川南地區(qū)百億立方米頁(yè)巖氣產(chǎn)能建設(shè)地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)

陳更生 吳建發(fā) 劉 勇 黃浩勇 趙圣賢 常 程 鐘成旭

1.中國(guó)石油西南油氣田公司 2.中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院

0 引言

頁(yè)巖氣是當(dāng)前天然氣勘探和開(kāi)發(fā)中產(chǎn)量增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。中國(guó)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖廣泛分布，資源豐富[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量介于11.5×1012～36.1×1012m3，其中主體資源位于四川盆地南部地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱川南地區(qū)）上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組。

川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖均為深水陸棚相沉積，面積約為6.5×104km2。該地區(qū)位于上揚(yáng)子板塊西部，隸屬于川南低陡、川西南低褶構(gòu)造帶，剛性基底穩(wěn)定性強(qiáng)，沉積蓋層變形總體較弱，歷經(jīng)加里東、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是中國(guó)南方海相沉積相對(duì)穩(wěn)定的地塊。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)優(yōu)，具有高有機(jī)碳含量（3.2%～6.5%）、高含氣量（3.2～9.0 m3/t）、高脆性礦物含量（50.6%～75.3%）以及中等孔隙度（4.1%～8.6%）等特征[2]。儲(chǔ)層埋深適中，主體埋深為3 500～4 500 m。頁(yè)巖氣整體保存條件好，遠(yuǎn)離剝蝕線的區(qū)域普遍超壓（瀘州區(qū)塊壓力系數(shù)1.94～2.42，為川南地區(qū)最高；長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)區(qū)塊壓力系數(shù)1.2～2.0；渝西區(qū)塊壓力系數(shù)1.6～2.0）。但是與北美頁(yè)巖氣田相比，川南地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)工程條件更加復(fù)雜，呈現(xiàn)出“一薄、兩低、三高、三發(fā)育”特征，具體表現(xiàn)為靶體厚度?。?～5 m），低孔隙度（平均為4%）、超低滲透率（0.000 01～0.000 1 mD），高水平應(yīng)力差（10～20 MPa）、高閉合應(yīng)力（90～120 MPa）、高楊氏模量（40～60 GPa），微幅構(gòu)造、小斷層、天然裂縫發(fā)育，最終導(dǎo)致頁(yè)巖氣部署設(shè)計(jì)難度大、靶體鉆遇率提高難度大、壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)形成難度大，早期單井產(chǎn)量低。針對(duì)上述復(fù)雜地質(zhì)工程條件，如何提高單井產(chǎn)量和單井估算最終采收量（EUR）成為川南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重大問(wèn)題。

北美通過(guò)建立多學(xué)科融合、多技術(shù)集成的一體化創(chuàng)新和發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)油氣資源的成功開(kāi)發(fā)。2011年，Cipolla等[3]提出了針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層的地質(zhì)工程一體化工作流程，實(shí)現(xiàn)了從地震數(shù)據(jù)解釋至產(chǎn)能模擬的全過(guò)程無(wú)縫整合。隨后，Gupta等[4-6]利用地質(zhì)工程一體化方法對(duì)頁(yè)巖氣多井組水力壓裂后三維地應(yīng)力場(chǎng)的變化、完井方案、重復(fù)壓裂方案和井距等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

中國(guó)石油天然氣股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）西南油氣田公司作為中國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)拓者之一[7-8]，積極踐行了地質(zhì)工程一體化理念[9-17]，開(kāi)展了10余年探索與實(shí)踐，歷經(jīng)評(píng)層選區(qū)、先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、示范區(qū)建設(shè)、工業(yè)化規(guī)模開(kāi)采4個(gè)階段，通過(guò)不斷探索實(shí)踐與攻關(guān)試驗(yàn)，形成了地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法，解決了川南地區(qū)頁(yè)巖氣效益規(guī)模開(kāi)發(fā)面臨的難點(diǎn)，大幅度提高了頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和EUR，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)井的批量“復(fù)制”，相繼培育出國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)立方米級(jí)頁(yè)巖氣井和400×104m3/d頁(yè)巖氣平臺(tái)，支撐了中國(guó)石油在川南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重大進(jìn)展。2014 年中國(guó)石油頁(yè)巖氣開(kāi)始實(shí)施規(guī)模建產(chǎn)，2016年建成長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)，2020年頁(yè)巖氣年產(chǎn)量達(dá)100.29×108m3、投產(chǎn)氣井近千口、日產(chǎn)氣量超過(guò)4 000×104m3，日產(chǎn)量連續(xù)3年實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)立方米級(jí)增長(zhǎng)，建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)“萬(wàn)億立方米儲(chǔ)量、百億立方米產(chǎn)能”大氣田，形成了全球規(guī)模僅次于北美的大型頁(yè)巖氣田，持續(xù)領(lǐng)跑國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)。

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成果的系統(tǒng)梳理和總結(jié)，形成了適用于川南地區(qū)頁(yè)巖氣的地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法， 針對(duì)“提高單井產(chǎn)量和EUR”的關(guān)鍵問(wèn)題，在井位部署、鉆井、壓裂、生產(chǎn)等頁(yè)巖氣井全生命周期實(shí)施過(guò)程中，堅(jiān)持采用地質(zhì)工程一體化技術(shù)開(kāi)展“一體化研究、一體化設(shè)計(jì)、一體化實(shí)施和一體化迭代”，系統(tǒng)考慮儲(chǔ)層品質(zhì)、鉆井品質(zhì)和完井品質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣產(chǎn)量、EUR和采收率的綜合提升。

1 地質(zhì)工程一體化工作思路

頁(yè)巖氣藏是典型的人造氣藏，具有一井一藏的特殊性，必須保證“地質(zhì)”和“工程”充分結(jié)合，選擇在最優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層實(shí)施工程改造，才能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。通過(guò)多年不斷探索實(shí)踐，探索出適應(yīng)于川南地區(qū)不同地質(zhì)條件、不同儲(chǔ)層特征、不同工程條件，以地質(zhì)工程一體化為核心的一體化高產(chǎn)井培育方法：以地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，在井位部署、鉆井設(shè)計(jì)和實(shí)施、壓裂設(shè)計(jì)和實(shí)施、氣井生產(chǎn)管理等頁(yè)巖氣井全生命周期中，開(kāi)展“一體化研究、一體化設(shè)計(jì)、一體化實(shí)施和一體化迭代”，做到“定好井、鉆好井、壓好井和管好井”，達(dá)到“高儲(chǔ)層品質(zhì)、高鉆井品質(zhì)、高完井品質(zhì)”[7]，實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)量、高EUR、高采收率”目標(biāo)（圖1）。頁(yè)巖氣地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法主要包括以下三點(diǎn)。

圖1 頁(yè)巖氣地質(zhì)工程一體化工作思路圖

1）地質(zhì)工程一體化方法。一體化工作方法是開(kāi)展地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育的必備條件，具體包括地質(zhì)工程一體化研究、地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)、地質(zhì)工程一體化實(shí)施和地質(zhì)工程一體化迭代。①地質(zhì)工程一體化研究：通過(guò)三維地質(zhì)建模、三維地應(yīng)力建模，建立同時(shí)具有地質(zhì)和工程屬性的一體化三維模型，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、定量化標(biāo)準(zhǔn)。②地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)：開(kāi)展水力裂縫精細(xì)模擬和氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行開(kāi)發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化、井位部署、鉆井設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)計(jì)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。③地質(zhì)工程一體化實(shí)施：針對(duì)鉆井實(shí)施，利用精細(xì)的三維地質(zhì)導(dǎo)向模型和地質(zhì)導(dǎo)向流程，提前預(yù)判和調(diào)整，確保Ⅰ類儲(chǔ)層鉆遇率高；針對(duì)壓裂實(shí)施，結(jié)合復(fù)雜縫網(wǎng)預(yù)測(cè)模型和壓裂施工數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整壓裂工藝參數(shù)，確保壓裂實(shí)施效果。④地質(zhì)工程一體化迭代：根據(jù)鉆井的實(shí)鉆資料，不斷迭代更新時(shí)深轉(zhuǎn)換的速度場(chǎng)模型；根據(jù)實(shí)鉆的水平井軌跡數(shù)據(jù)和更新后的深度域模型，不斷迭代更新三維構(gòu)造和層面模型；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試、壓裂施工數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型，不斷迭代更新三維地應(yīng)力模型；根據(jù)壓裂施工曲線和微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、三維地應(yīng)力模型，不斷迭代復(fù)雜縫網(wǎng)模型；根據(jù)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、復(fù)雜縫網(wǎng)模型，不斷迭代更新氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型。

2）地質(zhì)工程一體化任務(wù)。一體化任務(wù)是開(kāi)展地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育的實(shí)施保障，具體包括頁(yè)巖氣井全生命周期中的井位部署、鉆井設(shè)計(jì)和實(shí)施、壓裂設(shè)計(jì)和實(shí)施、氣井生產(chǎn)管理等。①井位部署的任務(wù)：開(kāi)展精細(xì)氣藏描述，優(yōu)選“甜點(diǎn)目標(biāo)”，鎖定“黃金靶體”，最大限度動(dòng)用資源；②鉆井任務(wù)：確保Ⅰ類儲(chǔ)層鉆遇率高、井眼軌跡光滑、鉆井速度快、水平段長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)；③水力壓裂任務(wù)：確保壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜、儲(chǔ)層改造體積大、井筒完整性好、裂縫導(dǎo)流能力充足；④生產(chǎn)任務(wù)：確保測(cè)試產(chǎn)量規(guī)范、生產(chǎn)制度合理、保持井筒通暢、系統(tǒng)優(yōu)化及時(shí)。

3）地質(zhì)工程一體化目標(biāo)。它是指氣井測(cè)試產(chǎn)量高，全生命周期的累積產(chǎn)量高，氣田的整體采收率高。

2 地質(zhì)工程一體化研究的關(guān)鍵技術(shù)

在川南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，依據(jù)地質(zhì)工程一體化研究需要，逐步探索形成了三維地質(zhì)建模技術(shù)、三維地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)、地質(zhì)工程一體化復(fù)雜縫網(wǎng)模擬技術(shù)和地質(zhì)工程一體化數(shù)值模擬技術(shù)等四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[18]。

2.1 三維地質(zhì)建模技術(shù)

三維地質(zhì)建模技術(shù)主要是指三維精細(xì)構(gòu)造建模、三維屬性建模和天然裂縫建模技術(shù)，具體如下：①井震結(jié)合的精細(xì)構(gòu)造建模技術(shù)：將單井構(gòu)造信息（例如成像測(cè)井構(gòu)造傾角信息和真地層厚度TST域小層精細(xì)對(duì)比構(gòu)造信息等）與地震解釋層面相結(jié)合，建立精細(xì)三維構(gòu)造模型；②井震結(jié)合的屬性建模技術(shù)：在巖心資料、特殊測(cè)井資料及地震屬性資料指導(dǎo)下通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立反映儲(chǔ)層品質(zhì)的屬性模型，如TOC、孔隙度、飽和度、含氣量等等；③基于多尺度信息的天然裂縫建模技術(shù)：充分利用成像測(cè)井資料、微地震檢測(cè)資料和地震屬性資料，進(jìn)行從單井、井周邊到區(qū)塊的裂縫分析與預(yù)測(cè)，建立三維多尺度三維天然裂縫模型。長(zhǎng)寧地區(qū)三維TOC分布的地質(zhì)模型圖（圖2）。

圖2 長(zhǎng)寧某井區(qū)三維地質(zhì)模型圖

2.2 三維地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)

三維地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)主要是指單井地應(yīng)力建模技術(shù)、三維地應(yīng)力建模技術(shù)，具體如下：①單井地應(yīng)力建模技術(shù)：以測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖石力學(xué)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立孔隙壓力模型、巖石力學(xué)參數(shù)模型和地應(yīng)力模型；②三維地應(yīng)力建模技術(shù)：以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)研究對(duì)象的不同建立不同尺度的三維有限元模型。以單井地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果為約束，綜合考慮天然裂縫、斷層對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響，開(kāi)展三維有限元數(shù)值模擬，反復(fù)迭代求解，確定復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下應(yīng)力場(chǎng)的展布（圖3）。

2.3 地質(zhì)工程一體化復(fù)雜縫網(wǎng)模擬技術(shù)

地質(zhì)工程一體化復(fù)雜縫網(wǎng)模擬技術(shù)主要是復(fù)雜縫網(wǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)和復(fù)雜縫網(wǎng)擬合技術(shù)，具體如下：①?gòu)?fù)雜縫網(wǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)：以三維地質(zhì)模型（包括天然裂縫模型）、三維地質(zhì)力學(xué)模型、三維空間的井眼軌跡為基礎(chǔ)，綜合考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性、復(fù)雜天然裂縫、應(yīng)力陰影、地應(yīng)力的各向異性和非均質(zhì)性的影響，定量預(yù)測(cè)不同地質(zhì)工程參數(shù)下的復(fù)雜縫網(wǎng)形態(tài)；②復(fù)雜縫網(wǎng)擬合技術(shù)：在壓裂施工后，以微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、停泵壓力、壓裂施工曲線等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展水力裂縫擬合校正和精細(xì)刻畫(huà)，得到更加逼近真實(shí)的裂縫形態(tài)。模擬的復(fù)雜縫網(wǎng)與微地震、施工壓力等數(shù)據(jù)吻合度達(dá)80%，支撐了壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化，為量身定制工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.4 地質(zhì)工程一體化數(shù)值模擬技術(shù)

地質(zhì)工程一體化數(shù)值模擬技術(shù)主要分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分技術(shù)、多尺度流動(dòng)耦合技術(shù)和AMG—CPR巨型稀疏矩陣求解法三個(gè)部分，具體如下：①非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分技術(shù)：將模擬得到的水力裂縫及天然裂縫的復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)用于非結(jié)構(gòu)生產(chǎn)網(wǎng)格模型建立，為壓后油藏?cái)?shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從壓裂到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接（圖4）；②多尺度流動(dòng)耦合技術(shù)：耦合考慮解吸、應(yīng)力敏感、滑脫、擴(kuò)散等多種效應(yīng)，模擬過(guò)程更加趨近頁(yè)巖氣的真實(shí)流動(dòng)特征；③AMG—CPR巨型稀疏矩陣求解法：實(shí)現(xiàn)CPU千核并行計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)完成千萬(wàn)級(jí)網(wǎng)格的模擬計(jì)算，利于對(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行敏感性分析和校正。

3 地質(zhì)工程一體化實(shí)踐

針對(duì)川南地區(qū)頁(yè)巖氣復(fù)雜地質(zhì)工程背景，在地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)上，推廣應(yīng)用地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法，在井位部署、鉆井設(shè)計(jì)和實(shí)施、壓裂設(shè)計(jì)和實(shí)施、氣井生產(chǎn)管理等方面來(lái)開(kāi)展地質(zhì)工程一體化實(shí)踐。

3.1 井位部署

3.1.1 區(qū)域“甜點(diǎn)目標(biāo)”的選擇

利用三維地質(zhì)建模技術(shù)建立井區(qū)儲(chǔ)層的精細(xì)化三維構(gòu)造模型、屬性模型、地應(yīng)力模型、天然裂縫模型，構(gòu)建了“地質(zhì)+工程”全要素三維模型，綜合分析不同地質(zhì)工程參數(shù)與單井產(chǎn)量的相關(guān)性，明確了水平井軌跡方位、箱體位置、Ⅰ類儲(chǔ)層、井筒完整性、主體壓裂工藝等高產(chǎn)主控因素，繪制了多種主控參數(shù)疊合的甜點(diǎn)開(kāi)發(fā)分布圖（圖5），綜合了三維地質(zhì)模型與三維地質(zhì)力學(xué)模型的影響，支撐了井位優(yōu)化部署及水平井設(shè)計(jì)。

3.1.2 靶體位置的優(yōu)選

通過(guò)對(duì)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田大量生產(chǎn)井生產(chǎn)特征的分析得到,長(zhǎng)寧區(qū)塊龍一11-3小層均為Ⅰ類儲(chǔ)層，且厚度介于6～15 m，但單井測(cè)試產(chǎn)量明顯受到水平井靶體位置的影響，水平井靶體位置越靠近龍一11小層底部，頁(yè)巖氣井的測(cè)試產(chǎn)量越高（圖6）。在三維模型內(nèi)，將縱向網(wǎng)格分辨率加密至0.5 m，實(shí)現(xiàn)了“黃金靶體”空間分布的精細(xì)刻畫(huà)，為水平井軌跡設(shè)計(jì)和鉆井導(dǎo)向奠定基礎(chǔ)。

圖3 長(zhǎng)寧某井區(qū)三維地應(yīng)力分布圖

圖4 壓裂縫網(wǎng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分示意圖

3.1.3 井位部署模式優(yōu)化

川南地區(qū)地面條件復(fù)雜，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)需要大量的水源和及時(shí)的物資供應(yīng)，考慮到就近用水、運(yùn)輸成本以及人口密集等因素，可部署平臺(tái)有限，為了提高頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量采出層度，需要開(kāi)展地面平臺(tái)優(yōu)化。通過(guò)不斷探索實(shí)踐，最終建立了川南地區(qū)地面—地下一體化水平井部署模式（圖7），使平臺(tái)資源動(dòng)用率從2012年50%提高到目前的80%以上。該模式充分利用地下、地面兩個(gè)資源，對(duì)建產(chǎn)井井位部署進(jìn)行整體優(yōu)化。在地下根據(jù)斷層走向和方位精細(xì)設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)，增加了平臺(tái)動(dòng)用面積，在地面根據(jù)地面條件情況，分別采用單排式、交叉式布井，使平臺(tái)采收率增加20%。

圖5 地質(zhì)工程一體化三維模型圖

3.1.4 水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化

基于建立的三維地質(zhì)工程模型，以單井EUR、區(qū)塊采收率和內(nèi)部收益率為指標(biāo)，建立了不同地質(zhì)工程條件下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化開(kāi)發(fā)技術(shù)政策（方位、井距、水平段長(zhǎng)）定量評(píng)價(jià)圖版。采用數(shù)模結(jié)合實(shí)踐的方法，固化了不同地質(zhì)工程特征的水平井關(guān)鍵參數(shù)，在確保效益開(kāi)發(fā)的前提下，最大程度提高采收率。以井距優(yōu)化為例，建立了范圍為1 700 m×1 400 m、儲(chǔ)量豐度為6.06×108m3/km2的模型，探討了井距為600 m、400 m、300 m、240 m、200 m 時(shí)，EUR和采收率隨井距變化的結(jié)果[19]（圖8）。通過(guò)地質(zhì)—工程—經(jīng)濟(jì)一體化研究，實(shí)施井距由早期的500～600 m優(yōu)化調(diào)整為300～400 m。

圖6 長(zhǎng)寧區(qū)塊靶體位置與測(cè)試產(chǎn)量關(guān)系圖

圖7 地面—地下一體化水平井部署模式

圖8 不同井距下EUR和采收率的變化曲線

3.2 鉆井

中國(guó)頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層相對(duì)北美具有較大不同，存在靶體薄、微幅構(gòu)造及斷層發(fā)育的特征，常用的 “單伽馬+彎螺桿”導(dǎo)向方法不能判斷井眼軌跡出層方向、軌跡調(diào)整效率低，滿足不了復(fù)雜地質(zhì)條件下頁(yè)巖氣精準(zhǔn)導(dǎo)向的需要；要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的精準(zhǔn)追蹤，首先要開(kāi)展地質(zhì)工程一體化建模對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層垂向分層和橫向展布進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，再根據(jù)模型精確設(shè)計(jì)鉆井井眼軌道，最后優(yōu)選導(dǎo)向工具實(shí)施精準(zhǔn)軌跡控制。

3.2.1 地質(zhì)工程一體化水平井軌跡設(shè)計(jì)

基于建立的三維地質(zhì)工程模型，開(kāi)發(fā)了地質(zhì)工程融合的頁(yè)巖氣井網(wǎng)可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了井區(qū)鉆井最優(yōu)井軌跡，降低了著陸難度，解決了水平段常規(guī)二維直線式設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡偏差大的難題。并根據(jù)地層變化情況首次設(shè)計(jì)了“u”形、“n”形、“s”形和多斷層井復(fù)雜井眼軌跡（圖9）。上述復(fù)雜井眼軌跡設(shè)計(jì)降低了在“3～5 m”優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中精準(zhǔn)入靶、層位追蹤中的軌跡控制難度，確保了水平段長(zhǎng)度大于1 800 m時(shí)，井眼軌跡足夠光滑。

圖9 復(fù)雜井眼軌跡示意圖

3.2.2 基于精細(xì)軌跡的地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向

基于三維地質(zhì)工程模型，設(shè)計(jì)地質(zhì)導(dǎo)向方案，多源信息精準(zhǔn)定位，優(yōu)選工具精確導(dǎo)向，確保水平段長(zhǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，靶體鉆遇率高、鉆井效率高（圖10）。具體流程如下：鉆前鎖定優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，明確目標(biāo)靶體，建立三維地質(zhì)工程模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)井眼軌道及導(dǎo)向方案；水平段著陸前綜合隨鉆伽馬、元素錄井及綜合錄井資料逐一識(shí)別、校對(duì)目的層上部標(biāo)志層，根據(jù)實(shí)鉆情況及時(shí)校正導(dǎo)向模型和優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)，控制軌跡精準(zhǔn)、平穩(wěn)入靶；進(jìn)入水平段后，多源信息定位鉆頭在目標(biāo)層的位置，確定井眼軌跡與目的層接觸關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆具姿態(tài)并控制井眼軌跡在目的層內(nèi)有效延伸，保障優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率。鉆進(jìn)過(guò)程中若鉆遇斷層、產(chǎn)狀突變等異常情況，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)變化、井筒工況及鉆井難度重新設(shè)計(jì)軌跡，鉆后根據(jù)實(shí)鉆資料修正地質(zhì)導(dǎo)向模型、對(duì)地震資料重新處理和解釋，為鄰井導(dǎo)向提供指導(dǎo)。

圖10 精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向工藝流程圖

3.3 壓裂

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)初期，采用相同的壓裂工藝參數(shù)，受非均質(zhì)性、地應(yīng)力、天然裂縫、巖石力學(xué)參數(shù)等因素影響，單井產(chǎn)量差異大，常規(guī)的壓裂設(shè)計(jì)方法不適用，缺乏復(fù)雜縫網(wǎng)定量描述和評(píng)價(jià)的方法。通過(guò)探索實(shí)踐，在開(kāi)展壓裂模擬研究和氣井產(chǎn)量主控因素分析的基礎(chǔ)上，形成了適用于頁(yè)巖儲(chǔ)層的地質(zhì)工程一體化壓裂設(shè)計(jì)方法，有效提高了單井產(chǎn)量。

3.3.1 地質(zhì)工程一體化精細(xì)分段設(shè)計(jì)

在水平井壓裂施工過(guò)程中，利用三維地質(zhì)工程模型，針對(duì)儲(chǔ)層物性、力學(xué)特征、天然裂縫和固井要求等地質(zhì)工程因素確定分段，基于氣測(cè)值、孔隙度、含氣量和狗腿度等因素確定射孔位置，形成了基于多元信息的快速智能化分段及射孔設(shè)計(jì)技術(shù)（圖11）。針對(duì)水平井段的不同地質(zhì)及工程特征，如優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段、高鈣質(zhì)段和天然裂縫段等，優(yōu)選壓裂工藝確保最優(yōu)的壓裂改造效果。

3.3.2 地質(zhì)工程一體化壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

在壓裂施工之前，結(jié)合精細(xì)三維地質(zhì)模型和三維地應(yīng)力模型，首先考慮天然裂縫和地應(yīng)力的分布特征，確定壓前有利因素與不利因素分析，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判；結(jié)合單井地質(zhì)工程特征，重點(diǎn)圍繞解決不利因素，開(kāi)展不同液體組合、不同排量、不同支撐劑等多組參數(shù)的地質(zhì)工程一體化壓裂模擬計(jì)算，選擇最匹配單井地質(zhì)特征的壓裂參數(shù)，在確保施工順利的條件下，進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量（圖12）。

3.3.3 地質(zhì)工程一體化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

通過(guò)構(gòu)建室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的工作模式，解決現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的復(fù)雜問(wèn)題。針對(duì)加砂困難、裂縫擴(kuò)展不均勻等工程問(wèn)題，室內(nèi)研究人員在模型迭代校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)單段液量、排量、加砂強(qiáng)度、加砂模式和射孔參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)壓裂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保加砂量高、壓裂施工順利。通過(guò)采用該方法，深層頁(yè)巖氣井成功解決了天然裂縫發(fā)育條件下水力裂縫擴(kuò)展不均勻、天然裂縫抑制水力裂縫擴(kuò)展等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，降低井下工程復(fù)雜，井筒完整性達(dá)100%，完成了1 478 m水平段改造，獲得了46.9×104m3/d的測(cè)試產(chǎn)量。

3.4 生產(chǎn)

3.4.1 生產(chǎn)制度優(yōu)化

頁(yè)巖人工裂縫應(yīng)力敏感性強(qiáng)，放大壓差生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致縫網(wǎng)閉合，影響氣井產(chǎn)能。針對(duì)上述問(wèn)題，創(chuàng)新結(jié)合一體化數(shù)值模擬與應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展復(fù)雜縫網(wǎng)不同鋪砂濃度條件下氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征研究，綜合單井生產(chǎn)效果與經(jīng)濟(jì)效益，形成了“悶井、控制、穩(wěn)定、連續(xù)”為核心的排液制度，建立了以壓力、產(chǎn)量、穩(wěn)定時(shí)間和波動(dòng)范圍為指標(biāo)體系的頁(yè)巖氣測(cè)試技術(shù)規(guī)范，提出了以測(cè)試產(chǎn)量1/3～1/2配產(chǎn)單井相對(duì)三年穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)化生產(chǎn)制度，實(shí)現(xiàn)了“排液—測(cè)試—生產(chǎn)”不同階段的氣井制度優(yōu)化，有效降低了裂縫的應(yīng)力敏感傷害，單井EUR提高了近15%。

3.4.2 氣井生產(chǎn)優(yōu)化

頁(yè)巖氣初期產(chǎn)量、壓力遞減快，自噴周期短，必須及時(shí)采取產(chǎn)能維護(hù)措施才能保障穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。川南地區(qū)頁(yè)巖氣基于“地層—井筒”一體化模型和管柱精細(xì)流體力學(xué)（CFD）模擬，建立了不同井型、不同AB點(diǎn)落差、不同產(chǎn)液量條件下的頁(yè)巖氣水平井井筒積液診斷預(yù)測(cè)模型。結(jié)合井筒多相流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，形成了以“氣舉、泡排、柱塞”為主的川南地區(qū)頁(yè)巖氣產(chǎn)能維護(hù)工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)寧區(qū)塊累計(jì)實(shí)施車載氣舉6 000井次、泡排81井次、柱塞氣舉15井次，累計(jì)增產(chǎn)氣量6.02×108m3。

4 實(shí)踐效果

經(jīng)過(guò)10余年的地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法的攻關(guān)、研究、應(yīng)用和推廣，在長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)區(qū)塊取得了顯著效果。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，長(zhǎng)寧地區(qū)井均測(cè)試日產(chǎn)量由初期的10.9×104m3提高到26.3×104m3，最高測(cè)試日產(chǎn)量62×104m3，井均EUR由初期0.5×108m3提高到1.24×108m3。威遠(yuǎn)區(qū)塊井均測(cè)試日產(chǎn)量由初期的11.6×104m3提高到23.9×104m3，最高測(cè)試日產(chǎn)量71×104m3，井均EUR由初期0.5×108m3提高到 1.1×108m3。

全面推廣地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法后，又培育了一批高產(chǎn)井，EUR大于1.5×108m3，部分井超過(guò)2.0×108m3；長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊培育了一批測(cè)試日產(chǎn)量超50×104m3的高產(chǎn)井，其中長(zhǎng)寧地區(qū)最高測(cè)試日產(chǎn)量達(dá)76×104m3，威遠(yuǎn)地區(qū)最高測(cè)試日產(chǎn)量達(dá)83×104m3。研究成果應(yīng)用于四川盆地瀘州、渝西地區(qū)等深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，鉆探的瀘203井（垂深3 893 m）獲138×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流，成為我國(guó)首口日產(chǎn)超百萬(wàn)立方米的深層頁(yè)巖氣井，足202-H1井（垂深3 957 m）、黃202井（垂深4 082 m）、陽(yáng)101H2-8（垂深4 129 m）井獲氣（20～50）×104m3/d，其中瀘州地區(qū)4口投產(chǎn)井井均EUR1.98×108m3。深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的戰(zhàn)略突破，展示了巨大的勘探開(kāi)發(fā)潛力，堅(jiān)定了“十四五”我國(guó)頁(yè)巖氣快速上產(chǎn)的信心。

圖11 某井精細(xì)分段及射孔方案（1 in=25.4 mm，1 ft=0.304 8 m）

圖12 頁(yè)巖氣井水力壓裂擬合圖（支撐劑鋪置）

5 結(jié)論

1）通過(guò)地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)可以打造透明頁(yè)巖氣藏，建立涵蓋“地質(zhì)+工程”全要素的精細(xì)三維模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體的“定量化、可視化”表征，有效指導(dǎo)井位部署、鉆井設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)計(jì)和氣井生產(chǎn)。

2）地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法成功實(shí)現(xiàn)了井位的優(yōu)化部署、提高了儲(chǔ)層鉆遇率、形成了復(fù)雜縫網(wǎng)，指導(dǎo)了頁(yè)巖氣井全生命周期的優(yōu)化調(diào)整，有效提高單井產(chǎn)量和EUR，支撐頁(yè)巖氣規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。

3）地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法可以在非常規(guī)油氣藏的不同領(lǐng)域、不同區(qū)塊、不同層位開(kāi)展大規(guī)模推廣應(yīng)用，支撐非常規(guī)儲(chǔ)層規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。