盆外山地淺層頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)對策探索

何 勇 李 林 劉 成 王建君 芮 昀

中國石油浙江油田公司

0 引言

“十二五”以來中石油、中石化在我國南方地區(qū)成功開發(fā)了埋深介于2 000～3 500 m的中深層超壓頁巖氣藏，目前正在攻關(guān)埋深超過4 000 m的超深層頁巖氣藏[1-4]。而對于埋深2 000 m以淺，特別是埋深1 000 m以淺，又處于盆地外圍或者盆地邊緣構(gòu)造強(qiáng)改造區(qū)的淺層頁巖氣藏，一般都認(rèn)為其具有“三低一差”（低含氣量、低壓力、低產(chǎn)量、保存條件差）的特點(diǎn)，國內(nèi)尚無成功開發(fā)的先例[5]。2017年中國石油浙江油田公司先后在四川盆地周緣昭通國家級頁巖氣示范區(qū)（以下簡稱昭通示范區(qū)）內(nèi)太陽背斜構(gòu)造上的2口老井針對淺層頁巖儲(chǔ)層（垂深小于1 000 m）進(jìn)行壓裂試氣求產(chǎn)，獲得了工業(yè)氣流，在國內(nèi)淺層頁巖氣領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破[6-7]。2018年2月，國內(nèi)第一口淺層頁巖氣水平井——Y102H1-1井返排試氣日測試產(chǎn)量達(dá)6.25×104m3，太陽區(qū)塊淺層頁巖氣藏開發(fā)方案編制工作同步啟動(dòng)。本文旨在分析太陽區(qū)塊淺層頁巖氣獨(dú)特的成藏特點(diǎn)，進(jìn)而探索盆外山地淺層頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的技術(shù)對策，以期為淺層頁巖氣的有效開發(fā)提供參考和借鑒。

1 太陽背斜淺層頁巖氣成藏地質(zhì)背景

太陽區(qū)塊位于昭通示范區(qū)筠連—威信頁巖氣勘查區(qū)塊東北部，地理位置屬于四川省瀘州市敘永縣、古藺縣境內(nèi)，區(qū)塊面積約585 km2。研究區(qū)地處滇黔北地區(qū)，位于四川盆地南緣、云貴高原北麓。地表以云貴高原山地—丘陵地貌為特征，山高谷深、平地少。整個(gè)地勢東高西低、南陡北緩，地面海拔介于400～1 650 m，最大相對高差約1 000 m。區(qū)域構(gòu)造上屬于揚(yáng)子地塊構(gòu)造域西南邊緣的滇黔北坳陷，主體位于威信凹陷的中西部區(qū)域[8]，由一個(gè)大型復(fù)向斜背景上的太陽背斜與云山壩向斜所組成。

太陽背斜構(gòu)造軸部志留系地層已出露，翼部由二疊系、三疊系—侏羅系地層組成。研究區(qū)發(fā)育了3套烴源巖，自下而上分別為下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖和上二疊統(tǒng)樂平組煤系泥巖，處于大型復(fù)向斜中的太陽背斜構(gòu)造形成了3套含油氣系統(tǒng)，由此形成了包含下寒武統(tǒng)龍王廟組（?1l）破壞型局部殘存石灰?guī)r、白云巖巖性—構(gòu)造常規(guī)氣藏，上奧陶統(tǒng)五峰組—龍馬溪組（S1l）連續(xù)整裝頁巖氣藏，下志留統(tǒng)石牛欄組（S1s）普遍含氣局部富集常規(guī)裂縫氣藏以及樂平組（P3l）翼部殘存煤層氣藏的頁巖氣、常規(guī)氣、煤層氣“三氣”復(fù)式成藏模式，如圖1所示。因此，3種類型的天然氣藏在太陽背斜構(gòu)造具備立體勘探、整體評價(jià)、綜合開發(fā)的潛力，其中五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏連續(xù)整裝、規(guī)模大，是本文探討的主要對象。

圖1 太陽背斜頁巖氣、常規(guī)氣、煤層氣“三氣”復(fù)式成藏模式圖

2 太陽背斜淺層頁巖氣藏賦存特點(diǎn)

2.1 儲(chǔ)層特征

與已實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)的長寧向斜型頁巖氣藏[9]、昭通黃金壩斜坡型頁巖氣藏不同[10]，太陽淺層頁巖氣藏為背斜型，與礁石壩頁巖氣藏有著一定的相似性[9,11]，但其五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層又具有以下特點(diǎn)。

1）埋藏淺、面積較大的背斜構(gòu)造。研究區(qū)整體上呈現(xiàn)“三洼夾一隆”的形態(tài)，其中太陽背斜構(gòu)造面積較大，受近東西向、南北向三組較大型逆沖、走滑斷裂控制，為一個(gè)較大型的長軸背斜構(gòu)造。背斜構(gòu)造形態(tài)完整，五峰組—龍馬溪組經(jīng)歷抬升變淺，五峰組底界埋深范圍介于500～2 000 m，其中埋深1 500 m以淺的范圍約占63%，主體上屬于淺層氣范疇（圖2）。

圖2 研究區(qū)五峰組底界埋深圖

2）儲(chǔ)層富含有機(jī)質(zhì)、孔縫發(fā)育。研究區(qū)在五峰期—龍馬溪期以深水陸棚相為主（圖3），是頁巖氣富集的有利相帶[12]。該地區(qū)水體相對較深，有機(jī)質(zhì)豐度相對較高。巖心分析結(jié)果表明，五峰組—龍一1亞段平均總有機(jī)碳含量（TOC）介于1.89%～9.01%，其中龍一11小層TOC含量最高，介于3.32%～9.01%，平均為5.52%。整體而言具有較好的頁巖氣生烴條件。掃描電鏡觀察顯示，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型復(fù)雜多樣（圖4）。低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)測試計(jì)算結(jié)果表明，五峰組—龍一1亞段孔隙度平均值在5%左右（表1），孔隙類型以2 nm＜d＜50 nm的介孔為主，占總孔體積的87.32%（圖5），頁巖儲(chǔ)層比表面積和孔體積均較大，有利于頁巖氣的吸附[13-14]。

圖3 滇黔北地區(qū)龍一1亞段沉積相圖

圖4 研究區(qū)Y105井龍一13小層（井深1 685.95 m）頁巖氬離子拋光掃描電鏡照片

圖5 Y105井龍一1亞段頁巖孔徑分布統(tǒng)計(jì)圖

表1 五峰組—龍一1亞段孔隙度統(tǒng)計(jì)表

3）儲(chǔ)層含氣性較好，微超壓。研究區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖儲(chǔ)層整體上含氣性較好，實(shí)測含氣飽和度介于43.83%～79.30%，平均為57.28%?？v向上以龍一11小層為最優(yōu)，該小層含氣飽和度介于59.08%～84.88%，平均近79.3%（表2）；實(shí)測含氣量介于1.31～6.18 m3/t，平均為3.03 m3/t；測井含氣量介于3.30～5.51 m3/t，平均為4.27 m3/t。儲(chǔ)層壓力系數(shù)介于1.25～1.62（表3），表現(xiàn)為微超壓—超壓的特征[15]。

表2 五峰組—龍一1亞段實(shí)測TRA含氣飽和度統(tǒng)計(jì)表

表3 五峰組—龍一1亞段壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4）Ⅰ＋Ⅱ類儲(chǔ)層厚度較大。根據(jù)中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]，繪制了研究區(qū)主要評價(jià)井五峰組—龍一1亞段Ⅰ+Ⅱ類儲(chǔ)層評價(jià)連井圖（圖6）。研究區(qū)Ⅰ類儲(chǔ)層主要分布在五峰組和龍一11小層、龍一12小層，Ⅰ類儲(chǔ)層厚度較厚；龍一13小層和龍一14小層以Ⅱ類儲(chǔ)層為主，厚度較小。整個(gè)研究區(qū)Ⅰ+Ⅱ類儲(chǔ)層厚度介于25～40 m。

圖6 研究區(qū)Ⅰ+Ⅱ類儲(chǔ)層評價(jià)連井圖

5）脆性礦物含量高、水平應(yīng)力差較小，儲(chǔ)層可壓性較好。研究區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖脆性礦物（石英、長石、碳酸鹽礦物等）含量均大于65%，平均為70.2%，與長寧（76.5%）、威遠(yuǎn)（75.5%）、黃金壩（76%）相近，具有較好的可壓裂性[17-18]。研究區(qū)五峰組—龍一1亞段實(shí)測脆性礦物含量特征表現(xiàn)為：縱向上整體較好，并且具有從下至上逐漸減小的特點(diǎn)，其中，脆性礦物含量：龍一11小層＞五峰組＞龍一12小層＞龍一13小層＞龍一14小層。根據(jù)壓裂數(shù)據(jù)獲取的單井實(shí)測地應(yīng)力值，研究區(qū)最大主應(yīng)力介于24.2～51.8 MPa，最小主應(yīng)力介于16.0～38.1 MPa，水平應(yīng)力差介于4.0～13.7 MPa（表4），有利于形成較為復(fù)雜的縫網(wǎng)[19]。

表4 研究區(qū)及鄰區(qū)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2 氣藏特征

同一小層背斜頂部伴有破壞殘存的常規(guī)氣聚散特征，即游離氣含量相對稍高、吸附氣含量稍低、孔隙度高、含氣飽和度高、壓力系數(shù)低。統(tǒng)計(jì)8口井的測井解釋結(jié)果表明，頁巖儲(chǔ)層吸附氣量介于1.34～2.53 m3/t,游離氣含量介于1.96～2.98 m3/t，總含氣量介于3.30～5.51 m3/t。從構(gòu)成看，吸附氣占比介于38.29%～49.06%，游離氣占比介于50.94%～61.71%，總體以游離氣為主，但吸附氣占比明顯高于中深層頁巖氣，并且隨埋深的增加，游離氣占比有減小的趨勢（圖7）。

圖7 研究區(qū)評價(jià)井測井含氣量統(tǒng)計(jì)圖

氣藏保存條件頂差翼好。太陽背斜頂部五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏的直接蓋層巖性是下志留統(tǒng)石牛欄組和韓家店組致密泥灰?guī)r，封蓋質(zhì)量較好，直接蓋層上覆的上二疊統(tǒng)及以上地層缺失或減薄對于太陽區(qū)塊頁巖氣的保存有一定的影響。背斜翼部蓋層除了下志留統(tǒng)石灰?guī)r地層外，其上的三疊系和侏羅系地層對頁巖氣藏的保存更為有利（圖8）。較之于黃金壩井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏2.0的壓力系數(shù)，太陽頁巖氣藏在喜馬拉雅期整體抬升剝蝕，推算太陽背斜頂部壓力損失大于40%，向斜壓力損失大于20%。

圖8 滇黔北評價(jià)井連井剖面圖（志留系頂部拉平）

頁巖氣藏整裝規(guī)模大、規(guī)模建產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)資源潛力較大。按照原國土資源部《頁巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)規(guī)范：DZ/T 0254—2014）》[20]儲(chǔ)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)下限及中國石油頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)關(guān)鍵地質(zhì)邊界（斷層、尖滅、剝蝕等）和地表?xiàng)l件復(fù)雜程度，優(yōu)選可建產(chǎn)區(qū)面積276 km2計(jì)算頁巖氣探明儲(chǔ)量超1 000×108m3，各井區(qū)儲(chǔ)量豐度接近川南長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊。

從總體上來看，太陽構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣具有富集、成藏規(guī)模較大的特點(diǎn)。

3 試采特征分析

截至2020年底，研究區(qū)已建成8×108m3/a生產(chǎn)規(guī)模，投產(chǎn)頁巖氣水平井65口、直井2口。其中工區(qū)內(nèi)第一口水平井——Y102H1-1井目的層埋深介于776～795 m，水平段長度為745.4 m，設(shè)計(jì)靶體為龍一12小層，測井評價(jià)Ⅰ類儲(chǔ)層鉆遇率為62%，分11段進(jìn)行壓裂（圖9），壓裂總用液量為19 874 m3，加砂強(qiáng)度為1.5 t/m。該井見氣返排率為0.3%，峰值產(chǎn)氣返排率為13.45%，與川南頁巖氣典型區(qū)塊的對比結(jié)果表明（表5），該井同時(shí)期返排率與黃金壩井區(qū)和寧201井區(qū)相當(dāng)，表明該頁巖氣水平井的壓裂和生產(chǎn)效果較好[21]。2018年2月該井測試投產(chǎn)，測試日產(chǎn)量為6.25×104m3，關(guān)井壓力為9.5 MPa，油壓、套壓平穩(wěn)緩慢下降，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)產(chǎn)能力。目前該井已連續(xù)生產(chǎn)3年，累計(jì)產(chǎn)氣1 312×104m3，首年平均日產(chǎn)氣量達(dá)2.15×104m3（圖10），預(yù)測EUR為0.26×108m3。該井能夠較為充分地反映該區(qū)淺層微超壓頁巖氣藏的生產(chǎn)特征。

圖9 Y102H1-1井水平段軌跡示意圖

圖10 Y102H1-1井試采動(dòng)態(tài)曲線圖

表5 川南頁巖氣典型區(qū)塊不同生產(chǎn)時(shí)期返排率對比表

就總體而言，較之于中深層頁巖氣，淺層頁巖氣具有初始壓力相對較低、初始產(chǎn)能相對較低、產(chǎn)量遞減率相對較低的試采動(dòng)態(tài)特征。

4 經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)對策探索

較之于相似埋深的常規(guī)氣藏，盡管淺層頁巖氣藏試采產(chǎn)能目前取得了一定的突破，但仍處于效益邊緣、抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，如何通過技術(shù)優(yōu)化提高單井規(guī)模產(chǎn)能和降低建設(shè)成本是實(shí)現(xiàn)淺層頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。為此，筆者提出了以下探索對策。

4.1 針對地質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化氣藏開發(fā)思路和技術(shù)

優(yōu)化井型設(shè)計(jì)，針對太陽區(qū)塊埋深差異大的特點(diǎn)，充分發(fā)揮淺層頁巖氣低成本效益開發(fā)的優(yōu)勢，考慮埋深、地質(zhì)指標(biāo)和試采情況差異，優(yōu)化鉆機(jī)和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)A、B、C共3種類型井（表6），以壓減鉆井壓裂造價(jià)、不斷優(yōu)化開發(fā)效果。

表6 3種類型井設(shè)計(jì)參數(shù)表

地面地下一體化靈活部署，針對地貌復(fù)雜井場難找、地下斷裂發(fā)育的特點(diǎn)，靈活部署水平井與定向井結(jié)合，提高頁巖氣儲(chǔ)量動(dòng)用程度。水平井部署遠(yuǎn)離對保存不利的大斷層，適當(dāng)避讓對鉆遇率影響較大的小斷層和撓曲帶（圖11）。

圖11 研究區(qū)內(nèi)斷裂復(fù)雜區(qū)多井型井位部署示意圖

縱向甜點(diǎn)以龍一11小層為最優(yōu)，鎖定其為最佳靶體，以期提高Ⅰ類儲(chǔ)層鉆遇率。

已有評價(jià)井Y102、Y105井區(qū)試氣試采效果好，產(chǎn)建實(shí)施中采取滾動(dòng)開發(fā)策略，邊實(shí)施邊優(yōu)化，以確保實(shí)施成功率和效果。

針對微超壓氣藏壓力、產(chǎn)能和產(chǎn)量遞減相對較低的特點(diǎn)，進(jìn)行合理配產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)制度。

4.2 針對工程地質(zhì)和試采特點(diǎn)，優(yōu)化鉆采工藝和氣藏開發(fā)管理技術(shù)

針對太陽區(qū)塊整體埋深淺及淺層二疊系地層漏失較多的特點(diǎn)，簡化為兩開井身結(jié)構(gòu)，有利于提速降本。第一次開鉆表層套管封閉茅口組、棲霞組易漏地層；第二次開鉆生產(chǎn)套管封隔儲(chǔ)層，滿足改造、測試及開采需要。

針對太陽區(qū)塊地應(yīng)力相對較低、水平應(yīng)力差較小、施工壓力低的特點(diǎn)，采取以下措施：①在水馬力滿足條件下盡量提高排量，增強(qiáng)攜砂能力，采用連續(xù)加砂方式，增加或全部采用低成本石英砂作為支撐劑，進(jìn)一步提高加砂強(qiáng)度；②開展大排量、長分段、多分簇和停泵轉(zhuǎn)向等工藝現(xiàn)場試驗(yàn)，提高低成本下縫網(wǎng)復(fù)雜程度和改造體積（SRV）。

針對原始地層壓力低、井筒攜液能力弱的特點(diǎn)，投產(chǎn)初期即下入油管，早期分別采取環(huán)空、小油管、泡排、氣舉、控壓生產(chǎn)等采氣工藝措施，保障試氣、試采到生產(chǎn)的連續(xù)性和有效性，提高單井EUR。同時(shí)在地層傾角較大的區(qū)域，靈活部署長度1 000 m以內(nèi)的短水平井或試驗(yàn)長水平井分段分期投產(chǎn)（圖12），以減少或降低積液的影響。

圖12 大高差長水平井分段分期投產(chǎn)示意圖

4.3 強(qiáng)化“多層系、多井型、大井組、集群化”的勘探評價(jià)與地質(zhì)工程一體化研究

利用地質(zhì)工程一體化的優(yōu)勢，加強(qiáng)對太陽地區(qū)上、中、下3套含油氣系統(tǒng)約10個(gè)油氣成藏組合勘探潛力和目標(biāo)的評價(jià)研究，在將五峰組—龍馬溪組作為主力層系開發(fā)的同時(shí)，一方面借助于開發(fā)井加深兼探下伏上震旦統(tǒng)燈影組、下寒武統(tǒng)龍王廟組等常規(guī)氣有利成藏組合，或兼顧上覆石牛欄組、韓家店組、茅口組、棲霞組孔隙裂縫型氣藏和樂平組煤層氣藏；另一方面開發(fā)井網(wǎng)部署時(shí)考慮五峰組—龍馬溪組開發(fā)廢棄后上返淺部的石牛欄組裂縫型氣藏和樂平組煤層氣藏進(jìn)行接替開發(fā)。

4.4 制訂一體化的開發(fā)思路和方案

綜合以上有針對性的技術(shù)優(yōu)化，結(jié)合研究區(qū)頁巖氣儲(chǔ)量整裝、規(guī)模較大的特點(diǎn)，提出了整體評價(jià)、整體部署、規(guī)模動(dòng)用，先易后難、先淺后深、深淺兼顧、勘探開發(fā)一體化、地質(zhì)工程一體化及效益優(yōu)先的開發(fā)思路。

5 結(jié)束語

太陽背斜淺層頁巖氣田的評價(jià)新認(rèn)識及其勘探開發(fā)實(shí)踐成果，不僅對昭通示范區(qū)盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)起到了重要的示范與引領(lǐng)作用，而且對于受四周造山帶強(qiáng)烈改造的整個(gè)中國南方強(qiáng)改造殘留盆地頁巖氣勘探也具有較大的啟示意義[5]。太陽淺層頁巖氣田2019年9月已提交探明頁巖氣儲(chǔ)量1 359.5×108m3；截至2020年底，已經(jīng)建成年產(chǎn)氣8×108m3生產(chǎn)規(guī)模。撰寫本文希望能通過本平臺(tái)，在更大更廣專業(yè)領(lǐng)域與業(yè)內(nèi)更多的專家進(jìn)行交流，探索國內(nèi)首個(gè)淺層頁巖氣經(jīng)濟(jì)技術(shù)有效開發(fā)的思路和技術(shù)。