斜坡型強(qiáng)非均質(zhì)頁巖氣藏高效開發(fā)技術(shù)
——以川南威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏為例

王治平 張 慶 劉子平 李彥超 李宜真 何 封 趙 晗

1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 2. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部

0 引言

中國(guó)頁巖氣資源豐富，可采資源量達(dá)21.8×1012m3，位居世界前列。2000年以來，國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)以老井復(fù)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作為基礎(chǔ)，在四川盆地及其周緣開展了地質(zhì)淺井、參數(shù)井、評(píng)價(jià)井的鉆探和地震勘探工作；2009年中國(guó)第1口頁巖氣井W201井開鉆并壓裂獲氣，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)頁巖氣開發(fā)的首次突破；2012年在四川盆地南部建立長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)；2014年正式啟動(dòng)威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)10×108m3產(chǎn)能建設(shè)[1-2]。然而，由于威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖具有有機(jī)質(zhì)成熟度高、Ⅰ類儲(chǔ)層厚度薄、儲(chǔ)層非均性強(qiáng)、地應(yīng)力條件復(fù)雜并且差異大等特點(diǎn)[3-5]，頁巖氣高效開發(fā)面臨著鉆井周期長(zhǎng)[6]、形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度大[7-11]、單井投資高及單井產(chǎn)量低[12-14]等難題，簡(jiǎn)單“復(fù)制”北美地區(qū)頁巖氣的成熟開發(fā)技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)威遠(yuǎn)頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)[15-16]。

為此，經(jīng)過多年的技術(shù)創(chuàng)新、科技攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐，形成了“1套理論、4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)”，即創(chuàng)新形成斜坡型頁巖氣藏差異富集理論，建立了頁巖壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型，形成了區(qū)帶評(píng)價(jià)與甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)、頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)、窄箱體水平井高效導(dǎo)向鉆井技術(shù)、強(qiáng)非均質(zhì)頁巖儲(chǔ)層體積壓裂優(yōu)化技術(shù)4項(xiàng)頁巖氣高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，豐富了我國(guó)海相頁巖氣地質(zhì)富集理論，完善了頁巖氣高效開發(fā)技術(shù)系列，有效地支撐了威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)的高效建成。

1 威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣高效開發(fā)面臨的難題

1.1 經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜

威遠(yuǎn)頁巖氣田開發(fā)層位為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，沉積環(huán)境為古陸和古隆起影響下的上揚(yáng)子地臺(tái)被動(dòng)大陸邊緣陸棚環(huán)境，具有地質(zhì)年代老、多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造、埋藏較深、有機(jī)質(zhì)熱演化程度高、優(yōu)質(zhì)頁巖有效厚度薄、保存條件復(fù)雜等特征。與北美地區(qū)頁巖氣田構(gòu)造單一、優(yōu)質(zhì)頁巖有效厚度大、保存條件好等特征存在著較大的差異。

1.2 頁巖儲(chǔ)層準(zhǔn)確刻畫難度大，高產(chǎn)井主控因素不明確，北美地區(qū)頁巖氣甜點(diǎn)優(yōu)選方法出現(xiàn)不適應(yīng)性

由于勘探程度較低，威遠(yuǎn)頁巖氣的早期評(píng)價(jià)井井控程度低（165 km2/口），單井氣產(chǎn)量差異大，同平臺(tái)井的氣產(chǎn)量甚至相差3～4倍。中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱川慶鉆探）在威遠(yuǎn)區(qū)塊的第一輪35口建產(chǎn)井開發(fā)效果整體較差，井均測(cè)試氣產(chǎn)量為14.31×104m3/d，井均估算最終開采量（EUR）僅0.69×108m3。通過早期開發(fā)，初步認(rèn)識(shí)到威遠(yuǎn)頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，對(duì)頁巖儲(chǔ)層的準(zhǔn)確刻畫難度大，同時(shí)，影響頁巖氣水平井產(chǎn)量的因素多達(dá)20余項(xiàng)，對(duì)高產(chǎn)井的主控因素不明確。而北美地區(qū)頁巖氣井的產(chǎn)能主控因素與威遠(yuǎn)頁巖氣井存在較大差異，相應(yīng)的甜點(diǎn)優(yōu)選方法在威遠(yuǎn)頁巖氣的開發(fā)過程中出現(xiàn)了不適應(yīng)性。

1.3 頁巖氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)精度低

影響頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的因素多，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)難度大。根據(jù)頁巖氣井的全生命周期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征，頁巖氣井的遞減特征在生產(chǎn)初期存在明顯差異，采用單一產(chǎn)量遞減分析方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。同時(shí)，受多尺度裂縫的影響，使頁巖氣井的產(chǎn)能預(yù)測(cè)面臨較大挑戰(zhàn)。

1.4 窄箱體頁巖精準(zhǔn)導(dǎo)向鉆井速度慢，優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層鉆遇率低

威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖儲(chǔ)層最優(yōu)靶體厚度介于3～7 m，并且橫向變化大，井眼軌跡控制難度大；亞分辨率斷層、微幅構(gòu)造發(fā)育，易造成脫靶，箱體鉆遇率降低10%左右；鉆具在長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)時(shí)受到的摩擦阻力（以下簡(jiǎn)稱摩阻）大、鉆壓傳遞困難，導(dǎo)向儀器故障率高，影響鉆進(jìn)效率。在前期的鉆井中，在龍馬溪組的平均機(jī)械鉆速介于4～5 m/h、單趟進(jìn)尺不足500 m，單井在龍一11層的鉆遇率平均僅為68.8%。

1.5 壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大

威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖儲(chǔ)層水平應(yīng)力差大于15 MPa，壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度大，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜程度系數(shù)僅介于0.16～0.22。受儲(chǔ)層非均質(zhì)性與天然裂縫發(fā)育不均衡的影響，壓裂裂縫多數(shù)表現(xiàn)為非均勻擴(kuò)展，生產(chǎn)測(cè)井解釋結(jié)果顯示30%左右的射孔簇貢獻(xiàn)了60%以上的氣產(chǎn)量。第一輪35口建產(chǎn)井平均加砂強(qiáng)度僅為1.3 t/m，并且砂堵率高。

2 斜坡型頁巖氣藏差異富集理論

2.1 沉積選區(qū)

在五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期，四川盆地位于上揚(yáng)子地臺(tái)被動(dòng)大陸邊緣，夾在樂山—龍女寺、黔中、雪峰山三大古隆起之間，向北與秦嶺相通，呈“三隆夾一坳”的古地理格局。威遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)育以富含有機(jī)質(zhì)的碳質(zhì)筆石頁巖為主的深水陸棚相沉積，其中富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相是有利沉積微相，沉積產(chǎn)物以黑色碳質(zhì)頁巖為主，局部為夾暗色塊狀粉砂質(zhì)泥巖，沉積構(gòu)造以水平層理、塊狀層理為主，富含筆石化石，常見硅質(zhì)海綿骨針和放射蟲，具有低能、還原及低速欠補(bǔ)償?shù)纳钏练e特征。古地貌恢復(fù)分析結(jié)果表明，威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期陸棚斜坡上發(fā)育三級(jí)地貌臺(tái)階和兩處低幅隆起，在低幅隆起處頁巖厚度減薄并且儲(chǔ)層品質(zhì)較差，隆起兩側(cè)洼陷區(qū)頁巖厚度大并且品質(zhì)好（圖1）。靶體甜點(diǎn)位于龍一11層，該小層縱橫向展布特征存在明顯差異；威遠(yuǎn)地區(qū)龍一11層可劃分出7個(gè)測(cè)井響應(yīng)特征層，僅在W10-2井區(qū)發(fā)育完整，在其他井區(qū)均有所缺失（圖2），表明在陸棚沉積環(huán)境的大背景下，沉積微環(huán)境仍有差異?？傮w看來，W202井—W204井龍一11層厚度較大，并且底部發(fā)育富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖層段，為當(dāng)時(shí)局部沉積中心（圖1、2）。古地貌控制了頁巖有利沉積相帶的發(fā)育，進(jìn)而影響頁巖氣富集區(qū)的分布。

圖1 威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層沉積模式圖

圖2 威遠(yuǎn)地區(qū)W201井—W205井測(cè)井連井剖面圖

2.2 構(gòu)造分帶

威遠(yuǎn)頁巖氣田位于四川盆地樂山—龍女寺加里東古隆起西南部，區(qū)域內(nèi)地面/地腹構(gòu)造格局基本一致，整體表現(xiàn)為“隆凹相間、西北高東南低、構(gòu)造軸線北東東展布”的特征。威遠(yuǎn)地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組地層經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，大斷層雖然不發(fā)育，但小、微斷層數(shù)量多，利于裂縫發(fā)育帶的形成。根據(jù)構(gòu)造部位和地層傾角，將威遠(yuǎn)頁巖氣田劃分為頂部平緩帶、翼部?jī)A斜帶和近洼平緩帶。其中，W201井區(qū)龍馬溪組地層傾角較小，介于1°～3°，為頂部平緩帶；W202井區(qū)龍馬溪組地層傾角介于5°～11°，W204井區(qū)西北部龍馬溪組地層傾角介于3°～9°，為翼部?jī)A斜帶；W204井區(qū)東南部構(gòu)造相對(duì)平緩，埋深逐漸增大，為近洼平緩帶（圖3）。在上述3個(gè)區(qū)帶中，翼部?jī)A斜帶微裂縫發(fā)育，對(duì)利于頁巖氣井獲得高產(chǎn)，但也是套變和壓竄的高發(fā)區(qū)?？傮w看來，微幅度構(gòu)造控制了微裂縫體系的差異化發(fā)育，為頁巖氣富集提供了有利儲(chǔ)集條件。

圖3 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏構(gòu)造帶劃分圖

2.3 保存控藏

四川盆地五峰組—龍馬溪組黑色頁巖沉積后經(jīng)歷了加里東晚期的華夏板塊碰撞擠壓造山、燕山期以來的江南—雪峰持續(xù)陸內(nèi)造山、喜馬拉雅期印度板狀向北沖擠的三重構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，使頁巖氣藏受到強(qiáng)烈改造，進(jìn)而影響頁巖氣的保存條件，主要涉及斷層、目的層與剝蝕線的距離、埋深及頂?shù)装鍡l件等方面。斷層越少并且其規(guī)模越小、距離剝蝕區(qū)越遠(yuǎn)、埋藏越深、頂?shù)装逶街旅埽搸r氣藏的保存條件則越好。威遠(yuǎn)頁巖氣田五峰組—龍馬溪組儲(chǔ)層埋深主要介于1 500～4 000 m，呈西北淺、東南深的趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)大部分儲(chǔ)層埋深在3 500 m以淺，為頁巖氣勘探的有利區(qū)域。五峰組—龍一段頁巖氣層頂?shù)装宸植挤€(wěn)定、巖性致密，對(duì)頁巖氣的封堵保存有利?？碧介_發(fā)結(jié)果表明，W202井區(qū)五峰組—龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層厚度、TOC、孔隙度、滲透率、天然裂縫發(fā)育程度、含氣量、脆性指數(shù)等地質(zhì)工程參數(shù)接近，氣井地層壓力系數(shù)與埋深呈正相關(guān)關(guān)系，單井測(cè)試氣產(chǎn)量與地層壓力系數(shù)也呈明顯正相關(guān)關(guān)系（圖4）。

圖4 W202井區(qū)地層壓力系數(shù)與單井測(cè)試氣產(chǎn)量散點(diǎn)圖

2.4 斜坡型頁巖氣藏差異富集模式

頁巖氣藏源儲(chǔ)一體，頁巖氣分布不受構(gòu)造圈閉控制。威遠(yuǎn)頁巖氣田沉積環(huán)境為被動(dòng)大陸邊緣陸棚斜坡，古地貌呈凸洼相間的格局，并且多期構(gòu)造交錯(cuò)分布。如圖5所示，中間W202井、W10-2井、W204井的測(cè)試氣產(chǎn)量（分別為21.40×104m3/d、22.37×104m3/d、16.50×104m3/d）明顯大于兩側(cè)W201井、W205井（分別為1.30×104m3/d、2.60×104m3/d）?？梢钥闯?，洼陷區(qū)控制了頁巖最有利沉積相帶的分布，位于翼部?jī)A斜帶的頁巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，局部?jī)?chǔ)滲能力得到提升，剝蝕線、斷裂帶邊界則控制了頁巖氣藏的規(guī)模。

圖5 威遠(yuǎn)地區(qū)W201井—W205井地層剖面圖

3 威遠(yuǎn)頁巖氣田高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 區(qū)帶評(píng)價(jià)與甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)

3.1.1 區(qū)帶評(píng)價(jià)技術(shù)

基于沉積相帶預(yù)測(cè)結(jié)果、構(gòu)造區(qū)帶劃分結(jié)果及頁巖氣井試氣結(jié)果，建立威遠(yuǎn)頁巖氣田區(qū)帶評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1）。在此基礎(chǔ)上，落實(shí)工區(qū)內(nèi)核心建產(chǎn)區(qū)面積為165 km2，相應(yīng)頁巖氣儲(chǔ)量為1 300×108m3，高產(chǎn)井（測(cè)試氣產(chǎn)量大于20×104m3/d）鉆井成功率超過80%，證實(shí)該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理。

表1 威遠(yuǎn)頁巖氣田區(qū)帶評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)

基于地質(zhì)、生產(chǎn)測(cè)井、鉆井、試氣等資料，建立氣井各產(chǎn)層段氣產(chǎn)量與TOC、脆性指數(shù)、孔隙度、含氣量、全烴值等參數(shù)的關(guān)系式，并且得到相應(yīng)判定系數(shù)（R2）；選取相關(guān)性較高的5個(gè)參數(shù)（TOC、孔隙度、脆性指數(shù)、含氣量、全烴值），對(duì)R2進(jìn)行歸一化處理，從而得到上述5個(gè)參數(shù)的單項(xiàng)權(quán)重系數(shù)；基于威遠(yuǎn)頁巖氣田儲(chǔ)層參數(shù)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2），對(duì)上述5個(gè)參數(shù)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，并且確定相應(yīng)分值（針對(duì)Ⅰ類儲(chǔ)層，各單項(xiàng)分值均為1.0；針對(duì)Ⅱ類儲(chǔ)層，均為0.7；針對(duì)Ⅲ類儲(chǔ)層，均為0.4），然后根據(jù)式（1），計(jì)算儲(chǔ)層綜合品質(zhì)系數(shù)（ZQ）。若ZQ≥0.85，則為Ⅰ類儲(chǔ)層；若0.85＞ZQ≥0.6，為Ⅱ類儲(chǔ)層；若ZQ＜0.6，為Ⅲ類儲(chǔ)層。

表2 威遠(yuǎn)頁巖氣田儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

ZQ計(jì)算式為：

式中WTOC、Wpor、Wqall、Wbrit和Wtg分別表示TOC、孔隙度、含氣量、脆性指數(shù)、全烴值對(duì)應(yīng)的分值。

通過對(duì)頁巖儲(chǔ)層綜合品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，縱向上選取龍一11層中下部富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖為最優(yōu)靶體甜點(diǎn)。

3.2 窄箱體水平井高效導(dǎo)向鉆井技術(shù)

3.2.1 地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)

由于地震資料分辨率低，并且基于隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的儲(chǔ)層解釋結(jié)果誤差大，并且多解性強(qiáng)，增加了井軌跡控制難度。為了提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，形成一套頁巖氣水平井地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)。

3.2.1.1 地質(zhì)導(dǎo)向跟蹤技術(shù)及管理

通過該項(xiàng)技術(shù)，可以進(jìn)行儲(chǔ)層地質(zhì)屬性識(shí)別和小層精細(xì)劃分，以及實(shí)鉆井軌跡在箱體中位置的正確確認(rèn)、預(yù)測(cè)及軌跡精細(xì)控制。針對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層厚度薄、識(shí)別困難及橫向變化大的問題，創(chuàng)新形成“近鉆頭方位伽馬成像系統(tǒng)＋元素錄井＋鉆井”地質(zhì)工程一體化地質(zhì)導(dǎo)向跟蹤技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)整井眼軌跡，確保箱體鉆遇率。以提高水平井在優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的鉆遇率為重心，推行以“地質(zhì)導(dǎo)向工程師為核心”“定向工程師聽從地質(zhì)導(dǎo)向工程師指令、鉆井工程師聽從定向工程師指令、泥漿工程師聽從鉆井工程師指令”的工作機(jī)制，責(zé)任明確，協(xié)調(diào)配合，整體聯(lián)動(dòng)，從而確保技術(shù)措施的時(shí)效性。

3.2.1.2 地質(zhì)導(dǎo)向軟件系統(tǒng)平臺(tái)

形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水平井地質(zhì)導(dǎo)向軟件系統(tǒng)平臺(tái)，包括隨鉆測(cè)井與錄井?dāng)?shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)、水平井地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用系統(tǒng)、水平井井眼軌跡投影于地震數(shù)據(jù)體的實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)3套系統(tǒng)軟件。

3.2.2 頁巖氣井長(zhǎng)水平段高效鉆井技術(shù)

在PDC鉆頭優(yōu)選的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了以“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向＋動(dòng)力鉆具＋特殊錄井”為核心的高效導(dǎo)向鉆井模式，根據(jù)不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的特性，配套專用螺桿、鉆具組合及合理的鉆井參數(shù)，使頁巖氣井在水平段的機(jī)械鉆速和單趟鉆進(jìn)尺均提升45%以上。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使頁巖氣水平井的鉆井效率和質(zhì)量大幅提升，儲(chǔ)層段機(jī)械鉆速達(dá)到11.25 m/h，單趟進(jìn)尺平均為1 263 m，水平段延伸能力突破3 000 m，優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層鉆遇率提升至97.2%。

針對(duì)長(zhǎng)水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻大、機(jī)械鉆速慢、軌跡控制難問題，通過研制關(guān)鍵工具，優(yōu)化井眼軌跡和鉆具組合，形成了長(zhǎng)水平段“鉆柱扭擺＋水力振蕩器”綜合降阻滑動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)，使常規(guī)導(dǎo)向鉆井滑動(dòng)摩阻降低30%以上，機(jī)械鉆速提高約40%，有效降低了作業(yè)成本。

3.2.3 頁巖氣井鉆井提速模板

威遠(yuǎn)頁巖氣田地表疏松、成巖性差；中部井段鉆遇地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，鉆井過程中容易發(fā)生井漏井噴，并且部分地層可鉆性差，井眼軌跡控制難度大；由于龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)高，鉆井易發(fā)生破碎性垮塌、井漏，加上斷層發(fā)育、地層傾角變化大，獲得高儲(chǔ)層鉆遇率的難度大。

針對(duì)鉆井面臨的難點(diǎn)問題，根據(jù)地層特點(diǎn)優(yōu)化、完善了分層段快速鉆井技術(shù)。針對(duì)一開，采用氣體鉆井和清水強(qiáng)鉆來防治表層井漏，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)二開，采用“個(gè)性化PDC鉆頭＋高效螺桿”全程復(fù)合鉆進(jìn)提速，定型多種軌跡剖面以適應(yīng)不同叢式水平井的部署需求；針對(duì)三開，由于旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向使用率超過了95%，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的精準(zhǔn)識(shí)別和追蹤，結(jié)合強(qiáng)封堵油基鉆井液的應(yīng)用，保障了井壁的穩(wěn)定性。另外，依托大數(shù)據(jù)和鉆井知識(shí)庫，根據(jù)單井地質(zhì)工程特征，進(jìn)一步優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆井液密度、鉆具組合等，使一井一策快速形成，從而實(shí)現(xiàn)鉆井技術(shù)水平的快速提升。

建立頁巖氣井鉆井提速模板（表3），并且進(jìn)行推廣應(yīng)用，使川慶鉆探在威遠(yuǎn)區(qū)塊的平均鉆井周期由83.17 d縮短至55.60 d，最短鉆井周期達(dá)到了27.60 d，平均機(jī)械鉆速接近10 m/h，在儲(chǔ)層段的一趟鉆完成率超過20%，平均單趟鉆進(jìn)尺提高一倍，助力了該區(qū)塊頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)。

表3 威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣井鉆井提速模板參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 強(qiáng)非均質(zhì)頁巖儲(chǔ)層體積壓裂優(yōu)化技術(shù)

3.3.1 壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型

建立了頁巖壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型（A-FNPM），實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂縫網(wǎng)改造區(qū)幾何尺寸、儲(chǔ)層增產(chǎn)改造體積（SRV）、有效改造體積（ESRV）與支撐裂縫面積（PFA）等關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量預(yù)測(cè)，為壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐[18-20]。采用該模型預(yù)測(cè)的壓裂縫網(wǎng)改造區(qū)面積與微地震解釋結(jié)果的符合率平均為86.3%，求解速度提升157.9%。

3.3.2 “長(zhǎng)段短簇＋暫堵勻擴(kuò)＋控液增砂”壓裂技術(shù)

長(zhǎng)段短簇的含義為增加壓裂段長(zhǎng)度與射孔簇?cái)?shù)、縮短簇間距、采用限流壓裂優(yōu)化段內(nèi)總孔數(shù)。暫堵勻擴(kuò)的含義為采用“暫堵劑＋暫堵球”復(fù)合暫堵方式，實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)均勻擴(kuò)展?？匾涸錾暗暮x為提高加砂強(qiáng)度，通過提升多尺度裂縫中支撐劑的鋪置濃度來提升裂縫導(dǎo)流能力。

3.3.2.1 地質(zhì)工程一體化壓裂方案設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

為了最大化動(dòng)用頁巖氣儲(chǔ)量，首先，基于氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)反演獲取指定生產(chǎn)年限下頁巖氣井控制儲(chǔ)量半徑，進(jìn)而確定最優(yōu)簇間距介于9～12 m；采用壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型，基于最優(yōu)簇間距，模擬不同壓裂段長(zhǎng)度下的壓裂縫網(wǎng)改造區(qū)域面積，結(jié)果表明壓裂段長(zhǎng)度為90 m左右時(shí)縫網(wǎng)改造區(qū)域面積及ESRV均最大；根據(jù)微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在總液量規(guī)模的75%左右實(shí)施暫堵的效果最好，且采用暫堵球＋暫堵劑方式的暫堵效果優(yōu)于使用單一暫堵材料的方式；根據(jù)裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及壓裂縫網(wǎng)擴(kuò)展預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)最優(yōu)加砂強(qiáng)度及用液強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)壓裂方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在此形成了考慮地質(zhì)工程一體化的壓裂方案設(shè)計(jì)優(yōu)化工作流程（圖6），實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂段長(zhǎng)度、簇間距、射孔數(shù)、用液強(qiáng)度、加砂強(qiáng)度、暫堵時(shí)機(jī)等9項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，以確保平臺(tái)控制頁巖氣儲(chǔ)量的最大動(dòng)用，使壓裂改造效果得到大幅度提升。

圖6 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏地質(zhì)工程一體化壓裂方案設(shè)計(jì)優(yōu)化流程圖

3.3.2.2 方法應(yīng)用效果

長(zhǎng)段短簇試驗(yàn)井28口，平均壓裂段長(zhǎng)度為90 m，平均簇間距為10.7 m，平均測(cè)試日產(chǎn)氣量達(dá)35.6×104m3。形成了暫堵轉(zhuǎn)向優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程及方法，進(jìn)而對(duì)456段進(jìn)行了暫堵時(shí)機(jī)與暫堵材料用量的調(diào)整與優(yōu)化，將暫堵壓力從2.7 MPa增至5.8 MPa，提高了115%。將壓裂試驗(yàn)井平均加砂強(qiáng)度增至2.7 t/m，石英砂比例介于70%～80%。液體攜砂效率大幅提升，加1 t砂的用液量由2019年15.3 m3降至目前10.1 m3，降低34%。線性膠使用比例由5.1%降至3.4%，減輕了其對(duì)頁巖儲(chǔ)層的吸附滯留傷害。

3.4 頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法與影響頁巖氣井EUR的主控因素分析

形成了頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，提升了氣井產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度與計(jì)算效率，明確了影響頁巖氣井產(chǎn)能的主控因素，為頁巖氣藏的高效開發(fā)提供支撐。

3.4.1 基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（P-GRNN）的頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

為了有效規(guī)避頁巖氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、頁巖氣滲流機(jī)理復(fù)雜、常規(guī)動(dòng)態(tài)分析方法適用條件受限等問題，形成了基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（P-GRNN）的預(yù)測(cè)方法（以下簡(jiǎn)稱P-GRNN方法）進(jìn)行頁巖氣水平井產(chǎn)量遞減分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)氣井EUR。該方法適用于處于開發(fā)中期的頁巖氣藏氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，開發(fā)井達(dá)到了一定數(shù)量，從而能夠保證預(yù)測(cè)精度?；谕h(yuǎn)區(qū)塊103口頁巖氣井的完井?dāng)?shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化光滑因子，對(duì)氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行20年預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果符合率達(dá)到94.8%～95.2%。

3.4.2 基于改進(jìn)的嵌入式離散裂縫模型的頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

通過嵌入式離散裂縫處理方法構(gòu)建人工縫網(wǎng)，將其與頁巖氣藏地質(zhì)模型耦合，生成包含多尺度離散裂縫的頁巖氣藏?cái)?shù)值模擬模型；結(jié)合由RTA動(dòng)態(tài)分析軟件反演的水力裂縫參數(shù)（裂縫長(zhǎng)度、寬度、高度與導(dǎo)流能力），通過反復(fù)調(diào)整數(shù)值模擬模型參數(shù)，對(duì)頁巖氣井生產(chǎn)歷史進(jìn)行多次擬合，直至達(dá)到擬合精度要求，從而獲得可靠的模擬模型[21]；在此基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，從而獲得EUR。基于改進(jìn)的嵌入式離散裂縫模型（i-EDFM）的頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法（以下簡(jiǎn)稱i-EDFM方法）需要建立在具備精細(xì)地質(zhì)模型與壓裂縫網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，該方法的應(yīng)用可以使頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果符合率大于95%。

上述兩種方法的預(yù)測(cè)精度均能夠滿足生產(chǎn)需要。P-GRNN方法基于已有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行訓(xùn)練后獲取數(shù)據(jù)特征，進(jìn)而開展預(yù)測(cè)，該方法不需要進(jìn)行繁雜的地質(zhì)建模及歷史擬合工作，操作簡(jiǎn)便、計(jì)算效率較高。在傳統(tǒng)數(shù)值模擬模型基礎(chǔ)上，i-EDFM方法能夠有效處理復(fù)雜水力裂縫與天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而使數(shù)值模擬模型能夠用于考慮井間干擾影響的頁巖氣井開發(fā)效果分析，從而對(duì)后續(xù)壓裂作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇適宜的方法來預(yù)測(cè)頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，再進(jìn)行后續(xù)措施的優(yōu)化。

3.4.3 影響頁巖氣井EUR的主控因素

應(yīng)用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法從26項(xiàng)地質(zhì)工程因素中選出6項(xiàng)影響頁巖氣井EUR的主控因素，3項(xiàng)地質(zhì)因素為龍一11儲(chǔ)層厚度、壓力系數(shù)、總含氣量，3項(xiàng)工程因素為射孔簇?cái)?shù)、加砂強(qiáng)度、壓裂水平段長(zhǎng)度。根據(jù)影響頁巖氣井EUR的地質(zhì)工程主控因素的權(quán)重（圖7），可以看出能夠提升核心建產(chǎn)區(qū)單井EUR的措施主要為增加射孔簇?cái)?shù)、加砂強(qiáng)度及壓裂水平段長(zhǎng)度3項(xiàng)，用液強(qiáng)度與陶粒占比增加20%使單井EUR的增幅相對(duì)較?。ㄐ∮?0%）（圖8）。

圖7 影響單井EUR的地質(zhì)工程因素權(quán)重分布圖

圖8 影響單井EUR的地質(zhì)工程主控因素敏感性分析圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過對(duì)井位部署、鉆井、壓裂等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整（表4），平均單井測(cè)試氣產(chǎn)量、儲(chǔ)層鉆遇率（龍一11層）、EUR等參數(shù)較之初期均提升40%～70%。截至2020年12月31日，川慶鉆探在威遠(yuǎn)頁巖氣田累計(jì)生產(chǎn)天然氣66.8×108m3，較之2019年，2020年天然氣年產(chǎn)量增加3.9×108m3，增幅達(dá)19.4%；2020年10月，頁巖氣日產(chǎn)量達(dá)900×104m3，支撐了我國(guó)首個(gè)“萬億立方米儲(chǔ)量百億級(jí)產(chǎn)量”頁巖氣田的建設(shè)。

2020年，川慶鉆探在威遠(yuǎn)頁巖氣田核心建產(chǎn)區(qū)完成49口井的試氣，測(cè)試氣產(chǎn)量平均達(dá)29.7×104m3/d，較2019年提升21.1%，其中WH34平臺(tái)8口井累計(jì)測(cè)試氣產(chǎn)量達(dá)475×104m3/d，是國(guó)內(nèi)首個(gè)頁巖氣“四百萬立方米”平臺(tái)。

5 結(jié)論

1）創(chuàng)新提出古隆起背景下“沉積選區(qū)、構(gòu)造分帶、保存控藏”的斜坡型頁巖氣藏差異富集理論，形成多期構(gòu)造疊加海相頁巖氣區(qū)帶評(píng)價(jià)與甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)，明確了縱向上最優(yōu)靶體為龍一11層中下部富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖，落實(shí)核心建產(chǎn)區(qū)面積為165 km2，該區(qū)域部署井井均測(cè)試日產(chǎn)氣量達(dá)到27×104m3、EUR超過 1.1×108m3。

2）形成以地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)、長(zhǎng)水平段高效鉆井技術(shù)為核心的窄箱體水平井高效導(dǎo)向鉆井技術(shù)，并且建立頁巖氣井鉆井提速模版，鉆井周期較之前期縮短約33.1%，優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層鉆遇率提升至97.2%，水平段延伸能力突破3 000 m。

3）基于壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模型，形成強(qiáng)非均質(zhì)頁巖儲(chǔ)層體積壓裂優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂縫網(wǎng)改造區(qū)幾何尺寸、SRV、ESRV與PFA等關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量預(yù)測(cè)，加砂強(qiáng)度由1.3 t/m增至2.7 t/m，提升了改造效果。

4）影響威遠(yuǎn)頁巖氣井產(chǎn)能的主控因素包括龍一11儲(chǔ)層厚度、壓力系數(shù)、總含氣量、射孔簇?cái)?shù)、加砂強(qiáng)度、壓裂水平段長(zhǎng)度6項(xiàng)。采用基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與改進(jìn)的嵌入式離散裂縫模型的頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，使頁巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果符合率接近甚至超過95%。