四川盆地平橋南區(qū)頁巖氣水平井工程參數(shù)對產(chǎn)量的影響分析

吳天

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031）

平橋南區(qū)頁巖氣是華東首個商業(yè)開發(fā)的區(qū)塊，現(xiàn)已穩(wěn)產(chǎn)3年。水平井產(chǎn)量差異大是目前面臨的主要挑戰(zhàn)，如何提高單井產(chǎn)量是下步開發(fā)的主要問題。結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)段鉆遇程度和改造強度是影響單井產(chǎn)量的重要因素[1-5]。開發(fā)初期階段采用常規(guī)壓裂手段形成一條單一裂縫的壓裂工藝并達(dá)到體積改造的目的。要形成復(fù)雜縫網(wǎng)，提高產(chǎn)量，就必須明確影響頁巖氣壓裂效果的主控工藝參數(shù)[6-7]。該文主要對水平段段長、穿行優(yōu)質(zhì)頁巖層長度、壓裂簇間距、用液強度、加砂強度等參數(shù)開展敏感性分析[8-10]，明確單一參數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系，為后續(xù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提高單井產(chǎn)量提供依據(jù)。

1 平橋南區(qū)基本情況

涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)位于川東褶皺帶萬縣復(fù)向斜南部的平橋斷背斜中南翼，平橋南區(qū)構(gòu)造為一狹長斷背斜，核部地層較平緩（傾角5°～15°），兩翼地層傾角較大（20°～45°），西部斷裂以逆沖滑脫為主，斷面平緩，東部斷層以沖斷為主，斷面較陡（圖1）。目的層上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一段，五峰組底界埋深2 600～4 000 m，屬深水陸棚沉積環(huán)境，含氣頁巖厚度大，達(dá)到111.5 m，其中①—⑤號小層為Ⅰ類優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段，厚35.3 m，有機質(zhì)豐度較高，TOC（總有機碳含量）平均3.46%，原始地層壓力系數(shù)1.30～1.32，儲集性能較好，孔隙度3.33%，有機孔發(fā)育，頁理縫發(fā)育。脆性礦物含量高達(dá)65.22%，含氣性較好，含氣量達(dá)到3.93 m3/t。⑥—⑨號小層為Ⅱ類頁巖氣層段，厚76.2 m。頁巖氣天然氣組分以甲烷為主（甲烷含量達(dá)98 %），屬于中深層—深層、高壓、干氣、連續(xù)性頁巖氣藏。

圖1 四川盆地平橋南區(qū)五峰組底面構(gòu)造Fig.1 Bottom structure of Wufeng Formation in southern Pingqiao Block,Sichuan Basin

平橋區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣采用一套開發(fā)層系，大規(guī)模水力壓裂衰竭式開采方式開發(fā)；針對山地復(fù)雜環(huán)境，采用交叉布井模式，水平井方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角不超過40°，井距500 m左右。選擇上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組①—③號小層作為水平井穿行層位，水平段長以1 500 m為主，方案部署31口井，建產(chǎn)能6.5×106m3。2018年平橋南區(qū)完成6.5×106m3產(chǎn)建后全面投產(chǎn)，目前部分氣井生產(chǎn)時間已超過3 a，在壓后放噴測試和試采階段井與井之間呈現(xiàn)一定的差異性。頁巖儲層滲透率一般為納達(dá)西級，需要經(jīng)過大規(guī)模水力壓裂改造后才能實現(xiàn)效益開發(fā)，所以合理的壓裂工藝和壓裂規(guī)模是實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)的必要條件。

2 工程參數(shù)對產(chǎn)量影響分析

2.1 水平段段長

根據(jù)國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，隨著工程工藝技術(shù)進步，在井網(wǎng)部署時不斷增加水平段長。通過增加水平段長提高單井產(chǎn)量，同時也減少了部署平臺，降低征地等費用來降低地面成本[11]。為了更好地研究工程參數(shù)對產(chǎn)量的影響，首先需要消除其他因素對單井產(chǎn)量的影響，如水平段長、水平段優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率等，所以先對水平段長和優(yōu)質(zhì)頁巖對產(chǎn)量影響開展分析。

從已壓裂完成的31口水平井統(tǒng)計的水平段長度和無阻流量數(shù)據(jù)來看，水平段小于1 500 m的8口井中，有2口井無阻流量低于10×104m3/d，8口井平均無阻流量15.6×104m3/d；水平段1 500～1 600 m之間的14口井中，無阻流量低于10×104m3/d的有4口，無阻流量大于20×104m3/d的有6口，14口井平均無阻流量17.7×104m3/d；水平段1 600～1 800 m之間共9口井，無阻流量大于20×104m3/d的井有7口，平均無阻流量27.1×104m3/d。統(tǒng)計結(jié)果表明，水平段1 600～1 800 m的井，無阻流量明顯高于水平段小于1 600 m的井。在壓裂施工參數(shù)相近條件下，水平段長度與EUR（單井可采儲量）有較好線性關(guān)系（圖2），即EUR隨水平段延長呈明顯上升趨勢，所以在井網(wǎng)部署時建議水平段長度大于1 600 m，在地質(zhì)條件和工程工藝均能滿足長水平段條件下，盡可能實施長水平段。

圖2 單井EUR與水平段長關(guān)系Fig.2 Relation between EUR and horizontal interval length of single well

2.2 穿行①—③小層長度

優(yōu)質(zhì)頁巖“甜點”段鉆遇率是保證頁巖氣井高產(chǎn)的基礎(chǔ)。平橋南頁巖氣水平井目的層為五峰組—龍馬溪組①—⑤小層，其中①—④小層實測TOC為3.16%～4.26%（圖3）。①—④小層實測脆性礦物含量為61.2%～67.83%（圖4）。①—③小層TOC和脆性礦物含量都高于④小層。

圖3 四川盆地平橋南區(qū)①—④小層TOC含量Fig.3 TOC of sub-layer①to④in southern Pingqiao Block,Sichuan Basin

圖4 四川盆地平橋南區(qū)①—④小層脆性礦物含量Fig.4 Brittle mineral content of sub-layer①to④in southern Pingqiao Block,Sichuan Basin

將31口井穿行①—③小層長度與單井EUR進行線性回歸（圖5），結(jié)果表明，單井EUR與水平段在優(yōu)質(zhì)頁巖①—③小層穿行長度呈正相關(guān)關(guān)系，所以在后續(xù)開發(fā)井的實施過程中應(yīng)盡可能使水平段保持在①—③小層內(nèi)穿行，為氣井高產(chǎn)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 單井EUR與①—③小層長度的關(guān)系Fig.5 Relation between EUR of single well and①to③sub-layer length

水平段長和水平段優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇長度對頁巖氣井產(chǎn)量具有重要的影響。平橋背斜產(chǎn)建區(qū)31口井①—③小層優(yōu)質(zhì)頁巖平均鉆遇率達(dá)到96%，所以水平段優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率對產(chǎn)量影響可以忽略，在分析工程參數(shù)對產(chǎn)量影響時需要消除水平段長差異對產(chǎn)量的影響，所以在以下分析中采用1 500 m歸一化無阻流量或1 500 m歸一化產(chǎn)量開展分析。

2.3 簇間距

簇間距的大小對頁巖氣藏壓裂改造具有重要的影響，簇間距過小將導(dǎo)致分簇和主裂縫之間的改造區(qū)域重疊，大大降低壓裂改造的效果，簇間距過大則會導(dǎo)致主裂縫不能得到充分改造，影響儲層的動用程度。因此，合適的簇間距設(shè)計對提升儲層縫網(wǎng)展布區(qū)域、提高頁巖氣藏壓后效果具有重要的意義[12-15]。

南川地區(qū)簇間距由初始的20～22 m不斷優(yōu)化，逐漸縮小至12～20 m，所以對優(yōu)化后的簇間距與每千米產(chǎn)氣量利用多項式進行回歸（圖6），隨著平均簇間距減小，每千米產(chǎn)氣量呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)簇間距縮小至14 m，每千米產(chǎn)氣量增幅變緩，表明簇間距不是越小越好，所以建議將簇間距的范圍設(shè)計在12～16 m，這樣能夠更充分的改造地層，保證簇與簇之前形成復(fù)雜縫網(wǎng)，儲量充分動用，提高水平井產(chǎn)量。

圖6 簇間距與每千米產(chǎn)氣量的關(guān)系Fig.6 Relation between cluster spacing and gas production per kilometer

2.4 用液強度

用液強度是指水平井壓裂段每米壓裂所用的壓裂液量。為了加強對水平井地層的改造，在設(shè)計壓裂參數(shù)時，提高了壓裂規(guī)模，使壓裂液用量有所增加[16-18]。該文利用31口井用液強度和產(chǎn)量的數(shù)據(jù)進行了線性回歸。

目前平橋南已壓裂31口水平井采用相同的壓裂液配方，從單井的用液強度與無阻流量的關(guān)系來看（圖7），平橋南區(qū)用液強度主要介于22.0～36.3 m3/m。用液強度低于27 m3/m的井有15口，平均無阻流量27×104m3/d，用液強度在27～29 m3/m的井有8口，平均無阻流量18.2×104m3/d，用液強度大于29 m3/m的井有8口，平均無阻流量只有8.3×104m3/d，且這8口井均處于平橋南東西兩翼，埋深大，應(yīng)力大于主體區(qū)，導(dǎo)致裂縫延伸困難，施工難度上升，用液量增大。在壓裂施工參數(shù)相近條件下，EUR隨著用液強度的增大而降低（圖8），當(dāng)用液強度小于27 m3/m時，EUR降幅減緩，表明用液強度不是越低越好。結(jié)果表明，用液強度控制在24～27 m3/m時，單井基本都能取得較好的測試效果。因此，在增大壓裂規(guī)模的同時需要控制壓裂液用量，用更少的液來攜帶更多的支撐劑，滿足縫網(wǎng)有效支撐條件下，盡量減少入井液量。減少液量不僅能夠?qū)崿F(xiàn)降本，還減輕了后期返排液處理的壓力。對于埋深大、應(yīng)力大的井，應(yīng)在運用多種手段降低施工難度，充分改造地層的基礎(chǔ)上，控制壓裂液的用量。

圖7 用液強度與無阻流量的關(guān)系Fig.7 Relation between liquid strength and open flow

圖8 單井EUR與用液強度的關(guān)系Fig.8 Relation between EUR and liquid strength of single well

2.5 加砂強度

支撐劑用量是頁巖氣壓裂的核心因素，只有支撐劑進入地層并在地層應(yīng)力的作用下實現(xiàn)有效支撐，才能夠提供有效導(dǎo)流通道[19-22]。

平橋南已壓裂31口水平井所采用的支撐劑均為“70/140目粉陶+40/70目中陶+30/50目粗陶”，且支撐劑在室內(nèi)破碎率試驗下均滿足現(xiàn)場應(yīng)用。從統(tǒng)計的單井單段砂量與無阻流量的關(guān)系數(shù)據(jù)來看，單段砂量低于60 m3/段的3口井，平均無阻流量18.3×104m3/d，單段砂量在60～70 m3/段之間的18口井，平均無阻流量22.1×104m3/d，單段砂量大于70 m3/段的10口井，平均無阻流量達(dá)到29.1×104m3/d。

為進一步分析支撐劑對頁巖氣井產(chǎn)量的影響，將支撐劑用量和頁巖氣井產(chǎn)量進行量化，對加砂強度和每千米產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果表明，加砂強度由初始的0.8～0.9 m3/m提高至1.8～1.9 m3/m，隨著加砂強度增大，每千米產(chǎn)氣量不斷增大，但是當(dāng)加砂強度超過1.6 m3/m，每千米產(chǎn)氣量增幅變緩（圖9）。對平橋南鄰區(qū)（焦頁10井區(qū)）相同地質(zhì)條件四口井加砂強度和測試產(chǎn)量統(tǒng)計對比（圖10），結(jié)果表明，加砂強度越大，測試產(chǎn)量越高，在達(dá)到1.6 m3/m以后增幅減緩，所以加砂強度控制在1.6～1.8 m3/m之間有利于實現(xiàn)改造縫網(wǎng)的有效支撐，為提高氣井產(chǎn)量提供保障。

圖9 每千米產(chǎn)氣量與加砂強度關(guān)系Fig.9 Relation between gas production per kilometer and sand adding intensity

圖10 加砂強度與測試產(chǎn)量的關(guān)系（焦頁10井區(qū)）Fig.10 Relation between sand adding intensity and test production（wells area Jiaoye 10）

3 結(jié)論

基于平橋南區(qū)31口井生產(chǎn)實踐認(rèn)識，重點對壓裂施工參數(shù)對產(chǎn)量影響開展分析，基本明確了合理簇間距、用液強度和加砂強度等參數(shù)，為南川地區(qū)頁巖氣井壓裂設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)效益開發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1）水平段長與頁巖氣井產(chǎn)量呈正相關(guān)性，所以在地質(zhì)和工程條件允許條件下，盡可能實施長水平段；若受構(gòu)造影響無法滿足長水平段實施，建議盡可能保證水平段長大于1 600 m。

2）平橋地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖①—③小層為最佳“甜點”，無阻流量與優(yōu)質(zhì)頁巖①—③小層穿行長度呈正相關(guān)關(guān)系，在后續(xù)開發(fā)井的實施過程中應(yīng)加強地質(zhì)導(dǎo)向跟蹤，提高水平段在優(yōu)質(zhì)頁巖①—③小層鉆遇率，為氣井高產(chǎn)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

3）為保證該地區(qū)頁巖氣井壓裂改造效果，提高單井產(chǎn)量，建議簇間距的范圍設(shè)計在12～16 m；在滿足攜砂條件下優(yōu)化用液強度，建議用液強度在24～27 m3/m；每千米產(chǎn)氣量與加砂強度具有較好的正相關(guān)性，加砂強度應(yīng)保證在1.6～1.8 m3/m，提高裂縫有效支撐。

致謝：在論文撰寫期間，中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院的任建華和石油工程技術(shù)研究院的雷林兩位同事對我的科研工作和論文撰寫給予了熱情的幫助，提出了寶貴的意見，在此表示由衷的感謝！