四川盆地長寧頁巖氣井生產(chǎn)特征及開采方式

商紹芬 嚴 鴻 吳 建 蔣駿飛

中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦

1 概況

1.1 氣藏概況

長寧頁巖氣田五峰組—龍一1亞段儲層厚度變化較小，在22 m～40 m之間變化，大部分地區(qū)厚度大于30 m，脆性礦物65%～75%之間，有機質(zhì)組分為Ⅰ型干酪根，熱成熟度（Ro）一般在2.5%以上，有機碳含量3%～5%，單井TOC為3.2%～ 4.3%，孔隙度4%～7%、基質(zhì)滲透率平均值為1.02×10－4mD、甲烷97%以上、不含硫化氫、CO2含量在0.22%～0.59%、干燥系數(shù)（）為 134.65～282.98、地層壓力 18.41 MPa～ 61.02 MPa，地層壓力系數(shù)1.2～2.03、地層溫度87 ℃～110.6℃、含氣量 3.5 ～ 7 m3/t，吸附氣量 2 ～ 3.5 m3/t，儲層含氣飽和度55%～65%。長寧地區(qū)頁巖物質(zhì)基礎(chǔ)良好，儲層品質(zhì)優(yōu)，保存條件好，可壓性好，目前已進入規(guī)模化上產(chǎn)階段，展現(xiàn)了長寧地區(qū)頁巖氣氣藏良好的勘探開發(fā)前景[6,9]。

1.2 氣井概況

自2012年7月長寧頁巖氣寧201-H1第一量口水平井投產(chǎn)，已經(jīng)投產(chǎn)井71口井，區(qū)域日產(chǎn)氣達到 450×104m3/d，截至 2017 年 12 月底累計產(chǎn)氣31.49×108m3，累計排液81.70×104m3（圖1）。

長寧地區(qū)頁巖氣井投產(chǎn)前返排率低，面臨投產(chǎn)后仍需排液與產(chǎn)量持續(xù)遞減的問題；投產(chǎn)后產(chǎn)量壓力遞減快，氣井中后期低壓和積液是制約生產(chǎn)的因素。筆者通過對長寧地區(qū)頁巖氣井生產(chǎn)動態(tài)特征和實施工藝措施效果的綜合分析，總結(jié)了長寧地區(qū)頁巖氣井的開采方式，提出了頁巖氣井實施工藝的技術(shù)思路。

2 頁巖氣井生產(chǎn)特征

2.1 頁巖氣井返排過程存在產(chǎn)液（氣）量上升、下降的階段性特征

從生產(chǎn)角度分析，采氣曲線可以劃分為五個階段，分別為階段①：產(chǎn)液量上升、只產(chǎn)液不產(chǎn)氣；階段②：產(chǎn)液量快速上升并達到最高，產(chǎn)氣量上升；階段③：產(chǎn)液量快速下降、產(chǎn)氣量快速上升并達到最高；階段④：產(chǎn)液量緩慢下降、產(chǎn)氣量快速下降；階段⑤：低壓小產(chǎn)階段。階段①～③主要出現(xiàn)在測試階段，階段④和⑤主要出現(xiàn)在生產(chǎn)階段（圖2）。

圖1 長寧頁巖氣田寧201井區(qū)采氣綜合曲線圖

2.2 井口壓力下降快，氣井產(chǎn)能差異比較大，遞減率大并呈正態(tài)分布

長寧頁巖氣田寧201井區(qū)投產(chǎn)水平井初期井口壓力 15 MPa ～ 40 MPa，平均 28.2 MPa，大多以不限產(chǎn)方式生產(chǎn)，投產(chǎn)后產(chǎn)量壓力均遞減比較快，約150天降到10 MPa以下，半年后平輸壓5.00 MPa生產(chǎn)（圖3）。投產(chǎn)1.5年后壓力產(chǎn)量下降大于75%，氣井1.5年后自噴能力弱，需要工藝措施維持氣井的間隙生產(chǎn)。

氣井產(chǎn)能差異比較大，遞減率相差大并呈正態(tài)分布，遞減率呈逐年降低趨勢。以不限產(chǎn)的方式生產(chǎn)，氣井無穩(wěn)產(chǎn)期，投產(chǎn)即遞減，相對時間計算39口井第一年產(chǎn)氣量遞減率65.03%，23口井第二年遞減率33.81%（圖4）。

2.3 頁巖儲層特殊性增加了液體返排難度

長寧地區(qū)頁巖氣井水平井經(jīng)過壓裂返排測試后，試油過程一般返排率在10%左右，頁巖儲層特殊性增加了液體返排難度[1-2,4-5,8]。

2.3.1 超低含水飽和度

超低含水飽和度現(xiàn)象越嚴重的儲層，原始含水飽和度越低，其滲吸量更大，引起儲層含水飽和度增量高，滲吸置換到裂縫中的氣體更多，初期開井產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量都更高，而返排率則更低。

2.3.2 毛細管力巨大

頁巖等致密儲層的孔喉半徑屬于微納米尺度，由于氣水界面張力產(chǎn)生的毛細管力巨大，部分頁巖毛管力最高甚至超過50 MPa，高毛細管力儲層，滲吸作用強，置換出了更多的游離氣到裂縫，而開井的初始產(chǎn)氣量主要來自裂縫，但是滲吸到儲層深處的壓裂液在后期生產(chǎn)過程中會阻礙氣體的流動，導(dǎo)致后期的產(chǎn)量低，并最終導(dǎo)致高毛細管力下的累產(chǎn)氣量低。

圖2 長寧H-X井排液采氣階段劃分示意圖

圖3 寧201井區(qū)投產(chǎn)井壓力變化曲線

2.3.3 頁巖的自吸水化特征

在壓裂過程中，微裂紋尖端的應(yīng)力增加，顆粒受到拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生新的微裂紋和較大裂縫的擴展，從而產(chǎn)生宏觀破壞。因此，由于毛細管力控制的自吸作用，水在主裂縫的帶動下被推進至遠井區(qū)域，裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜、壓裂規(guī)模越大、水殘存在地層中的時間越長，返排的難度越大，返排率越低。

一口頁巖氣井在壓裂以后，大量的壓裂液將永久性的賦存于儲層中并與之接觸，儲層的性質(zhì)將直接影響到壓裂液在儲層中的賦存、運移、進而影響壓裂液的返排率與氣井的產(chǎn)能。壓力施工參數(shù)對返排也有重要影響，氣井返排率受影響因素多，不能一味強調(diào)返排率。

2.4 氣井生產(chǎn)中后期，積液和停噴需要工藝措施維持生產(chǎn)

長寧地區(qū)頁巖氣井投產(chǎn)初期大部分未下入油管，失去自噴能力后，低壓和積液是制約頁巖氣井后期生產(chǎn)的主要因素，后期工藝措施和時機的選擇對氣井生產(chǎn)影響較大。已實施的帶壓下油管、泡沫、氣舉、柱塞和增壓工藝都取得了不同的增產(chǎn)效果。

2.4.1 油管有助于氣井帶液，下油管氣井穩(wěn)產(chǎn)能力強

長寧H3平臺上半支的3口井投產(chǎn)前就下油管，投產(chǎn)6個月后在氣產(chǎn)量較低的情況下，水氣比大于6 m3/104m3，產(chǎn)氣量遞減率也相對較低，第一年僅為20.03%；長寧H3平臺下半支3口套管生產(chǎn)井投產(chǎn)1個月后，水氣比下降到4 m3/104m3以下，第一年產(chǎn)出氣遞減率達到84.56%（圖5）。氣田其他頁巖氣井在投產(chǎn)后不同時期下入油管，日產(chǎn)氣、日產(chǎn)液明顯增加，產(chǎn)量遞減率下降，產(chǎn)氣量相對更趨穩(wěn)定。

2.4.2 實施泡沫排水采氣工藝，效果顯著

通過水質(zhì)分析，H3平臺產(chǎn)出液總礦化度為52.944 g/L，水型為CaCl2型。采用 CT5-7C1起泡劑和配套的CT5-10消泡劑，對長寧H3-1等井加泡帶液，排液效果明顯，增產(chǎn)氣量0.49×104m3/d，增產(chǎn)26.9%，泡排后日產(chǎn)液量由5.25 m3上升到11.39 m3，增加117%（ 圖6）。試驗表明，泡沫排水采氣工藝需連續(xù)加注，生產(chǎn)更穩(wěn)定。

2.4.3 氣舉和連續(xù)小油管氣舉恢復(fù)了積液和停噴井的產(chǎn)能

未下油管還有一定產(chǎn)能的氣井，連續(xù)小油管氣舉可以實現(xiàn)氣井的快速復(fù)活。長寧H2-1井失去自噴生產(chǎn)能力后，采取連續(xù)小油管氣舉排液后，10個小時快速復(fù)活，第1天日產(chǎn)水31 m3，日產(chǎn)氣5.2×104m3，但自噴持續(xù)時間短。

圖4 寧201井區(qū)遞減率分析曲線圖

圖5 長寧H3平臺油管生產(chǎn)對比曲線圖

對已下油管氣井采取在平臺之間輪換間隙氣舉，氣井生產(chǎn)相對穩(wěn)定。

2.4.4 柱塞工藝試驗效果好，保持了氣井的較長時間穩(wěn)產(chǎn)

長寧H2-4井在先后實施下油管和氣舉后，由于頁巖氣滲流的特殊性，僅在一定時間內(nèi)維持了氣井的正常生產(chǎn)，之后該井實施柱塞工藝配合薄膜閥自動控制開關(guān)井，氣井生產(chǎn)相對更穩(wěn)定，還能更好地適應(yīng)自動控制生產(chǎn)管理。

2.4.5 增壓提高了單井產(chǎn)量

頁巖氣井后期低壓是制約生產(chǎn)的一個主要因素，未限產(chǎn)的頁巖氣井投產(chǎn)初期壓力產(chǎn)量遞減快，4.5 MPa～5.5 MPa的較高輸壓對后期低壓小產(chǎn)積液井影響較大。已投產(chǎn)4年的H2平臺如果不增壓，依靠其他工藝，氣井仍然無法生產(chǎn)。長寧地區(qū)頁巖氣井以單井增壓、平臺增壓、區(qū)域增壓和集中增壓的方式對29口生產(chǎn)井實施增壓，日產(chǎn)氣提高了10%以上。

3 頁巖氣井的開采方式

無油管的套管生產(chǎn)方式，由于介質(zhì)對套管的腐蝕、磨損等原因，會對套管造成嚴重的腐蝕和磨蝕，因此套管在采氣生產(chǎn)時就具有一定的缺陷。

美國的頁巖氣井通常采用不限產(chǎn)的生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)方式在生產(chǎn)初期產(chǎn)量遞減很快，不利于油氣田平穩(wěn)開發(fā)及平穩(wěn)供氣[3-7]。

3.1 頁巖氣井投產(chǎn)初期采取控壓開采為主的生產(chǎn)方式

長寧地區(qū)頁巖氣田寧203井巖心脈沖滲透率隨深度變化實驗表明，巖心滲透率在縱向上非均質(zhì)性強，且與儲層裂縫發(fā)育存在對應(yīng)關(guān)系。在深度 2305.71 m ～ 2 358.68 m 實驗段中，在深度2308.73 m ～ 2 313.05 m 和 2 354.02 m ～ 2 355.45 m巖心滲透率高，致密縫發(fā)育，其他井段屬于致密有縫、致密微縫、致密無明顯縫和致密無縫。

圖6 長寧H3-1采氣綜合曲線圖

巖心滲透率越高，裂縫越多，應(yīng)力敏感越強。裂縫隨著有效應(yīng)力的增大而閉合，對于低滲透氣藏產(chǎn)能影響很大，實驗結(jié)果推斷有效應(yīng)力上升到10 MPa時，滲透率降低到原有的15%～36%；有效應(yīng)力上升到15 MPa時，滲透率降到0.01 mD左右。

長寧地區(qū)水平井初期配產(chǎn)考慮井筒周圍壓降的幅度，以降低或者減緩應(yīng)力敏感效應(yīng)。臨界沖蝕流量、井筒壓降損失、系統(tǒng)理論最大產(chǎn)氣量及水合物防治也是投產(chǎn)初期需要考慮的問題。

3.2 針對頁巖氣井后期低壓和積液，采取工藝開采為主的生產(chǎn)方式

長寧地區(qū)頁巖氣井在投產(chǎn)初期大多采用套管作為生產(chǎn)管柱，中期在生產(chǎn)壓力接近輸壓和低于臨界攜液流量期間，通過帶壓下油管作業(yè)下入油管生產(chǎn)，采取泡排、氣舉和柱塞的人工舉升工藝措施，后期通過實施增壓，實現(xiàn)了氣井的正常生產(chǎn)。

3.2.1 下油管時機和深度

在氣井產(chǎn)氣量接近臨界攜液流量或井口壓力接近輸壓，會出現(xiàn)自噴帶液困難[10-11]，產(chǎn)水量減少，生產(chǎn)波動大等情況，因此可擇機下入油管進行生產(chǎn)。套壓不低于10 MPa或氣井生產(chǎn)7～9個月套壓波動較大時下入油管進行生產(chǎn)。投產(chǎn)后下油管時間提前，氣井穩(wěn)定效果更好。長寧地區(qū)頁巖氣井約50井次測試數(shù)據(jù)表明絕大多數(shù)井直井段以上未積液（僅2口井測試段有積液），但從生產(chǎn)曲線來看，井筒存在積液，表明積液主要在造斜點以下，即彎曲段和水平段。故排液采氣措施應(yīng)將油管至少下至彎曲井段，上翹型水平井下至A點即可。

3.2.2 柱塞舉升和泡排工藝

在油壓高于輸壓2 MPa之前或套壓與油壓差大于3 MPa之前、氣井尚具有連續(xù)自噴能力時，優(yōu)先采用柱塞氣舉和泡排工藝。

柱塞舉升工藝選取原則：①日產(chǎn)液＜30 m3，②生產(chǎn)氣液比≥ 500 m3/m3/1 000 m，③關(guān)井套壓≥1.2倍輸壓，④井下管柱及井口裝置保持通徑，⑤井深＜ 5 000 m，⑥井斜≤ 70°。

泡排工藝選取原則：①連續(xù)油管生產(chǎn)井、出砂井及井下情況復(fù)雜井；②已下油管且油套連通的氣井；③套壓出現(xiàn)周期性波動，并伴隨氣液產(chǎn)量周期性波動；④在油壓高于輸壓2 MPa之前或套—油壓差大于3 MPa時、尚具有連續(xù)自噴能力氣井。

3.2.3 氣舉排液工藝

對于水淹井，通過臨時氣舉誘噴排液可以有效復(fù)活氣井。在低壓低產(chǎn)的頁巖氣平臺內(nèi)對氣井輪換氣舉，是助排維持正常生產(chǎn)的有效手段。

3.2.4 增壓是頁巖氣井中后期生產(chǎn)的必需工藝

氣井油壓接近輸壓、氣井不能穩(wěn)定連續(xù)帶液生產(chǎn)時，實施增壓工藝。對不同時期投產(chǎn)的頁巖氣井，視情況選擇平臺增壓、區(qū)域增壓和集中增壓，是實現(xiàn)頁巖氣后期開采的必不可少的工藝。

4 結(jié)論

1）長寧地區(qū)頁巖氣井返排過程存在階段性特征,投產(chǎn)初期產(chǎn)量、壓力遞減快，無穩(wěn)產(chǎn)期，建議初期以控壓開采為主的方式生產(chǎn)，降低或減緩應(yīng)力敏感效應(yīng)，延緩產(chǎn)量遞減。

2）頁巖氣井儲層的特殊性增加了壓裂液返排難度，低壓和積液是制約后期生產(chǎn)的主要因素。已實施帶壓下油管、泡排、氣舉、柱塞和增壓工藝，氣井生產(chǎn)相對穩(wěn)定，探索形成了頁巖氣井工藝排液應(yīng)用條件和工藝措施類型。

3）針對頁巖氣井后期低壓和積液，通過人工助排，采取工藝開采為主的方式生產(chǎn)。在生產(chǎn)壓力接近輸壓或低于臨界攜液流量期間，擇機采取下小油管、泡排、氣舉、柱塞舉升和增壓等工藝措施為主的方式生產(chǎn)。

通過對長寧地區(qū)頁巖氣井開采動態(tài)規(guī)律的認識，對下步頁巖氣井開發(fā)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。