水平井“工廠化”部署與設計優(yōu)化
——以四川威遠頁巖氣藏為例

趙 國 英

中國石油集團長城鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院

水平井技術作為頁巖氣藏開發(fā)的一項重要技術手段，在北美頁巖氣開發(fā)中起到了重要的作用。根據(jù)美國Barnett區(qū)塊開發(fā)經(jīng)驗，水平井最終評價的開采儲量是直井的3倍以上，成本只相當于直井的1.5倍。四川盆地威遠龍馬溪組底部發(fā)育一套優(yōu)質(zhì)頁巖，富含烴類氣體，已成為中國頁巖氣勘探開發(fā)熱點區(qū)域。但是由于地質(zhì)條件和開發(fā)條件的不同，北美的經(jīng)驗和模式在中國并不能簡單地復制[1]。從地質(zhì)條件對比，威遠頁巖氣為早古生代志留紀沉積，地層較老，并經(jīng)過多期次改造，斷裂發(fā)育；沉積為深海陸棚，位于盆地邊緣；有機碳含量（TOC）偏低，一般在2%～5%；含氣量也偏低。從開發(fā)條件對比，威遠區(qū)塊頁巖氣熱演化程度偏高，熱成熟度（Ro）一般在2.5%以上，達到過成熟階段，以產(chǎn)干氣為主；埋深偏大，一般在2 800～4 000 m，地表條件復雜，多處于地形復雜的山區(qū)[2-4]。以上不利因素均增加了威遠頁巖氣開發(fā)難度和開發(fā)成本。為實現(xiàn)威遠頁巖氣藏經(jīng)濟有效開發(fā)，開展了大量的水平井技術攻關與實踐，在威202、威204區(qū)塊開展水平井“工廠化”部署及地質(zhì)工程一體化設計與實踐，整體上已建成一定的頁巖氣生產(chǎn)能力。

1 氣藏基本地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造形態(tài)以單斜為主，局部發(fā)育微小斷裂

威遠氣田構(gòu)造上位于川西南古中斜坡低褶帶，鉆井證實地層自下而上發(fā)育古生界的奧陶系、志留系和二疊系及中生界的三疊系和侏羅系。頁巖氣開發(fā)目的層為志留系的龍馬溪組。構(gòu)造整體表現(xiàn)為北西高、南東低的一個單斜構(gòu)造，其中威201井區(qū)附近為整個構(gòu)造的最高部位，威204井區(qū)整體較威202井區(qū)構(gòu)造位置低。威202區(qū)塊地層傾角較大，一般介于7°～9°，最高達12°；威204區(qū)塊傾角變化較小，一般介于1°～2°。依據(jù)地震解釋成果，區(qū)塊內(nèi)地層相對分布穩(wěn)定，斷層不發(fā)育，但局部仍存在撓曲或微小斷裂。依據(jù)地震解釋成果，威204區(qū)塊北西向、北東向小斷層零星分布，斷距介于17～28 m；威202區(qū)塊局部發(fā)育斷距2～5 m的微小逆斷層。

1.2 頁巖品質(zhì)縱向差異較大，龍馬溪組下段發(fā)育一定厚度的優(yōu)質(zhì)頁巖

龍馬溪組為深水陸棚相沉積，發(fā)育富有機質(zhì)黑色頁巖。威202、威204區(qū)塊龍馬溪組頁巖厚度分布在180～570 m，自西北向東南逐漸增厚?？v向上，龍馬溪組自上而下分為龍二段、龍一2亞段、龍一1亞段。根據(jù)直井頁巖縱向分布對比結(jié)果，龍馬溪組中上部龍二段、龍一2亞段的淺灰—深灰色頁巖層段物性相對較差，下部龍一1亞段黑色頁巖層段厚度約為40～50 m，物性相對較好，自上而下TOC也呈現(xiàn)由小到大的變化特征，該段為優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育層段。威202井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于35～45 m，自南東至北西厚度逐漸減薄；威204井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于45～53 m，厚度自南西—北東逐步減薄。依據(jù)北美開發(fā)經(jīng)驗，優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚度要求直井厚度大于30 m，有效厚度大于15 m才具備開發(fā)潛力。綜合評價，威遠兩個區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖厚度均具備規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)潛力。

1.3 地化、物性特征相對較好，優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層評價為Ⅰ、Ⅱ類

威遠區(qū)塊五峰組—龍一1亞段TOC平面上變化小，主要介于3%～5%；區(qū)塊整體含氣量由北向南逐漸變好，介于4.5～ 4.9 m3/t，威204區(qū)塊含氣量整體好于威202區(qū)塊；五峰組—龍一1亞段孔隙度變化幅度小，總體大于5.0%，平面上威204井區(qū)孔隙度均值略大于威202井區(qū)；含氣飽和度較高，分布在53.7%～76.4%，平均達62.2%；基質(zhì)滲透率較低，介于1.0×10－5～ 6.1×10－4mD，平均值為1.60×10－4mD。根據(jù)中石油最新頒布的行業(yè)標準《頁巖氣地質(zhì)評價技術規(guī)范》，對威202、威204區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層進行評價，評價結(jié)果均為Ⅰ、Ⅱ類。

1.4 天然裂縫較發(fā)育，地層壓力系數(shù)高，水平應力差較大

威遠地區(qū)五峰組—龍一1亞段天然裂縫較發(fā)育，以微細裂縫為主。裂縫類型主要為構(gòu)造縫、成巖縫、溶蝕縫及生烴縫。依據(jù)威202井巖心和成像測井資料，五峰組—龍一1亞段普遍發(fā)育層理縫，高角度縫發(fā)育較少。威202井區(qū)地層壓力系數(shù)大部分均大于1.2，威204井區(qū)地層壓力系數(shù)大于1.7，均為超壓區(qū)。巖石礦物以石英、長石、碳酸鹽巖、黏土及黃鐵礦為主，脆性礦物含量（石英、長石、碳酸鹽巖）一般大于60%。區(qū)內(nèi)最大水平主應力方向基本一致，為近東西向；威202、威204井區(qū)最大最小主應力差分別為16 MPa、18.7 MPa。龍馬溪組楊氏模量較高、泊松比較低，其中龍一11層、龍一12層楊氏模量最高，泊松比最低。三軸抗壓強度介于97.7～281.6 MPa，平均值為213.90 MPa；楊氏模量1.1×104～3.3×104MPa，平均為2.1×104MPa；泊松比0.17～0.29，平均為0.20。

2 水平井“工廠化”部署

威遠區(qū)塊位于四川盆地西南部，區(qū)塊總面積200 km2，區(qū)內(nèi)無完鉆井，僅在工區(qū)邊界附近有2口直井，即威202和威204井（圖1）。工區(qū)內(nèi)三維地震覆蓋面積約133.22 km2。依據(jù)鄰井將區(qū)塊分為威202井區(qū)、威204井區(qū)，兩井區(qū)中間為威遠縣城規(guī)劃區(qū)，該區(qū)域不能開發(fā)。其中，威202井區(qū)面積67.5 km2，威204井區(qū)面積64 km2，其地質(zhì)儲量共約 1 191×108m3。

結(jié)合威遠地質(zhì)特征與儲層條件，在借鑒北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，規(guī)劃水平井開發(fā)井網(wǎng)?？紤]威遠區(qū)塊頁巖氣開發(fā)鉆完井工程特殊性和地下地質(zhì)條件，井位部署設計重點論證水平井巷道位置、方位、間距、長度，并結(jié)合地面條件討論布井模式，力求以較少的井數(shù)實現(xiàn)較大的資源控制程度。

2.1 部署原則

總體思路是“整體部署、集中建產(chǎn)、滾動調(diào)整、環(huán)保優(yōu)先”。部署中主要考慮以下3個原則：①在三維地震區(qū)范圍內(nèi)，以龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖為重點，集中建成規(guī)模產(chǎn)能，滾動接替實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)；②綜合考慮頁巖孔隙度、含氣量、微裂縫、黏土含量及地面條件等因素；③采用平臺叢式井部署、水平井分段體積改造、工廠化作業(yè)模式。

2.2 設計參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外成熟的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，井場地面布置采用叢式井組?？紤]儲量動用程度及經(jīng)濟效益等因素，優(yōu)化部署4～6口井，單一傾斜平臺和少量6～8口井雙排對稱分布平臺，旨在降低工程施工難度、減少井下復雜、縮短鉆井周期。威遠初期編制的開發(fā)方案中，均采用常規(guī)雙排布井模式（圖2），后期經(jīng)過鉆井及生產(chǎn)動態(tài)研究，表明對于地層傾角較大的威202區(qū)塊，下傾井普遍比上傾井生產(chǎn)效果好，且有利于鉆井工程實施。綜上，威202區(qū)塊設計井以下傾單排井為主，威204區(qū)塊地層較緩，仍以常規(guī)雙排布井方式為主。勺型井及交叉型井由于鉆井難度相對較大，目前仍處于試驗階段。

綜合動靜態(tài)研究成果，頁巖水平井巷道位置選擇龍一1亞段1小層；水平段長度設計為1 500～ 2 000 m；水平井井距300 m；威202井區(qū)最大水平主應力方向SE130°，威204井區(qū)最大水平主應力方向NE90°，考慮到水平段方位與水平最小主應力方向成45°夾角，威202井區(qū)上傾井設計方位355°，下傾井方位175°；威204區(qū)塊上傾井設計方位135°，下傾井方位315°。關于方位的設計仍在研究與試驗之中，威204區(qū)塊正在開展變方位試驗，方位調(diào)整為南北向，試驗效果有待進一步評價。

2.3 部署結(jié)果

在威202和威204井區(qū)開展“工廠化”井位部署36個平臺179口水平井，動用含氣面積約130 km2，預計2020年建成20×108m3頁巖氣生產(chǎn)能力。平臺平均單井首年日產(chǎn)氣設計為10×104m3，預測20 a累產(chǎn)氣 1×108m3。

圖2 平臺式井組布井模式示意圖

3 水平井地質(zhì)優(yōu)化設計與實踐

水平井要實現(xiàn)頁巖氣藏的經(jīng)濟有效開發(fā)，必須從地質(zhì)設計參數(shù)入手，與鉆井、壓裂工程緊密配合，實現(xiàn)地質(zhì)、工程一體化。所謂地質(zhì)、工程一體化，就是緊密圍繞提高單井產(chǎn)量這個關鍵核心問題，以三維地質(zhì)模型為核心，以頁巖儲層綜合地質(zhì)研究為基礎，在叢式水平井平臺工廠化開發(fā)方案實施過程中，對一些關鍵節(jié)點進行科學設計及優(yōu)化，地質(zhì)與工程雙方密切配合，以實現(xiàn)頁巖氣井經(jīng)濟開發(fā)和效益開發(fā)。在威遠頁巖氣開展地質(zhì)工程一體化實踐，總體設計的技術思路是綜合測井、錄井、巖心分析化驗及地震等資料，開展精細地層對比、構(gòu)造解釋、沉積及儲層研究以及裂縫預測，建立基質(zhì)和裂縫雙重介質(zhì)三維地質(zhì)模型，預測平面及縱向甜點區(qū)；在以上基礎地質(zhì)研究的基礎上，與工程密切配合，重點對水平井軌跡設計、水平井壓裂地質(zhì)設計以及水平井現(xiàn)場地質(zhì)導向這3項工作開展優(yōu)化設計與實施跟蹤。

3.1 優(yōu)化水平井軌跡設計，實現(xiàn)室內(nèi)設計與現(xiàn)場實施一體化

水平井實鉆軌跡位置對氣井生產(chǎn)效果影響較大，通過對頁巖氣產(chǎn)層地化特征、已投產(chǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、水平井軌跡位置，儲層含氣性和壓裂監(jiān)測等參數(shù)進行數(shù)理統(tǒng)計和相關性分析，建立了軌跡位置與箱體間的匹配關系（圖3）。綜合巖心室內(nèi)試驗和完鉆井錄、測等資料研究成果，龍一11層含氣量高、TOC高、自然伽馬高、脆性礦物含量高，有利于壓裂施工，確定作為水平井目標箱體?？紤]到壓裂投產(chǎn)及氣井單控儲量及工程甜點等因素，水平段軌跡設計在龍一11層內(nèi)且位于層段中上部。

由于頁巖氣水平井段較長，加之井區(qū)內(nèi)無直井和導眼井，因此在水平段軌跡設計過程中要依據(jù)構(gòu)造變化趨勢分段進行設計，綜合應用三維地震剖面趨勢控制以及三維地質(zhì)模型預測2種方法進行水平段軌跡剖面優(yōu)化（圖4）。

圖3 水平井實鉆軌跡位置與產(chǎn)量關系圖

3.2 優(yōu)化水平井壓裂地質(zhì)設計，實現(xiàn)地質(zhì)與壓裂工程一體化

水平井壓裂地質(zhì)設計是地質(zhì)與工程一體化實踐中的重要環(huán)節(jié)，設計中不僅要考慮地質(zhì)“甜點”，還要考慮到工程“甜點”，便于壓裂施工，形成復雜縫網(wǎng)。威遠區(qū)塊龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖孔隙度介于5%～7%，基質(zhì)滲透率僅0.01 μD左右，需進行縫網(wǎng)壓裂才能實現(xiàn)有效增產(chǎn)。對于應用水平井開發(fā)頁巖氣藏，通過縫網(wǎng)壓裂可以期望形成人工裂縫和天然裂縫共同作用的形態(tài)。縫網(wǎng)壓裂的原理是利用儲層兩個水平主應力差值與裂縫延伸凈壓力的關系，一旦實現(xiàn)裂縫延伸凈壓力大于兩個水平主應力的差值，就會產(chǎn)生分支縫，分支縫沿著天然裂縫繼續(xù)延伸，最終可形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的“網(wǎng)狀縫”系統(tǒng)[5]。該技術對地應力狀況有一定的要求，最大、最小主應力差不能過大。經(jīng)驗表明，應力差異系數(shù)一般小于0.3時壓裂效果較好。據(jù)威遠已完鉆井資料統(tǒng)計（表1），水平段平均應力差異系數(shù)介于0.27～0.29，目標箱體頁巖層段脆性指數(shù)50%～70%，且發(fā)育大量天然裂縫，具備壓裂形成復雜裂縫的條件。

表1 威遠區(qū)塊地應力統(tǒng)計表

圖4 水平井軌跡設計剖面圖

在壓裂改造試驗過程中，開展了以水平井分段壓裂優(yōu)化設計為主體的技術研究，重點對水平段長度、簇間距、段數(shù)等關鍵參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)合威遠區(qū)塊地質(zhì)特點，壓裂地質(zhì)設計主要遵循5個原則：①壓裂段長一般控制在60～80 m，且單段盡量不跨小層；②射孔位置相對均勻，在兼顧儲層的可采性和可壓性基礎上，選取性質(zhì)相近的作為射孔簇，以避免單段內(nèi)3簇進液差異；③分段射孔位置避開固井質(zhì)量差、軌跡復雜、套管節(jié)箍等部位；④重點考慮最小主應力的影響，盡量減小3個射孔簇的最小主應力差，一般小于2 MPa；⑤壓裂分段要考慮天然裂縫的發(fā)育情況。針對天然裂縫較發(fā)育的水平段，可考慮降低施工規(guī)模、加大段長及減少射孔簇等作為預案。若井軌跡鉆遇斷層，則需考慮避斷層一定距離，目前設計避斷層30 m左右。

針對區(qū)塊內(nèi)各平臺地質(zhì)情況，設計中還制定了一些針對性的措施：①針對水平應力差異較大，難以形成復雜縫的情況，設計中縮小段間距和簇間距，便于人工裂縫形成應力陰影，形成復雜縫；②對于脆性好且裂縫較發(fā)育的儲層，建議工程設計中采用低黏滑溜水；③為擴大改造體積，增加縫網(wǎng)復雜程度，建議適當增加100目粉砂用量，起到暫堵轉(zhuǎn)向、支撐天然裂縫的作用。壓裂工程設計根據(jù)水平段所處位置及段間礦物含量、脆性指數(shù)等參數(shù)差異，有針對性、差異化制定壓裂工藝對策[6-8]。此外，在現(xiàn)場施工過程中，地質(zhì)與壓裂工程技術人員要密切配合。針對巖性界面穿越、曲率變化、應力集中等易套變井段，地質(zhì)上及時提示壓裂風險，工藝上采取控制排量、壓力和施工規(guī)模等方法減少套變的發(fā)生可能。針對斷層、裂縫發(fā)育帶，采取加入轉(zhuǎn)向劑、暫堵劑等方法，確保形成復雜縫網(wǎng)，提高改造效果。

3.3 開展水平井現(xiàn)場地質(zhì)導向，實現(xiàn)地質(zhì)與鉆井工程一體化

水平井地質(zhì)導向的目的是讓鉆頭在有利的地質(zhì)層位中鉆進，技術關鍵是準確地質(zhì)入靶和水平段跟蹤與調(diào)整。為確保準確入靶，首先要合理選取標志層，開展實時精細地層對比[9-13]。根據(jù)水平井工程設計和早期鉆井實踐，威遠區(qū)塊水平井造斜點位于龍馬溪組頂界附近，靶點預測從龍馬溪組頂界開始，選取5個標志層進行逐一預測與校對，及時修正導向模型，盡量減小入靶深度預測誤差（圖5）。入靶后，在水平段跟蹤過程中要注重對地層視傾角進行預測，首先應用地震資料和地質(zhì)導向模型進行趨勢預測，然后再應用井斜及隨鉆相關資料計算地層視傾角，在微構(gòu)造變化處及時調(diào)整水平段軌跡。

應用地震層位解釋及鉆完井資料建立了威202、威204區(qū)塊精細三維地質(zhì)模型（圖6），應用構(gòu)造模型預測水平井入靶點深度誤差在2～5 m，現(xiàn)場應用20余口水平井，效果較好。此外，地質(zhì)模型中引入了地震曲率體、螞蟻體等資料對地層微小斷裂進行預測和判斷，提前調(diào)整軌跡至理想部位，以防觸底至下部灰?guī)r，保證鉆井施工進展順利。

堅持地質(zhì)研究與導向技術相結(jié)合，通過地層對比、構(gòu)造預測法、三維方位校正、重復地層計算等多種方法，解決了頁巖儲層鉆進入靶過程中存在的橫向差異、地層傾角、厚度變化、三維井眼等諸多制約問題。截至2017年7月，威遠合作區(qū)塊累計完成水平地質(zhì)導向42口井，水平段總進尺61 034 m，平均優(yōu)質(zhì)巖鉆遇率98.4%。

圖5 水平井靶前隨鉆對比模型示意圖

4 開發(fā)效果

威202、威204區(qū)塊于2015年5月投產(chǎn)，當年生產(chǎn)頁巖氣2.95×108m3。目前已實施7個平臺42口水平井，全部投產(chǎn)，2016年底完成10×108m3產(chǎn)能建設目標。

截至2017年8月底，威202、204區(qū)塊開井30口，日產(chǎn)氣140×104m3，日產(chǎn)水201 m3，累計產(chǎn)氣12.52×108m3，累計產(chǎn)水 80.36×104m3。

圖6 威遠區(qū)塊地質(zhì)模型圖

5 結(jié)論及認識

1）威遠頁巖氣藏儲層品質(zhì)中等、儲量豐度較低，水平井“工廠化”開發(fā)是實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)的有效手段。

2）水平井地質(zhì)優(yōu)化設計是實現(xiàn)地質(zhì)—工程一體化的重要前提。從前期地質(zhì)研究、水平井設計參數(shù)及壓裂設計優(yōu)化等研究入手，尋找地質(zhì)與工程設計“甜點”；實施過程中地質(zhì)、工程密切配合，控制好水平段實鉆軌跡；后期實現(xiàn)科學化壓裂施工，可為頁巖氣井獲得高產(chǎn)提供技術保障。

3）頁巖氣水平井動靜態(tài)研究表明，打造高產(chǎn)氣井的地質(zhì)主控因素是目標箱體鉆遇率。因此，提升地質(zhì)導向水平，現(xiàn)場實施精準地質(zhì)導向，保證水平井軌跡最大程度在目標箱體內(nèi)鉆進，可為后期壓裂順利施工及氣井投產(chǎn)后獲得較好生產(chǎn)效果提供有力保障。

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