頁巖氣“體積開發”理論認識、核心技術與實踐

焦 方 正

中國石油天然氣集團有限公司

0 引言

近10年非常規油氣，尤其是頁巖氣基礎研究和現場試驗，對推動中國非常規油氣工業的發展產生了重要而深遠的影響[1]。中國的石油企業針對四川盆地及其周緣上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組海相頁巖，開展了艱苦而富有成效的探索和實踐，形成了適用的理論方法體系，研發了配套的技術裝備系列，支撐了中國頁巖氣工業快速建立和迅猛發展[2-4]。科技創新在中國頁巖氣的突破和發展中發揮了至關重要的作用，“進源找油”重要地質理論的系統升華，對持續推動和引領中國頁巖氣等非常規油氣資源的規模利用，具有重要的作用和意義[5]。為了提高頁巖氣區儲量動用率和采收率，筆者梳理了美國和中國頁巖氣勘探開發進展與主要地質認識，進一步深化了對五峰組—龍馬溪組頁巖儲層主要地質特征的認識和頁巖氣“甜點區（段）”分級評價標準，從人工干預提高頁巖氣有效流動性、開發整體性出發，提出了頁巖氣甜點區“體積開發”的理論內涵和核心技術，進而評價展望了中國頁巖氣資源“體積開發”的發展前景。

1 中國頁巖氣勘探開發進展與主要地質認識

圖1 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲量區概況圖

中國頁巖氣資源豐富，四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖已成為最重要的頁巖氣產層。據2015年國土資源部第二輪全國頁巖氣資源評價結果，中國陸上頁巖氣地質資源量為121.86×1012m3，技術可采資源量為 21.81×1012m3。2010年以來，以四川盆地及其周緣為重點，發現了涪陵、長寧、威遠、昭通等頁巖氣田[6-7]（圖1）。截至2018年底，中國成為世界第二大頁巖氣生產國，累計完鉆頁巖氣開發井約860口，探明頁巖氣地質儲量1.170 1×1012m3，2018年頁巖氣產量為108×108m3，其中蜀南地區完鉆頁巖氣井410口，探明地質儲量4 447×108m3，2018年產量 43×108m3；涪陵地區完鉆頁巖氣井 450 口，探明地質儲量 7 254×108m3，2018 年產量 65×108m3。

中國頁巖氣勘探開發主要取得了5項基本地質認識[1-2,4,7-8]：①頁巖氣形成富集條件與美國有著明顯的差異，南方海相頁巖含氣層位多，以五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集條件為最優（表1）；②五峰組—龍馬溪組頁巖氣在四川盆地內保存條件好，盆地外保存條件差，超壓區一般是有利開發區；③五峰組—龍馬溪組頁巖儲層縱向上存在著多個“甜點段”，平面上發育多個“甜點區”，“甜點區”是頁巖氣開發的首選目標區；④“體積開發”是實現頁巖氣規模開發的關鍵途徑，水平井＋分段體積壓裂形成“人工氣藏”是頁巖氣有效開發的關鍵技術；⑤頁巖氣藏高產穩產的關鍵是找到“甜點區”、鉆入“甜點段”、壓開“甜點層”，形成人工縫網系統。

2 中國頁巖氣儲層“甜點區”評價優選

2.1 五峰組—龍馬溪組儲層主要地質特征

五峰組—龍馬溪組沉積期為揚子地臺內大型坳陷半深水—深水陸棚沉積環境，黑色頁巖連續穩定分布，形成多層段、大面積的相對均質含氣頁巖地質體，為頁巖氣“體積開發”創造了有利的地質條件。

1）半深水—深水陸棚是大面積黑色頁巖發育的有利沉積環境。五峰組沉積時期，中—上揚子地區出現開口向北、水面遼闊的半封閉海灣，尤其是五峰組沉積中晚期，海平面下降，海水溫度降低，以浮游生物為食物的筆石大量滅絕，形成富含有機質的黑色頁巖層。龍馬溪組沉積早期，川南—川東—川東北坳陷區再次出現大面積缺氧的深水陸棚環境，形成大面積相對均質頁巖層系。

表1 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣與美國海相頁巖氣主要地質參數對比表

2）五峰組—龍馬溪組發育多層段優質頁巖烴源巖。五峰組—龍馬溪組頁巖氣主力產層富含有機質，厚度介于40～80 m，有機質主要由腐泥型有機質和筆石體組成，TOC介于2.5%～8.5%，Ro介于2.5%～3.8%，富有機質頁巖TOC值高、類型好，處于有效熱裂解氣的范圍內，提供了高強度氣源供給。

3）五峰組—龍馬溪組發育硅質、鈣質等多種巖性頁巖，紋層及層理普遍發育。五峰組在川南地區發育含鈣質、硅質頁巖，在川東—川北地區發育硅質頁巖；龍馬溪組則以硅質頁巖和鈣質硅質頁巖為主。五峰組—龍馬溪組頁巖發育豐富的紋層與裂隙，主要包括富有機質、含有機質、黏土質和粉砂質4類紋層（圖2）。經水力壓裂，裂縫可橫向延伸100～150 m，但由于頁巖層理的限制，縱向擴展高度為15～20 m，頁巖基質沿紋層方向的橫向滲流能力遠大于垂直紋層的縱向滲流能力。富硅質、鈣質頁巖脆性好，易發育基質孔隙、頁理縫及構造縫，為頁巖氣提供了儲集空間和滲流通道。

4）五峰組—龍馬溪組頁巖含氣量較高，縱向上發育4個含氣段。五峰組—龍馬溪組含氣頁巖具有超低含水飽和度，含氣飽和度介于60%～80%，含氣量較高，一般大于2.0 m3/t，如威遠頁巖氣區含氣量介于1.9～4.8 m3/t，長寧頁巖氣區含氣量介于2.4～5.5 m3/t，涪陵頁巖氣區含氣量介于1.3～6.3 m3/t。含氣頁巖中游離氣與吸附氣共存，前者比例約為70%，是頁巖氣井初產的主要貢獻者。五峰組—龍一段頁巖氣儲層可劃分為4個含氣段：底部五峰組含氣段具“低密度、低中子”的特征，下部龍一11含氣段具“中—高密度、中—高中子”的特征，中部龍一13含氣段具“高密度、高中子”的特征，上部龍一14含氣段具“高密度、高中子”的特征（圖3）。

5）五峰組—龍馬溪組頁巖儲層以納米級有機孔為主，孔滲性超低。頁巖儲層以微—納米級孔喉為主，頁巖有機質體系內納米級孔喉系統發育，有機質納米孔徑介于50～200 nm，占頁巖總孔隙的90%以上，孔隙比表面積大，孔隙結構復雜，基質孔隙度介于2.0%～10.0%，基質滲透率介于0.001～5.7 mD，嚴重制約了天然氣的流動性，需要立體的人工干預，將極弱滲流能力的頁巖儲層改造為縫網系統。

圖2 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組海相頁巖4類紋層照片及其特征

圖3 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣層綜合剖面圖

6）五峰組—龍馬溪組頁巖氣具有“連續型”和“構造型”2種聚集模式，“甜點區（段）”范圍大。“連續型”聚集模式以威遠—富順—永川—長寧頁巖氣區為代表，屬盆地內大型凹陷中心和構造斜坡區，面積大、穩定、連續分布；“構造型”聚集模式以焦石壩頁巖氣田為代表，具有構造邊緣復雜、內部穩定、裂縫發育等特點。五峰組—龍馬溪組頁巖氣“甜點區”面積為數十至數百平方千米，其中涪陵頁巖氣田596 km2，威遠頁巖氣田威202井區80 km2、威204井區65 km2，長寧頁巖氣田寧 201 井區 120 km2，昭通頁巖氣田黃金壩區132 km2。頁巖氣“甜點段”厚度較大，縱向上通常存在著一個或多個“甜點段”。五峰組—龍馬溪組頁巖氣“甜點段”TOC＞2.0%、含氣量大于2.0 m3/t，脆性礦物含量大于45%，儲層厚度介于40～80 m，其中涪陵頁巖氣田介于40～80 m、威遠頁巖氣田威202井區介于30～45 m、威204井區介于25～40 m、長寧頁巖氣田寧201井區介于40～55 m、昭通頁巖氣田黃金壩區介于32～46 m。

7）頁巖氣開采過程中，儲層應力敏感性強于致密砂巖。頁巖儲層層狀連續分布，地應力變化極易使頁巖儲層發生變形，影響頁巖氣井生產動態，如氣井放大壓差生產，可能會造成主裂縫短時迅速泄壓，導致主裂縫區內頁巖儲層滲透率快速大幅度下降，影響頁巖氣井產量。壓裂中向頁巖儲層中注入大量陶粒或石英砂等支撐劑，可較長時間保持體積壓裂復雜縫網。通過模擬實驗證實，四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲層應力敏感效應對單井累計產量的影響程度超過 30%[9]。

8）頁巖氣開發井早期產量高、遞減快，高產時間短。采用水平井分段體積壓裂，五峰組—龍馬溪組頁巖層（頁）理、天然（微）裂縫與壓裂縫構成復雜縫網，形成大規模泄氣體積，采取大壓差生產，頁巖氣井初期產量較高、遞減較快[10]。統計發現，頁巖氣井高產時間為3～6月，預測EUR介于0.8×108～ 1.8×108m3，第一年累計產量可占總產量的30%～40%，遞減率為45%～75%。頁巖氣水平井分段壓裂，大幅度增加了單井水平井段及分段壓裂波及范圍內的可動用可采儲量。優質頁巖儲層大面積連續穩定分布，頁巖氣井后期低產時間更長，預測五峰組—龍馬溪組頁巖氣井生產周期超過20年。

2.2 “甜點區”評價優選

五峰組—龍馬溪組頁巖氣開采實踐證實，對頁巖儲層“甜點區”“甜點段”分布規律的不斷深入認識，是頁巖氣勘探開發取得成功的重要基礎和關鍵過程。選用TOC、含氣量、孔隙度、脆性礦物含量、紋（層）理（含微裂縫）發育程度等作為頁巖氣儲層評價參數，將頁巖儲層分為4類（表2）。據五峰組—龍馬溪組含氣頁巖儲層7類15項參數統計（表3），五峰組—龍一11小層為Ⅰ類儲層，其TOC、含氣量、孔隙度等關鍵參數都大于4；龍一12—龍一14小層為Ⅱ類儲層，其TOC介于3.0%～4.0%、含氣量介于3.0～4.0 m3/t、孔隙度介于4.0%～5.0%；龍一2亞段為Ⅲ類儲層，其TOC介于2.0%～3.0%、含氣量介于2.0～3.0m3/t、孔隙度介于3.0%～4.0%；龍二段頁巖為Ⅳ類差含氣層，其TOC、孔隙度、含氣量等參數均低于2。

表2 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣“甜點區”儲層分級評價參數標準表

表3 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組不同層段含氣頁巖儲層參數統計表

蜀南地區五峰期—龍馬溪期為持續高富有機質、高硅質、含鈣質、半深水—深水陸棚相沉積區，“甜點區”厚度介于10～50 m，長寧—瀘州區位于沉積中心附近，陽101井鉆遇“甜點段”厚度70 m，屬Ⅰ類頁巖氣儲層。與長寧—瀘州區不同，威遠區儲層“甜點段”厚度略小，屬Ⅱ類“甜點區”。五峰組—龍馬溪組頁巖沉積期，四川盆地沉積中心演化自東南向西北方向遷移，導致區域上不同區塊Ⅰ類“甜點區”縱向層段、厚度有所不同。從五峰組底部到龍馬溪組上部，可依次劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類“甜點區”。五峰期—魯丹期為高富有機質頁巖的主要形成期，長寧、涪陵2個“甜點區”主要形成于這一時期，“甜點段”厚度大、“甜點區”范圍大。隨著沉積時間演化，龍馬溪組沉積晚期，高富有機質頁巖沉積中心向川中、川東北方向遷移，“甜點段”逐漸上移變新，威遠地區Ⅰ類“甜點段”主要形成于魯丹期—埃隆期。Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度占地層總厚度的比例在坳陷中心區大，向坳陷邊緣減小。深水陸棚沉積區Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度大，占地層總厚度比例普遍較高，深水陸棚區邊緣Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度小，占地層比例低于10%。蜀南地區威201井區Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度為13 m，占地層總厚度的7.22%，足201井區Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度為25 m，占地層總厚度的6.78%，陽101井區Ⅰ類“甜點區”優質頁巖氣儲層厚度為70 m，占地層總厚度的13.81%。

3 頁巖氣“體積開發”的理論和技術

3.1 “體積開發”理論

3.1.1 “體積開發”理論的提出背景

中國繼北美之后，實現了南方海相頁巖氣的成功開發，目前已進入了整體規模開發階段。四川長寧—威遠、重慶涪陵等頁巖氣示范區的開發實踐表明，井網的一次性合理部署對頁巖氣的效益開發至關重要。橫向上，合理井距部署，應避免井間出現較強的產量干擾，同時減少井間未動用儲量比例；縱向上，井筒附近人工裂縫縱向溝通厚度較大、橫向延伸較遠，遠離井筒人工裂縫縱向和橫向延伸規模迅速降低。目前，較多的將水平井靶窗置于有機質含量、含氣量及單儲系數最高的龍一11小層，雖然取得了單層段的最佳開發效果，但同時也明顯降低了上部含氣層段的儲量動用程度。美國2013年開始在Permian盆地采用多層水平井開采Bone Spring及Wolfcamp等層系的頁巖氣，由于儲層厚度大（超過600 m）且內部存在著砂巖夾層，上下開發層段不會因壓裂產生縱向干擾，多層段開發取得顯著效果[11-12]。但針對中國南方海相五峰組—龍馬溪組頁巖氣，目前頁巖儲層“甜點段”厚度約為40 m，不能照搬Permian盆地多層段同步開發的模式。在此背景下，筆者提出頁巖氣“體積開發”的概念，即基于較小有效頁巖儲層厚度的中國地質實際，研究科學部署立體開發井網、配套實施立體縫網系統、合理設計立體滲流方式，追求實現最大動用程度、最優經濟效益地開發利用中國的頁巖氣資源。

3.1.2 “體積開發”的概念

頁巖氣“體積開發”，是指通過水平井鉆井和大規模分段分簇壓裂改造，建立頁巖氣藏人工體積縫網系統，使波及體積內的儲量成為可動用的商業開發儲量，進而使頁巖氣資源得到有效規模動用的開發方式（圖4）。與常規層狀氣藏開發相比，頁巖氣藏采用常規工程技術不能實現商業開發，采用長水平井、分段分簇壓裂等核心技術，儲層中流體的流動方式也由常規層狀油氣藏的以水平流動為主轉變為頁巖氣藏層狀頁理縫的水平流動、垂直縫縱向流動等多重流動相耦合的“復合體積流動”方式。

頁巖氣“體積開發”的重要條件是形成大規模縫網系統。水力壓裂的主裂縫沿著最大水平主應力方向延伸，在層間膠結薄弱處或閉合的天然裂縫處形成次裂縫，最終與天然裂縫耦合組成縫網系統[13]。較之于北美地區，中國南方頁巖氣“甜點區”兩向水平主應力差較大，傾向于形成以主裂縫為主的縫網系統[14]。結合人工裂縫規模和主裂縫形態，在優質頁巖段采用上下多層交錯布井的方式，水力壓裂后形成的體積縫網可最大限度的增加改造體積。

人工改造后的含氣頁巖儲層，納米級孔喉、微米級次裂縫、天然裂縫和毫米級主裂縫多尺度相互耦合分布[15]。天然氣在頁巖儲層縫網系統中的流動，不僅包括基質內部的解吸擴散和水平方向的多向滲流，還有不同小層、不同水平井間體積縫網內沿垂向導流縫的縱向流體交換，總體呈現水平加縱向的復合流動方式。體積縫網主裂縫內的游離氣在壓力差的作用下首先流入井筒，隨著壓力降低和傳導，基質表面的吸附氣逐漸解吸并與游離氣一起通過次級裂縫和天然微裂縫運移至主裂縫，最終流入水平井筒。頁巖氣從含氣儲層流入生產井筒需經歷4個階段：①在生產壓差作用下，裂縫內游離態的頁巖氣開始向井筒流動，裂縫內壓力降低，基質孔隙內游離態的天然氣開始滲流；②由于地層產生壓降，全地層壓力低于吸附壓力時，吸附在頁巖表面的氣體開始脫離，頁巖氣由基質系統向裂縫內表面進行解吸，解吸出來的氣體進入裂縫或孔隙中成為游離氣；③在基質內部和外部濃度差的作用下，基質孔隙中的氣體逐漸擴散到基質表面，然后通過解吸作用流入裂縫；④游離態的頁巖氣在壓差和濃度差的共同作用下，由遠處基質向井筒附近的裂縫運移。

圖4 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣甜點區“體積開發”模式圖

頁巖氣“體積開發”，就是在充分認識頁巖儲層的基礎上，通過人工措施，從縱、橫向最大范圍地打通基質孔隙到體積縫網、從縫網到井筒的流動通道，最大限度地解放頁巖儲層中的天然氣，在自然能量下形成商業化產能，實現含氣頁巖相對均質體的一次有效鉆探、改造和開發。要而論之，認識頁巖儲層是基礎，形成立體縫網系統和復合滲流方式是核心，推行地質工程一體化是關鍵，實施井工廠管理是抓手。

3.1.3 “體積開發”的評價部署

針對含氣頁巖層段，“體積開發”以提升開發效益和質量為目標，在“甜點區”內科學部署開發井網，建立人工縫網系統，建成多層段“人工氣藏”，實現一次性“體積開發”，大幅度提高頁巖氣田的儲量動用率和采收率。

整體評價優質頁巖層段是實現體積開發的前提。除了烴源性、物性、含氣性、吸附性等頁巖儲層評價參數外，還應重點分析頁巖段的地質力學特性，包括地層可壓性（楊氏模量、泊松比等）、原始壓力場、應力場等，地質力學屬性是體積壓裂設計的重要依據[16]。

整體設計地下井網、井筒管柱、地面平臺和管網布局及施工方案。較之于單層井網，體積開發需要優選多層段水平井靶窗位置、不同層位水平井橫向井距、相鄰層位水平井縱向排列方式、不同層位水平井壓裂參數和壓裂方式的匹配和優化等，同時要考慮工程施工和采氣工藝需求，設計多層水平井的井筒管柱，并論證共用直井井筒和單獨井筒的可行性及經濟性。體積開發時，同一平臺的水平井數量超過單層井網的2倍，平臺的選擇和建設難度更大，地下不同層位的壓力差異對地面管網的建設要求更高、更復雜。因此，從效益開發的角度，頁巖氣體積開發必須采用一次性部署的方案，縮短搬運時間，提高工作效率，降低施工成本，最終實現頁巖氣優質資源的有效、立體開發。

“體積開發”的流程：優選出具備開發潛力的多層段“甜點區”，部署水平井網，優化鉆井軌跡，在深刻認識天然裂縫系統的基礎上，設計壓裂施工方案，確定建產氣井的合理配產，根據氣田的儲量動用狀況，有針對性地實施開發調整井網，地質、工程、開發在工作程序上變前后接力為互相滲透，在開發過程中不斷優化設計方案。如何部署合理高效的開發井網、設計配套的體積壓裂工藝是成功實施頁巖氣田體積開發的關鍵點。

3.2 甜點區“體積開發”核心技術

3.2.1 “甜點區”綜合評價技術

頁巖氣“體積開發”的基礎是準確尋找“甜點區”。通過近10年的科研攻關，初步形成了頁巖氣“甜點區”綜合評價技術，包括富有機質頁巖實驗分析、頁巖儲層“六特性”評價等技術。

3.2.1.1 富有機質頁巖實驗分析技術

建立了致密頁巖物性、巖石力學、地球化學、含氣量等測試技術，頁巖孔隙度和脈沖衰減法滲透率測試技術，“高精度、多維度、跨尺度”精細儲層微觀結構表征技術，采用高分辨率FIB-SEM三維頁巖儲層數字成像表征，開展了精細評價頁巖吼道、裂縫空間方向及連通性等關鍵參數，實現了頁巖儲層孔隙空間定量評價，為“甜點區”儲層精細評價提供了重要手段。

3.2.1.2 頁巖儲層“六特性”評價技術

通過巖石物理模擬，建立了“礦物組分、儲層物性、地球化學特性、含油氣性、可壓裂性和地應力”的頁巖“六特性”精細評價技術，有效優選頁巖氣富集高產層段，為頁巖氣“體積開發”提供可靠的依據。其中核磁共振測井使頁巖孔隙度評價精度提高了10%，元素測井實現了Si、Ca、Fe、Al、S、Ti等主量元素和黏土、石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦等礦物含量的直接評價，偶極陣列聲波測井為巖石力學參數評價提供了泊松比、楊氏模量、脆性指數、地應力大小及方向等重要工程參數。“六特性”測井評價技術在四川盆地廣泛推廣應用，據對200余口頁巖氣井的統計結果，應用效果良好。

3.2.2 體積開發井網優化設計

試驗區早期開發的平面井距主要依靠微地震監測結果和機理模型模擬結果初步確定，普遍在400～500 m。微地震監測是通過在地面或井筒中布置檢波器拾取微地震時間傳播的信號，利用初至或波形信息建立目標函數，根據區域地層特征建立及校正速度模型，最后反演定位水力壓裂時的微地震事件。在反演定位中構造目標函數所用地震波信息不同，可分為基于走時的射線追蹤定位方法和基于波形的偏移定位方法[17]。但這兩種方法都存在著理論上的不足，即水力壓裂時微地震事件并不等同于實際開啟的裂縫。尤其對于頁巖地層，因其各向異性明顯，頁理和天然裂縫發育，水力壓裂時這些薄弱面易被開啟，形成的微地震事件能量較小，易造成監測定位的遺漏；另一方面，在壓裂點遠端形成的微地震事件可能是非開啟的或孤立的無效裂縫，可能造成對水力壓裂規模和裂縫分布的誤判[18]。頁巖機理模型模擬結果是早期確定水平井間距的重要依據，參照致密砂巖氣開發實踐，確定頁巖的水力壓裂模型，但初期的模擬過程未充分考慮頁巖的微觀構造如頁理面、各向異性和天然裂縫等因素的影響，模擬結果與實際情況相差較大[19]。經過大量的干擾試井、生產動態數據分析和現場試驗論證，目前蜀南頁巖氣產區優化后采用的井距普遍在300 m左右，在壓裂規模不變的條件下，大部分井未見到明顯的壓力和產量干擾。

北美地區典型頁巖氣田的井距也經歷了不斷的優化和調整。早期開發的頁巖氣水平井考慮了后期加密，往往初始間距較大，介于500～1 000 m[20]。2010—2016年，隨著認識的逐步深入，同時加密后的氣井生產狀況良好，小井距水平井部署比例逐年增高[21-22]。但到近兩年，發現部分水平井存在著一定程度的干擾，井網部署時井距有回調的趨勢。從整體上看，目前北美地區Barnett、Haynesville、Marcellus等主要頁巖氣田，其井距穩定在260～300 m，而Eagle Ford氣田因地質條件差異，接近1/2的井距小于 122 m，只有少數井距大于 244 m[23-24]。

頁巖水力壓裂大物模實驗結果表明，由于頁理的影響，水力壓裂形成的主裂縫在垂直頁理方向穿透能力受到很大限制，離射孔點越近，頁理縫越長。射孔點水力裂縫縱向最大穿透能力在40 m左右，遠離射孔點，裂縫高度快速減小。現場采用非放射性示蹤陶粒，Sigma測井評估足201井支撐縫高僅為9 m，合201井的支撐縫高僅為10.5 m，雖然支撐劑到達的高度并不能代表裂縫的延伸范圍，但使用傳統矩形模型擬合生產動態后發現，主體動用高度也僅有10～20 m。開發實踐表明，相似壓裂規模和工藝，鉆遇龍小層氣井的EUR和測試產氣量比鉆遇龍小層高20%左右。考慮到這兩個小層在含氣量方面的差異，可以得出結論：近井筒鉆遇層位頁巖氣儲量動用程度高，遠離井筒則動用程度大幅度降低。綜上所述，水力壓裂形成的裂縫帶截面形態近似為“星形”（圖 4）。

針對目前我國投入開發的蜀南地區五峰組—龍馬溪組海相頁巖，當前單層水平井的靶窗位置選在含氣量最大的龍小層中下部，采用縱向交錯布井的方式，將龍小層上部作為第二套水平井的靶窗位置，2套水平井截面上呈“W”形，縱向距離15～20 m。這一立體井網的部署方式可以充分擴大縫網的控制范圍，增加縱向儲量動用程度，同時降低縫網間的相互影響。通過初步數值模擬證實，在天然裂縫不發育的情況下，上下2套井網間未出現明顯干擾，整體頁巖氣采收率可提高12%以上，在同一平臺、上下相鄰水平井采用同一直井段的情況下，內部收益率可超過8%。

3.2.3 水平井鉆井、靶窗優選與軌跡設計

水平井鉆井技術在頁巖氣開發中被普遍應用。目前，水平井鉆井技術正在向地質、地球物理、油層物理、工程技術等多因素結合的集成系統發展，包括3項重點技術：①旋轉導向技術，幫助獲得高質量的井眼和精確的水平井軌跡，提高鉆井效率；②水平井地質導向技術，精確控制水平井井眼軌跡的有效手段；③精細控壓鉆井技術，有效降低鉆井事故或復雜情況。

水平層段對單井產能影響較大，靶窗選擇應以儲層綜合評價為基礎。為了提高頁巖氣單井產量，首先考慮的是靶窗所在層位的儲層品質，優選高TOC、高孔隙度、高含氣量的頁巖儲層，其次考慮的是可壓性，優選高脆性指數的頁巖儲層作為開發目的層。井軌跡要求盡可能多地鉆遇目的層，鉆井過程中主要采用旋轉導向工具控制井眼軌跡以提高優質儲層的鉆遇長度（或鉆遇比例）。優質儲層的鉆遇長度（或鉆遇比例）是確保頁巖氣井高產的物質基礎[25]。蜀南頁巖氣產區靶窗位置鎖定在五峰組—龍小層，箱體高度控制在5 m以內。以威遠區塊為例，通過自然伽馬的高低將五峰組—龍小層縱向上細分為8個部分（圖5），其中龍小層中下部儲層的鉆遇長度決定了單井產量的高低。威202H2平臺6口水平井龍一11小層中下部儲層統計結果顯示（表4），水平井靶窗位置及優質儲層鉆遇長度（或鉆遇比例）對單井產能影響很大[26]，H2-4、H2-5井優質儲層鉆遇長度較大，首年的平均日產氣量也較高。

3.2.4 水平井段體積壓裂改造技術

頁巖氣開發以水平井分段壓裂建立人工縫網、實現大規模體積壓裂改造為目標，推行地質—工程一體化壓裂設計，根據不同井段儲層特征確定有針對性的壓裂設計方案：①精細確定頁巖氣儲層分段方案，綜合考慮三維地震、錄井、測井、固井等成果，將物性參數相近、應力差異較小、固井質量相當、位于同一小層的井段，作為同一段進行壓裂改造；②射孔位置優選，優選脆性高、含氣量高、孔隙度高、TOC高、破裂壓力低“四高一低”位置作為最佳射孔孔位；③射孔方式優選，根據不同壓裂段的位置制定射孔方案，龍一11小層、五峰組采用螺旋射孔，龍一12等其他小層采用定向射孔；④壓裂參數差異化設計，根據水平井巷道距離、天然裂縫及斷層發育情況差異化設計壓裂液用量、支撐劑砂用量和施工排量等參數。

圖5 四川盆地威遠區塊地層小層細分綜合剖面圖

四川盆地長寧、威遠及其周緣昭通頁巖氣田基本定型了電纜泵送橋塞＋分簇射孔、低黏滑溜水＋低密度陶粒、大排量注入為主的壓裂施工工藝，壓裂效果綜合評估結果認為基本實現了體積改造。水平井壓裂優化設計參數包括主體低黏滑溜水、12～14 m3/min排量，可形成復雜體積縫網；100目粉砂＋40/70目低密度陶粒，以40/70目陶粒為主，保障長期導流能力 ；1 800 m3左右單段壓裂液用量、60 ～ 90 m3單段支撐劑用量、60～80 m段間距，以滿足改造強度。目前，蜀南頁巖氣區開展的長水平井段、密切割和提高加砂強度等高強度壓裂體積改造技術現場試驗，實現了最長水平井段2 512 m、最大單井分段數46段、最高單井加砂強度3.1 t/m的體積壓裂改造。

3.2.5 生產制度設計與平臺式工廠化管理

控壓限產是目前中國頁巖氣開發的有效生產制度。微裂縫是基質內部氣體向裂縫系統解吸、擴散和滲流的主要通道，也是“人工氣藏”限制氣井產能的瓶頸所在[27]。頁巖氣井生產早期產量較高，裂縫系統內迅速泄壓，上覆地層壓力與流體壓力差值越來越大，支撐劑發生嵌入或壓碎，裂縫寬度減小，裂縫系統導流能力降低。主要原因是裂縫面附近被微裂縫化的基質被重新壓實，極小的微裂縫閉合，滲透能力大幅度降低，產生強應力敏感，形成儲層永久傷害區，阻擋遠縫帶基質內氣體進入裂縫系統，嚴重影響氣井的產能和累積產氣量。基于此，涪陵、昭通頁巖氣產區采用控壓限產方式生產[9,28]，相對于完全放壓生產，控壓限產能夠有效降低儲層受壓敏效應傷害，保持近縫基質及縫網的滲流能力，相同條件下單井累計產量可提高25%以上[29]。頁巖氣“體積開發”中，需根據壓后動態監測結果和地層壓力變化，研究不同類型氣井、不同開發階段的適用生產制度，在保證效益的同時，提高頁巖氣儲量最終采出程度。

表4 威202H2平臺水平井鉆遇小層長度與產能統計表

平臺式工廠化管理已成為頁巖氣開發降本的有效方式。經過近10年的探索與實踐，四川盆地3 500 m以淺海相頁巖氣綜合地質評價、開發方案優化、水平井優快鉆井、分段體積壓裂、工廠化作業模式、高效清潔開采工程技術體系等基本形成，涪陵、長寧、威遠等頁巖氣生產區內一平臺多井的產能建設模式、縱向一體化生產組織方式、水平井鉆井提速、井軌跡控制、拉鏈式壓裂等降本增效措施得到了廣泛應用。

4 頁巖氣甜點區“體積開發”發展前景

4.1 長寧頁巖氣甜點區“體積開發”發展前景

長寧頁巖氣田位于四川省宜賓市長寧縣、珙縣、興文縣、筠連縣境內，構造上屬于四川盆地川南低緩褶皺帶，面積4 230 km2。2011年8月2日，寧201-H1井壓裂測試，獲日產氣量15×104m3以上穩定產量，發現了長寧中—高產頁巖氣田，主力氣層為五峰組—龍馬溪組頁巖層，儲層主要特征參數與北美頁巖層類似[30]。經過2012—2014、2014—2016年與2017—2018年3個階段的產能建設和勘探持續評價，累計探明頁巖氣地質儲量 2 831.26×108m3，含氣面積 540 km2，投產氣井 135 口，日產氣量 860×104m3，累計產氣量 55.7×108m3。

寧201井區是長寧頁巖氣田開發最早的區塊，五峰組—龍馬溪組頁巖氣層埋深1 500～4 000 m，富集高產層段為五峰組—龍一1亞段，氣層厚度為29.5～46.4 m，橫向連續、穩定分布。進一步劃分含氣小層發現，由下至上，可分為五峰組、龍、龍、龍、龍層共5個層段。綜合對比，龍、龍這2個小層的含氣性最好，五峰組、龍、龍小層含氣性次之。長寧頁巖氣田五峰組—龍馬溪組頁巖氣層“體積開發”中，以龍—龍小層為主要軌跡，近南北向雙排/單排布井，400 m巷道間距，平均1 500 m水平段長度。

與焦石壩區塊頁巖氣層綜合特征對比，寧201井區五峰組—龍一1亞段頁巖氣層整體參數指標與焦石壩區塊相似。對比北美典型頁巖氣區塊，寧201井區五峰組—龍一1亞段各小層儲層主體參數與北美主要頁巖氣儲層參數相當，但寧201井區頁巖氣層有機質演化程度高、地層壓力系數大。長寧頁巖氣田內橫向開發區塊對比發現，寧201井、寧209井、寧216井等不同井區地質—工程條件基本一致，寧201井區實施的“體積開發”模式在寧209井、寧216井區具有可復制性，在長寧頁巖氣田其他區塊具有進一步推廣的前景。

4.2 涪陵頁巖氣甜點區“體積開發”發展前景

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵、南川、武隆等區縣境內，構造上屬于四川盆地東南緣川東高陡褶皺構造帶的萬州復向斜。2012年11月28日，焦頁1HF井壓裂測試，在五峰組—龍馬溪組頁巖段獲日產氣量20.3×104m3，發現涪陵海相高產頁巖氣田，儲層主要特征參數與北美典型頁巖層相當[30]。經過2012—2015年、2015—2017年2期產能建設，迄今，涪陵頁巖氣田已形成焦石壩、江東和平橋3個頁巖氣產區，白馬、鳳來、白濤3個頁巖氣后備有利區，累計探明頁巖氣地質儲量 6 008.14×108m3，含氣面積575.92 km2，投產氣井 350 口，日產氣量 1 650×104m3，累計產氣量 219.64×108m3。

焦石壩區塊作為涪陵頁巖氣田主體區塊，五峰組—龍馬溪組頁巖氣層厚度大，層層有氣。其中下部氣層（①～③小層）儲量豐度最高，為Ⅰ類“甜點區”，向上各氣層儲量豐度有所降低。產能建設初期，主要采取600 m井距規則井網開發，“體積開發”下部高儲量豐度氣層。隨著開采時間增長，逐漸動用新的儲量區塊和含氣層段。2016年以來，焦石壩區塊頁巖氣開發技術政策調整，對五峰組—龍馬溪組頁巖氣層下部“甜點區”采取橫向加密井網措施，通過縮小井距、近距離壓裂，使儲層發生變化，改善鄰井溢氣通道，提高老井特別是水平段同向重疊長的鄰井產量，鄰井單井平均累計增產氣量超過1 000×104m3。同時，縱向上根據不同地層壓力系統分層、分階段開發。通過密織井網、充分動用儲量，實現了焦石壩區塊頁巖氣甜點區高效“體積開發”。

目前，焦石壩區塊仍以3 500 m以淺的五峰組—龍馬溪組頁巖氣層為主，焦石壩區塊周圍其他深層區塊富有機質頁巖厚度大，TOC高、有機質孔隙發育、保存條件好，“體積開發”推廣應用前景好。

4.3 頁巖氣“體積開發”應用前景

中國發育海相、海陸過渡相和陸相3種類型富有機質頁巖（圖6）。迄今，海相頁巖氣資源較為落實，確定了四川盆地、中—上揚子地區兩大海相五峰組—龍馬溪組頁巖氣“甜點區”，落實有利面積約10×104km2，頁巖氣可采資源量為 8.82×1012m3[7,31-32]，是近期頁巖氣實施“體積開發”的主要對象。海陸過渡相頁巖氣資源量為2.37×1012m3，主要分布在華北地區石炭—二疊系和南方地區二疊系，面積為19.1×104km2，該類頁巖常與煤層、粉—細砂巖互層，橫向相變，脆性礦物含量不高，黏土礦物含量相對較高。陸相頁巖氣資源潛力較小，可采資源量為1.66×1012m3，在中國主要含油氣盆地均有分布，以中、新生界湖相沉積為主，盆地中心或埋深較大區域是潛力分布區。目前，陸相、海陸過渡相兩類頁巖氣資源尚未實現工業開采，未來開展超臨界二氧化碳、無水等新型壓裂液、壓裂方式及配套裝備攻關，有望實現“體積開發”。

圖6 中國非海相頁巖和頁巖氣有利區預測圖

5 結論

1）提出了頁巖氣“體積開發”的概念，即在不同級別含氣頁巖儲層“甜點區”“甜點段”范圍內，通過立體布井建立空間井網體系，在多水平層段分段壓裂構建人工縫網系統，以水平方向流動疊加垂向導流縫流動形成復合流動方式，促使波及范圍內的頁巖氣資源成為可開發的商業儲量，以實現更多頁巖氣資源有效動用。

2）“甜點區”綜合評價、體積開發井網優化設計、水平井鉆井和靶窗優選及軌跡設計、水平井段體積壓裂改造技術、生產制度設計與平臺式工廠化管理是頁巖氣“體積開發”的5項核心技術。

3）“體積開發”理論技術可為海相頁巖氣儲量區、陸相—海陸過渡相頁巖氣等非常規油氣資源的整體利用，提供理論依據和技術支持，具有廣闊的應用前景。

致謝：成文中得到了中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團有限公司及下屬企業的大力支持，在撰寫過程中得到了中國石油勘探開發研究院鄒才能院士、位云生、周德華、胡志明、趙群、金亦秋、于榮澤、李東暉、劉德勛、車明光、王南、王莉、程峰等同志的幫助，在此一并致謝。