中國超深層構(gòu)造型大氣田高效開發(fā)策略

李熙喆，郭振華，胡勇，羅瑞蘭，蘇云河，孫賀東，劉曉華，萬玉金，張永忠，李蕾

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，河北廊坊 065007；2. 中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室，河北廊坊 065007）

0 引言

超深層大氣田是指埋藏深度超過4 500 m，探明天然氣地質(zhì)儲量超過300×108m3的氣田[1]。2000年以來，中國天然氣勘探開發(fā)業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，勘探對象逐步轉(zhuǎn)向深層、超深層并取得重大突破，探明儲量與產(chǎn)量快速增長。截至2016年底，已累計探明天然氣地質(zhì)儲量2.6×1012m3，年產(chǎn)量突破 300×108m3，其中構(gòu)造型大氣田探明儲量1.6×1012m3，年產(chǎn)量230×108m3，在超深層大氣田中占據(jù)主導(dǎo)地位，已成為天然氣增儲上產(chǎn)和效益增長的主體。由于氣藏埋藏深、地震成像精度差、儲集層類型多樣、氣水關(guān)系復(fù)雜，超深層構(gòu)造型大氣田在開發(fā)過程中也暴露出合理開發(fā)技術(shù)指標和水侵風(fēng)險程度確定難度大等一系列影響開發(fā)效果和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵問題。如何更加深入地認識其地質(zhì)與開發(fā)特征，有針對性地提出開發(fā)對策，對實現(xiàn)氣藏高效開發(fā)、提高經(jīng)濟效益、保障地區(qū)平穩(wěn)供氣具有重要意義。

本文通過對中國13個超深層大氣田地質(zhì)與開發(fā)特征對比分析，將 9個構(gòu)造型氣田按儲集層進行分類，并跟蹤分析各類氣田開發(fā)效果，總結(jié)影響氣田開發(fā)效果的主要因素，借鑒國內(nèi)外同類氣田的開發(fā)經(jīng)驗，提出實現(xiàn)氣田高效開發(fā)的策略。

1 超深層大氣田地質(zhì)特征

1.1 分布特征

中國目前已累計探明超深層天然氣田27個（見圖1），其中大氣田13個（見表1），主要集中在四川和塔里木盆地。13個大氣田中8個位于四川盆地，分別是磨溪、安岳、普光、元壩、龍崗、渡口河、鐵山坡和羅家寨；4個位于塔里木盆地，分別是大北1、克深、迪那2和塔中I號；僅有千米橋凝析氣田位于渤海灣盆地。

圖1 中國超深層氣田探明地質(zhì)儲量分布特征

縱向上，主力含氣層位最新的是古近系，最古老的是震旦系，其余分別為白堊系、三疊系、二疊系、奧陶系和寒武系，尤以二疊系長興組和三疊系飛仙關(guān)組最為集中，包括龍崗、普光、元壩、羅家寨、鐵山坡、渡口河6個氣田。

1.2 沉積環(huán)境與氣藏特征

氣藏類型復(fù)雜多樣，既有砂巖氣藏也有碳酸鹽巖氣藏，既有巖性氣藏也有構(gòu)造氣藏，在溫壓系統(tǒng)、氣體組分等方面也存在明顯差異。整體來看，具有以下特征（見表1）。

①以海相沉積環(huán)境為主。除庫車山前迪那2、大北和克深氣田開發(fā)層系為扇三角洲或辮狀河三角洲沉積外，其余10個氣田均為臺地邊緣顆粒灘、鮞粒灘或生物礁相。

表1 中國超深層大氣田地質(zhì)與氣藏特征參數(shù)表

②以構(gòu)造邊、底水氣藏為主。受儲集層連通性較好和裂縫相對發(fā)育的影響，氣藏成藏過程中氣水分異徹底，除塔中I號、元壩、龍崗長興組和安岳震旦系燈影組氣藏外，其余均表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造氣藏特征，具有統(tǒng)一氣水界面。

③氣體性質(zhì)差異明顯。塔里木盆地各超深層大氣田以凝析氣藏為主（克深氣田為干氣），四川盆地各氣藏普遍為高或中含H2S干氣氣藏。

2 構(gòu)造氣藏儲集層類型與開發(fā)特征

2.1 氣藏儲集層分類

重點針對超深層構(gòu)造氣藏，從影響開發(fā)技術(shù)政策制定的地質(zhì)與生產(chǎn)動態(tài)特征出發(fā)，依據(jù)基質(zhì)物性、裂縫發(fā)育程度以及基質(zhì)與裂縫匹配關(guān)系的差異，將儲集層劃分為單孔單滲、雙孔雙滲、雙孔單滲3種類型（見表 2）。

表2 超深層構(gòu)造氣藏儲集層類型劃分表

①單孔單滲儲集層：基質(zhì)覆壓滲透率大于0.1×10-3μm2，試井與測井滲透率比值0.3～3.0。裂縫不發(fā)育，基質(zhì)存儲、基質(zhì)滲流，在壓力恢復(fù)雙對數(shù)圖版上徑向流段導(dǎo)數(shù)曲線為0.5的水平直線。

②雙孔雙滲儲集層：基質(zhì)滲透率大于 0.1×10-3μm2，試井與測井滲透率比值 3.0～20.0?；|(zhì)及裂縫存儲，基質(zhì)的氣可以直接滲流至井筒，也可向裂縫供氣，再經(jīng)裂縫滲流至井筒。在壓力恢復(fù)雙對數(shù)圖版上導(dǎo)數(shù)曲線下凹，當裂縫滲透率和基質(zhì)滲透率較接近時，下凹基本變平，在壓力恢復(fù)雙對數(shù)圖版上表現(xiàn)為視均質(zhì)特征。

③雙孔單滲儲集層：基質(zhì)滲透率小于 0.1×10-3μm2，試井與測井滲透率比值大于20.0。基質(zhì)及裂縫存儲，基質(zhì)向裂縫供氣，再經(jīng)裂縫滲流至井筒。在壓力恢復(fù)雙對數(shù)圖版上導(dǎo)數(shù)曲線為 1/2斜率直線，最后為0.5的水平線，但水平線不易觀測到。

2.2 開發(fā)特征

由于構(gòu)造、儲集層、氣水分布等地質(zhì)特征的差異，3種類型氣藏在流體滲流、動靜態(tài)儲量比以及水侵風(fēng)險等開發(fā)生產(chǎn)特征方面存在較大差異。

2.2.1 不同尺度滲透率差異

受基質(zhì)物性、裂縫發(fā)育程度以及基質(zhì)與裂縫匹配關(guān)系的影響，不同類型儲集層試井與測井滲透率存在明顯差異：雙孔單滲型氣藏二者比值明顯高于單孔單滲型和雙孔雙滲型，整體表現(xiàn)為基質(zhì)低滲、致密，而宏觀（試井）呈高產(chǎn)但不穩(wěn)產(chǎn)的特點；同一氣藏不同部位氣井的試井與測井滲透率比值也明顯不同，在裂縫局部發(fā)育條件下，基質(zhì)物性越差、裂縫越發(fā)育，試井與測井滲透率的比值就越大。

2.2.2 動態(tài)儲量與地質(zhì)儲量比值

受多種因素影響，氣藏動態(tài)、靜態(tài)儲量一般都存在一定差異，探明地質(zhì)儲量普遍大于動態(tài)儲量，但多數(shù)相差 10%以內(nèi)，且隨著氣藏開采程度的不斷提高，這種差異會逐漸減小直至趨同。對克深、迪那 2等超深層大氣田生產(chǎn)動態(tài)跟蹤分析表明，受基質(zhì)供氣能力強弱的影響，不同類型儲集層的氣藏早期估算動態(tài)儲量與地質(zhì)儲量比值差異明顯：雙孔雙滲型動、靜態(tài)儲量比明顯大于雙孔單滲型氣藏，典型如迪那2氣田動、靜態(tài)儲量比達到 94%，而克深氣田則普遍小于 40%，并且基質(zhì)物性越差，動、靜態(tài)儲量比值越?。ㄒ妶D2）。

圖2 典型超深層大氣田動、靜態(tài)儲量比值與基質(zhì)滲透率

基質(zhì)供氣能力與基質(zhì)物性、裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)，基質(zhì)滲透率越低、裂縫越不發(fā)育，供氣能力越弱。對雙孔單滲型儲集層而言，裂縫網(wǎng)絡(luò)是流體的主要滲流通道，孔隙是流體的主要存儲空間，基質(zhì)供氣不足是造成動、靜態(tài)儲量差異大的主要原因。克深 2區(qū)塊干擾試井結(jié)果顯示，相距1 000 m以內(nèi)的氣井在5～20 min內(nèi)能夠探測到鄰井的干擾信號，井間滲流干擾性很強；但試井雙對數(shù)曲線僅顯示長期線性滲流特征，未出現(xiàn)徑向流特征，表明宏觀大尺度裂縫發(fā)育但裂縫密度低、基質(zhì)滲透率低，存在基質(zhì)供氣不足現(xiàn)象。

氣藏開發(fā)過程中，常以評價的地質(zhì)儲量為基礎(chǔ)，通過類比法、經(jīng)驗法和數(shù)值模擬法來確定氣藏的生產(chǎn)規(guī)模。超深層構(gòu)造氣藏動、靜態(tài)儲量存在差異，尤以雙孔單滲型最為明顯，在開發(fā)早期動、靜態(tài)資料相對有限的情況下，以地質(zhì)儲量為基礎(chǔ)進行開發(fā)方案編制，常會造成設(shè)計產(chǎn)能規(guī)模偏大。

2.2.3 水侵風(fēng)險程度

中國超深層構(gòu)造氣藏裂縫普遍發(fā)育，并且由于埋深大，地震資料品質(zhì)差，構(gòu)造落實程度低，斷裂、裂縫預(yù)測困難，給井位部署（避水）帶來較大挑戰(zhàn)。

有水氣藏水侵一般有兩種形式，一是邊底水大面積侵入含氣區(qū)；二是過大的生產(chǎn)壓差使底水快速錐進。生產(chǎn)壓差越大水竄越快，很多氣井投產(chǎn)短時間就見地層水而氣水同產(chǎn)，不久即被水淹[3-4]。在超深層構(gòu)造氣藏中，雙孔單滲型水侵風(fēng)險明顯高于單孔單滲型和雙孔雙滲型，主要原因為：①雙孔單滲型氣藏裂縫對滲透率的貢獻明顯高于雙孔雙滲型[5]，裂縫對滲透率貢獻越大，越易發(fā)生快速水侵；②雙孔單滲型開發(fā)產(chǎn)能規(guī)模一般偏大，易造成氣藏實際采氣速度過高；氣井配產(chǎn)較高，生產(chǎn)壓差大于合理水平，從而發(fā)生非均勻水侵，降低氣藏的最終采收率。

3 高效開發(fā)策略

許多學(xué)者均曾提及高效開發(fā)[4,6]，但對于其內(nèi)涵尚無明確定義。筆者認為，氣藏的高效開發(fā)，至少應(yīng)包含 3方面內(nèi)容，即：①準確評價儲量、建產(chǎn)規(guī)模，防止地面建設(shè)浪費；②保持全氣藏均衡開采，動用盡可能多的儲量，提高氣藏的累計產(chǎn)量；③減少無效和低效井，降低氣田開發(fā)的各項成本，實現(xiàn)較高經(jīng)濟效益。結(jié)合國內(nèi)外已開發(fā)氣田經(jīng)驗，認為超深層構(gòu)造型大氣田高效開發(fā)應(yīng)滿足 3個指標：①開發(fā)井成功率達到100%；②穩(wěn)產(chǎn)期 10～15年，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度達到50%，最終采收率不低于 70%；③地面處理能力與井口核定產(chǎn)能比值不大于1.2。

對已開發(fā)大氣田的跟蹤研究表明，中國超深層構(gòu)造型大氣田目前開發(fā)效益相對較高，但仍有進一步提升空間；高投入和高風(fēng)險的開發(fā)特點，決定了實現(xiàn)高效開發(fā)是一項艱巨復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，準確認識氣藏特征與儲集層類型，采取有針對性的開發(fā)技術(shù)政策是實現(xiàn)其高效開發(fā)的必由之路，為實現(xiàn)該目標，特提出4項對策。

3.1 強化氣藏前期評價

開發(fā)前期評價的主要目的是認識氣藏特征、確定氣藏類型，應(yīng)把握3個關(guān)鍵點。

①以落實氣藏構(gòu)造為目標，強化高精度開發(fā)地震采集、處理與解釋。塔里木盆地大北氣田山地寬方位三維采集攻關(guān)實踐表明[7]：針對疊前偏移的寬方位三維地震采集技術(shù)，通過增大觀測方位，增加覆蓋次數(shù)，可有效提高信噪比和改善偏移成像質(zhì)量。盡管前期投入相對較高，但能夠獲得高品質(zhì)資料，較為準確落實構(gòu)造形態(tài)，減少或避免鉆井失誤。

②以認識氣藏地質(zhì)和動態(tài)特征為目標，科學(xué)部署評價井。開發(fā)評價井的主要作用體現(xiàn)在：約束地震速度建模，落實構(gòu)造；認識儲集層內(nèi)部特征，評價儲量；探明氣水界面，明確流體空間分布特征。評價井的部署，要求必須保證一定數(shù)量，覆蓋氣藏構(gòu)造，且必須控制批次數(shù)量。塔里木油田公司經(jīng)過多年實踐，形成以庫車克深氣田為代表的井位分批部署原則（見圖3）：采取沿長軸、占高點、大井距的布井方式；布井次序首先以高點（探井）為中心沿長軸甩開2個井距部署2口評價井；測試成功，可再展開部署1～2口；視第1批評價井試采結(jié)果與第2批評價井測試結(jié)果再定下一輪井位。該布井方式已在庫車地區(qū)克深2后續(xù)區(qū)塊（克深8、克深6、克深9等）的評價井部署中得以應(yīng)用，效果良好。

圖3 庫車深層大氣田井位部署示意圖

③以落實可動用儲量為目標，強化規(guī)模試采。試采是開發(fā)前期評價階段獲取動態(tài)資料、準確認識氣藏開發(fā)特征、確定開發(fā)規(guī)模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于一般氣田，應(yīng)連續(xù)試采半年以上；對于大型特殊類型氣田，應(yīng)加大試采規(guī)模，延長試采時間?？松?區(qū)塊試采1年時，動態(tài)儲量變化幅度趨緩（見圖 4），與后期預(yù)測值相差20%～30%。因此，對于超深層構(gòu)造型大氣田，在開發(fā)前期評價階段，應(yīng)以落實可動用儲量為主要目標，強化規(guī)模試采；試采要求涵蓋不同類型氣井，試采時間持續(xù)10～18個月，視地層壓力下降3%～5%，以獲取可靠的動態(tài)資料，確保試采效果。

圖4 克深2區(qū)塊不同生產(chǎn)階段計算動態(tài)儲量與累計采氣量

3.2 保持合理建產(chǎn)節(jié)奏

根據(jù)國內(nèi)外已開發(fā)氣田經(jīng)驗[8-11]，開發(fā)效果較好的氣田，從發(fā)現(xiàn)到開始建產(chǎn)，其評價周期一般超過 6年（見圖5），且評價時間隨儲量規(guī)模和埋藏深度的增大而增加。對于新發(fā)現(xiàn)和投入開發(fā)的超深層構(gòu)造型大氣田，尤其是雙孔單滲型構(gòu)造氣藏，欲實現(xiàn)高效開發(fā)，其開發(fā)過程不能逾越，時間要充分保證。根據(jù)天然氣開發(fā)管理綱要和鉆完井周期進行估算，為確保開發(fā)前期評價效果，達到準確認識氣藏儲集層類型和特征的目的，其評價周期應(yīng)不少于6年（見圖6）。

圖5 部分國外氣田評價與建產(chǎn)周期

圖6 超深層大氣田評價建產(chǎn)周期估計

3.3 確定合理開發(fā)技術(shù)指標

開發(fā)方案是指導(dǎo)氣田開發(fā)的重要技術(shù)文件，是產(chǎn)能建設(shè)、生產(chǎn)運行管理、市場開發(fā)、長輸管道立項的依據(jù)。在地質(zhì)和動態(tài)特征認識清楚、開發(fā)主體工藝技術(shù)明確的前提下，編制開發(fā)方案，制定科學(xué)合理的開發(fā)技術(shù)指標是實現(xiàn)氣藏高效開發(fā)的基礎(chǔ)。超深層大氣田開發(fā)實踐表明，在確定開發(fā)技術(shù)指標時，尤其需要突出以下3點。

①不論探明、控制或預(yù)測儲量是多少，一定要充分考慮天然氣儲量的品位情況，以規(guī)模試采評價落實的可動用儲量作為編制方案的基礎(chǔ)[12]，確定開發(fā)方案指標，如生產(chǎn)規(guī)模、采氣速度、穩(wěn)產(chǎn)期等。此外，對于儲量規(guī)模大、產(chǎn)量比例大的氣田，在論證生產(chǎn)規(guī)模時，不僅要保證經(jīng)濟開發(fā)，還要兼顧保障地區(qū)的長期穩(wěn)定供應(yīng)戰(zhàn)略，往往采取保護性開發(fā)策略，通過適當限制生產(chǎn)規(guī)模，降低采氣速度，從而延長氣田生命周期。國外大氣田的采氣速度一般控制在可采儲量的2%～4%[13]。

②優(yōu)化開發(fā)井位部署，延長氣井無水采氣期，提高氣藏最終采收率。國內(nèi)外構(gòu)造邊、底水氣藏開發(fā)實踐表明，在彈性水驅(qū)、儲集層非均質(zhì)性較強情況下，采氣速度和井網(wǎng)部署對氣田采收率有很大影響。在構(gòu)造高部位集中布井，可以保持邊緣帶高壓以阻止邊、底水推進，延長無水采氣期。根據(jù)氣、水兩相二維數(shù)值模擬計算結(jié)果，對于產(chǎn)能較高的氣藏，采用在構(gòu)造高部位集中布井方式，采收率可高達 90%，采用均勻布井方式，采收率則為 82%[14]。龍王廟組氣藏數(shù)值模擬結(jié)果表明，在裂縫和孔洞相對發(fā)育、儲量豐度相對較高的構(gòu)造高部位集中布井，較在含氣面積區(qū)域內(nèi)均勻布井穩(wěn)產(chǎn)時間延長 4.5年，最終采收率提高3.5%[15]。

對于雙孔單滲型構(gòu)造邊、底水氣藏，開發(fā)井部署時還需要考慮井位與斷裂、裂縫帶的位置關(guān)系。為此，設(shè)計平面二維大型物理模擬實驗[16-20]（見圖7）模擬氣井距裂縫帶距離對水侵前緣推進速度和氣藏采收率的影響。物理模擬實驗顯示：水在基質(zhì)中呈活塞式推進，裂縫與水體連通時，開采過程中水沿裂縫非均勻突進，水侵前緣推進速度是基質(zhì)中的幾十、上百倍。參照克深氣田地質(zhì)特征，綜合考慮模型形態(tài)、氣藏條件以及氣水滲流等相似性，結(jié)合氣、水產(chǎn)量計算公式和物質(zhì)平衡方程，建立簡化的裂縫性氣藏水侵數(shù)學(xué)模型。計算結(jié)果表明（見圖 8）：當斷裂溝通水體、氣井與斷裂相距100 m左右時，氣藏采收率達到峰值27.4%；若氣井與斷裂距離在100 m以內(nèi)，隨距離減小，水侵前緣推進速度逐漸增大，氣藏采收率逐漸減??；當兩者距離大于100 m時，隨距離增大，氣藏采收率亦呈下降趨勢，顯示此時斷裂對提高儲集層供氣能力發(fā)揮的作用有限，以基質(zhì)供氣為主。因此，開發(fā)井部署時要根據(jù)斷裂、裂縫預(yù)測成果，使井位與斷裂保持一定距離，既利用基質(zhì)降低水侵前緣非均勻推進速度，也要利用斷裂周緣裂縫提高基質(zhì)供氣能力。

圖7 平面二維大型物理模擬實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖8 開發(fā)井與裂縫位置關(guān)系對水侵及氣藏采收率的影響

③單井配產(chǎn)必須重點考慮水侵風(fēng)險與基質(zhì)供氣能力兩個因素。超深層大氣田儲集層基質(zhì)物性一般較差，裂縫相對發(fā)育，尤其是雙孔單滲型邊、底水氣藏，不同尺度下滲流能力差異較大。當氣井配產(chǎn)過高時，存在明顯的基質(zhì)供氣能力不足現(xiàn)象，地層壓力下降速度過快，易發(fā)生快速水淹，具有較短的穩(wěn)產(chǎn)期和較低的采收率，難以滿足方案設(shè)計穩(wěn)產(chǎn)年限。例如加拿大的Beaver River氣田[10]，該氣田為底水驅(qū)動氣藏，天然氣主要產(chǎn)自裂縫性致密白云巖儲集層，開發(fā)初期單井平均配產(chǎn)110×104m3/d，為無阻流量的46%，投入生產(chǎn)6個月即見水，2年后全氣田水淹，最終采收率僅為12%。

國內(nèi)多數(shù)氣田單井配產(chǎn)一般為氣井無阻流量的1/6～1/4，對于超深層大氣田，在進行單井合理產(chǎn)量技術(shù)界限論證時，必須加強儲集層非均質(zhì)性研究，實時跟蹤氣田生產(chǎn)動態(tài)，重點考慮水侵風(fēng)險和供氣能力兩個關(guān)鍵因素，滿足方案設(shè)計穩(wěn)產(chǎn)年限、氣藏采收率最大化和最優(yōu)經(jīng)濟效益的要求。近幾年通過對大北、克深、龍王廟組氣藏開發(fā)過程跟蹤研究，認為對于無阻流量較高、水侵風(fēng)險較大的氣井，單井配產(chǎn)控制在無阻流量的10%左右較為適宜。

3.4 創(chuàng)新關(guān)鍵適用技術(shù)

鑒于氣田開發(fā)過程中所面臨的挑戰(zhàn)，應(yīng)持續(xù)加強氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，配套主體開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)氣藏高效開發(fā)，包括：①規(guī)模部署高密度寬方位地震采集工作，加強處理解釋技術(shù)攻關(guān)，提高構(gòu)造解釋精度；②加強井-震聯(lián)合，多技術(shù)、多手段的儲集層預(yù)測技術(shù)攻關(guān)，較為準確地把握儲集層及流體在平面和縱向上的分布特征；③加強超深層快速鉆井和低傷害鉆井技術(shù)攻關(guān)，進一步降低開發(fā)成本；④持續(xù)強化壓裂設(shè)計及施工配套工藝技術(shù)攻關(guān)，降低儲集層傷害、提高單井產(chǎn)量。

4 結(jié)論與建議

超深層構(gòu)造型大氣田儲集層可劃分為單孔單滲、雙孔雙滲和雙孔單滲 3種類型，開發(fā)規(guī)模確定難度大和存在快速水侵風(fēng)險是影響氣藏開發(fā)效果的主要因素，尤以發(fā)育雙孔單滲型儲集層的氣藏最為突出。

實現(xiàn)超深層構(gòu)造型大氣田高效開發(fā)，需要：①進一步強化氣藏前期評價，以落實氣藏構(gòu)造、認識氣藏地質(zhì)和動態(tài)特征、確定可動用儲量為目標，強化高精度開發(fā)地震采集、處理與解釋，科學(xué)部署評價井、規(guī)模試采。②合理控制建產(chǎn)節(jié)奏，評價周期應(yīng)不少于 6年。③制定合理開發(fā)技術(shù)政策：以規(guī)模試采落實的可動用儲量作為編制開發(fā)方案的基礎(chǔ)；開發(fā)井部署要根據(jù)斷裂、裂縫帶預(yù)測成果，使井位與其保持一定距離；單井配產(chǎn)需重點考慮水侵風(fēng)險與基質(zhì)供氣能力兩個因素。④持續(xù)強化地震、鉆完井等施工配套工藝技術(shù)攻關(guān)，進一步提高開發(fā)效益。

致謝：研究工作得到袁士義院士、李海平教授和梁春秀教授的指導(dǎo)，在此一并表示感謝!

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