川南深層頁巖氣開發(fā)實踐與面臨的挑戰(zhàn)

詹國衛(wèi),楊 建,趙 勇,張南希,王保保,李曙光

中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610041

我國頁巖氣資源量豐富,根據(jù)國土資源部調(diào)查評價結(jié)果[1-2],全國頁巖氣技術(shù)可采資源量21.8×1012m3,其中海相13.0×1012m3、海陸過渡相5.1×1012m3、陸相3.7×1012m3,海相頁巖氣占比59.6%,主要分布在四川盆地,主力開發(fā)層系為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組,埋深在3 500～4 500 m。目前,川南地區(qū)埋深小于4 500 m的頁巖氣資源量逾10×1012m3,其中深層頁巖氣(埋深3 500～4 500 m)資源量就達(dá)8×1012m3,占比80%,開發(fā)潛力巨大[3-8]。

隨著3 500 m以淺頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā),下一個增儲上產(chǎn)最現(xiàn)實的主陣地為深層頁巖氣,威榮氣田作為國內(nèi)首個投入商業(yè)開發(fā)的深層頁巖氣田在氣藏靜動態(tài)特征、開發(fā)技術(shù)等方面積累了大量的實踐經(jīng)驗。筆者以威榮和永川氣田為例,以深層與中深層頁巖氣地質(zhì)特征和動態(tài)特征差異性對比為切入點,系統(tǒng)總結(jié)甜點評價、鉆井跟蹤、全周期生產(chǎn)管控和復(fù)雜構(gòu)造區(qū)井網(wǎng)優(yōu)化等開發(fā)技術(shù)進展,剖析深層頁巖氣開發(fā)面臨的主要問題與挑戰(zhàn),提出下一步開發(fā)工作的攻關(guān)方向與對策,以期對深層頁巖氣的開發(fā)工作有一定的指導(dǎo)作用。

1 深層頁巖氣概況

1.1 地質(zhì)特征

川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組受晚奧陶世—早志留世構(gòu)造—沉積分異格局的控制,形成于陸棚環(huán)境,為一套黑色頁巖,是頁巖氣勘探的主要目標(biāo)層系(圖1)。威榮和永川氣田的主力開發(fā)層系為五峰組—龍馬溪組一段,整體埋深介于3 550～4 200 m,其中主體埋深超3 700 m,沉積期處于川南深水陸棚環(huán)境,為富含有機質(zhì)的灰黑色、黑色頁巖,硅質(zhì)含量為38%～42%,鈣質(zhì)含量為13%～22%,總有機碳(TOC)含量為2.21%～3.31%,發(fā)育Ⅰ類優(yōu)質(zhì)儲層,厚度為5.8～7.7 m。該氣藏的原始地層壓力為68.69～78.57 MPa,壓力系數(shù)為1.6～2.1,地應(yīng)力86～110MPa,水平應(yīng)力差為10～20MPa,脆性指數(shù)0.5～0.6,應(yīng)力整體較為集中,易引發(fā)套變和壓竄。氣藏整體具有“一深、一薄、三高、一復(fù)雜”的特點(“一深”是指氣藏埋藏深;“一薄”是指優(yōu)質(zhì)儲層厚度薄;“三高”是指高地應(yīng)力、高水平應(yīng)力差、高塑性;“一復(fù)雜”是指氣藏位于地震活躍帶附近,應(yīng)力狀態(tài)與變化復(fù)雜),屬于深層、超壓、自生自儲式連續(xù)型頁巖氣藏,與以涪陵氣田為代表的中深層頁巖氣相比(表1),具有埋深大、礦物組分差異大、優(yōu)質(zhì)儲層厚度薄、超壓、高應(yīng)力5個顯著特點,致使開發(fā)難度大。

圖1 川南下志留統(tǒng)龍馬溪組壓力系數(shù)與埋深疊合圖

1.2 生產(chǎn)動態(tài)特征

川南地區(qū)威榮氣田和永川氣田累計投產(chǎn)頁巖氣井190余口,根據(jù)氣液變化特征的不同,可將氣井生產(chǎn)周期劃分為排液、定產(chǎn)降壓和定壓降產(chǎn)3個階段。排液階段生產(chǎn)周期2～3個月,初期日排液量260～650 m3,平均380 m3,見氣時返排率2.9%～24.8%,平均10.7%,階段返排率15%～40%;定產(chǎn)降壓階段氣井初期配產(chǎn)(5～18)×104m3/d,穩(wěn)產(chǎn)期3～15個月,單位井口壓降產(chǎn)氣量(28～92)×104m3/MPa,穩(wěn)產(chǎn)期末累產(chǎn)氣(0.16～0.28)×108m3;定壓降產(chǎn)階段氣井產(chǎn)量遞減符合雙曲或調(diào)和遞減趨勢,首年遞減率45.2%～71%,平均62%,估算最終可采儲量(EUR)(0.4～0.9)×108m3。

受氣藏地質(zhì)特征的影響,川南地區(qū)深層與中深層頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)特征存在明顯的差異性,與中深層頁巖氣相比[9-10],具有開井壓力高、返排液量大、穩(wěn)產(chǎn)期短、單位壓降產(chǎn)氣量低、產(chǎn)量遞減快、返排率高的特點(表2)。

表2 川南威榮、永川深層頁巖氣與涪陵中深層頁巖氣主要生產(chǎn)動態(tài)指標(biāo)對比

2 深層頁巖氣開發(fā)技術(shù)進展

以威榮氣田和永川氣田為代表的川南地區(qū)深層頁巖氣自2019年產(chǎn)能建設(shè)以來,始終以推動氣田規(guī)模上產(chǎn)和效益建產(chǎn)為目標(biāo),圍繞“布好井、打好井、管好井”,持續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)的探索與攻關(guān),在地質(zhì)甜點評價、鉆井跟蹤保障、精細(xì)地質(zhì)分段和氣井生產(chǎn)管理等方面取得了一些積極進展,形成了一系列開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

圍繞“布好井”,在儲層精細(xì)評價的基礎(chǔ)上,開展了地質(zhì)甜點評價與井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計研究,形成了地質(zhì)甜點評價與預(yù)測技術(shù)、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

2.1 地質(zhì)甜點評價與預(yù)測技術(shù)

甜點是頁巖氣中儲層品質(zhì)較好、易壓裂改造、經(jīng)濟效益好的層段,對其精準(zhǔn)識別和預(yù)測是頁巖氣有效開發(fā)、效益開采的關(guān)鍵[11-12]。針對川南地區(qū)威榮和永川頁巖氣埋深大、礦物組分差異大、縱向非均質(zhì)性強等特點,基于“三端元”頁巖巖相分類和多尺度多視域儲層精細(xì)描述技術(shù),創(chuàng)建了深層頁巖儲層分級評價技術(shù),建立了甜點評價參數(shù)指標(biāo)體系;通過地質(zhì)—工程參數(shù)與氣井產(chǎn)能的結(jié)合,實現(xiàn)了復(fù)雜礦物組分、孔隙度、含氣量及可壓裂性的定量評價,評價精度由85%提高到90%以上?；诟呔鹊牡卣鸱囱菁岸嘣獏?shù)回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等方法,提高了頁巖TOC、孔隙度、含氣量等甜點參數(shù)地震預(yù)測精度及穩(wěn)定性,有效描述了優(yōu)質(zhì)頁巖小層段縱橫向甜點參數(shù)的展布特征。以高精度反演為基礎(chǔ),從預(yù)測模型和巖石力學(xué)機制出發(fā),形成了高精度地層壓力、脆性、地應(yīng)力、破裂壓力和坍塌壓力地震預(yù)測及微裂縫綜合預(yù)測技術(shù),建立了頁巖氣工程參數(shù)預(yù)測及應(yīng)用系列技術(shù),支撐評價、部署實施、壓鉆分析(圖2)。

圖2 川南頁巖甜點評價與預(yù)測技術(shù)流程

2.2 復(fù)雜構(gòu)造區(qū)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

2.2.1 復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力精細(xì)描述技術(shù)

地應(yīng)力研究是石油勘探開發(fā)的重要基礎(chǔ)研究工作[13-14],是支撐開發(fā)技術(shù)政策和改造工藝技術(shù)設(shè)計的關(guān)鍵,尤其對于復(fù)雜構(gòu)造區(qū),地應(yīng)力的精細(xì)描述至關(guān)重要?；谌S工區(qū),通過AVAZ(振幅方位各向異性)特征分析,確定裂縫發(fā)育方位,建立了地應(yīng)力預(yù)測模型,創(chuàng)建了復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力精細(xì)描述技術(shù)。威榮和永川氣田分屬不同的構(gòu)造區(qū)帶,地應(yīng)力存在較大差異,其中威榮氣田三維區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為北東東向—近東西向,工區(qū)內(nèi)在斷層兩側(cè)局部應(yīng)力方向有小范圍變化,最大水平主應(yīng)力方向為近東西向,主體區(qū)介于70°～89°之間,地應(yīng)力方向受斷裂及構(gòu)造影響大;永川氣田三維區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為北東東向—近東西向。工區(qū)內(nèi)在斷層兩側(cè)局部應(yīng)力方向有小范圍變化,整體介于72°～108°之間。

2.2.2 建?！獕耗！獢?shù)模一體化技術(shù)

在地質(zhì)建模方面,利用地球物理、測井解釋、錄井、鉆井等資料,采用基于“水平段分層建立虛擬井?dāng)?shù)據(jù)庫”的構(gòu)造建模技術(shù)、“隨機+井震約束”的相控建模技術(shù)、“地震反演+協(xié)克里金方法”的力學(xué)參數(shù)建模技術(shù)、“巖心觀察+成像測井+地震預(yù)測”的螞蟻體微裂縫追蹤技術(shù)以及基于“有限元”理論的地應(yīng)力建模技術(shù),形成了一套適用于低緩構(gòu)造帶的深層頁巖氣三維地質(zhì)建模技術(shù),縱向模型刻畫精度可達(dá)3 m,屬性模型的吻合率高達(dá)85%,地應(yīng)力模型與井點測井解釋結(jié)果相對誤差小于8%。

在壓裂模擬方面,深化壓降試井、動態(tài)分析與微地震監(jiān)測的一體化融合,形成了“微地震+動態(tài)反演”和“動態(tài)反演+支撐劑體積守恒”兩套壓裂縫網(wǎng)反演刻畫方法,實現(xiàn)了壓裂縫網(wǎng)展布形態(tài)與屬性參數(shù)的精細(xì)表征。裂縫模型對縫網(wǎng)復(fù)雜程度、裂縫長度和高度等關(guān)鍵參數(shù)的刻畫與微地震監(jiān)測結(jié)果的吻合程度超過80%,較前期等效模型精度平均提高了22.6%。

在數(shù)值模擬方面,通過實驗分析與現(xiàn)場生產(chǎn)動態(tài)一體化相結(jié)合,實現(xiàn)了深層頁巖氣由基質(zhì)—微米空間—小尺度縫—人工縫—井筒的全周期運移能力定量評價。為了精細(xì)表征不同尺度裂縫的滲流特征,結(jié)合流態(tài)識別與診斷技術(shù),建立了嵌入式裂縫的“四區(qū)”復(fù)合模型?；谏顚禹搸r氣產(chǎn)液量大、返排率高的特點,為提高歷史擬合精度與效率,形成了“分階段多級控制”歷史擬合方法,井組歷史擬合時間較前期縮短了15%,擬合精度提高了13.8%。

2.2.3 經(jīng)濟—技術(shù)一體化井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

合理的開發(fā)井網(wǎng)是保障氣藏高效開發(fā)的關(guān)鍵[15-16]。永川氣田地質(zhì)條件復(fù)雜、斷裂發(fā)育,給開發(fā)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn),井網(wǎng)的高效設(shè)計必須要兼顧水平井方位、水平段長度、水平井井距以及水平井距斷層的距離。

在永川氣田產(chǎn)能建設(shè)實踐的基礎(chǔ)上,結(jié)合深層頁巖氣地質(zhì)建?！獕毫涯M—數(shù)值模擬一體化技術(shù),采用經(jīng)濟—技術(shù)一體化評價的手段,明確水平井軌跡方位與最大主應(yīng)力方向大于等于60°,氣井測試無阻流量較好;如果井軌跡方位與最大主應(yīng)力方向小于60°,測試無阻流量將急劇降低(圖3)。水平段越長,單井產(chǎn)值越高,段長在1500m時,凈現(xiàn)值達(dá)到峰值;段長大于1 600 m后,凈現(xiàn)值將會急劇降低;水平段長度在1 500～1 600 m時,技術(shù)—經(jīng)濟指標(biāo)最優(yōu)(圖4)。水平井距B級斷層(斷距在50～100 m之間)距離大于150 m時,氣井總體測試及生產(chǎn)效果較好(圖5);水平井井距越小,采出程度越高,但井距小于300 m后,井間干擾逐步增強,對EUR的影響越來越大,建議主體采用300m井距(圖6);在老井附近以及天然裂縫發(fā)育區(qū),由于容易發(fā)生壓竄,建議將井距調(diào)整為350～400 m。

圖3 川南永川氣田井軌跡方位與無阻流量關(guān)系

圖4 川南永川氣田水平井段長與投資、產(chǎn)值和凈現(xiàn)值關(guān)系

圖5 川南永川氣田氣井距B級斷層距離與無阻流量關(guān)系

圖6 川南永川氣田井距與采出程度、單井EUR關(guān)系

2.3 “四位一體”鉆井跟蹤保障技術(shù)

圍繞“打好井”,在構(gòu)造精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上,開展了地質(zhì)—工程一體化的鉆井跟蹤保障與精細(xì)地質(zhì)分段研究,形成了“四位一體”的鉆井跟蹤保障技術(shù)和“四性合一”的精細(xì)地質(zhì)分段技術(shù)。

研究表明[17-21],水平井優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率越高,氣井產(chǎn)能越高。為了提高復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率,通過“地質(zhì)—物探—工程”一體化,形成了“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+隨鉆方位GR+元素錄井(XRF)+地震實時校正+工程軌跡實時優(yōu)化”的“四位一體”鉆井跟蹤保障技術(shù),確保了水平井鉆進過程中的精確中靶及優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。

元素錄井(XRF)結(jié)合隨鉆GR、方位GR計算地層視傾角,判斷井軌跡上、下行關(guān)系,落實井底鉆頭位置。對設(shè)計靶窗標(biāo)志點進行精細(xì)定量識別研究,明確上、下報警界面隨鉆GR、方位GR、錄井元素(XRF)及其比值、氣測的變化標(biāo)志,同時在上、下報警界面之上設(shè)置二級調(diào)整界面,防止井軌跡大幅偏離靶窗。

地震結(jié)合地質(zhì)層位判斷,預(yù)測下步控制點或靶點垂深,進行軌跡優(yōu)化。通過采用已鉆井資料和虛擬井約束,建立精度更高的工區(qū)初始深度域速度模型,校正速度體,修正誤差,實現(xiàn)構(gòu)造實時、高效更新,進而提高地層傾角預(yù)測精度。這種方法將實鉆獲取的地質(zhì)信息與地震剖面相結(jié)合,克服了以往靜態(tài)剖面的局限,實現(xiàn)地震剖面實時更新、隨鉆較正,提高了物探對后續(xù)地層視傾角的預(yù)測精度,同時對提前預(yù)判鉆遇微幅構(gòu)造情況、提出準(zhǔn)確的軌跡調(diào)整建議有重要意義。

利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向或滑動導(dǎo)向工具進行水平井軌跡調(diào)整。在精細(xì)軌跡工程實時優(yōu)化設(shè)計時,由于當(dāng)前井底位置、井眼方向、待鉆設(shè)計目標(biāo)點的位置和井眼方向都是確定的,因此采用非線性規(guī)劃問題的解法進行優(yōu)化計算;同時根據(jù)動力鉆具的使用情況,使優(yōu)化軌跡的最大變斜率小于現(xiàn)場工具的最大變斜能力,最大變方位率小于現(xiàn)場工具的最大變方位能力,滿足現(xiàn)場工具能力的要求。

2.4 “四性合一”精細(xì)地質(zhì)分段技術(shù)

川南深層頁巖氣套變和壓竄等復(fù)雜工況較多,為降低復(fù)雜工況發(fā)生率,同時支撐壓裂工藝的優(yōu)化設(shè)計,綜合考慮鉆井軌跡、地質(zhì)特征、工程特征和斷縫特征4個方面進行精細(xì)地質(zhì)分段,形成了“四性合一”精細(xì)地質(zhì)分段技術(shù)。其實質(zhì)是基于井軌跡穿行層位的差異性,依據(jù)測井解釋成果,結(jié)合井周斷縫發(fā)育程度,精準(zhǔn)量化水平井“地質(zhì)+工程”特征參數(shù);同時做出小層界面、套變及壓竄風(fēng)險井段的預(yù)警提示,支撐了“一井一案、一段一策”壓裂工藝及參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(圖7)。

圖7 川南深層頁巖氣地質(zhì)工程“四性合一”精細(xì)地質(zhì)分段

首先,考慮水平井軌跡的穿行特性,深層頁巖氣微幅構(gòu)造及斷縫相對發(fā)育,氣井在鉆進過程中容易穿行上下小層,頻繁穿越不同小層(應(yīng)力變化面)容易引發(fā)套變。因此,地質(zhì)分段需要精確給出穿行小層界面井深,支撐壓裂工藝的優(yōu)化設(shè)計(定向射孔等)。

其次,考慮地質(zhì)參數(shù)特性,充分利用水平井測、錄井資料,評價TOC、含氣量、孔隙度等關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù),建立全水平段地質(zhì)參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn),支撐“一段一策”壓裂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

再次,考慮工程參數(shù)特性,充分利用水平井測、錄井資料,評價泊松比、楊氏模量、地應(yīng)力、脆性指數(shù)等關(guān)鍵工程參數(shù),建立全水平段工程參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn),支撐壓裂工藝方案的針對性設(shè)計。

最后,考慮斷縫發(fā)育特性,推行井震一體化,結(jié)合錄井(次生礦物、氣測顯示)、測井(GR曲線突變、偶極聲波異常段)以及地球物理刻畫的天然裂縫展布特征,準(zhǔn)確識別井周的天然裂縫發(fā)育帶,對套變、壓竄等地質(zhì)風(fēng)險進行預(yù)警。

2.5 全生命周期生產(chǎn)精細(xì)管控技術(shù)

圍繞“管好井”,在滲流機理研究的基礎(chǔ)上,開展了悶排制度、穩(wěn)產(chǎn)管控技術(shù)與低壓小產(chǎn)階段低氣液比下排水采氣工藝技術(shù)研究,形成了深層頁巖氣全生命周期生產(chǎn)精細(xì)管控技術(shù)。

2.5.1 “五段式”悶排制度

威榮和永川氣田巖心分析實驗表明,川南地區(qū)深層頁巖氣滲透率最大傷害程度在72%～95%之間,屬于強—極強的應(yīng)力敏感儲層。在產(chǎn)能建設(shè)初期階段,由于不清楚排液制度對生產(chǎn)的影響,為了便于快速投產(chǎn),主要采用5～10 mm油嘴快排,在大壓差的驅(qū)動下支撐劑回流現(xiàn)象頻發(fā),經(jīng)常發(fā)生油嘴刺漏,并且在排液階段壓降速度快(>0.4 MPa/d),井口壓力損失程度高(>50%)。針對該問題,以降低裂縫應(yīng)力敏感、避免地層能量過快損失為目的,在滲吸實驗分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合不同區(qū)塊、不同壓裂工藝氣井排液規(guī)律的總結(jié)分析,綜合制定了“五段式”悶排制度(表3),悶井時間5～9 d,而后采用“2～5～7～9 mm”逐級放大的排液制度,后續(xù)產(chǎn)建井嚴(yán)格按照規(guī)范制度排液,階段壓力損失程度由前期的50%以上降至20%以內(nèi)(圖8),氣井出砂風(fēng)險也得到了有效控制。

表3 川南威榮、永川深層頁巖氣排液階段“五段式”悶排制度

圖8 川南威榮氣田威頁25-XHF井悶井排液階段曲線

2.5.2 “分段控壓、分級調(diào)產(chǎn)”的穩(wěn)產(chǎn)管控技術(shù)

2019年,威榮氣田在同一井組內(nèi)部開展了控壓與放壓生產(chǎn)的對比試驗,與放壓生產(chǎn)井相比,控壓生產(chǎn)井的壓降速度降低了65.6%,單位井口壓降產(chǎn)氣量提高了1.1倍,首年遞減減緩了18.5%,EUR提高了22.5%。因此,針對深層頁巖氣這類強—極強的應(yīng)力敏感儲層,必須注重氣井的初期合理配產(chǎn)與生產(chǎn)過程中的動態(tài)調(diào)產(chǎn)。在滲流實驗分析的基礎(chǔ)上,采用RTA分析方法結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù),以延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期、提高EUR為目的,制定了定產(chǎn)降壓階段的“分段控壓、分級調(diào)產(chǎn)”生產(chǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(圖9和表4)。氣井初期測試無阻流量主要在(35～60)×104m3/d,根據(jù)建立的合理配產(chǎn)系數(shù)圖版,確定初期合理產(chǎn)量(6～8)×104m3/d;在降壓生產(chǎn)的過程中,根據(jù)每個壓力區(qū)間的壓降速度控制標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)制度進行動態(tài)調(diào)整,確保氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。采用精細(xì)生產(chǎn)管控技術(shù)后,新投產(chǎn)井的平均壓降速度由0.28 MPa/d下降至0.09 MPa/d,單位井口壓降產(chǎn)氣量由34.5×104m3/MPa提高至70×104m3/MPa,取得了較好的生產(chǎn)效果。

表4 川南威榮、永川深層頁巖氣定產(chǎn)降壓階段生產(chǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)

圖9 川南威榮、永川深層頁巖氣定產(chǎn)降壓階段生產(chǎn)管控模式

2.5.3 排水采氣工藝技術(shù)

深層頁巖氣具有“大液量、低氣液比、長周期”的排液特點,氣井進入低壓階段后,平均氣液比高達(dá)0.17×104m3/m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于涪陵頁巖氣田主體區(qū)的2.12×104m3/m3,氣井在低壓階段累產(chǎn)氣量占EUR的60%以上,加之深層頁巖氣壓竄現(xiàn)象比較突出,壓竄井(尤其是低壓壓竄井)只能通過輔助排液措施才能復(fù)產(chǎn),因此,做好低壓階段的排液措施維護對于實現(xiàn)氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)、提高氣藏采收率非常重要。通過對目前主體排水采氣工藝的技術(shù)適應(yīng)性和經(jīng)濟可行性進行評價[22-25],形成了以精細(xì)化泡排、優(yōu)選管柱和柱塞氣舉為主體的深層頁巖氣排采工藝技術(shù)體系,優(yōu)化了泡排劑性能、管柱下入時機、尺寸以及氣舉時機、排量等重要指標(biāo)參數(shù),研制了智能化排采裝置,提升了氣田排水采氣的自動化、智能化管理控制水平。自2021年以來,排采措施共實施32 896井次,累計增產(chǎn)天然氣約8 486×104m3,產(chǎn)量階段遞減率由措施前的40.55%降低至35.7%。

3 深層頁巖氣面臨的挑戰(zhàn)與對策

3.1 問題與挑戰(zhàn)

川南地區(qū)深層頁巖氣埋藏深、應(yīng)力高、應(yīng)力差大,雖然經(jīng)歷了幾輪壓裂改造工藝技術(shù)的攻關(guān),但效果始終未達(dá)到預(yù)期,并且在改造過程中套變和壓竄等復(fù)雜工況頻頻發(fā)生,單井EUR普遍低于方案設(shè)計,效益開發(fā)之路仍任重而道遠(yuǎn)。圍繞提高單井產(chǎn)能和EUR的目標(biāo),需要在加強回顧性分析的同時,持續(xù)深化天然裂縫、地應(yīng)力和產(chǎn)能主控因素等方面的研究,明確儲量動用狀況,落實剩余儲量的分布特征,評價立體開發(fā)潛力,持續(xù)開展提高裂縫改造體積和低成本開發(fā)技術(shù)攻關(guān)。

深層頁巖氣的開發(fā)總體上處于起步階段,在基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)攻關(guān)等方面還存在以下的問題與挑戰(zhàn)。

(1)深層頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜,不同構(gòu)造單元地應(yīng)力變化大,受構(gòu)造—斷裂系統(tǒng)影響,頁巖氣富集和保存條件差異較大,導(dǎo)致氣井產(chǎn)能差異較大。目前,對構(gòu)造、斷縫、應(yīng)力場的分區(qū)評價還不夠精細(xì),三者的耦合機理及其對產(chǎn)能的影響認(rèn)識尚不清楚。

(2)小—微尺度斷縫發(fā)育,地震精細(xì)解釋及刻畫識別難度大,目前裂縫預(yù)測與套變等工程異常情況吻合程度不高,難以滿足生產(chǎn)分析需要。

(3)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)斷縫發(fā)育、地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,兼顧地應(yīng)力、井軌跡方位、AB靶高程差和水平段長度實施井網(wǎng)最優(yōu)化設(shè)計難度較大;同時,受復(fù)雜的地質(zhì)條件影響,不同地質(zhì)分區(qū)滲流機理存在差異,導(dǎo)致產(chǎn)能差異較大,影響開發(fā)技術(shù)政策的差異化設(shè)計。

(4)深層頁巖氣地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)和壓裂模擬技術(shù)還不成熟,且缺少精細(xì)化生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測手段,目前對縫控儲量認(rèn)識尚不十分清楚,對儲量動用狀況和剩余儲量分布特征的精細(xì)化描述還有待進一步深化。

3.2 主要對策

3.2.1 深化“構(gòu)造—斷裂—應(yīng)力”耦合機理研究

以單井地應(yīng)力剖面、地質(zhì)模型(構(gòu)造模型、斷層模型和巖相模型)和力學(xué)模型(巖石力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)和地質(zhì)力學(xué))為基礎(chǔ),借助地震反演、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)及有限元等相關(guān)理論,開展復(fù)雜構(gòu)造精細(xì)分區(qū)、不同級次斷裂清晰刻畫、地應(yīng)力方向準(zhǔn)確判定、地應(yīng)力大小精確計算和四維動態(tài)地應(yīng)力模擬(空間三維及時間維度)等研究,建立復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場、斷裂擾動應(yīng)力場和四維動態(tài)應(yīng)力場的多場耦合機理模型,形成“構(gòu)造—斷裂—應(yīng)力”多維多角度耦合分析新技術(shù),明確復(fù)雜構(gòu)造區(qū)產(chǎn)能差異分布影響因素,有效指導(dǎo)井位部署工作。

3.2.2 深化套變及壓竄精準(zhǔn)防控

要進一步提高地球物理小—微尺度斷縫預(yù)測的精度,通過提高裂縫預(yù)測效果的地震成像處理攻關(guān),不斷探索裂縫預(yù)測新方法新技術(shù),加強微地震監(jiān)測成果及聲波遠(yuǎn)探測技術(shù)對裂縫預(yù)測識別的應(yīng)用,實現(xiàn)井區(qū)及井筒周邊小—微尺度斷縫的高精度綜合預(yù)測;同時,也要深入研究人工裂縫和天然裂縫相互作用機理,以及擾動應(yīng)力場作用下裂縫激活機制,從機理上進一步明確天然裂縫與套變的關(guān)系,找準(zhǔn)實際生產(chǎn)分析中的關(guān)鍵因素,排除壓后分析與風(fēng)險預(yù)測中的干擾。

3.2.3 深化復(fù)雜構(gòu)造區(qū)開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化設(shè)計

加強復(fù)雜構(gòu)造區(qū)試驗井組的生產(chǎn)動態(tài)跟蹤與回顧性評價,剖析不同構(gòu)造部位、地應(yīng)力狀態(tài)、AB靶高程差、水平井方位、水平段長度、地質(zhì)參數(shù)以及改造工藝參數(shù)對氣井產(chǎn)能的影響,落實不同地質(zhì)分區(qū)的產(chǎn)能主控因素,奠定開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。同時,采用數(shù)值模擬、RTA和氣藏工程方法,結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測資料,開展不同地質(zhì)分區(qū)、不同壓裂工藝技術(shù)的井網(wǎng)差異化設(shè)計,通過技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)的一體化評價,以儲量動用最大化、經(jīng)濟效益最優(yōu)化為目標(biāo),落實不同投資下的井網(wǎng)參數(shù)技術(shù)界限,形成基于地質(zhì)參數(shù)、壓裂參數(shù)的差異化井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

在基礎(chǔ)理論研究方面,著重開展不同尺度空間氣液兩相運移規(guī)律研究,通過室內(nèi)實驗與現(xiàn)場實踐相結(jié)合,深化不同開發(fā)階段生產(chǎn)規(guī)律認(rèn)識,建立氣井全周期產(chǎn)能評價及預(yù)測模型,支撐開發(fā)技術(shù)政策以及工藝技術(shù)優(yōu)化設(shè)計。

3.2.4 深化儲量動用狀況與剩余儲量精細(xì)分布描述

地質(zhì)建?！獕毫涯M—數(shù)值模擬一體化技術(shù)是實現(xiàn)儲量動用狀況和剩余儲量分布定量描述的重要手段[26-30]。針對目前一體化技術(shù)存在的主要問題,通過攻關(guān)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)構(gòu)造建模、天然裂縫建模、地應(yīng)力模擬、人工壓裂縫擴展模擬、天然裂縫與人工裂縫耦合以及多域多場耦合數(shù)值模擬技術(shù),結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測資料和動態(tài)反演成果,持續(xù)迭代并優(yōu)化一體化技術(shù),精確刻畫人工壓裂縫網(wǎng)展布形態(tài),精細(xì)定量描述儲量動用及剩余儲量的分布特征,支撐開發(fā)調(diào)整以及立體開發(fā)潛力評價。

4 結(jié)論與建議

(1)川南地區(qū)深層頁巖氣具有“一深、一薄、三高、一復(fù)雜”的特點,屬于深層、超壓、自生自儲式連續(xù)型頁巖氣藏;與中深層頁巖氣藏相比,在氣藏地質(zhì)方面具有埋深大、礦物組分差異大、優(yōu)質(zhì)儲層厚度薄、超壓、高應(yīng)力的特征;在生產(chǎn)動態(tài)方面具有開井壓力高、返排液量大、穩(wěn)產(chǎn)期短、單位壓降產(chǎn)氣量低、產(chǎn)量遞減快、返排率高的特征。

(2)通過以威榮和永川氣田為代表的川南地區(qū)深層頁巖氣的開發(fā)實踐,初步形成了地質(zhì)甜點評價與預(yù)測技術(shù)、地質(zhì)—工程一體化鉆井跟蹤技術(shù)、地質(zhì)—工程一體化精細(xì)地質(zhì)分段技術(shù)、全周期生產(chǎn)精細(xì)管控技術(shù)和復(fù)雜構(gòu)造區(qū)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

(3)川南地區(qū)深層頁巖氣的效益面臨諸多挑戰(zhàn),唯有堅持提產(chǎn)、降本的開發(fā)技術(shù)攻關(guān)才能實現(xiàn)深層頁巖氣的效益開發(fā)。為此,提出4個方面的建議:①深化“構(gòu)造—斷裂—應(yīng)力”耦合機理研究,落實產(chǎn)能主控因素,支撐高效部署;②深化套變及壓竄精準(zhǔn)防控,降低復(fù)雜工況比例,有效提高氣井產(chǎn)能;③深化復(fù)雜構(gòu)造區(qū)開發(fā)技術(shù)政策的優(yōu)化設(shè)計,保障產(chǎn)能建設(shè)的高質(zhì)量施行;④深化儲量動用狀況與剩余儲量精細(xì)分布描述,明確開發(fā)調(diào)整的潛力與方向。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

詹國衛(wèi)參與論文研究思路設(shè)計;楊建、趙勇、張南希參與論文寫作和修改;王保保、李曙光參與圖件編制。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The research ideas were designed by ZHAN Guowei. The manuscript was drafted and revised by YANG Jian, ZHAO Yong and ZHANG Nanxi. The maps compilation was completed by WANG Baobao and LI Shuguang. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.