摘要：我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)尚處于前期探索階段，分析國(guó)外成功的開發(fā)案例具有重要的借鑒作用和參考價(jià)值。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，總結(jié)了工程因素對(duì)該頁(yè)巖氣藏開發(fā)的影響規(guī)律。結(jié)論認(rèn)為：頁(yè)巖氣井水平段長(zhǎng)度、壓裂級(jí)數(shù)、加砂量、油嘴尺寸、井底壓力和是否采取重復(fù)壓裂施工對(duì)累積產(chǎn)量有顯著影響；水平段長(zhǎng)度在1500～1650m之間、壓裂級(jí)數(shù)12～17級(jí)、加砂量1500～3 000t、油嘴尺寸8～9mm為該地區(qū)常用且效果較好的設(shè)計(jì)方案；井底壓力高的區(qū)域頁(yè)巖氣產(chǎn)量相應(yīng)較高，這與井底超壓改善頁(yè)巖脆性、優(yōu)化壓裂效果有關(guān)；重復(fù)壓裂能夠顯著提高頁(yè)巖氣總產(chǎn)量，作業(yè)時(shí)機(jī)的選擇與增產(chǎn)效果關(guān)系密切。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；工程因素；生產(chǎn)能力；水平井；壓裂(巖石)；規(guī)模；重復(fù)壓裂；增產(chǎn)效果

    北美已圈定頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油盆地超過70個(gè)。2010年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量約為1.27×1011m3，預(yù)計(jì)到2030年將增至2.83×1011m3。當(dāng)前能源供需矛盾突出的情況下，頁(yè)巖氣的高效開發(fā)可有效緩解國(guó)家能源的對(duì)外依存情況，降低C02排放。因此，頁(yè)巖氣的開采對(duì)我國(guó)乃至世界各國(guó)均具有重要意義[1～3]。

    含氣頁(yè)巖的品位、供氣能力和產(chǎn)能持久性將決定頁(yè)巖氣開發(fā)的成功與否。頁(yè)巖的品質(zhì)和供氣能力主要由總有機(jī)碳含量、熱成熟度、含氣量、厚度、脆性、壓力梯度和礦物組成決定。而產(chǎn)能的持久性除與儲(chǔ)層特性有關(guān)，還同時(shí)受到水平鉆井和分段壓裂等關(guān)鍵工程因素的顯著影響。由于頁(yè)巖具有低孔、低滲的特征，生儲(chǔ)共生的情況下，理論上的滲流理論和規(guī)律尚未建立起來(lái)。研究鉆井和壓裂工程因素對(duì)產(chǎn)能的影響，對(duì)于了解產(chǎn)氣規(guī)律，優(yōu)化鉆完井設(shè)計(jì)具有重要意義。

    筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以北美Haynesville頁(yè)巖為例，結(jié)合實(shí)際資料和測(cè)試成果，綜合運(yùn)用產(chǎn)能分析和模擬方法，分析水平鉆井和壓裂施工等關(guān)鍵因素對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)能的影響，研究了該地區(qū)最新的鉆井和壓裂趨勢(shì)，為我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)過程中把握關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素、借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提供了依據(jù)。

1 Haynesville頁(yè)巖氣藏勘探開發(fā)現(xiàn)狀

    Haynesville頁(yè)巖氣盆地位于美國(guó)東得克薩斯州與西路易斯安那州交界，是北美少數(shù)產(chǎn)能巨大的頁(yè)巖氣盆地之一。Haynesville頁(yè)巖廣泛分布于Louisiana州的Bienville、Bossier、Cadd0、De Sot0、Red River、Sabine等郡和Texas州的Harrison、Nacogdoches、Panola、San Augustine、Shelby等郡[4]。

    晚侏羅世Haynesville頁(yè)巖是一套在相對(duì)半封閉沉積環(huán)境下發(fā)育的高碳泥頁(yè)巖，南西方向由碳酸鹽巖臺(tái)地包圍，北東方向?yàn)榇箨懠軜?gòu)造。Haynesville頁(yè)巖與下伏的Smackover、Buckner石灰?guī)r、碳酸鹽巖不整合接觸，與下伏的硅(砂)質(zhì)Bossier地層局部整合接觸。構(gòu)造形態(tài)上受石炭紀(jì)Sabine臺(tái)地隆升和北路易斯安那一東得克薩斯州鹽丘盆地形成的影響，該套頁(yè)巖形成北東-南西向傾斜產(chǎn)狀[5～6]。

    古地理構(gòu)造及環(huán)境影響著現(xiàn)今巖層的礦物組成。Haynesville頁(yè)巖在盆地的北及北西方向?yàn)楦唣ね?/span>-硅質(zhì)頁(yè)巖，越往南西方向過渡碳酸鹽礦物和總有機(jī)碳含量逐漸升高。氣藏產(chǎn)層的孔隙度在8%～14%，束縛水飽和度和總有機(jī)碳含量相對(duì)較低，絕大多數(shù)游離氣儲(chǔ)存在非有機(jī)質(zhì)骨架。頁(yè)巖總體礦物組成中方解石和石英等脆性礦物含量14%～35%，天然裂縫及地層超壓增強(qiáng)了頁(yè)巖的脆性[1，6～7]。

    自2007年發(fā)現(xiàn)到2011年10月為止，已鉆頁(yè)巖氣井約1500口，日產(chǎn)氣約1.56×108m3，累積產(chǎn)氣量已超過710×108m3。與開發(fā)歷史30年(1981—2011年)、累積產(chǎn)能2550×108m3的Barnett頁(yè)巖(14900口井)相比，Haynesville頁(yè)巖氣藏?zé)o疑是開發(fā)潛力極大的非常規(guī)能源。

    由于缺乏共享數(shù)據(jù)，不同作業(yè)公司在該地區(qū)開發(fā)頁(yè)巖氣時(shí)采用的工藝技術(shù)有很大差距，已完鉆的1500多口井中水平段長(zhǎng)度范圍在427.6～2220.8m，壓裂級(jí)數(shù)3～20段，支撐劑用量460.7～3413.0t，油嘴尺寸3～25mm。

    考慮到目前Haynesville頁(yè)巖尚處于開發(fā)早期，絕大多數(shù)生產(chǎn)井未停止生產(chǎn)，因此，最終產(chǎn)量也無(wú)法確定。在分析上述工程因素對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)能的影響時(shí)，采用初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量進(jìn)行研究。

    從圖1-a、b可以看到，初始產(chǎn)量和單井累積產(chǎn)量之間呈現(xiàn)大致的相關(guān)關(guān)系，初產(chǎn)越高，最終產(chǎn)量亦相應(yīng)越高。從圖1-c、d看，1年和2年累積產(chǎn)量與單井累積產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系非常明顯，1年和2年累積產(chǎn)量越高，單井累積產(chǎn)量亦越高。因此，對(duì)于尚處生產(chǎn)期的頁(yè)巖氣井來(lái)說(shuō)，采用初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量作為指標(biāo)，分析工程因素對(duì)產(chǎn)能的影響具有可行性和借鑒性。

2 工程因素對(duì)產(chǎn)能的影響

2.1 水平段長(zhǎng)度的影響

    Haynesville頁(yè)巖開發(fā)過程中大大地借鑒了鄰近Barnett頁(yè)巖氣開發(fā)積累下的經(jīng)驗(yàn)。水平鉆井和多段壓裂是其普遍采用的開發(fā)技術(shù)。

    一般頁(yè)巖氣井的水平段越長(zhǎng)采氣面積越大，儲(chǔ)量的控制和動(dòng)用程度越高。但是水平井的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度并不是越長(zhǎng)越好，水平段越長(zhǎng)施工難度越大，脆性頁(yè)巖垮塌和破裂等復(fù)雜問題越突出。同時(shí)，由于井筒壓差的存在，水平段越長(zhǎng)抽吸壓力越大，總體頁(yè)巖氣產(chǎn)量反而降低。此外，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)的角度考慮，水平段越長(zhǎng)，鉆井及開發(fā)耗費(fèi)資金越多，成本越高。

    統(tǒng)計(jì)Louisiana州和Texas州頁(yè)巖氣井水平段的長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)州分別傾向于選擇1500m和1650m水平段長(zhǎng)度完井。Louisiana州集中在1200～1500m，且以1500m為最多，兩側(cè)近似對(duì)稱分布；Texas州集中在1350～1800m，以1650m為最多，兩側(cè)近似對(duì)稱分布(圖2-a)。

    分析顯示，兩州頁(yè)巖氣井產(chǎn)能情況有差異，1500m以上產(chǎn)能與水平段長(zhǎng)度線性關(guān)系變差。雖然兩州1000～1500m水平段長(zhǎng)度井?dāng)?shù)均最多，初產(chǎn)產(chǎn)量、1年和2年累積產(chǎn)量最高的生產(chǎn)井也在此長(zhǎng)度段范圍內(nèi)，該長(zhǎng)度段內(nèi)產(chǎn)量差異性亦非常明顯，反映了頁(yè)巖氣鉆井過程中水平段長(zhǎng)度不是決定產(chǎn)能的唯一因素。Texas州平均水平段長(zhǎng)度(1650m)長(zhǎng)于Louisiana州(1500m)，但是產(chǎn)量卻低于后者。

2.2 壓裂級(jí)數(shù)影響

    兩個(gè)州的頁(yè)巖氣井壓裂級(jí)數(shù)集中在2～20級(jí)。Louisiana州傾向于12～14級(jí)壓裂，Texas州傾向于15～17級(jí)壓裂(圖3-a)。從生產(chǎn)情況看，壓裂級(jí)數(shù)越多，產(chǎn)能傾向于越高(圖3-b、c、d)。Louisiana州的頁(yè)巖氣井產(chǎn)能情況優(yōu)于Texas州，初產(chǎn)產(chǎn)量一般高于Texas州，但Texas的San Augustine郡頁(yè)巖氣產(chǎn)能趨勢(shì)良好，此為例外，其2年累積產(chǎn)量仍落后于Louisiana州。

2.3 加砂量的影響

    上述兩州的加砂量情況上亦不相同。Louisiana州頁(yè)巖氣井加砂量多在1500～2500t，Texas州則為1500～3000t?？偧由傲康牟町愔饕晚?yè)巖氣井的水平段長(zhǎng)度、壓裂級(jí)數(shù)和壓裂規(guī)模有關(guān)。總體上看，加砂量越多產(chǎn)量不一定越好，加砂量與產(chǎn)量的線性關(guān)系最差(圖4)。

2.4 油嘴尺寸的影響

    油嘴尺寸方面，Louisiana和Texas州分別傾向于9mm和8mm油嘴求產(chǎn)(圖5-a)。產(chǎn)能方面，油嘴尺寸選取越大，初產(chǎn)產(chǎn)量越高，相關(guān)關(guān)系明顯(圖5-b)。1年和2年累積產(chǎn)量與油嘴尺寸關(guān)系仍大致可見(圖5-c、d)。新的趨勢(shì)是：Louisiana州采用6mm油嘴的案例逐漸增多，可能與經(jīng)濟(jì)環(huán)境、成本需求有關(guān)，具體原因有待分析。

2.5 并底壓力的影響

    井底壓力方面，Louisiana州井底壓力大致正態(tài)分布，Texas州井底壓力則無(wú)明顯趨勢(shì)，這反映了兩個(gè)地區(qū)頁(yè)巖氣品質(zhì)上的差異(圖6)。井底壓力與產(chǎn)能的關(guān)系較為明顯，初產(chǎn)產(chǎn)量與井底壓力的線性相關(guān)性較好。井底壓力對(duì)兩州頁(yè)巖氣累積產(chǎn)量的影響情況大致相當(dāng)，沒有出現(xiàn)顯著的分化現(xiàn)象。

    進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，較高的壓力梯度增加了孔隙度、含氣量(來(lái)自于孔隙度和頁(yè)巖氣密度增加)和含氣頁(yè)巖的表觀脆性。大量數(shù)據(jù)顯示，Haynesville頁(yè)巖的內(nèi)在脆性實(shí)際上比Barnett頁(yè)巖更差，異常的壓力作用在增加孔隙度和含氣量的同時(shí)，降低了骨架有效應(yīng)力，從而使得頁(yè)巖儲(chǔ)層容易壓裂，且效果顯著。通過對(duì)以Haynesville頁(yè)巖層為目的層的1100多口井的井底壓力進(jìn)行估算，看到井底壓力在70MPa的井位以南西-北東向?yàn)橹鳎?/span>Red River、Sabine、Nacogdoches和San Augustine等幾個(gè)郡縣。結(jié)合產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)可見，這幾個(gè)郡縣的產(chǎn)量均較高。其中，以Red River為代表，井底壓力均值較高，介于76～83MPa之間，頁(yè)巖氣井初產(chǎn)產(chǎn)量普遍較高，均值在42×104m3。這與井底超壓改善頁(yè)巖的脆性，從而激化壓裂增產(chǎn)效果有關(guān)。

2.6 重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)的影響

    重復(fù)壓裂是有效提高頁(yè)巖氣井產(chǎn)能的增產(chǎn)方法，壓裂時(shí)機(jī)的選擇對(duì)最終產(chǎn)量的影響顯著。選取A、B、C這3口頁(yè)巖氣井進(jìn)行分析，3口井完井時(shí)間相近：A、C井2009年12月完井，8井2009年11月完井。求產(chǎn)時(shí)油嘴尺寸也相近：A井8mm，B井和C井9mm。首月產(chǎn)量接近：A井1774×104m3，B井1803×104m3，C井略高于前兩者為2034×104m3。A井和8井分別在投產(chǎn)后第7個(gè)月開展重復(fù)壓裂，C井則在第12個(gè)月進(jìn)行重復(fù)壓裂(圖7)。分析壓裂結(jié)果可得以下結(jié)論：①重復(fù)壓裂能夠顯著增加頁(yè)巖氣產(chǎn)量，重復(fù)壓裂后，A、B、C這3口井月產(chǎn)量均有大幅度提升；②重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)的選擇非常關(guān)鍵，從上述3口井的結(jié)果看，重復(fù)壓裂時(shí)間越早，作業(yè)后單月產(chǎn)量和累積總產(chǎn)量越高。

3 認(rèn)識(shí)與建議

    1) 影響頁(yè)巖氣開發(fā)的工程因素主要有水平井水平段長(zhǎng)度、壓裂級(jí)數(shù)、加砂量、油嘴尺寸、井底壓力和是否采取重復(fù)壓裂措施等。

    2) 水平段長(zhǎng)度不是決定產(chǎn)能的唯一因素，也非越長(zhǎng)越好。Louisiana和Texas州分別趨向于采用1500m和1650m水平段生產(chǎn)井開發(fā)頁(yè)巖氣。

    3) 一定水平段長(zhǎng)度壓裂級(jí)數(shù)越多產(chǎn)能傾向于越高。Louisiana和Texas州分別多采用12～14級(jí)和15～17級(jí)壓裂。

    4) 加砂量多少與產(chǎn)能的關(guān)系較為復(fù)雜，受到水平段長(zhǎng)度、壓裂級(jí)數(shù)和壓裂規(guī)模的影響。目前，Louisiana和Texas州分別多采用1500～2500t和1500～3000t兩種加砂量。

    5) 油嘴尺寸與初產(chǎn)產(chǎn)量之間關(guān)系顯著，與1年和2年累積產(chǎn)量也有一定相關(guān)關(guān)系。Louisiana和Texas州分別傾向于采用9mm和8mm兩種油嘴尺寸。此外，Louisiana州有傾向于采用6mm油嘴的趨勢(shì)。

    6) 井底壓力對(duì)產(chǎn)能的影響顯著，超壓范圍與高產(chǎn)區(qū)域吻合良好。這與超壓改善頁(yè)巖脆性，優(yōu)化壓裂改造效果有關(guān)。

    7) 重復(fù)壓裂能夠顯著提高壓裂效果，最佳壓裂時(shí)機(jī)的選擇可以通過產(chǎn)能分析與預(yù)測(cè)進(jìn)行判斷。實(shí)例顯示壓裂越早效果越好，但具體何時(shí)最好，仍需進(jìn)一步分析。

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(本文作者：李慶輝1，2 陳勉1 Fred P.Wang2 金衍1 李志猛1 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院；2.University of Texas at Austin)