工程因素對(duì)頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量的影響

張鳳東，黃學(xué)斌，李 軍，范凌霄

中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

頁(yè)巖氣工程因素與可采儲(chǔ)量的大小密切相關(guān)，其中水平井鉆井和分段壓裂是頁(yè)巖氣有效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。中外學(xué)者對(duì)包括頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中儲(chǔ)量的影響因素和計(jì)算方法進(jìn)行了探討。李勇明等［1］考慮壓裂液返排期間氣—水同流對(duì)產(chǎn)能的影響，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂水平井氣水兩相產(chǎn)能進(jìn)行了分析。李慶輝等［2］在對(duì)北美Haynesville頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，分析工程因素對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)量的影響。

郭昊等［3］在考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性的情況下，基于物質(zhì)點(diǎn)法建立非均質(zhì)儲(chǔ)層改造效果評(píng)價(jià)模型。段永剛等［4］引入冪律指數(shù)遞減分析方法，分析了遞減指數(shù)對(duì)產(chǎn)量遞減的影響。賈成業(yè)等［5］從地質(zhì)和工程兩個(gè)方面分析了長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)和昭通頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量影響因素，對(duì)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量影響因素進(jìn)行了分析。石曉兵、王董東等［6-7］根據(jù)頁(yè)巖氣物理特性和地球化學(xué)特性提出了基于孔隙尺寸、通過(guò)生產(chǎn)指示曲線求取地質(zhì)儲(chǔ)量和可采儲(chǔ)量的新方法。甘柏松［8］通過(guò)遞減分析方法和數(shù)值模擬方法分析了頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量的影響因素。

結(jié)合涪陵頁(yè)巖氣井壓裂實(shí)踐，王志剛探討了“復(fù)雜縫網(wǎng)+支撐主縫”為主體的水平井改造模式［9］；曾凌翔、陳更生等［10-11］則從水擊效應(yīng)、壓力波動(dòng)等多角度分析了壓裂改造效果，提出地質(zhì)與工程一體化、提高單井產(chǎn)能的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。余雷、葉登勝等［12-13］對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井及壓裂改造技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。王金磊等［14-16］以北美頁(yè)巖氣為例，介紹了頁(yè)巖氣鉆完井工程技術(shù)現(xiàn)狀，并探討了頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

已有的研究從不同角度對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中產(chǎn)能評(píng)價(jià)等進(jìn)行了探索，但針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中工程因素及其對(duì)可采儲(chǔ)量的影響研究較少。本文通過(guò)對(duì)涪陵頁(yè)巖氣井實(shí)際工程資料的分析， 探討了水平井鉆井和壓裂施工等工程因素對(duì)頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量的影響，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中掌控好主要工程因素、 借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 工程因素與頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量的相關(guān)性

頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量的大小不僅與地質(zhì)因素有關(guān)，還與鉆井、壓裂改造等工程因素密切相關(guān)，如水平段長(zhǎng)度、壓裂液量、壓裂段數(shù)、支撐劑量、距斷層距離、水平段鉆井深度等，都是影響單井可采儲(chǔ)量的工程因素。通過(guò)對(duì)涪陵234口頁(yè)巖氣井工程因素中各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，明確各因素與可采儲(chǔ)量的相關(guān)關(guān)系，并確定影響可采儲(chǔ)量的主要工程因素。

1. 1 水平段長(zhǎng)的影響

統(tǒng)計(jì)分析表明，頁(yè)巖氣井鉆井水平段長(zhǎng)度與可采儲(chǔ)量關(guān)系較密切（圖1）。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，同1 000 m水平段的生產(chǎn)井相比，1 500 m水平段長(zhǎng)的井能夠獲得更高產(chǎn)能。在水平段長(zhǎng)小于1 500 m時(shí)，隨長(zhǎng)度的增加采氣面積增大，提高了單井控制的儲(chǔ)量和動(dòng)用程度，可采儲(chǔ)量隨水平段長(zhǎng)的增加而增加；而當(dāng)水平段長(zhǎng)大于1 500 m時(shí)，施工難度增大，如井壁穩(wěn)定、井簡(jiǎn)清潔等問(wèn)題會(huì)更加突出；作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，如脆性頁(yè)巖垮塌等工程事故。而且鉆水平段越長(zhǎng)成本越高，而可采儲(chǔ)量的增加并不明顯。由此可見(jiàn)，射孔段長(zhǎng)度在1 500 m附近時(shí)單井可采儲(chǔ)量較高，小于1 500 m不利于產(chǎn)能的發(fā)揮，更長(zhǎng)的井段對(duì)可采儲(chǔ)量無(wú)明顯貢獻(xiàn)。

圖1 水平段長(zhǎng)與可采儲(chǔ)量的關(guān)系

1. 2 壓裂液量的影響

壓裂液量與可采儲(chǔ)量關(guān)系如圖2所示。從圖2中可知，可采儲(chǔ)量隨壓裂液量的增加而增加，單井壓裂液量為2.5×104～ 4.5×104m3時(shí)壓裂效果最好，大于4.5×104m3壓裂效果沒(méi)有明顯提高，低于該范圍則改造強(qiáng)度不夠，裂縫網(wǎng)絡(luò)的生成不充分，不利于產(chǎn)能的發(fā)揮充分；高于該范圍則儲(chǔ)量沒(méi)有明顯增加，最優(yōu)壓裂液量在3.5×104m3左右。

圖2 壓裂液量與可采儲(chǔ)量之間的關(guān)系

1. 3 壓裂段數(shù)的影響

壓裂段數(shù)與可采儲(chǔ)量關(guān)系如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，壓裂段數(shù)越多可采儲(chǔ)量越高。但實(shí)際生產(chǎn)表明，壓裂段數(shù)在15 ～ 20段時(shí)壓裂效果最好，低于15段時(shí)改造效果及供氣范圍有限，多于20段時(shí)單井可采儲(chǔ)量沒(méi)有顯著增加。

圖3 壓裂段數(shù)與可采儲(chǔ)量關(guān)系

1. 4 支撐劑量的影響

支撐劑量與可采儲(chǔ)量關(guān)系如圖4所示。支撐劑量和水平段長(zhǎng)度、壓裂段數(shù)和壓裂液量直接相關(guān)。從圖4可以看出，壓裂時(shí)單井支撐劑范圍通常為0.5×103～ 1.5×103m3，最佳值約為1 000 m3。表明支撐劑量并非越多越好，更多的加砂量無(wú)助于單井可采儲(chǔ)量的提高。同時(shí)也表明在壓裂規(guī)模一定的前提下，如果砂比過(guò)高并不一定能提高改造效果。

圖4 支撐劑量與可采儲(chǔ)量關(guān)系

1. 5 距斷層距離的影響

從圖5對(duì)單井距斷層距離和可采儲(chǔ)量的關(guān)系可以看出，生產(chǎn)井距斷層的距離是影響涪陵頁(yè)巖氣單井儲(chǔ)量的因素之一。涪陵頁(yè)巖氣區(qū)塊受多期構(gòu)造應(yīng)力作用影響，早期發(fā)育有北東向的斷層，后期發(fā)育有北西向斷層，致使構(gòu)造區(qū)斷層非常發(fā)育。從圖5中可見(jiàn)，距斷層越近所受影響越大，單井控制的可采儲(chǔ)量越小，可采儲(chǔ)量隨距斷層距離的遠(yuǎn)離而大致呈增加的趨勢(shì)。

圖5 距斷層距離可采儲(chǔ)量關(guān)系

1. 6 鉆井垂深的影響

多口井的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，水平段鉆井垂直深度與可采儲(chǔ)量具有明顯的負(fù)相關(guān)性（圖6）。隨著鉆井水平段深度的增加，頁(yè)巖塑性變形增強(qiáng)，頁(yè)巖破裂、裂縫延伸難度加大，上覆應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力增大，同時(shí)天然裂縫剪切破壞所需凈壓力也增加，埋深較深的井壓裂效果將受到較大的影響，致使單井可采儲(chǔ)量減少。

圖6 水平段平均垂深與可采儲(chǔ)量關(guān)系

2 可采儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型

2. 1 工程因素相關(guān)性

通過(guò)對(duì)各工程參數(shù)的相關(guān)性計(jì)算，可得出工程參數(shù)與可采儲(chǔ)量及相互間的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表1。對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行獨(dú)立性考察，與可采儲(chǔ)量相關(guān)性最強(qiáng)的工程參數(shù)分別為水平段長(zhǎng)、壓裂段數(shù)、壓裂液量、距斷層距離、水平段垂深及支撐劑量等。其中有些參數(shù)相關(guān)度密切，如壓裂液量與射孔段長(zhǎng)、壓裂段數(shù)等密切相關(guān)，和可采儲(chǔ)量的相關(guān)關(guān)系也較為一致。結(jié)果可知，水平段長(zhǎng)與壓裂段數(shù)相關(guān)度為0.869，壓裂段數(shù)與壓裂液量相關(guān)度為0.948，壓裂液量與水平段長(zhǎng)相關(guān)度為0.824，表明水平段長(zhǎng)即可代表頁(yè)巖氣的壓裂液量，又反映出壓裂段數(shù)的多少。

表1 工程參數(shù)相關(guān)系數(shù)

通過(guò)相關(guān)性分析，根據(jù)單因素評(píng)價(jià)待選因素與可采儲(chǔ)量之間的相關(guān)性，以與可采儲(chǔ)量相關(guān)度密切又相互間獨(dú)立性較強(qiáng)為依據(jù)優(yōu)選工程參數(shù)，從而篩選出水平段長(zhǎng)、水平段垂深和距斷層距離為表征工程因素影響的3個(gè)獨(dú)立參數(shù)，作為進(jìn)一步分析的參數(shù)因子。

2. 2 可采儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型的建立

涪陵頁(yè)巖氣區(qū)為似箱狀斷背斜構(gòu)造，主體平緩，邊緣被大耳山西、石門、吊水巖等逆斷層夾持，背斜形態(tài)整體向西南方向傾覆，西北部地層較陡、東南部被斷層復(fù)雜化，主要發(fā)育北東向和北西向兩組斷層。在地質(zhì)因素確定的情況下，工程因素是決定可采儲(chǔ)量的關(guān)鍵。以涪陵頁(yè)巖氣主體區(qū)為例，對(duì)工程數(shù)據(jù)的相關(guān)性計(jì)算分析表明，水平段長(zhǎng)、水平段垂深與距斷層距離直接影響著儲(chǔ)量的動(dòng)用潛力，是決定該區(qū)可采儲(chǔ)量的關(guān)鍵工程因素。

水平段長(zhǎng)與壓裂規(guī)模表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)性，代表著改造強(qiáng)度，水平段垂深和地層壓力有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此取水平段長(zhǎng)、水平段垂深表征其他相關(guān)參數(shù)。距斷層距離反映周圍大斷層對(duì)單井可采儲(chǔ)量的影響程度。如圖7所示，把水平段長(zhǎng)、水平段垂深和距斷層距離進(jìn)行歸一化，形成表征工程因素的綜合參數(shù)因子，其結(jié)果能夠較好地反映出單井可采儲(chǔ)量規(guī)模，在一定的地質(zhì)條件下決定著地質(zhì)儲(chǔ)量的采出程度。

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以后，以選定的水平段長(zhǎng)、水平段垂深和距斷層距離作為工程參數(shù)，通過(guò)SPSS數(shù)據(jù)分析軟件與可采儲(chǔ)量進(jìn)行相關(guān)性擬合，建立了試采階段依據(jù)工程參數(shù)計(jì)算的單井可采儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型：

式中：Q—單井可采儲(chǔ)量，108m3；

x—綜合工程參數(shù)因子；

l—射孔段長(zhǎng)，km；

h—水平段垂深；km；

s—距斷層距離，km。

圖7 歸一化可采儲(chǔ)量與綜合工程參數(shù)關(guān)系

在SPSS的輸出結(jié)果中，從回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的直方圖可以直觀地看出，標(biāo)準(zhǔn)化殘差服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布，表明隨機(jī)誤差檢驗(yàn)值遵從正態(tài)分布，回歸模型滿足正態(tài)性假設(shè)。正態(tài)概率圖散點(diǎn)也基本圍繞在第一象限對(duì)角線上散布，可判斷殘差基本服從正態(tài)分布。對(duì)可采儲(chǔ)量的估算，隨生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)和生產(chǎn)井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的不斷豐富，可采用生產(chǎn)動(dòng)態(tài)法對(duì)可采儲(chǔ)量的大小進(jìn)一步修正。依據(jù)勘探開(kāi)發(fā)不同階段對(duì)資料的掌握程度，逐漸提高單井可采儲(chǔ)量的計(jì)算精度。

3 結(jié)論

頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量的大小是由包括地質(zhì)因素、開(kāi)發(fā)技術(shù)水平等各種因素綜合影響的結(jié)果，而鉆井和壓裂等工程參數(shù)是其中極重要的影響因素。通過(guò)對(duì)工程參數(shù)與可采儲(chǔ)量的關(guān)系分析，能夠得出以下結(jié)論：

（1）總體看來(lái)，水平段長(zhǎng)在約1 500 m表現(xiàn)與可采儲(chǔ)量的相關(guān)性最好，更長(zhǎng)對(duì)可采儲(chǔ)量無(wú)明顯貢獻(xiàn)；單井壓裂液量為2.5×104～ 4.5×104m3時(shí)壓裂效果最好，低于或高于該范圍改造效果降低或單控儲(chǔ)量增加不明顯。

（2）對(duì)同一構(gòu)造區(qū)塊，地質(zhì)參數(shù)相差不大時(shí)，工程因素決定了單井可采儲(chǔ)量的大小。在地質(zhì)因素確定的情況下，工程因素是決定可采儲(chǔ)量的關(guān)鍵。相關(guān)性分析表明，涪陵頁(yè)巖氣井水平段長(zhǎng)、水平段垂深以及距斷層的距離直接影響著單井可采儲(chǔ)量的大小。水平段長(zhǎng)、生產(chǎn)井距斷層的距離與可采儲(chǔ)量正相關(guān)，而水平段垂深與可采儲(chǔ)量表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性。支撐劑量和平均單段砂量與可采儲(chǔ)量表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

（3）頁(yè)巖氣井可采儲(chǔ)量受多種因素的影響，最終可采規(guī)模是由地質(zhì)、工程、生產(chǎn)制度等各種因素綜合作用的結(jié)果。各頁(yè)巖氣區(qū)具體條件的不同使各因素的影響程度也存在差異。因此，全面獲取頁(yè)巖氣區(qū)的準(zhǔn)確資料，對(duì)各頁(yè)巖氣區(qū)進(jìn)行針對(duì)性研究，才能弄清決定該區(qū)頁(yè)巖氣單井可采儲(chǔ)量的主控因素，進(jìn)而對(duì)可采儲(chǔ)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算。

（4）要充分發(fā)揮工程因素的重要作用。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中工程因素具有重要的影響，鉆井和壓裂工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、較精確的鉆井井身軌跡控制，保證水平井段在最佳巖層中穿行，可以提高壓裂改造效果，有利于產(chǎn)能的充分發(fā)揮和提高控制區(qū)儲(chǔ)量的有效動(dòng)用程度。