川西東坡沙溪廟組窄河道致密砂巖氣藏水平井部署方位優(yōu)化

曹廷寬

（中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041）

水平井結(jié)合水力壓裂是開發(fā)非常規(guī)天然氣資源的主要技術(shù)手段，可大幅度提高單井的控制儲(chǔ)量及生產(chǎn)能力，較直井增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯[1-3]。但在致密砂巖儲(chǔ)層中，影響水平井開發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)效益的因素眾多，主要包括構(gòu)造斷裂、砂體發(fā)育、儲(chǔ)層物性、非均質(zhì)性、含氣性等地質(zhì)因素。受地質(zhì)條件決定，水平井部署位置、方位、長(zhǎng)度、完井方式及增產(chǎn)改造措施等工程因素均需要開展針對(duì)性的優(yōu)化研究[4-8]。對(duì)于水平井方位的優(yōu)化，從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，一般認(rèn)為需滿足如下要求：首先，合理的水平井方位需與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層展布方向一致，以溝通優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、增大對(duì)儲(chǔ)量的控制和動(dòng)用[9-10]；其次，水平井方位需盡可能滿足后期增產(chǎn)改造的要求，降低破裂壓力，利于裂縫延伸[11-12]；此外，水平井方位還需有利于井軌跡的控制及保持井筒穩(wěn)固[13-15]等。

川西東坡侏羅系沙溪廟組氣藏屬于窄河道致密砂巖氣藏，與常規(guī)砂體疊置的連片氣藏相比，該類氣藏以單條河道為主要儲(chǔ)層[16-17]，所以水平井段的鉆井方位至關(guān)重要。一方面，狹窄河道寬度有限，邊部與河道中心儲(chǔ)層發(fā)育差異大，水平井方位對(duì)于鉆遇優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段的長(zhǎng)度和能否成功建產(chǎn)具有決定性意義；另一方面，河道砂體狹窄導(dǎo)致可供選擇的水平井部署方位十分有限，與區(qū)域地應(yīng)力匹配性差，導(dǎo)致水力壓裂不能形成與水平井段正交的人工裂縫，不利于儲(chǔ)量的動(dòng)用及水平井產(chǎn)量的提高[16]。

本文針對(duì)川西東坡沙溪廟組氣藏，在明確此類窄河道氣藏地質(zhì)特征及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，建立并劃分主力河道類型，篩選典型河道，開展建模與數(shù)值模擬研究；重點(diǎn)評(píng)價(jià)河道砂體展布及人工裂縫夾角對(duì)水平井開發(fā)效果的影響，確定適應(yīng)于該區(qū)的水平井部署方位優(yōu)化方法和原則，為后續(xù)水平井部署提供依據(jù)，有利于進(jìn)一步提高水平井的開發(fā)效果。

1 氣藏地質(zhì)特征

1.1 沉積特征

川西東坡沙溪廟組氣藏位于四川盆地川西坳陷中段東部斜坡與川中古隆起的過渡帶上，勘探面積0.24×104km2，由 4個(gè)構(gòu)造帶組成，區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育。氣藏主要目的層系為侏羅系沙溪廟組，縱向上可分為 3個(gè)氣藏、12套砂層組。從沉積特征來(lái)看，區(qū)內(nèi)沙溪廟組沉積為辮狀河三角洲沉積體系，砂體總體呈 NE-SW 向展布，河道以三角洲前緣水下分流河道為主，縱向上多為不同規(guī)模、不同期次河道以及堤岸砂等縱向疊置沉積（圖 1）。河道砂體厚度多為 8～30 m，總體偏薄，并且受沉積環(huán)境與水動(dòng)力條件的影響，厚度差異大（圖2）。

圖1 沙溪廟組氣藏砂體連井剖面分析

圖2 沙溪廟組氣藏主力河道砂體厚度分布

1.2 物性特征

實(shí)驗(yàn)分析表明，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層巖性主要為中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，其次為巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖。巖石具有排驅(qū)壓力高、分選差、微觀非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。根據(jù)巖心孔滲分析，沙溪廟組氣藏儲(chǔ)層孔隙度0.90%～15.33%，平均孔隙度 8.66%；基質(zhì)巖樣氣測(cè)滲透率 0.01×10-3～1.75×10-3μm2，平均滲透率 0.21×10-3μm2。結(jié)合壓力恢復(fù)試井解釋結(jié)果，河道主體區(qū)域儲(chǔ)層有效滲透率多小于 0.10×10-3μm2，表明川西東坡沙溪廟組氣藏儲(chǔ)層整體上為中低孔特低滲致密儲(chǔ)層。

1.3 氣藏類型

川西東坡沙溪廟組氣藏各個(gè)主力河道具有不同的地質(zhì)構(gòu)造特征，但總體上各河道儲(chǔ)層物性差、儲(chǔ)量規(guī)模較小，開采規(guī)模有限。受構(gòu)造、斷裂、巖性等控制，河道中氣水分布復(fù)雜，無(wú)明顯的邊底水。從流體性質(zhì)來(lái)看，產(chǎn)出流體以天然氣和地層水為主，部分氣井還產(chǎn)少量凝析油，但整體上對(duì)生產(chǎn)影響較小。沙溪廟組具有正常的地溫梯度，壓力梯度呈高壓異常，壓力系數(shù)為 1.74～1.91，表明地層能量充足。綜合圈閉、儲(chǔ)層特征、氣水分布、驅(qū)動(dòng)類型等因素分析，認(rèn)為川西東坡沙溪廟組氣藏為受構(gòu)造-巖性控制的孔隙型高壓彈性氣驅(qū)致密砂巖氣藏。

2 河道類型劃分

受局部構(gòu)造、沉積特征、儲(chǔ)層物性等綜合影響，區(qū)內(nèi)河道類型多樣，不同河道地質(zhì)條件、儲(chǔ)層物性差異較大，造成各河道中氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征差異明顯。整體上，砂體越厚、河道越寬、物性越好、含水越低、增產(chǎn)改造規(guī)模越大，則氣井產(chǎn)能、初期產(chǎn)量越高，動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量越大；相應(yīng)的氣井往往擁有更長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)期及更高的累計(jì)產(chǎn)量。綜合沉積、河道參數(shù)、測(cè)井響應(yīng)及儲(chǔ)層巖性、物性等特征，建立相應(yīng)的窄河道類型劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

3類典型河道中水平井在動(dòng)態(tài)特征上具有明顯差異，具體參數(shù)見表2。

從地質(zhì)特征來(lái)看，A類河道以I類儲(chǔ)層為主，主要屬于水下分流河道沉積，沉積環(huán)境水體能量充足，河道砂體寬，沉積厚度穩(wěn)定，平面上復(fù)合連片較好，在自然伽馬（GR）曲線上表現(xiàn)為較為平滑的箱形曲線。該類河道儲(chǔ)層巖石以中粒石英砂巖為主，孔隙結(jié)構(gòu)以粒間孔-溶蝕孔為主，孔隙分布均勻，連通性較好，儲(chǔ)層物性較好。相應(yīng)的，A類河道中水平井具有測(cè)試產(chǎn)能高、動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量大、基本不產(chǎn)水等特征，并且氣井均具有一定的穩(wěn)產(chǎn)能力，開發(fā)效果好。

與A類河道相比，B類河道也以I類儲(chǔ)層為主，但河道砂體較薄，受沉積環(huán)境影響，GR曲線齒狀特征較為明顯，表明非均質(zhì)性稍強(qiáng)。從薄片分析來(lái)看，該類河道儲(chǔ)層巖性以中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，孔隙結(jié)構(gòu)以粒間溶孔為主，連通性較差，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性較A類河道略差。B類河道水平井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量偏小，但氣井生產(chǎn)穩(wěn)定，具有一定的穩(wěn)產(chǎn)期和較高累計(jì)產(chǎn)量，開發(fā)效果較好。

表1 沙溪廟組氣藏窄河道類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 沙溪廟組氣藏3類河道中水平井動(dòng)態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

C類河道以II類儲(chǔ)層為主，由于沉積環(huán)境水體動(dòng)蕩，但水動(dòng)力較弱，垂向上呈多期次沉積疊置，泥質(zhì)夾層發(fā)育，GR曲線呈齒狀箱形或漏斗形。由于 C類河道儲(chǔ)層更致密，滲流能力差，并且河道含水較高，氣井普遍產(chǎn)水，影響水平井的產(chǎn)能和穩(wěn)產(chǎn)期，開發(fā)效果較差。

3 水平井部署方位優(yōu)化

水平井在川西東坡沙溪廟組氣藏開發(fā)中取得了較好的效果，較直井優(yōu)勢(shì)明顯。在窄河道中，水平井部署方位是影響水平段儲(chǔ)層鉆遇率的重要因素，并且對(duì)壓裂產(chǎn)生的水力裂縫走向及閉合程度也有重要影響。因此，針對(duì)上述主力窄河道類型，本文主要通過開展河道砂體展布及人工裂縫方位對(duì)水平井生產(chǎn)的影響研究，對(duì)水平井部署方位進(jìn)行優(yōu)化。

由于解析方法難以有效表征區(qū)內(nèi)河道形態(tài)及儲(chǔ)層非均質(zhì)性，本文主要采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。首先，根據(jù) 3類典型河道地質(zhì)特征，建立平面為10 m×10 m、縱向?yàn)?層的精細(xì)數(shù)值模型；再根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)資料對(duì)水平井生產(chǎn)歷史進(jìn)行擬合，提高河道數(shù)值模型參數(shù)場(chǎng)的可靠性；然后，根據(jù)實(shí)際水平井的鉆完井參數(shù)建立模擬井模型，設(shè)定不同水平井位置及人工裂縫方位，評(píng)價(jià)不同條件下水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

3.1 河道砂體展布的影響

針對(duì)3類典型河道，設(shè)定水平井段與河道中心軸線夾角分別為0°，15°，30°，45°（圖3），分析不同水平井方位對(duì)儲(chǔ)量動(dòng)用程度及累計(jì)產(chǎn)量的影響。其中，3類典型河道中水平井與河道砂體呈不同夾角條件下預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量及達(dá)到廢棄產(chǎn)量（0.13×104m3/d）時(shí)的氣井累計(jì)產(chǎn)量結(jié)果見圖4、圖5。

川西東坡沙溪廟組氣藏河道砂體構(gòu)型以低彎度穩(wěn)定型為主，河道中部砂體最為發(fā)育，儲(chǔ)量豐度高。因此，水平井沿河道中部部署（夾角 0°～15°），水平井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量最高，氣井累計(jì)產(chǎn)量也最大。隨著夾角的增大，水平井所能控制的河道中部相對(duì)發(fā)育儲(chǔ)層減小，泄氣面積內(nèi)河道邊部的低豐度儲(chǔ)層增加，導(dǎo)致控制儲(chǔ)量縮小，加之泄氣面積內(nèi)儲(chǔ)層滲流能力也變差，最終導(dǎo)致氣井累計(jì)產(chǎn)量降低。

A類河道中水平段與河道夾角從 0°增大至45°，動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量由 1.61×108m3減少到 0.92×108m3，相應(yīng)的氣井累計(jì)產(chǎn)量由 1.28×108m3降至0.65×108m3，分別下降42.49%，49.21%。B、C類河道中，水平段與河道夾角由0°增大至45°，水平井控制儲(chǔ)量分別降低 35.44%，37.74%，而累計(jì)產(chǎn)量分別減小 40.66%，35.44%。整體上水平井是否沿河道砂體延伸方向部署對(duì)水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)影響非常明顯。

圖3 窄河道水平井不同部署方位示意分析

3.2 人工裂縫方位的影響

現(xiàn)有研究表明，增產(chǎn)改造形成的人工裂縫一般會(huì)沿著區(qū)域最大主應(yīng)力方向延伸。當(dāng)水平井段與區(qū)域最大主應(yīng)力方向垂直時(shí)，壓裂可形成與水平井筒正交的水力裂縫，這類水力裂縫對(duì)于生產(chǎn)最為有利。若水平井段與最大主應(yīng)力方向斜交，則會(huì)形成與井筒傾斜的水力裂縫，影響氣井對(duì)儲(chǔ)量的控制和動(dòng)用程度。根據(jù)所建立的河道數(shù)值模型，設(shè)定人工裂縫與水平井筒呈不同夾角的數(shù)值模型（圖 6），分析人工裂縫方向?qū)毫阉骄a(chǎn)的影響。

不同裂縫夾角對(duì)壓裂水平井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量影響的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。整體上，裂縫夾角對(duì)壓裂水平井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量的影響要小于水平井方位的影響。但裂縫夾角對(duì)氣井穩(wěn)產(chǎn)能力影響較為顯著（圖8）：裂縫與井筒夾角越小，縫間干擾發(fā)生時(shí)間越早，氣井穩(wěn)產(chǎn)能力越差。對(duì)于A類河道，應(yīng)保證裂縫與井筒夾角大于45°，而對(duì)于B、C類河道，裂縫與井筒夾角應(yīng)大于60°，以保障氣井穩(wěn)產(chǎn)能力較高。

圖4 3類河道中不同水平井方位對(duì)動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量的影響

圖5 3類河道中不同水平井方位對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的影響

圖6 窄河道不同人工裂縫夾角示意分析

圖7 3類河道中不同裂縫夾角對(duì)動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量的影響

圖8 3類河道中不同裂縫夾角對(duì)穩(wěn)產(chǎn)期累計(jì)產(chǎn)量的影響

3.3 水平段方位優(yōu)化策略

綜上所述，對(duì)于川西東坡地區(qū)的窄河道致密砂巖氣藏，應(yīng)首先保證水平井沿河道砂體中心部署，以增大單井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量及最終的累計(jì)產(chǎn)量。當(dāng)滿足上述部署條件后，還應(yīng)考慮地應(yīng)力方位的限制，盡可能增大人工裂縫與井筒的夾角，以提高氣井穩(wěn)產(chǎn)能力。

根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)、成像測(cè)井、應(yīng)力場(chǎng)模擬及微地震監(jiān)測(cè)等多技術(shù)手段和相應(yīng)資料，對(duì)川西東坡沙溪廟組氣藏主力河道延伸方位及區(qū)域地應(yīng)力方位統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。區(qū)內(nèi)現(xiàn)今最大主應(yīng)力場(chǎng)方向主要為 NE76°～NE125°，優(yōu)勢(shì)方位接近 NE120°；而東坡沙溪廟組氣藏主力河道主要分布在 NE20°～NE60°，該方向的河道與最大主應(yīng)力方向基本垂直；少數(shù)河道呈近EW向發(fā)育，接近于最大主應(yīng)力方向。

對(duì)于 NE向河道，河道延伸方向大致與區(qū)域最大主應(yīng)力方向垂直或呈較大角度。這類河道中水平井沿河道軸線方向部署，既可保證較高的儲(chǔ)層鉆遇率，又有利于后期增產(chǎn)改造形成正交人工裂縫，而且便于鉆井過程中井軌跡的控制。對(duì)于近EW向的河道，水平井部署方位可沿河道軸線方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 15°左右部署，在保證水平井有效儲(chǔ)層鉆遇率的同時(shí)，盡可能地增大裂縫與井筒的夾角，避免過早發(fā)生裂縫干擾，影響氣井穩(wěn)產(chǎn)能力。

圖9 沙溪廟組最大主應(yīng)力方位與河道延伸方向統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）川西東坡沙溪廟組氣藏為典型的窄河道致密砂巖氣藏，河道砂體延伸方向及人工裂縫方位是影響水平井部署方位的主要因素。在典型窄河道中，保持水平井段與河道軸線小于 15°夾角鉆進(jìn)，可增大單井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量、提高累計(jì)產(chǎn)量；而保證人工裂縫與水平井筒夾角大于 60°，則氣井穩(wěn)產(chǎn)能力會(huì)更高。

（2）綜合川西東坡沙溪廟組氣藏地應(yīng)力與河道砂體方向分析，對(duì)于NE向河道，水平井可沿河道軸線方向部署；而近EW向河道，水平井部署方位可沿河道軸線方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 15°，從而提高水平井段儲(chǔ)層鉆遇率，并增大裂縫與井筒的夾角，避免過早發(fā)生裂縫干擾，從而影響氣井穩(wěn)產(chǎn)能力。