致密砂巖儲層水平井開發(fā)地質(zhì)下限研究
——以鄂爾多斯盆地L區(qū)塊盒8儲層為例

倪 軍，黨海龍，龐振宇

(陜西延長石油(集團)有限責任公司 研究院，陜西 西安 710075)

引 言

鄂爾多斯盆地L區(qū)塊盒8儲層屬于致密砂巖氣儲層，具有豐度低、孔隙度低、滲透率低、單井產(chǎn)量低等特點，氣藏開發(fā)難度大，開發(fā)投資成本高，需要在一定技術(shù)措施下才可獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量。近年來，水平井、分層分段壓裂等特殊技術(shù)的應(yīng)用成為研究區(qū)致密砂巖氣藏開發(fā)的有效技術(shù)手段[1-2]。然而，研究區(qū)水平井開發(fā)仍處于試驗階段，水平井產(chǎn)能差異較大，為了摸清影響產(chǎn)能差異的因素，針對大規(guī)模應(yīng)用水平井開發(fā)中存在的問題，急需論證適合水平井開發(fā)的地質(zhì)條件，明確鄂爾多斯盆地L區(qū)塊盒8儲層水平井開發(fā)的地質(zhì)下限[3]，尋找適合水平井高效開發(fā)有利區(qū)。

目前國外水平井鉆井技術(shù)，最大位移可以達到10 000 m以上，水平段長度可以達到6 000 m以上，井身軌跡控制技術(shù)已經(jīng)可以確保鉆頭在1 m左右的薄氣層中穩(wěn)定鉆進，大大提高了水平井有效儲層鉆遇率[4-6]。國內(nèi)隨著鉆井技術(shù)的進步、先進測量儀器的投入使用，特別是隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用，我國水平井開發(fā)對象已經(jīng)從厚儲層逐漸推廣到薄層、薄互層等致密砂巖儲層[7]，然而現(xiàn)有經(jīng)濟條件下,對致密砂巖氣藏水平井開發(fā)地質(zhì)下限的研究不夠深入。

目前國內(nèi)一般從氣藏類型、氣藏深度、氣層有效厚度、氣層各向異性指數(shù)、氣層厚度與氣層各向異性系數(shù)的乘積、氣層滲透率、單井可采儲量7個方面分析水平井開發(fā)的地質(zhì)適應(yīng)性[8-9]。本次研究著眼于地質(zhì)因素，采用經(jīng)濟極限產(chǎn)量法，利用水平井單井投資成本、氣井產(chǎn)氣量等參數(shù)，對鄂爾多斯盆地L區(qū)塊水平井進行經(jīng)濟評價，探討適合水平井有效開發(fā)的儲層厚度、物性、含氣性和電性下限[10-11]，為研究區(qū)致密砂巖氣藏水平井高效開發(fā)提供一定理論依據(jù)。

1 水平井經(jīng)濟評價方法

1.1 經(jīng)濟極限儲量

經(jīng)濟極限儲量是指在一定技術(shù)經(jīng)濟條件下，在盈虧邊界值內(nèi)從地下采出的有經(jīng)濟價值的天然氣累計產(chǎn)量[12-13]。經(jīng)濟極限儲量的算法較多，主要有現(xiàn)金流量法、經(jīng)濟極限法等。本文應(yīng)用經(jīng)濟極限法獲得單井天然氣經(jīng)濟極限產(chǎn)量，進而通過經(jīng)濟極限產(chǎn)量與氣田采收率比值計算得到單井最小控制地質(zhì)儲量

(1)

(2)

單井最小儲量豐度

(3)

式中：R為采收率，%；QEL為單井經(jīng)濟極限產(chǎn)量，m3；Gmin為單井最小控制地質(zhì)儲量，m3；GP為最小累計采氣量，104m3；C為總成本，元；P為產(chǎn)品單價，元/m3；η為產(chǎn)量的商品率，0.98；T為單位產(chǎn)品綜合稅率，0.2；GA為單井最小儲量豐度，m3/km2；A為單井控制面積，km2。

隨天然氣價格的升高，相同投資成本條件下經(jīng)濟儲量逐漸降低，定價條件下隨著成本的增加，經(jīng)濟儲量隨之增大。例如當氣價P為1.1元/m3、單井總投資C為2 150萬元，單井經(jīng)濟極限產(chǎn)量QEL為2 493×104m3，經(jīng)濟極限儲量Gmin為0.5×108m3，其最小儲量豐度GA為0.45×108m3/km2(表1)。

表1 不同氣價時經(jīng)濟極限產(chǎn)量及儲量Tab.1 Economic limit output and reserves at different gas prices

1.2 經(jīng)濟極限日產(chǎn)量

考慮研究區(qū)氣田的實際情況，氣田的評價壽命期選取13 a，穩(wěn)產(chǎn)時間為10 a，每年生產(chǎn)天數(shù)330 d，其他參數(shù)同1.1節(jié)，則經(jīng)濟極限日產(chǎn)量為0.76×104m3，表1給出不同氣價下的單井經(jīng)濟極限日產(chǎn)量。根據(jù)試氣及生產(chǎn)動態(tài)資料，目前研究區(qū)氣井3 a平均日產(chǎn)氣0.91×104m3，平均能達到經(jīng)濟界限產(chǎn)量，能取得相應(yīng)經(jīng)濟效益。

1.3 水平井開發(fā)有效厚度下限

對于單一的水平井，將水平井單井控制面積看作氣藏含氣面積，經(jīng)濟極限儲量(最小單井控制儲量)等同于原始天然氣儲量G，即

Gmin=G=0.01AhφSgi/Bgi。

(4)

式中：G為氣藏的原始地質(zhì)儲量，108m3；A為含氣面積，km2；φ為平均有效孔隙度；h為有效儲層厚度，m；Sgi為原始含氣飽和度；Bgi為天然氣體積系數(shù)。

研究區(qū)氣藏平均有效孔隙度為6.67%，平均原始含氣飽和度為61%，帶入式(1)、(2)和式(4)計算出在單井總投資為2 150萬元時，不同氣價條件下的儲層有效厚度(圖1)?？梢姡弘S天然氣銷售價格上升，所需氣層厚度相應(yīng)減小。當氣價為1.1 元/m3時，儲層有效厚度為4.05 m，因此，確定適合研究區(qū)水平井開發(fā)的氣層最小厚度應(yīng)大于4 m。

圖1 水平井有效厚度隨氣價變化趨勢圖(單井投資2 150萬元)Fig.1 Variation trend of effective reservoir thickness of horizontal well with gas price

1.4 水平井水平段有效長度

在確定水平井經(jīng)濟極限滲透率之前首先要確定水平井水平段的有效長度。由于水平井水平段內(nèi)存在摩擦損失，氣沿水平井筒流動產(chǎn)生一個壓降，當水平段內(nèi)壓降和氣內(nèi)壓降相當時，水平段末端壓降很小或者為零，那么水平段末端出現(xiàn)不產(chǎn)氣的井段，因而水平段內(nèi)摩擦損失減少了產(chǎn)能，從經(jīng)濟上浪費了這一部分不產(chǎn)氣水平段的鉆井和完井費用。在注采井網(wǎng)中，隨著水平井無因次長度的增加，水平井無因次產(chǎn)量增加，當無因次長度增加到一定值之后，進一步增加水平井的長度，無因次產(chǎn)量增加幅度不大。通過統(tǒng)計研究區(qū)完鉆的17口水平井的有效長度、產(chǎn)量與無阻流量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)完鉆水平井水平段長度主要分布在800～1 200 m，鉆遇有效砂體的長度主要分布在600～1 000 m，因此確定水平井有效長度為600～1 000 m。

2 水平井開發(fā)儲層物性下限

2.1 經(jīng)濟極限滲透率

目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多學者對水平井產(chǎn)能計算方法進行了系統(tǒng)研究，同時形成了各自的水平井產(chǎn)能計算公式。根據(jù)研究區(qū)氣田開發(fā)的經(jīng)驗，采用陳元千公式

(5)

式中：pe為地層壓力，MPa；rw為水平井井底半徑，m；pwf為井底流動壓力，MPa；psc為0.101 MPa；T為376.8 K；Tsc為地面標準溫度，K；μ為0.027 mPa·s；h為氣層厚度，m；Z為0.97；reh為擬圓形驅(qū)動半徑，m；Kh為垂直滲透率比；Qgh為經(jīng)濟極限日產(chǎn)量，m3；L為水平段有效井段長度 。

在目前氣價為1.1 元/m3的經(jīng)濟約束下，在水平井有效長度最長為1 000 m、最小儲層厚度為4 m時，計算求得儲層經(jīng)濟極限滲透率為0.28×10-3μm2。圖2為不同儲層有效厚度下的經(jīng)濟極限滲透率與儲量豐度之間的關(guān)系曲線。

圖2 水平段長度為1 000 m時不同儲層有效厚度下經(jīng)濟極限滲透率Fig.2 Economic limit permeability under different effective reservoir thickness and horizontal segment length of 1 000 m

2.2 經(jīng)濟極限孔隙度

根據(jù)研究區(qū)密閉取心資料統(tǒng)計(圖3)，孔隙度和滲透率的關(guān)系為

K=0.004 4φ1.827 2，R2=0.567。

(6)

將經(jīng)濟極限滲透率0.28×10-3μm2代入式(6)，可以計算求得經(jīng)濟極限孔隙度為8.85%。

圖3 研究區(qū)密閉取心孔隙度與滲透率相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity and permeability from closed coring data in study area

3 水平井開發(fā)含氣飽和度下限

3.1 儲量法計算結(jié)果

對于研究區(qū)目的層氣藏，認為孔隙空間賦存的流體為束縛水、可動水和天然氣分子，含氣飽和度Sg是天然氣所占的孔隙空間百分比[14-15]。在目前經(jīng)濟水平下，在確定了水平段長度和儲層厚度下限后，基于儲量計算公式，確定經(jīng)濟極限滲透率和含氣飽和度關(guān)系

(7)

式中：Gmin為單井最小控制地質(zhì)儲量；Bgi為天然氣體積系數(shù)；A為單井控制面積，km2；h為儲層厚度，m；K為經(jīng)濟極限滲透率。

通過式(5)和式(7)可以得到不同儲層厚度和水平段長度下的經(jīng)濟極限含氣飽和度(圖4)。在同一水平段長度下，儲層有效厚度越大，所需含氣飽和度越低，在最小的厚度4 m和最長的水平段長度1 000 m下，得到的含氣飽和度下限值為53.4%。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果

依據(jù)研究區(qū)致密砂巖儲層巖心高壓壓汞(46塊樣品)所獲取的中值半徑，建立其與滲透率交會圖(圖5)， 用實驗方法建立滲透率和孔喉半徑相關(guān)關(guān)系[16-17]?？梢姰斀?jīng)濟極限滲透率取0.28×10-3μm2時，對應(yīng)的中值半徑為0.09 μm。

圖4 不同儲層厚度與水平段長度下的經(jīng)濟極限含氣飽和度Fig.4 Economic limit of gas saturation under different reservoir thickness and horizontal well length

圖5 研究區(qū)孔喉中值半徑與滲透率關(guān)系Fig.5 Relationship between the median radius of pore throat and permeability in the study area

利用束縛水處的含氣飽和度與孔喉半徑關(guān)系(圖6)可確定中低飽和氣區(qū)和高飽和氣區(qū)的分界?；诖耍诮?jīng)濟極限孔喉半徑為0.09 μm時，含氣飽和度下限為56%，與儲量法計算的含氣飽和度下限相當[18]。

圖6 束縛點對應(yīng)孔喉半徑與含氣飽和度關(guān)系Fig.6 Relationship between pore throat radius and gas saturation at binding point

4 水平井開發(fā)電性下限

儲層電性是指儲層的自然電位、電阻率等的響應(yīng)特征，是巖性特征、物性特征及含氣特征的綜合反映。研究區(qū)致密砂巖儲層經(jīng)受了強烈的成巖作用，儲層電性特征整體上差異較小，電測曲線變化幅度不明顯。當儲層含氣時，深淺側(cè)向電阻率差異不明顯，自然伽馬、自然電位曲線反應(yīng)較靈敏，與泥質(zhì)含量變化吻合較好，聲波時差增大，密度減小，氣測值不高，未見明顯的挖掘效應(yīng)[19]。

4.1 聲波時差下限

由于研究區(qū)孔隙度與聲波時差相關(guān)性較好(圖7)，因此本次研究利用孔隙度下限計算聲波時差下限。當取極限孔隙度為8.85%時，盒8儲層聲波時差下限為230 μs/m。

圖7 研究區(qū)孔隙度與聲波時差交會圖Fig.7 Cross-plot of porosity and interval transit time in the study area

4.2 電阻率下限

利用阿爾奇公式，代入極限孔隙度8.85%和儲量法極限含氣飽和度53.4%，計算出電阻率下限為27.0 Ω·m，帶入孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)法計算的極限含氣飽和度56%，計算得電阻率下限為29.5 Ω·m。

由于水平井不能見水，鑒于此，將研究區(qū)純產(chǎn)氣井與產(chǎn)水井層段的孔隙度和電阻率作交會圖(圖8)，可以看出當電阻率小于30 Ω·m時儲層易出水，與29.5 Ω·m相近，也可以證明孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)法計算含氣飽和度的準確性。因此，最終將適合水平井開發(fā)的電阻率下限定為30 Ω·m。

圖8 研究區(qū)孔隙度與電阻率交會圖Fig.8 Closs-plot of porosity and resistivity in the study area

4.3 儲層密度與泥質(zhì)含量下限

實際產(chǎn)量低于經(jīng)濟極限日產(chǎn)量0.76×104m3，即認為沒有經(jīng)濟開發(fā)價值，由于實際產(chǎn)量小于試氣產(chǎn)量，試氣產(chǎn)量小于2×104m3/d即認為沒有經(jīng)濟開發(fā)價值。盒8段聲波時差與密度(圖9)和泥質(zhì)含量與密度(圖10)交會圖顯示，整體上不同產(chǎn)氣量儲層的聲波時差與密度分布趨勢相近。因此，確定適合盒8段儲層水平井開發(fā)的儲層密度和泥質(zhì)含量下限分別為：DEN<2.55 g/cm3，SH<14%。

圖9 研究區(qū)聲波時差與密度交會圖Fig.9 Closs-plot of interval transit time and density in the study area

圖10 研究區(qū)泥質(zhì)含量與密度交會圖Fig.10 Closs-plot of shale content and density in the study area

5 結(jié) 論

(1)當氣價為1.1 元/m3時，研究區(qū)水平井最小單井控制地質(zhì)儲量為0.5×108m3，最小儲量豐度為0.45×108m3/km2，經(jīng)濟極限日產(chǎn)量為0.76×104m3，水平井有效長度為600～1 000 m，最小儲層厚度為4 m。

(2)鄂爾多斯盆地L區(qū)塊致密砂巖儲層水平井開發(fā)地質(zhì)下限標準為：經(jīng)濟極限滲透率為0.28×10-3μm2，經(jīng)濟極限孔隙度為8.85%，含氣飽和度下限為53.4%，中值半徑下限為0.09 μm，聲波時差下限為230 μs/m，電阻率下限為29.5 Ω·m，密度下限為2.55 g/cm3，泥質(zhì)含量下限為14%。

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