平井水平段長度、壓裂級數(shù)、加砂量、油嘴尺寸、井底壓力和是否采取重復壓裂措施等。

2）水平段長度不是決定產(chǎn)能的唯一因素，也非越長越好。Louisiana和Texas州分別趨向于采用1 500 m和1 650 m水平段生產(chǎn)井開發(fā)頁巖氣。

3）一定水平段長度壓裂級數(shù)越多產(chǎn)能傾向于越高。Louisiana和Texas州分別多采用12～14級和15～17級壓裂。

4）加砂量多少與產(chǎn)能的關系較為復雜，受到水平段長度、壓裂級數(shù)和壓裂規(guī)模的影響。目前，Louisiana和Texas州分別多采用1 500～2 500 t和1 500～3 000 t兩種加砂量。

5）油嘴尺寸與初產(chǎn)產(chǎn)量之間關系顯著，與1年和2年累積產(chǎn)量也有一定相關關系。Louisiana和Texas州分別傾向于采用9 mm和8 mm兩種油嘴尺寸。此外，Louisiana州有傾向于采用6 mm油嘴的趨勢。

6）井底壓力對產(chǎn)能的影響顯著，超壓范圍與高產(chǎn)區(qū)域吻合良好。這與超壓改善頁巖脆性，優(yōu)化壓裂改造效果有關。

7）重復壓裂能夠顯著提高壓裂效果，最佳壓裂時機的選擇可以通過產(chǎn)能分析與預測進行判斷。實例顯示壓裂越早效果越好，但具體何時最好，仍需進一步分析。

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Influences of engineering factors on shale gas productivity：A case study from the Haynesville shale gas reservoir in North America

Li Qinghui1，2，Chen Mian1，F(xiàn)red P.Wang2，Jin Yan1，Li Zhimeng1
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum－Beijing，Beijing 100083，China；2.University of Texas at Austin，Austin，78758，Texas，USA）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.54－59，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Shale gas development in China is still in the exploration stage so we need to learn from good experiences and successful cases from abroad.Therefore，based on the statistical analysis of the production data of the Haynesville shale in North America，the influencing law of engineering factors on the development of such shale gas reservoir is summarized as follows.（1）All the factors like horizontal well length，number of fracture stages，proppant volume，choke size for production，bottomhole pressure，and whether to take re－fracture construction，exert significant influence on the accumulated productivity of a shale gas well.（2）In the recommended scheme designed and adopted in this area with good results，horizontal well lengths are 1500－1650 m，number of fracture stages are 12－17，proppant volumes 1500－3000 tons，and choke sizes 8－9 mm.（3）The shale gas well production is high at the area with high bottomhole pressure，which is related to overpressure improving gas shale＇s brittleness and sharpening fracturing effect.（4）The total production can be significantly increased by re－fracturing and the increase of production is highly associated with the operation timing.

shale gas，engineering factor，product capacity，horizontal well，fracture（rock），scale，re－fracturing

李慶輝等.工程因素對頁巖氣產(chǎn)量的影響——以北美Haynesville頁巖氣藏為例.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：54－59.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.013

國家自然科學基金“超低滲透頁巖多井多裂縫同步壓裂機理研究”（編號：51074171）。

李慶輝，1985年生，博士研究生；主要從事石油工程巖石力學及頁巖氣藏鉆井、壓裂技術研究工作。地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學路中國石油大學（北京）研修大廈北樓812號。電話：13581633102。E－mail：liqinghui＠sina.cn

（修改回稿日期 2012－02－13 編輯 韓曉渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.013

Li Qinghui，born in 1985，is studying for a Ph.D degree and is mainly engaged in research of the rock mechanics of petroleum engineering and shale gas drilling ＆fracturing technology.

Add：Room 812，North Yanxiu Building，F(xiàn)uxue Rd.，Changping District，Beijing 102249，P.R.China

Tel：＋86－13581633102 E－mail：liqinghui＠sina.cn