從Haynesville頁巖氣開發(fā)數(shù)據(jù)研究高壓頁巖氣高產(chǎn)因素

房大志　曾　輝　王　寧　張　勇（.中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京　00；.中國石化華東分公司物探研究院，江蘇南京　00）

從Haynesville頁巖氣開發(fā)數(shù)據(jù)研究高壓頁巖氣高產(chǎn)因素

房大志1曾輝1王寧1張勇2
（1.中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011；2.中國石化華東分公司物探研究院，江蘇南京210011）

Haynesville頁巖氣井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，影響氣井產(chǎn)量的3大主導(dǎo)因素是地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)、壓裂參數(shù)、合理排采。儲層厚度50～60 m、總有機(jī)碳（TOC）含量>3%、孔隙度>4%、壓力系數(shù)>2.0、脆性礦物含量>60%，是選擇頁巖甜點(diǎn)區(qū)的關(guān)鍵因素。水平段長一般1 000～1 500 m、分段數(shù)9～12段、單段長90～110 m、簇間距20～25 m、施工排量11～13 m3/min，單段液量大于1 500 m3、單段加砂量大于120 t是高產(chǎn)水平井儲層壓裂參數(shù)。初期保持較小生產(chǎn)壓差有利于保持滲流能力進(jìn)而獲得最大累積產(chǎn)量。建議我國借鑒北美類似經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)不同區(qū)塊頁巖地質(zhì)特征優(yōu)化壓裂參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。

頁巖氣；產(chǎn)量；甜點(diǎn)區(qū)；壓裂參數(shù)

美國發(fā)現(xiàn)近30個(gè)頁巖氣盆地，實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)的主力層系為Marcellus、Barnett、Haynesville、Antrim、New Albany、Fayetteville、Eagle Ford和 Woodford等9套頁巖地層。截止到2013年6月，美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)8.19×108m3/d，特別是2010年以后的Haynesville、Marcellus等頁巖層，氣產(chǎn)量呈指數(shù)增長［1］。Haynesville頁巖氣探明儲量為8 353.4×108m3，是北美地區(qū)儲量最大的含氣頁巖。

Haynesville頁巖分布于德克薩斯-路易斯安那鹽盆，面積23 400 km2。地理位置主要位于路易斯安娜州和德克薩斯州西部。2004年4月Elm Grove Plantation-15直井鉆探證實(shí)Haynesville頁巖為優(yōu)質(zhì)含氣頁巖。之后2005—2007年不同油公司分別實(shí)施多口直井評價(jià)并取心分析。2007年12月在Haynesville頁巖層實(shí)施水平井SLRT#2井并開展分段壓裂測試獲7.4×104m3/d高產(chǎn)。隨后水平井?dāng)?shù)大幅增加。截止2013年12月已完鉆井2 508口，其中生產(chǎn)井2 274口，全區(qū)合計(jì)產(chǎn)量達(dá)1.60×108m3/d，是Marcellus之外產(chǎn)量最大的頁巖氣田。目前已完鉆頁巖氣井主要分布在路易斯安那州，占Haynesville頁巖開發(fā)井總井?dāng)?shù)的75%以上［2］。

Haynesville頁巖通過直井取心和測井，系統(tǒng)開展儲層評價(jià)后，再利用水平井分段壓裂改造技術(shù)獲取產(chǎn)能。系統(tǒng)的地質(zhì)評價(jià)選擇甜點(diǎn)區(qū)，合理的壓裂參數(shù)實(shí)現(xiàn)充分改造，兩者的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了Haynesville頁巖氣的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)。筆者從開發(fā)數(shù)據(jù)的角度分析開發(fā)效果的影響因素，期望對我國類似高壓深層頁巖氣開發(fā)提供一定的借鑒和參考。

1　Haynesville頁巖基本地質(zhì)特征

Haynesville頁巖是一套黑色的富含有機(jī)質(zhì)的上侏羅統(tǒng)頁巖，是常規(guī)油氣的主要烴源層。與下伏地層Smackover碳酸鹽巖不整合接觸，與上覆Bossier頁巖整合接觸，含氣頁巖厚度15～135 m。

Haynesville頁巖由球粒狀灰質(zhì)泥頁巖、細(xì)粒石英粉砂巖及碎屑黏土巖組成，微生物化石含量豐富，紋層狀層理發(fā)育，屬深水陸棚相沉積，具有低于風(fēng)暴浪基面和低氧帶的還原特征，生物產(chǎn)率高，有機(jī)質(zhì)保存好［3-4］。

Haynesville頁巖在盆地內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)育。從圖1中可以看出，頁巖具有多源沉積的特點(diǎn)，既有盆內(nèi)原生的碳酸鹽沉積物源，還有外源的碎屑沉積物源。碳酸鹽巖物源來自于西區(qū)碳酸鹽巖臺地及鮞粒灘，碎屑物源來自于東北區(qū)三角洲、濱岸沉積。碳酸鹽臺地、鮞粒灘、古隆起以及深水陸棚形成的局限盆地環(huán)境，造成頁巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，由東北向西南由硅質(zhì)頁巖逐漸過渡為鈣質(zhì)頁巖。有利相帶沉積背景下發(fā)育的Haynesville頁巖在儲層、溫壓系統(tǒng)、埋深、含氣性等具有獨(dú)特性［5］。

（1）儲層“四高”?？傆袡C(jī)碳（TOC）含量高，平均3%；演化程度高，鏡質(zhì)組反射率Ro為2.2%～3.2%；總孔隙度高，一般在4%～8%；脆性礦物含量高，鈣質(zhì)硅質(zhì)含量大于60%。

圖1　Haynesville頁巖沉積相及沉積剖面圖（據(jù)Ewing，2009，修編）

（2）地層高壓高溫。地層壓力55～70 MPa，地溫137～204 ℃，壓力梯度為1.6～2.0 MPa/100 m，屬超壓地層。

（3）頁巖埋藏深。普遍大于3 000 m，最深4 300 m。

（4）含氣量高。一般在2.8～9.4 m3/t，其中游離氣比例高，平均占總含氣量80%，吸附氣平均占20%。

2　Haynesville頁巖層高產(chǎn)因素分析

Haynesville頁巖原始地層壓力平均48.3 MPa，壓力系數(shù)1.5～2.0，高壓地層具有較高的單井產(chǎn)量，平均初產(chǎn)25×104m3/d，最高可達(dá)56×104m3/d，是北美單井產(chǎn)量最高的頁巖氣田，其中德克薩斯州頁巖氣井平均日產(chǎn)氣量18.4×104m3/d，路易斯安那州氣井平均日產(chǎn)氣量32.6×104m3/d，是德克薩斯州氣井初產(chǎn)的1.8倍，通過分析甜點(diǎn)區(qū)地質(zhì)特征、壓裂參數(shù)、排采制度等因素分析高產(chǎn)的主導(dǎo)因素。

2.1甜點(diǎn)區(qū)地質(zhì)特征

路易斯安那州Caddo、DeSoto、Red River、Bienville和Bossiver Parishes等地區(qū)是Haynesville頁巖氣高產(chǎn)區(qū)，綜合分析認(rèn)為高產(chǎn)區(qū)位于地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)，表現(xiàn)為穩(wěn)定構(gòu)造、適中厚度、高TOC、高壓力系數(shù)、高脆性礦物含量等地質(zhì)特征［6］。

（1）構(gòu)造穩(wěn)定。Haynesville構(gòu)造是一個(gè)穩(wěn)定的箱狀背斜構(gòu)造，頂部寬緩、斷層發(fā)育少，構(gòu)造變形弱。高產(chǎn)井位于背斜東南翼，傾角較緩，構(gòu)造穩(wěn)定。

（2）優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大。全區(qū)頁巖總有效厚度30～120 m，其中高產(chǎn)區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度50～60 m。頁巖頂?shù)装宸馍w層穩(wěn)定，上下隔層對縫高的控制，導(dǎo)致排量與厚度的有效匹配，使得凈壓力增加，更易形成縫網(wǎng)的體積改造。

（3）高TOC含量。TOC含量大于3%。干酪根吸附能力強(qiáng)，增加頁巖含氣量。干酪根內(nèi)發(fā)育有機(jī)孔隙，提高頁巖儲集性。

（4）高孔隙度?？紫抖却笥?%，游離氣儲集空間大，含氣量高，利于初期高產(chǎn)。

（5）高地層壓力系數(shù)。一般大于2.0，Haynesville地層是北美已開發(fā)頁巖層系中壓力系數(shù)最高的地層，高壓表明地層能量充分，保存條件良好，也是Haynesville頁巖初產(chǎn)遠(yuǎn)高于其他頁巖初產(chǎn)的重要原因。

（6）高脆性礦物含量。石英、長石等脆性礦物含量大于60%，其中碳酸鹽巖礦物含量大于25%。泥質(zhì)含量較低，一般小于45%。高脆性、低黏土頁巖脆性指數(shù)高，易于壓裂。

2.2壓裂參數(shù)優(yōu)化

選擇位于路易斯安那州的相似地質(zhì)條件下產(chǎn)量不同的49口井，單井產(chǎn)量（8～56）×104m3/d，建立歸一化產(chǎn)量，即將不同水平段長的生產(chǎn)井統(tǒng)一折算為1 000 m水平段長后進(jìn)行分析。利用歸一產(chǎn)量分析與壓裂段數(shù)、單段長、施工排量、壓裂液量、加砂量、施工壓力與裂縫壓力梯度等關(guān)系，如圖2。

圖2　Haynesville頁巖氣井產(chǎn)量與壓裂參數(shù)關(guān)系

從圖2可以看出，高產(chǎn)井壓裂參數(shù)具有長水平段、多段數(shù)、大排量、大液量、高施工壓力、低破裂壓力梯度等特征。

（1）水平段長。水平段作為單因素評價(jià)與產(chǎn)量關(guān)系并不明顯。選擇相似壓裂參數(shù)的井對比不同水平段長分析顯示，水平段越長，產(chǎn)量越高。單位注液強(qiáng)度16 m3/m，單位加砂強(qiáng)度1.5 t/m，施工壓力76 MPa，排量13.9 m3/min條件下水平段長1 400 m的井產(chǎn)量為29×104m3/d，相對于1 200 m為21×104m3/d，折算每增加100 m可提高產(chǎn)量4×104m3/d。

（2）多段數(shù)、小段長，小簇間距。30×104m3/d以上高產(chǎn)井壓裂段一般為9～12段，單段長一般在90～110 m，簇間距20～25 m。

（3）中高排量。30×104m3/d以上高產(chǎn)井施工排量一般在11～13 m3/min。

（4）大液量，高砂量。單段2 000 m3液量對應(yīng)產(chǎn)量30×104m3/d相對于1000 m3液量19×104m3/d，產(chǎn)量增加1.6倍。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Haynesville高產(chǎn)井單段液量大于1 500 m3，砂量120 t，注液強(qiáng)度大于20 m3/ m，加砂強(qiáng)度大于1.3 t/m。

（5）低返排率。Haynesville頁巖返排率通常較低，一般在15%～30%，主要返排期在前2年。高產(chǎn)井表現(xiàn)為低返排率［5］，原因可能是由于復(fù)雜縫網(wǎng)可容空間大，壓裂改造效果好，壓裂液滯留在遠(yuǎn)端縫網(wǎng)改造區(qū)不易返排。而高返排率井一般表現(xiàn)為近井筒段的單一縫或平面縫，改造空間較小，壓裂液以線性流方式返回井筒。

2.3排采工作制度

早期開發(fā)Haynesville頁巖氣井產(chǎn)量遞減過快，主要原因是由于壓降過快導(dǎo)致生產(chǎn)壓差過大，氣體采出速度過快，滲透率下降，造成應(yīng)力敏感，影響了單井累產(chǎn)［7］。通過控壓生產(chǎn)的方法有效避免支撐劑嵌入、破損及堵塞等因素對儲層的傷害，進(jìn)而最大限度保持網(wǎng)狀縫的滲流能力。圖3中通過歸一化產(chǎn)能指數(shù)來評價(jià)壓降對井生產(chǎn)能力的影響［5］，可以看出，12口實(shí)際生產(chǎn)井中有3口井由于控制壓降，遞減較慢，累產(chǎn)氣量大于0.5億m3。

圖3　Haynesville頁巖氣井歸一化產(chǎn)量指數(shù)與累產(chǎn)氣量變化圖［5］

歸一化產(chǎn)能指數(shù)方程為

其中

式中，PIn為歸一化產(chǎn)能指數(shù)；qg為產(chǎn)氣量，m3/d；i為原始地層壓力，MPa；bh為井底流壓，MPa。

Haynesville頁巖氣井返排初期20 d控壓生產(chǎn)，保持井底流壓至少維持在35 MPa以避免滲流能力過快降低［8］；之后通過自噴排液實(shí)現(xiàn)降壓求取峰值產(chǎn)量，見氣高峰一般為60 d，峰值產(chǎn)量后控制壓降幅度延緩遞減，日降流壓0.3～0.5 MPa，通過改變油嘴尺寸可實(shí)現(xiàn)壓降速率的控制，一般選擇大油嘴獲得高的初產(chǎn)，但遞減更快，小油嘴初產(chǎn)相對低，但遞減更慢［9］。一般小于30×104m3/d初產(chǎn)選擇?5.6 mm油嘴、大于60×104m3/d初產(chǎn)選擇?9.6 mm油嘴可獲取最大累產(chǎn)（圖4）。

圖4　Haynesville頁巖氣井油嘴與產(chǎn)量關(guān)系圖

3　我國高壓頁巖氣開發(fā)工程參數(shù)對策

前人研究認(rèn)為四川盆地及其周緣下志留統(tǒng)龍馬溪組具有優(yōu)越的頁巖氣成藏地質(zhì)條件［10］。中石油、中石化等通過對川東南地區(qū)露頭觀察、鉆井取心等分析研究，獲取了沉積相、儲層展布、含氣性等地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)選出威遠(yuǎn)、富順-永川、長寧、涪陵等區(qū)塊內(nèi)發(fā)育的多個(gè)有利構(gòu)造為頁巖氣高產(chǎn)富集區(qū)。近年來，通過實(shí)施水平井大型分段壓裂，證實(shí)了川東南地區(qū)盆內(nèi)穩(wěn)定構(gòu)造發(fā)育高壓力系數(shù)的頁巖氣層具備高產(chǎn)條件，是我國商業(yè)化開發(fā)頁巖氣的現(xiàn)實(shí)區(qū)。

3.1涪陵頁巖氣田地質(zhì)參數(shù)

2012年11月焦頁1井試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流以來，多口井在焦石壩構(gòu)造連續(xù)試獲高產(chǎn)氣流，發(fā)現(xiàn)了我國第一個(gè)百億方頁巖氣田——涪陵焦石壩頁巖氣田。焦石壩構(gòu)造位于四川盆地內(nèi)部，齊岳山斷裂帶以西，構(gòu)造主體變形較弱，上、下構(gòu)造層形態(tài)基本一致，整體表現(xiàn)為背斜形態(tài)，頂部寬緩、地層傾角小、斷層不發(fā)育［11］。龍馬溪-五峰組頁巖屬深水陸棚相，頁巖儲層參數(shù)具體見表1［12］。優(yōu)質(zhì)頁巖段石英、長石等脆性礦物50.9%～80.3%，平均為62.4%。良好的頂?shù)装迳w層和相對較弱的構(gòu)造改造作用使焦石壩構(gòu)造具有良好的保存條件，實(shí)測地層壓力系數(shù)1.55，同樣位于盆內(nèi)的富順區(qū)塊陽高寺構(gòu)造壓力系數(shù)2.2，實(shí)施水平井獲43×104m3/d高產(chǎn)，實(shí)例證明盆地穩(wěn)定構(gòu)造發(fā)育的高壓頁巖氣藏具有高產(chǎn)條件，而位于盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)桑柘坪向斜自燕山期以來受多期構(gòu)造改造和破壞，表現(xiàn)為1.0的低常壓系統(tǒng)，水平井產(chǎn)量為2.0×104m3/d。

涪陵頁巖氣田是四川盆地龍馬溪組頁巖的甜點(diǎn)區(qū)，具有高TOC、高孔隙度、高壓力系數(shù)和高脆性礦物的地質(zhì)特征，有利的地質(zhì)條件是獲取高產(chǎn)的前提，與北美Haynesville氣田高產(chǎn)區(qū)分布規(guī)律一致。

表1　涪陵頁巖氣田與Haynesville氣田地質(zhì)條件對比

3.2壓裂參數(shù)優(yōu)化

JY1HF井是涪陵頁巖氣田的第1口水平井，水平段長1 007 m，分15段壓裂，壓裂參數(shù)見表2，壓裂后保持20 MPa的穩(wěn)定井底流壓條件下穩(wěn)產(chǎn)6×104m3/d，達(dá)到了壓裂改造的目的［13］。JY1HF是我國第一口實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、商業(yè)化開發(fā)的頁巖氣井，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的重大突破。

該井壓裂成功后在其附近開展了23口的井組試驗(yàn)，并開展不同壓裂參數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)井水平段長1500 m，方位優(yōu)化為近南北向，與最小水平主應(yīng)力方位一致，壓裂裂縫與井眼方向垂直，壓裂改造效果較好［14］。試驗(yàn)井測試平均產(chǎn)量大于30×104m3/d，明確了長水平段（1 500 m）、多段數(shù)、小段長、大液量、大砂量的壓裂參數(shù)適合我國高壓頁巖氣改造，與前文分析北美Haynesville頁巖經(jīng)驗(yàn)一致。

表2JY1HF井與Haynesville高產(chǎn)井壓裂參數(shù)對比

目前涪陵頁巖氣田已基本形成頁巖氣井網(wǎng)絡(luò)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建議在北美Haynesville和我國涪陵頁巖氣田成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同區(qū)塊地質(zhì)特征進(jìn)一步優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂工具及材料國產(chǎn)化，降本增產(chǎn)，為頁巖氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供依據(jù)。

4　結(jié)論與認(rèn)識

美國Haynesville頁巖氣和涪陵頁巖氣獲得高產(chǎn)表明需優(yōu)選有利甜點(diǎn)區(qū)，并采用適合的壓裂改造參數(shù)和合理生產(chǎn)制度：（1）TOC含量、高孔隙、高壓力系數(shù)、高脆性礦物的頁巖分布甜點(diǎn)區(qū)；（2）長水平段、適中段數(shù)、小段長、小簇間距、高注液強(qiáng)度、高加砂強(qiáng)度的有效壓裂施工參數(shù)；（3）壓后返排初期需要通過合適的油嘴、中后期通過連續(xù)油管或抽吸控壓排采，減小縫中有效閉合應(yīng)力的增加速度，保持滲流能力。

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（修改稿收到日期2015-01-15）

〔編輯朱偉〕

Study on high production factors of high-pressure shale gas from Haynesville Shale Gas development data

FANG Dazhi1, ZENG Hui1, WANG Ning1, ZHANG Yong2
（1. Petroleum Exploration and Production Research Institute, Huadong Branch Company, SINOPEC, Nanjing 210011, China; 2. Geophysical Prospecting Research Institute, Huadong Branch Company, SINOPEC, Nanjing 210011, China）

The actual production data from Haynesville Shale gas wells show that, the three leading factors affecting production are geologic sweet spot area, fracture parameters and proper drainage. The key factors for sweet spot areas selection in shale include reservoir thickness (50 to 60 m), total organic carbon (TOC) (>3%), porosity (>4%), pressure coefficient (>2.0), and the content of brittle minerals (>60%). The fracturing parameters for reservoirs with high-production horizontal wells are: the length of horizontal section being generally 1 000 m to 1 500 m; stages being in 9 to 12; the length of single stage being 90 m to 110 m; cluster spacing being 20 to 25 m; construction displacement being 11 to 13 m3/min; fluid volume for single stage being greater than 1 500 m3; and sand volume for single stage being greater than 120 t. Maintaining a small initial production pressure differential helps maintain the seepage capacity, and hence obtain the maximum cumulative production. It is recommended that using the similar experiences from North America for reference, optimizing the fracturing parameters according to geologic features of shales in different blocks, and realizing economic and efficient development of shale gas.

shale gas; production; sweet spot area; fracture parameters

TE37

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0058 – 05

10.13639/j.odpt.2015.02.016

國家首批礦產(chǎn)資源綜合利用示范基地項(xiàng)目。

房大志，1984年生。2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）與俄羅斯石油天然氣大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè)，碩士研究生，主要從事頁巖氣及煤層氣開發(fā)工作，工程師。電話：025-58611069。E-mail：157334594@qq.com。

引用格式：房大志，曾輝，王寧，等.從Haynesville頁巖氣開發(fā)數(shù)據(jù)研究高壓頁巖氣高產(chǎn)因素［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）：58-62.