張鳳東，黃學斌，李 軍，范凌霄

中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

頁巖氣工程因素與可采儲量的大小密切相關，其中水平井鉆井和分段壓裂是頁巖氣有效開發(fā)的關鍵。中外學者對包括頁巖氣開發(fā)中儲量的影響因素和計算方法進行了探討。李勇明等［1］考慮壓裂液返排期間氣—水同流對產(chǎn)能的影響，對頁巖儲層壓裂水平井氣水兩相產(chǎn)能進行了分析。李慶輝等［2］在對北美Haynesville頁巖氣藏生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析的基礎上，分析工程因素對頁巖氣產(chǎn)量的影響。

郭昊等［3］在考慮儲層非均質性的情況下，基于物質點法建立非均質儲層改造效果評價模型。段永剛等［4］引入冪律指數(shù)遞減分析方法，分析了遞減指數(shù)對產(chǎn)量遞減的影響。賈成業(yè)等［5］從地質和工程兩個方面分析了長寧—威遠和昭通頁巖氣水平井產(chǎn)量影響因素，對頁巖氣水平井產(chǎn)量影響因素進行了分析。石曉兵、王董東等［6-7］根據(jù)頁巖氣物理特性和地球化學特性提出了基于孔隙尺寸、通過生產(chǎn)指示曲線求取地質儲量和可采儲量的新方法。甘柏松［8］通過遞減分析方法和數(shù)值模擬方法分析了頁巖氣單井產(chǎn)量和累計產(chǎn)量的影響因素。

結合涪陵頁巖氣井壓裂實踐，王志剛探討了“復雜縫網(wǎng)+支撐主縫”為主體的水平井改造模式［9］；曾凌翔、陳更生等［10-11］則從水擊效應、壓力波動等多角度分析了壓裂改造效果，提出地質與工程一體化、提高單井產(chǎn)能的4項關鍵技術。余雷、葉登勝等［12-13］對中國頁巖氣鉆完井及壓裂改造技術進行了總結。王金磊等［14-16］以北美頁巖氣為例，介紹了頁巖氣鉆完井工程技術現(xiàn)狀，并探討了頁巖氣“井工廠”開發(fā)關鍵技術。

已有的研究從不同角度對頁巖氣開發(fā)中產(chǎn)能評價等進行了探索，但針對中國頁巖氣開發(fā)過程中工程因素及其對可采儲量的影響研究較少。本文通過對涪陵頁巖氣井實際工程資料的分析， 探討了水平井鉆井和壓裂施工等工程因素對頁巖氣可采儲量的影響，為頁巖氣開發(fā)過程中掌控好主要工程因素、 借鑒相關經(jīng)驗提供參考依據(jù)。

1 工程因素與頁巖氣可采儲量的相關性

頁巖氣可采儲量的大小不僅與地質因素有關，還與鉆井、壓裂改造等工程因素密切相關，如水平段長度、壓裂液量、壓裂段數(shù)、支撐劑量、距斷層距離、水平段鉆井深度等，都是影響單井可采儲量的工程因素。通過對涪陵234口頁巖氣井工程因素中各參數(shù)的統(tǒng)計分析，明確各因素與可采儲量的相關關系，并確定影響可采儲量的主要工程因素。

1. 1 水平段長的影響

統(tǒng)計分析表明，頁巖氣井鉆井水平段長度與可采儲量關系較密切（圖1）。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，同1 000 m水平段的生產(chǎn)井相比，1 500 m水平段長的井能夠獲得更高產(chǎn)能。在水平段長小于1 500 m時，隨長度的增加采氣面積增大，提高了單井控制的儲量和動用程度，可采儲量隨水平段長的增加而增加；而當水平段長大于1 500 m時，施工難度增大，如井壁穩(wěn)定、井簡清潔等問題會更加突出；作業(yè)風險也隨之增加，如脆性頁巖垮塌等工程事故。而且鉆水平段越長成本越高，而可采儲量的增加并不明顯。由此可見，射孔段長度在1 500 m附近時單井可采儲量較高，小于1 500 m不利于產(chǎn)能的發(fā)揮，更長的井段對可采儲量無明顯貢獻。

圖1 水平段長與可采儲量的關系

1. 2 壓裂液量的影響

壓裂液量與可采儲量關系如圖2所示。從圖2中可知，可采儲量隨壓裂液量的增加而增加，單井壓裂液量為2.5×104～ 4.5×104m3時壓裂效果最好，大于4.5×104m3壓裂效果沒有明顯提高，低于該范圍則改造強度不夠，裂縫網(wǎng)絡的生成不充分，不利于產(chǎn)能的發(fā)揮充分；高于該范圍則儲量沒有明顯增加，最優(yōu)壓裂液量在3.5×104m3左右。

圖2 壓裂液量與可采儲量之間的關系

1. 3 壓裂段數(shù)的影響

壓裂段數(shù)與可采儲量關系如圖3所示。從圖3可見，壓裂段數(shù)越多可采儲量越高。但實際生產(chǎn)表明，壓裂段數(shù)在15 ～ 20段時壓裂效果最好，低于15段時改造效果及供氣范圍有限，多于20段時單井可采儲量沒有顯著增加。

圖3 壓裂段數(shù)與可采儲量關系

1. 4 支撐劑量的影響

支撐劑量與可采儲量關系如圖4所示。支撐劑量和水平段長度、壓裂段數(shù)和壓裂液量直接相關。從圖4可以看出，壓裂時單井支撐劑范圍通常為0.5×103～ 1.5×103m3，最佳值約為1 000 m3。表明支撐劑量并非越多越好，更多的加砂量無助于單井可采儲量的提高。同時也表明在壓裂規(guī)模一定的前提下，如果砂比過高并不一定能提高改造效果。

圖4 支撐劑量與可采儲量關系

1. 5 距斷層距離的影響

從圖5對單井距斷層距離和可采儲量的關系可以看出，生產(chǎn)井距斷層的距離是影響涪陵頁巖氣單井儲量的因素之一。涪陵頁巖氣區(qū)塊受多期構造應力作用影響，早期發(fā)育有北東向的斷層，后期發(fā)育有北西向斷層，致使構造區(qū)斷層非常發(fā)育。從圖5中可見，距斷層越近所受影響越大，單井控制的可采儲量越小，可采儲量隨距斷層距離的遠離而大致呈增加的趨勢。

圖5 距斷層距離可采儲量關系

1. 6 鉆井垂深的影響

多口井的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，水平段鉆井垂直深度與可采儲量具有明顯的負相關性（圖6）。隨著鉆井水平段深度的增加，頁巖塑性變形增強，頁巖破裂、裂縫延伸難度加大，上覆應力、最小水平主應力增大，同時天然裂縫剪切破壞所需凈壓力也增加，埋深較深的井壓裂效果將受到較大的影響，致使單井可采儲量減少。

圖6 水平段平均垂深與可采儲量關系

2 可采儲量預測模型

2. 1 工程因素相關性

通過對各工程參數(shù)的相關性計算，可得出工程參數(shù)與可采儲量及相互間的相關系數(shù)，見表1。對相關因素進行獨立性考察，與可采儲量相關性最強的工程參數(shù)分別為水平段長、壓裂段數(shù)、壓裂液量、距斷層距離、水平段垂深及支撐劑量等。其中有些參數(shù)相關度密切，如壓裂液量與射孔段長、壓裂段數(shù)等密切相關，和可采儲量的相關關系也較為一致。結果可知，水平段長與壓裂段數(shù)相關度為0.869，壓裂段數(shù)與壓裂液量相關度為0.948，壓裂液量與水平段長相關度為0.824，表明水平段長即可代表頁巖氣的壓裂液量，又反映出壓裂段數(shù)的多少。

表1 工程參數(shù)相關系數(shù)

通過相關性分析，根據(jù)單因素評價待選因素與可采儲量之間的相關性，以與可采儲量相關度密切又相互間獨立性較強為依據(jù)優(yōu)選工程參數(shù)，從而篩選出水平段長、水平段垂深和距斷層距離為表征工程因素影響的3個獨立參數(shù)，作為進一步分析的參數(shù)因子。

2. 2 可采儲量預測模型的建立

涪陵頁巖氣區(qū)為似箱狀斷背斜構造，主體平緩，邊緣被大耳山西、石門、吊水巖等逆斷層夾持，背斜形態(tài)整體向西南方向傾覆，西北部地層較陡、東南部被斷層復雜化，主要發(fā)育北東向和北西向兩組斷層。在地質因素確定的情況下，工程因素是決定可采儲量的關鍵。以涪陵頁巖氣主體區(qū)為例，對工程數(shù)據(jù)的相關性計算分析表明，水平段長、水平段垂深與距斷層距離直接影響著儲量的動用潛力，是決定該區(qū)可采儲量的關鍵工程因素。

水平段長與壓裂規(guī)模表現(xiàn)為較強的正相關性，代表著改造強度，水平段垂深和地層壓力有較強的相關性，因此取水平段長、水平段垂深表征其他相關參數(shù)。距斷層距離反映周圍大斷層對單井可采儲量的影響程度。如圖7所示，把水平段長、水平段垂深和距斷層距離進行歸一化，形成表征工程因素的綜合參數(shù)因子，其結果能夠較好地反映出單井可采儲量規(guī)模，在一定的地質條件下決定著地質儲量的采出程度。

在進行標準化處理以后，以選定的水平段長、水平段垂深和距斷層距離作為工程參數(shù)，通過SPSS數(shù)據(jù)分析軟件與可采儲量進行相關性擬合，建立了試采階段依據(jù)工程參數(shù)計算的單井可采儲量預測模型：

式中：Q—單井可采儲量，108m3；

x—綜合工程參數(shù)因子；

l—射孔段長，km；

h—水平段垂深；km；

s—距斷層距離，km。

圖7 歸一化可采儲量與綜合工程參數(shù)關系

在SPSS的輸出結果中，從回歸標準化殘差的直方圖可以直觀地看出，標準化殘差服從均值為0、標準差為1的正態(tài)分布，表明隨機誤差檢驗值遵從正態(tài)分布，回歸模型滿足正態(tài)性假設。正態(tài)概率圖散點也基本圍繞在第一象限對角線上散布，可判斷殘差基本服從正態(tài)分布。對可采儲量的估算，隨生產(chǎn)時間的延長和生產(chǎn)井動態(tài)數(shù)據(jù)的不斷豐富，可采用生產(chǎn)動態(tài)法對可采儲量的大小進一步修正。依據(jù)勘探開發(fā)不同階段對資料的掌握程度，逐漸提高單井可采儲量的計算精度。

3 結論

頁巖氣可采儲量的大小是由包括地質因素、開發(fā)技術水平等各種因素綜合影響的結果，而鉆井和壓裂等工程參數(shù)是其中極重要的影響因素。通過對工程參數(shù)與可采儲量的關系分析，能夠得出以下結論：

（1）總體看來，水平段長在約1 500 m表現(xiàn)與可采儲量的相關性最好，更長對可采儲量無明顯貢獻；單井壓裂液量為2.5×104～ 4.5×104m3時壓裂效果最好，低于或高于該范圍改造效果降低或單控儲量增加不明顯。

（2）對同一構造區(qū)塊，地質參數(shù)相差不大時，工程因素決定了單井可采儲量的大小。在地質因素確定的情況下，工程因素是決定可采儲量的關鍵。相關性分析表明，涪陵頁巖氣井水平段長、水平段垂深以及距斷層的距離直接影響著單井可采儲量的大小。水平段長、生產(chǎn)井距斷層的距離與可采儲量正相關，而水平段垂深與可采儲量表現(xiàn)出明顯的負相關性。支撐劑量和平均單段砂量與可采儲量表現(xiàn)出一定的相關性。

（3）頁巖氣井可采儲量受多種因素的影響，最終可采規(guī)模是由地質、工程、生產(chǎn)制度等各種因素綜合作用的結果。各頁巖氣區(qū)具體條件的不同使各因素的影響程度也存在差異。因此，全面獲取頁巖氣區(qū)的準確資料，對各頁巖氣區(qū)進行針對性研究，才能弄清決定該區(qū)頁巖氣單井可采儲量的主控因素，進而對可采儲量進行較為準確的估算。

（4）要充分發(fā)揮工程因素的重要作用。頁巖氣開發(fā)中工程因素具有重要的影響，鉆井和壓裂工程的優(yōu)化設計、較精確的鉆井井身軌跡控制，保證水平井段在最佳巖層中穿行，可以提高壓裂改造效果，有利于產(chǎn)能的充分發(fā)揮和提高控制區(qū)儲量的有效動用程度。