李明波 吳志偉 張金武

（ 中國石油集團長城鉆探工程有限公司 ）

0 引言

頁巖氣主要由游離氣和吸附氣構(gòu)成，從致密頁巖中實現(xiàn)吸附氣和游離氣的規(guī)?；_采需要依賴大規(guī)模水力壓裂技術(shù)。由于中國頁巖氣區(qū)塊在構(gòu)造、沉積類型、有機碳含量、含氣量、熱演化程度、埋深、地表條件和油氣管網(wǎng)等[1-13]與美國存在很大的差異，因此在借鑒北美大型水力壓裂技術(shù)[14-18]時需要考慮中國的特殊性。當前地質(zhì)工程一體化技術(shù)[19-24]對于實現(xiàn)壓裂施工后的裂縫網(wǎng)絡化、產(chǎn)量的最大化具有重要意義，因此為了進一步實現(xiàn)四川盆地威遠有利區(qū)塊頁巖氣井的高效開發(fā)，開展頁巖儲層特征及其對壓裂工程施工和測試產(chǎn)量的影響研究非常重要。

關(guān)于威遠區(qū)塊地質(zhì)特征、儲層特征方面的研究很多，但僅僅限于對儲層自身的研究，并沒有從儲層特征出發(fā)研究其對壓裂施工及產(chǎn)量的影響，沒有地質(zhì)工程一體化的全盤考慮。本文在前期威遠區(qū)塊地質(zhì)特征、儲層特征等研究工作[19-21，25]的基礎上，探索儲層特征對壓裂施工和產(chǎn)量的影響，并建立測試產(chǎn)量的靜態(tài)評價模型，為提高頁巖氣開發(fā)認識、實現(xiàn)地質(zhì)工程一體化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

威遠區(qū)塊位于四川盆地西南部，構(gòu)造位置處于川西南古中斜坡低褶帶，發(fā)育威遠背斜構(gòu)造。區(qū)塊地勢西北高、東南低，海拔為200～800m，人口密度大，水資源豐富。區(qū)塊內(nèi)鉆探了威202、威204 等井，并在威202 井區(qū)和威204 井區(qū)實施了三維地震勘探（圖1）。其中威202 井區(qū)探明含氣面積54.86km2，探明地質(zhì)儲量為312.63×108m3，技術(shù)可采儲量為78.16×108m3。截至2018 年10 月，威遠區(qū)塊共投產(chǎn)頁巖氣水平井54 口，開井53 口，關(guān)井1 口，日產(chǎn)氣108.38×104m3，2018 年產(chǎn)氣3.34×108m3，歷年累計產(chǎn)氣17.34×108m3。

圖1 威遠區(qū)塊位置圖Fig.1 Location of Weiyuan block

四川盆地及周緣下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育一套海相富含黑色筆石頁巖，是目前四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的主力層系。龍馬溪組總體以黑色碳質(zhì)頁巖、黑色粉砂質(zhì)頁巖為主，顏色和顆粒粒度隨深度增加而變深、變細，發(fā)育水平層理、交錯層理、結(jié)核、示頂?shù)讟?gòu)造及擦痕等。地層厚度為300～600m，分布穩(wěn)定，含大量筆石生物化石。經(jīng)過多年研究，龍一1 亞段被認為是最有利于頁巖氣富集的優(yōu)質(zhì)頁巖段，并依據(jù)巖性和礦物類型等特征劃分為4 個小層，自下而上分別命名為a、b、c、d（圖2）。

龍一1 亞段巖性以灰黑色、黑色頁巖為主，富含生物化石。礦物主要包括石英、斜長石、方解石、白云石、黏土及黃鐵礦，除龍一1d小層外，其他3個小層脆性礦物含量較高，一般大于60%，具有較好的脆性特征，龍一1a小層中下部脆性最好，含量為66.8%～97.5%，平均為80.9%，黏土含量小于10%。龍一1 亞段總體上屬于中—低孔、特低滲透頁巖儲層，有效孔隙度主要為4%～7%，平均為5.71%，縱向上龍一1a小層整體物性最好，平面分布相對穩(wěn)定。頁巖儲層儲集空間以裂縫、有機質(zhì)孔、黏土礦物層間微孔為主，其中裂縫主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、層間頁理縫和層間滑移縫。頁巖儲層有機質(zhì)類型主要為Ⅰ或Ⅱ1型，縱向上TOC 自上向下逐漸增加，龍一1d小層TOC 普遍小于2%，龍一1a小層TOC 最大，為6%～8%，平面上各井對比性較好。Ro值主要為2.76%～2.82%，達到過成熟階段。龍一1a小層含氣量最高，屬于游離型頁巖氣層；龍一1d小層含氣性最差，屬于吸附型頁巖氣層[26-28]。

圖2 威遠頁巖氣田地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite stratigraphic column of Weiyuan shale gas field

2 頁巖儲層特征對壓裂施工的影響

大規(guī)模水力壓裂技術(shù)的應用使頁巖儲層開發(fā)成為可能。通過水平井多段分簇壓裂，實現(xiàn)裂縫系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，才能實現(xiàn)體積改造，成功開采出頁巖氣，但由于頁巖儲層在縱向上非均質(zhì)性差異大，特別是儲層物性特征的差異導致壓裂施工規(guī)模差別較大，因此很有必要對影響儲層改造效果的因素進行探討，主要包括脆性指數(shù)、水平應力差異系數(shù)和裂縫分布發(fā)育情況[29-31]。

2.1 脆性指數(shù)、水平應力差異對壓裂施工的影響

根據(jù)北美頁巖氣水平井的壓裂經(jīng)驗，硅質(zhì)含量相對較高或者碳酸鹽礦物含量越高，越容易形成裂縫網(wǎng)絡，頁巖氣滲流能力越強，因此脆性指數(shù)可作為評價頁巖可壓性的重要參數(shù)。脆性指數(shù)可按下式計算：

其中

式中 BI——脆性指數(shù)，% ；

YM——均一化后的楊氏模量；

PR——均一化后的泊松比；

YMSC——綜合測定的楊氏模量，MPa；

PRC——綜合測定的泊松比。

對于頁巖而言，要在各個方向上形成復雜裂縫網(wǎng)絡，需要滿足一定地應力條件，而地應力對裂縫形態(tài)的影響主要體現(xiàn)在水平主應力差的大小上，而水平主應力差對裂縫形態(tài)的影響取決于水平應力差異系數(shù)Kh。

式中 σH、σh——分別為最大水平主應力、最小水平主應力，MPa。

當水平應力差異系數(shù)較小時，水平裂縫在多個方向開始起裂，延伸過程中會產(chǎn)生多級裂縫系統(tǒng)，隨著水平應力差異系數(shù)的增加，裂縫對主地應力方向的作用越來越大，最后裂縫會沿最小水平主應力的垂直方向擴展，最終形態(tài)比較單一。因此脆性指數(shù)越高，水平應力差異系數(shù)越低，越利于形成網(wǎng)狀裂縫。

如圖3、圖4 所示，威202 井區(qū)脆性指數(shù)越高，停泵壓力越低；水平應力差異系數(shù)越低，停泵壓力越低。

圖3 威202 井區(qū)頁巖脆性指數(shù)對壓裂施工參數(shù)的影響Fig.3 Influence of shale brittleness index on fracturing parameters in wellblock Weiyuan 202

圖4 威202 井區(qū)頁巖水平應力差異系數(shù)對壓裂施工參數(shù)的影響Fig.4 Influence of horizontal stress difference coefficient on fracturing parameters in wellblock Weiyuan 202

2.2 裂縫發(fā)育對壓裂施工的影響

由于直接建立儲層參數(shù)與壓裂施工參數(shù)如停泵壓力、最高泵壓、支撐劑量和總液量之間的關(guān)系比較困難，因此考慮通過不同段號之間的停泵壓力分析建立與壓裂施工參數(shù)之間的相關(guān)性。圖5 為威202H2 平臺上傾井和下傾井停泵壓力在不同段的分布，由圖5可知，上傾井在0～12 段時停泵壓力變化相對平穩(wěn)，而在12～16 段之間停泵壓力變化明顯；下傾井在0～10 段時停泵壓力相對平穩(wěn)，而在10～20 段之間停泵壓力變化明顯。結(jié)合微地震監(jiān)測（圖6），認為上傾井和下傾井分別在12 段和10 段之后可能存在裂縫發(fā)育的影響。

圖5 威202H2 平臺6 口水平井各段停泵壓力分布圖Fig.5 Shut-in pressure of 6 horizontal wells on platform Weiyuan 202H2

圖6 威202H2 平臺微地震事件點Fig.6 Microseismic events on platform Weiyuan 202H2

3 目的層鉆遇率與改造長度對頁巖氣產(chǎn)量的影響

3.1 小層鉆遇率對測試產(chǎn)量的影響

儲層特征是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[25]，為了明確測試產(chǎn)量與龍一1a小層（箱體）鉆遇率之間的關(guān)系，統(tǒng)計了威遠區(qū)塊生產(chǎn)井測試產(chǎn)量和龍一1a小層鉆遇率數(shù)據(jù)。由圖7 可知，隨著龍一1a小層鉆遇率增加，折算測試產(chǎn)量逐漸增大，當龍一1a小層鉆遇率高于80%時，折算測試產(chǎn)量出現(xiàn)急劇增大，因此威遠區(qū)塊生產(chǎn)井龍一1a小層的臨界鉆遇率為80%。

圖7 威遠區(qū)塊生產(chǎn)井折算測試產(chǎn)量與龍一1a 小層鉆遇率關(guān)系Fig.7 Relationship between converted daily production and Long1-1a drilling meeting efficiency rate in Weiyuan block

3.2 改造長度對測試產(chǎn)量的影響

由圖8 可知，隨著改造長度的增加，測試產(chǎn)量逐漸增加，當改造長度為1250m 時，測試產(chǎn)量出現(xiàn)急劇增加，因此威遠區(qū)塊生產(chǎn)井龍一1a小層的臨界改造長度為1250m。

圖8 威遠區(qū)塊生產(chǎn)井測試產(chǎn)量與龍一1a 小層改造長度關(guān)系Fig.8 Relationship between daily production and fractured length of Long1-1a in Weiyuan block

為了更加明確各個小層對產(chǎn)量的貢獻率，同時加強地質(zhì)導向的精確度，將龍一1a小層繼續(xù)細化分層，如圖2 所示，為龍一1a上、龍一1a中和龍一1a下。龍一1a上巖性較致密，具高自然伽馬和較高的無鈾伽馬，中子孔隙度指示黏土含量較高，硅質(zhì)含量較少，電阻率較低，含氣量及脆性指數(shù)較差。龍一1a中具低平自然伽馬與無鈾伽馬，硅質(zhì)含量在龍馬溪組中為最高，含量大于80%，中子孔隙度呈現(xiàn)氣層 “挖掘效應”指示，陣列側(cè)向電阻率呈鋸齒狀高值，具低中子、低密度、塊狀高阻的硅質(zhì)頁巖特征。龍一1a下為高自然伽馬和較高的無鈾伽馬組合，硅質(zhì)含量高，筆石化石最為發(fā)育，中子孔隙度呈現(xiàn)氣層“挖掘效應”指示，陣列側(cè)向電阻率呈鋸齒狀高值，具高硅低鈣特征。

利用各小層對貢獻率的差異性，通過評價不同小層改造長度與產(chǎn)量對應關(guān)系的擬合程度，建立改造長度對產(chǎn)量的貢獻率模型。

定義各小層改造長度對產(chǎn)量的貢獻率為xi，也即單位長度下的供氣能力，各小層改造長度為Li，則產(chǎn)量與改造長度的關(guān)系式為：

式中 Q——測試產(chǎn)量，104m3/d；

q——其他參數(shù)影響下的產(chǎn)量。

計算方法：①分別建立La上、La中、La下、Lb和Lc與產(chǎn)量關(guān)系曲線，并計算擬合程度參數(shù)；②按照擬合程度大小進行排序，建立擬合程度最高的La中與產(chǎn)量的擬合曲線關(guān)系式；③將La下以5%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%折算到La中，此時折算比例為100%時擬合程度最高，建立(La中+100%La下)與產(chǎn)量擬合曲線關(guān)系式；④采用同樣方法將La上以5%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%折算到(La中+100%La下)，此時折算比例為30%時擬合程度最高，建立(La中+100%La下+30%La上)與產(chǎn)量擬合曲線關(guān)系式；⑤采用同樣方法將Lb以5%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%折 算 到(La中+100%La下+30%La上)，此時折算比例為10%時擬合程度最高，建立(La中+100%La下+30%La上+10%Lb)與產(chǎn)量擬合曲線關(guān)系式；⑥采用同樣方法將Lc以5%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%折 算 到(La中+100%La下+30%La上+5%Lb)，此時折算比例為5%時擬合程度最高，建 立(La中+100%La下+30%La上+10%Lb+5%Lc)與產(chǎn)量擬合曲線關(guān)系式。

此時公式（5）即轉(zhuǎn)換為公式（6）：

式中 La中——穿過龍一1a中小層改造長度，m；

La上——穿過龍一1a上小層改造長度，m；

La下——穿過龍一1a下小層改造長度，m；

Lb——穿過龍一1b小層的改造長度，m；

Lc——穿過龍一1c小層的改造長度，m。

根據(jù)公式（6），可以建立威遠區(qū)塊生產(chǎn)井測試產(chǎn)量與儲層改造長度回歸模型。由表1 可知，利用該模型預測的測試產(chǎn)量與實際測試產(chǎn)量差別較小，相對誤差在10%以內(nèi)。該模型預測的測試產(chǎn)量可用于評價早期氣井產(chǎn)能，后續(xù)研究中需繼續(xù)完善成型。

表1 利用改造長度回歸模型預測的測試產(chǎn)量與實際測試產(chǎn)量對比表Table 1 Testing production predicted by the regression model and actual productivity

4 結(jié)論

威遠區(qū)塊威202 井區(qū)儲層脆性指數(shù)越高、水平應力差異系數(shù)越低，則停泵壓力越低，形成復雜裂縫的可能性越大，因此在隨鉆地質(zhì)導向中，需要有地質(zhì)工程一體化的思維，充分考慮儲層的脆性和可壓性，為后期壓裂改造做好充分的準備。

威遠區(qū)塊生產(chǎn)井龍一1a小層鉆遇率及改造長度均存在臨界值，臨界鉆遇率與臨界改造長度分別為80%和1250m。為了更好地實現(xiàn)測試產(chǎn)量的最大化，在隨鉆地質(zhì)導向中可通過實時調(diào)整鉆頭方向?qū)堃?a小層鉆遇率提高至80%以上，在壓裂改造中盡可能使其水平段壓裂長度大于1250m。

建立威遠202 井區(qū)測試產(chǎn)量與儲層改造長度回歸模型，預測測試產(chǎn)量與實際測試產(chǎn)量誤差小，可用于早期氣井測試產(chǎn)量的預測及儲層改造效果分析。在后期研究中可結(jié)合微地震解釋的裂縫縱向連通高度、平面延展寬度，建立頁巖壓裂水平井的測試產(chǎn)量與有效改造體積之間的關(guān)系，并用于壓裂后水平井產(chǎn)量快速預測，為施工決策者提供較為可靠的依據(jù)。