王忠東, 王業(yè)博, 董紅, 王獻(xiàn)軍

(1.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 遼寧 盤(pán)錦 1240112.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部, 河北 任丘 062550)

0 引 言

水平井水力壓裂開(kāi)采是目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中采用的主要技術(shù),其開(kāi)發(fā)效果受控因素遠(yuǎn)多于常規(guī)油氣藏。影響頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)氣量的因素很多,包括地質(zhì)、完井工程等方面,研究分析影響頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量的主控因素是目前生產(chǎn)的急需,對(duì)提高頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)效果十分必要,具有重要的意義。

本文以W地區(qū)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)2個(gè)平臺(tái)已投產(chǎn)的26口水平井資料為基礎(chǔ),從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)入手,結(jié)合W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井的測(cè)試、生產(chǎn)數(shù)據(jù),從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層資源潛力、壓裂改造潛力2個(gè)方面研究分析確定影響頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量的主控因素,對(duì)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè),為綜合確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層級(jí)別與可壓裂性,優(yōu)選優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣層段,提高頁(yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)效率提供幫助。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征參數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)及儲(chǔ)層分類

頁(yè)巖氣水平井中采集的測(cè)井資料通常以常規(guī)測(cè)井系列和陣列聲波測(cè)井為主。本文選擇通過(guò)泥質(zhì)、巖石骨架、束縛流體、自由流體和干酪根組成的地質(zhì)模型建立測(cè)井響應(yīng)方程,通過(guò)最優(yōu)化方法解該響應(yīng)方程來(lái)獲得頁(yè)巖地層巖石的組分和孔隙度[1]。W地區(qū)多礦物最優(yōu)化反演計(jì)算的礦物組分主要包括石英、灰質(zhì)、白云質(zhì)、黏土等。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量(VTOC)與頁(yè)巖的生氣率和吸附氣量密切相關(guān),直接影響頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量的大小,是頁(yè)巖氣成藏的重要地質(zhì)條件之一。在W地區(qū)采用密度(DEN)、自然伽馬(GR)進(jìn)行多元回歸評(píng)價(jià)地層的總有機(jī)碳含量VTOC

VTOC1=106.45-39.277DEN×VTOC2=

45.485ln(lgGR)+52.439

(1)

VTOC=0.542+0.7759VTOC1+0.14435VTOC2

(2)

W地區(qū)巖心分析數(shù)據(jù)表明,巖心分析含水飽和度與VTOC密切相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.7),因此采用VTOC計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度Sg[2]

(3)

式中,VTOC,o為地區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)背景值。

頁(yè)巖儲(chǔ)層致密,其孔隙度、滲透率都較低,但對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集和滲流非常重要。本文采用用礦物組分計(jì)算頁(yè)巖基質(zhì)滲透率K[3]

x=0.076Vsnd-0.038Vcl-0.059Vlim-

(4)

研究和實(shí)際分析表明,在不考慮溶解氣的情況下,頁(yè)巖氣在地下賦存狀態(tài)可以分為游離態(tài)和吸附態(tài),頁(yè)巖儲(chǔ)層的總含氣量(VT,GAS)是吸附氣含量與游離氣含量之和。在求得地層有機(jī)碳含量后,結(jié)合巖心蘭格繆爾(Langmuir)等溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算吸附氣含量[3];由地層溫度、壓力、孔隙度、含氣飽和度等參數(shù)可以計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的游離氣含量[3]。

W地區(qū)水平井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明,吸附氣含量與孔隙度負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.57),游離氣含量與孔隙度和含氣飽和度正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.64),總含氣量VT,GAS與孔隙度相關(guān)系數(shù)為0.66,與總有機(jī)碳含量VTOC的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.78。這表明頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中吸附氣含量的主控因素是有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及其成熟度,游離氣含量的主控因素是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙度及含氣飽和度。

影響頁(yè)巖可壓裂性的因素主要包括頁(yè)巖脆性(脆性礦物含量、彈性模量和泊松比)、天然裂縫發(fā)育程度、水平應(yīng)力差系數(shù)等。采用礦物組分法根據(jù)脆性礦物石英所占儲(chǔ)層礦物總含量百分?jǐn)?shù)來(lái)指示頁(yè)巖的脆性(IB,lth)[3]

(5)

利用井眼最大、最小水平主應(yīng)力計(jì)算水平應(yīng)力差系數(shù)(Kh)[4]

(6)

式中,σH、σh分別為最大和最小水平主應(yīng)力。

研究表明,Kh越小,頁(yè)巖越有利于壓裂時(shí)形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫。

基于上述頁(yè)巖氣水平井測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù),將頁(yè)巖氣儲(chǔ)層劃分為Ⅰ類頁(yè)巖氣層(優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層)、Ⅱ類頁(yè)巖氣層(差氣層)、Ⅲ類頁(yè)巖氣層(干層)。

對(duì)于W地區(qū)龍馬溪組具有產(chǎn)氣能力的頁(yè)巖儲(chǔ)層:

(1)VTOC主要分布在2%～8.5%之間(Ⅰ類頁(yè)巖氣層VTOC≥3%);

(2) 礦物含量:黏土5%～40%、石英≥40%、灰?guī)r0～30%、白云巖0～10%;

(3) 孔隙度3%～11%、含水飽和度22%～60%、滲透率0.001～0.4 mD;

表1 W地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的劃分標(biāo)準(zhǔn)

*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87 10-4μm2,下同

(4) 吸附氣含量1.5～3.5 m3/t、游離氣含量0.8～4.8 m3/t、總含氣量2.0～7.5 m3/t;

(5) 脆性指數(shù)IB,lth≥40%(Ⅰ類頁(yè)巖氣層IB,lth≥50%)、水平應(yīng)力差系數(shù)Kh<0.3。

2 頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量主控因素分析

W地區(qū)2個(gè)平臺(tái)共有26口水平井投產(chǎn),其中高產(chǎn)井6口(平均日產(chǎn)量大于10×4m3)、中產(chǎn)井5口[平均日產(chǎn)量(5～10)×104m3]、低產(chǎn)井15口(平均日產(chǎn)量小于5×104m3)。這些井的壓裂改造數(shù)據(jù)、測(cè)試、生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為分析頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量主控因素提供了基礎(chǔ)。

影響頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能的主控因素的研究主要涉及儲(chǔ)層因素和完井工程因素2個(gè)方面。通過(guò)相關(guān)性分析可以得到各種儲(chǔ)層因素、完井工程因素與頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量Q的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表2),相關(guān)系數(shù)越大,表明該因素對(duì)頁(yè)巖氣水平井的產(chǎn)能影響越大。

表2 W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能影響因素相關(guān)性分析

注:Q水平井平均日產(chǎn)量;VTOC總有機(jī)碳含量;Vsnd地層石英含量;Vlim+dol地層灰質(zhì)、白云質(zhì)含量;Vcl地層黏土礦物含量;φ孔隙度;Sw含水飽和度;K地層滲透率;VT,GAS總含氣量;IB,lth地層礦物脆性指數(shù);IB,mech地層巖石力學(xué)脆性指數(shù);H水平井生產(chǎn)井段長(zhǎng)度;HⅠ水平井鉆遇的Ⅰ類頁(yè)巖氣層厚度;Kh井周水平應(yīng)力差系數(shù);VFS壓裂入井總砂量;VSR壓裂改造體積。

圖1 W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能Q與儲(chǔ)層參數(shù)的關(guān)系分析

2.1 儲(chǔ)層地質(zhì)因素

儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方面,頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量與儲(chǔ)層的總有機(jī)碳含量VTOC、硅質(zhì)礦物含量Vsnd、含氣飽和度Sg、滲透率K、總含氣量VT,GAS正相關(guān);與儲(chǔ)層中灰質(zhì)、白云質(zhì)含量以及黏土礦物的含量呈負(fù)相關(guān)。

(1) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力與儲(chǔ)滲能力是決定頁(yè)巖氣井產(chǎn)能的主要內(nèi)在因素。VTOC是衡量?jī)?chǔ)層頁(yè)巖氣富集的一個(gè)關(guān)鍵因素,決定著頁(yè)巖的含氣量,與井的產(chǎn)氣能力密切正相關(guān);優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度決定了單井的總產(chǎn)氣量;儲(chǔ)層的孔隙度、含氣飽和度是評(píng)價(jià)其地質(zhì)儲(chǔ)量,特別是含氣量及生產(chǎn)能力的重要指標(biāo);儲(chǔ)層的滲透率與井的產(chǎn)量密切相關(guān)。

圖1給出了W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井平均日產(chǎn)量Q與儲(chǔ)層的總有機(jī)碳含量VTOC、含水飽和度Sw、滲透率K、總含氣量VT,GAS、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(Ⅰ類頁(yè)巖氣層)厚度HI的相關(guān)性分析,以及地層總有機(jī)碳含量與總含氣量的相關(guān)性分析。

圖2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要礦物含量對(duì)產(chǎn)氣量的影響

(2) 地層巖石的礦物組成也對(duì)頁(yè)巖氣井的產(chǎn)能有重要影響(見(jiàn)圖2)。石英是頁(yè)巖儲(chǔ)層中最主要的脆性礦物成分,其含量的高低決定頁(yè)巖中孔隙及天然裂縫的發(fā)育情況,影響頁(yè)巖氣的富集,同時(shí)也對(duì)壓裂縫網(wǎng)的形成產(chǎn)生重要影響。砂質(zhì)含量高,儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率好,脆性好,更易于壓裂改造。因此,儲(chǔ)層砂質(zhì)礦物含量Vsnd與井的氣產(chǎn)量密切正相關(guān),W地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的砂質(zhì)含量在40%以上。

灰質(zhì)礦物含量高會(huì)使頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率(特別是滲透率)變差,因此灰質(zhì)礦物含量與井的氣產(chǎn)量負(fù)相關(guān);另一方面,灰質(zhì)礦物含量高也會(huì)使巖石硬度增大,導(dǎo)致壓裂過(guò)程中加砂變得困難,壓裂縫寬受到強(qiáng)烈抑制,使得壓裂改造效果變差。

圖3 W地區(qū)水平井生產(chǎn)井段、Ⅰ類頁(yè)巖氣層厚度統(tǒng)計(jì)以及Ⅰ類頁(yè)巖氣層鉆遇率與產(chǎn)能的關(guān)系

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物中的伊利石含量與吸附氣含量有一定的關(guān)系,但膨脹性黏土礦物(主要是蒙、皂石類)含量會(huì)使巖石塑性增強(qiáng),脆性變差,不利于儲(chǔ)層的壓裂改造造縫。資料表明,黏土礦物含量超過(guò)30%的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)效果很差。

2.2 完井工程因素

完井工程評(píng)價(jià)方面,頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量與生產(chǎn)井段,特別是所鉆遇的Ⅰ類頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層)厚度密切相關(guān);與儲(chǔ)層的礦物脆性也緊密相關(guān),這些因素決定了儲(chǔ)層的易壓裂改造性以及改造后儲(chǔ)層的泄流面積;此外,儲(chǔ)層的水平應(yīng)力差以及彈性模量、泊松比等巖石力學(xué)特性對(duì)產(chǎn)能也有不同程度的影響。

(1) 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(Ⅰ類頁(yè)巖氣層)鉆遇率對(duì)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量的影響。圖3給出了W地區(qū)水平井生產(chǎn)井段、Ⅰ類頁(yè)巖氣層厚度的直方圖統(tǒng)計(jì)以及Ⅰ類頁(yè)巖氣層鉆遇率對(duì)井產(chǎn)能的影響關(guān)系。可以看出,頁(yè)巖氣水平井箱體鉆遇的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的厚度決定了水平井的產(chǎn)氣量。W地區(qū)高產(chǎn)氣量的水平井井眼軌跡基本上都是在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中穿行,所鉆遇的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層都較厚。

圖3中202H5-4、202H5-5等2口井鉆遇的Ⅰ類頁(yè)巖氣層厚度較大,優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆遇率均在70%以上,但在實(shí)際壓裂施工過(guò)程中由于套管變形影響,壓裂井段分別減少了5段和4段,壓裂改造井段減少300～400 m,造成其平均日產(chǎn)量較低。

(2) 地層可壓裂性對(duì)頁(yè)巖氣井產(chǎn)能的影響。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層原生滲透率很低,只有壓裂改造后才可獲得工業(yè)產(chǎn)能。通過(guò)壓裂施工過(guò)程中入井總砂量(VFS)或微震監(jiān)測(cè)計(jì)算的壓裂改造體積(VSR)可以反映壓裂改造效果。

圖4分別給出了W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量(平均日產(chǎn)量Q)與壓裂入井總砂量VFS、壓裂改造體積VSR之間的關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為0.531和0.752)?？梢钥闯?頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量與壓裂改造效果密切相關(guān),改造體積決定產(chǎn)量高低,壓裂效果越好(即壓裂入井總砂量VFS或壓裂改造體積VSR越大),水平井產(chǎn)能越高。

圖4 W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能與壓裂改造的關(guān)系

HⅠIB,lthVclVsndVlim?KKh壓裂入井總砂量VFS0.5640.673-0.7910.671-0.3460.3680.590-0.774

頁(yè)巖氣水平井壓裂效果取決于鉆遇的Ⅰ類儲(chǔ)層厚度、脆性指數(shù)、孔隙度、滲透率、石英、黏土及灰質(zhì)含量以及水平應(yīng)力差等地質(zhì)因素。表3給出了壓裂入井總砂量VFS與上述因素的相關(guān)性分析的相關(guān)系數(shù)。

壓裂實(shí)踐已證明,頁(yè)巖氣水平井鉆遇的Ⅰ類儲(chǔ)層越厚,壓裂效果越好;儲(chǔ)層脆性指數(shù)高、物性好,其可壓裂性越好;地層泥質(zhì)、灰質(zhì)含量高,會(huì)增大壓裂改造的難度;井周水平主應(yīng)力差越小(Kh越小),壓裂改造越有利于形成網(wǎng)狀裂縫,壓裂入井的總砂量(壓裂改造體積VSR)越大,井產(chǎn)能也就越高。

圖5 W地區(qū)3口水平井壓裂微震監(jiān)測(cè)圖

研究表明,水平井眼方向沿最小水平應(yīng)力方向鉆進(jìn),后期壓裂裂縫多與井眼方向垂直,可以極大地增加井筒與儲(chǔ)層的接觸面積,壓裂改造效果最好,改造體積(VSR)最大[3]。圖5給出了202平臺(tái)的3口水平井壓裂微震監(jiān)測(cè)圖,圖5中雙箭頭標(biāo)示了微震監(jiān)測(cè)指示的最大水平應(yīng)力方向。可以看出,當(dāng)水平井眼方向與最大水平應(yīng)力方向垂直或呈較大夾角時(shí),壓裂后水平井產(chǎn)能較高,如4井、5井的產(chǎn)能明顯好于6井,這說(shuō)明,水平井眼與最大水平應(yīng)力方向夾角較小時(shí)(<45°),壓裂縫少,并以斜交縫為主,而斜交縫會(huì)抑制高濃度砂漿液的通過(guò),導(dǎo)致很難提高砂比和總砂量,并增加砂堵概率,造成井產(chǎn)能不高。

3 頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)

頁(yè)巖氣水平井開(kāi)采過(guò)程中涉及的流動(dòng)產(chǎn)出機(jī)理十分復(fù)雜,因此很難像常規(guī)氣井那樣利用各種滲流方程計(jì)算井的產(chǎn)能。針對(duì)特定的地區(qū),以一定數(shù)量的生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)做樣本,可以采用統(tǒng)計(jì)擬合技術(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣水平井的產(chǎn)能。

3.1 頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能表征參數(shù)的定義

通過(guò)前面對(duì)W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能主控因素的分析,定義如下參數(shù)表征頁(yè)巖氣水平井的產(chǎn)能。

(6)壓裂總用砂量VFS

式中,Hi為第i層層厚,m;m為總層數(shù)。

上述參數(shù)與井的平均日產(chǎn)量Q均有較高的相關(guān)性,可以用于預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能。

3.2 W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型

(1) 統(tǒng)計(jì)模型。通過(guò)統(tǒng)計(jì)擬合分析建立頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型。

Sg=0.266HTOC+0.209HPSG+0.239HT,GAS+

0.286HBR

(7)

R=0.860

(8)

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能。采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),中間隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為12,輸入層參數(shù)為HTOC、HPSG、HT,GAS、HBR、HK、VFS,輸出層為計(jì)算的井平均日產(chǎn)量Qlog。

圖6將上述模型計(jì)算的預(yù)測(cè)產(chǎn)能Qlog與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)Q進(jìn)行直觀對(duì)比。統(tǒng)計(jì)模型的平均絕對(duì)誤差為13 020 m3/d、平均相對(duì)誤差18.19%。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的平均絕對(duì)誤差為380 m3/d、平均相對(duì)誤差0.54%。可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度很高。

圖6 W地區(qū)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

W地區(qū)某水平井統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)產(chǎn)能為112 000 m3/d,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)產(chǎn)能為88 600 m3/d。該井水平壓裂生產(chǎn)井段長(zhǎng)1 448 m,平均VTOC為5.02%、平均孔隙度5.2%、平均含氣飽和度57%、平均滲透率0.04 mD、吸附氣含量2.07 m3/t、總含氣量2.27 m3/t、脆性指數(shù)61%、水平應(yīng)力差系數(shù)0.18,在水平生產(chǎn)井段內(nèi)Ⅰ類頁(yè)巖氣層鉆遇率達(dá)到95.2%。該井2016年5月20日測(cè)試投產(chǎn),截止2016年9月10日累計(jì)產(chǎn)氣9 079 700 m3,平均日產(chǎn)82 500 m3。

4 結(jié) 論

(1) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量、孔隙度、滲透率、含氣量、石英等脆性礦物含量、儲(chǔ)層厚度等地質(zhì)因素是決定其產(chǎn)氣能力的關(guān)鍵因素。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(Ⅰ類頁(yè)巖氣層)是頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣量的主要來(lái)源。

(2) 頁(yè)巖氣水平井眼位置應(yīng)選擇在低應(yīng)力區(qū),沿最小水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn),并通過(guò)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整,以獲得最大的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆遇率,為后期壓裂改造提供有利條件。

(3) 齊全、質(zhì)量可靠的測(cè)井資料對(duì)頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層的精細(xì)評(píng)價(jià)、工程評(píng)價(jià)及射孔、壓裂分段選層是必不可少的。利用測(cè)井資料,采用統(tǒng)計(jì)擬合分析或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以較好地預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣水平井的產(chǎn)能。

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