大牛地氣田奧陶系碳酸鹽巖氣藏水平井產(chǎn)能主控因素評價

任廣磊，羅勇，高志彬

（1.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610050；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610056）

0 引言

鄂爾多斯盆地大牛氣田地奧陶系碳酸鹽巖氣藏資源豐富，儲層物性較差，孔喉結(jié)構(gòu)及滲流特征復(fù)雜多樣[1-3]。多段壓裂水平井先導(dǎo)試驗(yàn)獲得了初步成功，但氣井產(chǎn)能差異大，產(chǎn)能的主控因素及其影響機(jī)制還不清楚，這給氣田規(guī)模開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)?？茖W(xué)評價產(chǎn)能主控因素，對水平井部署、優(yōu)化設(shè)計意義重大。

國內(nèi)學(xué)者使用數(shù)值模擬法、解析模型法、統(tǒng)計法、灰色關(guān)聯(lián)法、數(shù)據(jù)分析方法等，從理論上研究了致密砂巖氣、頁巖氣、煤層氣等氣藏多段壓裂水平井產(chǎn)能的主控因素[4-17]。常規(guī)統(tǒng)計法通過直接建立測試無阻流量與單個影響因素回歸公式來確定主控因素，相比數(shù)值模擬、解析模型法更加簡便實(shí)用，研究成本更低，在儲層物性相對均質(zhì)的砂巖和頁巖氣井產(chǎn)能主控因素研究中取得了不錯的效果。但目前對碳酸鹽巖水平井產(chǎn)能的研究較少[18-21]，而這類氣藏儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特征比砂巖、頁巖更復(fù)雜，生產(chǎn)特征更多樣，常規(guī)統(tǒng)計方法對其適用性差。

本次研究以大牛地氣田奧陶系碳酸鹽巖氣藏為例，根據(jù)微觀滲流機(jī)理和生產(chǎn)動態(tài)特征，對常規(guī)統(tǒng)計方法進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，優(yōu)化了產(chǎn)能評價指標(biāo)，引入了基于分類的多種排序法，提出了一種更科學(xué)的水平井產(chǎn)能主控因素評價新方法，揭示了不同儲層類型水平井產(chǎn)能影響機(jī)制的差異性。

1 儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及滲流特征

大牛地氣田奧陶系碳酸鹽巖氣藏為古巖溶作用下形成的裂縫-孔洞型碳酸鹽巖儲層，品質(zhì)低、滲透性差，有利古地貌單元分布局限、厚度小、連片性差[12]。氣藏儲集空間可分為孔隙型、裂縫-孔隙型、裂縫-溶蝕孔洞型，較碎屑巖相儲集空間復(fù)雜，次生變化非常明顯。儲層主要由溶蝕孔洞和裂縫2種儲集孔隙系統(tǒng)組成，溶蝕孔洞可容納天然氣，裂縫則具有良好的滲濾通道作用，二者的有機(jī)配置可形成碳酸鹽巖儲層高滲透帶[13-14]。

利用巖心薄片、恒速壓汞和CT等手段對馬五段儲層進(jìn)行了巖石微觀特征分析。72塊巖樣孔隙度變化范圍為3.0%～10.9%，滲透率變化范圍為0.1×10-3～14.1×10-3μm2。儲層巖樣孔喉連通性較差，孔隙以晶間孔、晶間溶孔為主，發(fā)育晶間微縫和微裂縫。巖樣孔隙度均表現(xiàn)出雙峰的特征，喉道分布范圍廣，平均喉道半徑峰值為2.2 μm。兩相滲流實(shí)驗(yàn)顯示：滲透率較低的基質(zhì)孔隙型巖樣共滲區(qū)范圍較大，等滲點(diǎn)分布較為集中，束縛水飽和度低；裂縫或溶孔發(fā)育的滲透率較高巖樣，束縛水飽和度大于60%，等滲點(diǎn)大于80%，氣相單相流動區(qū)大。部分巖樣表現(xiàn)出擬啟動壓力特征，啟動壓力梯度與滲透率基本為對數(shù)關(guān)系。儲層發(fā)育基質(zhì)、溶洞和裂縫，在微觀滲流特征上表現(xiàn)出很大的差異性。

2 水平井生產(chǎn)特征及分類

多段壓裂改造后的水平井生產(chǎn)特征大致可以分為3個階段（見圖1）：第1階段——降壓穩(wěn)產(chǎn)階段，有效壓裂改造體的流體向井筒供給。受工作制度調(diào)整影響，可能出現(xiàn)產(chǎn)量、油壓雙降特點(diǎn)，通過逐漸降低產(chǎn)量延緩油壓遞減速率，即降壓穩(wěn)產(chǎn)。第2階段——定壓降產(chǎn)階段，外圍地層流體向有效壓裂體供給速度小于有效壓裂體向井筒的供給速度，油壓平輸壓后產(chǎn)量遞減生產(chǎn)。第3階段——低速降壓降產(chǎn)階段，外圍地層流體向有效壓裂改造體供給與有效壓裂體向井筒供給基本達(dá)到平衡，產(chǎn)量、油壓緩慢下降。

圖1 典型水平井生產(chǎn)階段劃分

受儲層物性和水平井工程因素影響，區(qū)塊內(nèi)各單井生產(chǎn)井初期產(chǎn)量、油壓、穩(wěn)定生產(chǎn)時間、遞減率等差別較大，據(jù)此可將其分成3類（見表1）。

表1 氣井分類標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計

其中：Ⅰ類井9口，儲層以裂縫-溶蝕孔洞型為主，初期產(chǎn)能較大，日產(chǎn)氣量大于2.5×104m3，初期井口壓力大于10 MPa，地層能量足，基本能穩(wěn)產(chǎn)降壓生產(chǎn)。Ⅱ類井10口，儲層類型以裂縫-孔隙型為主，初期日產(chǎn)氣量為 1.2×104～1.5×104m3，生產(chǎn)壓差較大，初期油壓小于10 MPa，穩(wěn)產(chǎn)期較短，較快進(jìn)入定壓降產(chǎn)階段。Ⅲ類井18口，儲層以孔隙型為主，初期穩(wěn)定日產(chǎn)氣量小于1.2×104m3，油壓很快下降到較低水平，后期低產(chǎn)量生產(chǎn)，低速遞減。

3 產(chǎn)能評價指標(biāo)優(yōu)選

業(yè)內(nèi)常用無阻流量（AOF）作為產(chǎn)能評價指標(biāo)，但低滲透儲層氣井不同工作制度下的產(chǎn)量和井底流壓在測試時間內(nèi)很難達(dá)到穩(wěn)定。“一點(diǎn)法”AOF（采用“一點(diǎn)法”測定計算的日無阻流量）計算結(jié)果準(zhǔn)確率較低，而且AOF只代表測試時刻的氣井產(chǎn)能，沒有包含實(shí)際工作制度、氣井壓力、排液等限制條件，不能準(zhǔn)確代表氣井的實(shí)際生產(chǎn)能力。同一區(qū)塊生產(chǎn)井深度、管柱尺寸、油嘴大小和輸氣管線壓力等參數(shù)基本相同，氣井初始日產(chǎn)量代表了其真實(shí)產(chǎn)能，可作為產(chǎn)能評價指標(biāo)的前提。因而，分別建立平均日產(chǎn)量（前1個月、前3個月和前6個月）、未來10 a累計產(chǎn)量與“一點(diǎn)法”AOF的關(guān)系（見圖2）。累計產(chǎn)量與“一點(diǎn)法”AOF相關(guān)性最差，線性回歸判定系數(shù)R2=0.341 9。平均日產(chǎn)量與累計產(chǎn)量相關(guān)性較好，前3個月、6個月平均日產(chǎn)量的R2分別達(dá)到了0.601 2和0.660 0。對于投產(chǎn)初期的氣田，部分氣井投產(chǎn)時間短，雖然使用較長時間段的平均日產(chǎn)量更為可靠，但樣本點(diǎn)相對更少；因此，使用前3個月平均日產(chǎn)量作為產(chǎn)能評價指標(biāo)較為合適。

圖2 預(yù)測未來10 a累計產(chǎn)量與日產(chǎn)量的相關(guān)性曲線

4 影響因素定量評分方法

統(tǒng)計學(xué)方法廣泛應(yīng)用于分析影響參數(shù)和評價指標(biāo)之間的相關(guān)性，一般通過系數(shù)評分來定量評價影響參數(shù)的重要性。Pearson，Spearman相關(guān)系數(shù)法和決策樹評分法是常用的3種統(tǒng)計學(xué)方法。其中，前二者屬于單因素評分法[22-23]，后者屬于多因素評分法[24]。 這 3 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要綜合應(yīng)用，相互驗(yàn)證。

為此，建立了工區(qū)37口井的地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)集，包括砂體有效厚度H、測井滲透率Klog、孔隙度φ、含氣飽和度Sg、試井解釋地層系數(shù)HK、試井解釋有效滲透率Ke、水平段鉆遇氣層段長度Lh、水平段長度L和壓裂級數(shù)N等9個影響參數(shù)和評價指標(biāo)Q（前3個月平均日產(chǎn)氣量）?；赑ython軟件，運(yùn)用Pearson系數(shù)法、Spearman系數(shù)法和決策樹評分法對影響因素的重要性進(jìn)行了評分和排序（見表2）。由于樣本點(diǎn)數(shù)量過少，個別參數(shù)可能得分為負(fù)而沒有評價意義，得分和排名均需舍棄。3種方法得到的參數(shù)重要性排名基本一致，Pearson系數(shù)法和決策樹評分法的評價結(jié)果幾乎一樣。其中：HK，Ke最重要，其次是 Sg，L，Lh。H，φ，N，Klog得分小于等于0，顯示這幾個參數(shù)與產(chǎn)量之間無正相關(guān)性。

表2 產(chǎn)能影響參數(shù)評分排序

為了進(jìn)一步分析各類氣井之間的差異，在井分類基礎(chǔ)上用Pearson系數(shù)法再次進(jìn)行了評分（見表3）。Ⅰ，Ⅱ類井產(chǎn)能主控因素還是 HK，Ke和 Sg，Lh，得分略有增加。Ⅲ類井的N和L得分大幅度增加后，排名前列，說明壓裂級數(shù)和水平井長度對產(chǎn)能有明顯正相關(guān)作用。在Ⅰ，Ⅱ類井中，壓裂級數(shù)和水平井長度的重要性被儲層物性、含氣性掩蓋，故會出現(xiàn)得分較低的情況。

表3 基于井分類的產(chǎn)能影響參數(shù)評分結(jié)果

5 主控因素影響機(jī)制

運(yùn)用產(chǎn)能解析模型法[25]對上述參數(shù)影響產(chǎn)能的重要性進(jìn)行評價，結(jié)果也顯示Ke，HK對產(chǎn)能影響較大（見圖3a、圖3b），驗(yàn)證了3種統(tǒng)計學(xué)方法評分結(jié)果的正確性。采用不穩(wěn)定產(chǎn)量法得到的Ke，HK，比測井解釋得到的Klog值更能真實(shí)反映地層的滲透性。雖然Sg相關(guān)性得分不高，但是Sg影響Ke，也是氣井產(chǎn)能的重要因素之一。φ只是儲層儲集能力的表征參數(shù)，不是控制儲層滲流能力的因素。有效厚度H通常是利用孔隙度下限來計算得到，計算結(jié)果誤差大，與初始產(chǎn)量相關(guān)性差，但這不表明有效厚度對產(chǎn)能的影響程度小，解析模型結(jié)果顯示，有效厚度對產(chǎn)能影響較大（見圖2b）。

Ⅲ類井L，N的評分增加明顯，表明儲層改造對物性較差的氣井產(chǎn)能影響更大。解析法計算結(jié)果表明，水平井長度對產(chǎn)能的影響要比壓裂級數(shù)更大（見圖3c、圖3d），水平井長度增加不僅可以提高氣井產(chǎn)能指數(shù)，還可以提高氣井的儲量控制半徑。

主控因素影響機(jī)制分析結(jié)果表明，儲層物性是影響氣井產(chǎn)能的主導(dǎo)因素，而水平井長度、壓裂級數(shù)對氣井產(chǎn)能也具有較大影響。對于不同類型的儲層，有必要分類優(yōu)化水平井長度和壓裂級數(shù)，以使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

圖3 采用解析模型法得到的主控因素與產(chǎn)能關(guān)系曲線

6 礦場應(yīng)用效果

奧陶系碳酸鹽巖氣藏是大牛地氣田重要的儲量產(chǎn)量接替陣地，一直以來，都在開展地質(zhì)、物探、工程等方面系列配套項(xiàng)目攻關(guān)，積極進(jìn)行水平井開發(fā)試驗(yàn)。2011—2015年期間，該區(qū)域開發(fā)試驗(yàn)水平井的水平段長度在750～1 200 m，壓裂級數(shù)為4～12，水平井平均無阻流量為8.6×104m3/d，平均初始產(chǎn)量為 2.2×104m3/d，初始油壓為8.8 MPa。雖然水平井長度和壓裂規(guī)模逐漸增加，但是水平井產(chǎn)能和開發(fā)效果增加幅度并不明顯。通過開展產(chǎn)能主控因素評價研究，提出了水平井位部署的優(yōu)先原則和工程設(shè)計優(yōu)化原則，即優(yōu)先選擇裂縫-溶蝕孔洞發(fā)育、含氣性好、有效厚度大的儲層部署水平井，針對不同儲層物性的水平井分類優(yōu)化水平井長度和壓裂規(guī)模。2016—2019年，該區(qū)域投產(chǎn)7口水平井（見表 4），平均無阻流量為 12.5×104m3/d，平均初始產(chǎn)量為3.2×104m3/d，初始油壓達(dá)到12.4 MPa，各項(xiàng)開發(fā)指標(biāo)均好于之前的水平井。X34井水平段1 800 m，設(shè)計壓裂19段，先期壓裂9段后，即獲得較好產(chǎn)能，因而，沒有必要繼續(xù)實(shí)施壓裂作業(yè)，大大節(jié)約了成本。

表4 2016—2019年水平井開發(fā)指標(biāo)統(tǒng)計

7 結(jié)論

1）初始平均日產(chǎn)量更適合作為產(chǎn)能評價指標(biāo)。投產(chǎn)初期3～6個月的平均日產(chǎn)量可較好地代表產(chǎn)能，適合作為產(chǎn)能評價指標(biāo)。

2）本文提出的產(chǎn)能評價方法有必要與產(chǎn)能解析模型法結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，確保評價結(jié)果可靠。

3）儲層物性、含氣性是影響氣井產(chǎn)能的主控因素，水平井長度、壓裂級數(shù)對氣井產(chǎn)能也具有較大影響。裂縫-溶蝕孔洞發(fā)育的儲層是水平井部署的首選目標(biāo)；孔隙型儲層水平井有必要通過增加水平段長度和壓裂級數(shù)來提高產(chǎn)量，但如何實(shí)現(xiàn)該類儲層效益開發(fā)，水平段長度與壓裂規(guī)模的優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。