窄河道致密砂巖氣藏高效開發技術
——以川西地區中江氣田中侏羅統沙溪廟組氣藏為例

段永明 曾 焱 劉成川 陳 俊 畢有益 劉 斌

1. 中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院 2. 中國石化西南油氣分公司 3. 中國石化西南油氣分公司工程技術研究院

0 引言

四川盆地川西坳陷中江氣田中侏羅統沙溪廟組氣藏是一個以三角洲平原—前緣分流河道砂沉積為主的致密砂巖氣藏。該氣藏勘探開發始于1995年，至2011年歷經了三輪次勘探開發，但都未能實現有效建產。2012年中國石化西南油氣分公司（以下簡稱西南分公司）轉變了開發評價思路，變直井為水平井，并且開展了水平井分段壓裂試驗，氣井單井產量得以提高，從而拉開了該氣藏規模開發的序幕。但是，由于受到窄河道砂儲層預測精度低、氣水分布關系復雜及儲層改造工藝技術不適應等的制約，致使該氣藏增儲上產目標不明確、產能不落實。截至2013年，中江氣田沙溪廟組氣藏的開發依舊未能突破效益關。針對上述難題，通過開展河道砂的精細刻畫和儲層的精準預測，深入研究了該氣藏天然氣富集高產規律，并提出了立體開發技術對策，結合水平井優快鉆井及分段壓裂改造，于2019年將中江氣田建設成為年產氣量超過10×108m3的川西地區陸相第二大氣田。為此，筆者總結梳理了適用于窄河道致密砂巖氣藏高效開發的系列技術，以期為國內外同類型氣藏的開發提供借鑒。

1 高效開發面臨的難點

中江氣田構造復雜，平面上河道數量多（113條），單河道寬度窄（介于300～1 000 m）且延伸長（介于10～35 km）；縱向上劃分為2個段、3個亞段、11套砂組、18套砂體，將上沙溪廟組劃分為8套砂組，從上到下依次命名為J2s11—J2s14、J2s21—J2s24，將下沙溪廟組劃分為3套砂組，從上到下依次命名為儲層致密，平均孔隙度為8.66%，平均滲透率為0.21 mD，儲層厚度薄，介于5～30 m，砂體含氣性差異大，氣水分布關系復雜，壓力系數高（介于1.4～1.9）[1-4]。該氣藏的高效開發面臨以下四大難點。

1.1 天然氣富集高產規律不明，增儲上產目標不落實

已有研究表明，當斷裂和砂體在空間上形成有效配合時可以構成油氣疏導體系[5-6]。由于中江氣田沙溪廟組氣藏斷裂復雜，斷層有效性分析難度大；同時，該氣藏斷層與砂體的配置關系復雜多樣，既有同向又有異向，既有錯開又有連接，斷砂配置有利關系分析難度大；河道數量多，構造高低部位及近斷層區域均有產水井，尋找天然氣富集高產區的難度大。

1.2 儲層厚度薄且河道多期疊置，河道砂體的精細刻畫及儲層定量精準預測面臨巨大挑戰

中江氣田沙溪廟組氣藏沉積水體相對較深，河道砂厚度薄，多以細長的條帶狀展布為特征，河道數量眾多，多流向，交錯疊置現象普遍，沉積規律復雜，無明顯的區域標志層。且河道砂儲層厚度薄與圍巖波阻抗疊置較為嚴重，地球物理特征隱蔽，河道砂精細刻畫及儲層精準預測難度大。

1.3 河道砂體交錯疊置，儲層非均質性強，儲量動用程度和單井產能提升難度大

氣藏復雜的沉積特征及強烈的非均質性，使得同一河道不同區域含氣性差異大，產能差異大，如何使氣藏儲量動用程度和單井產能最大化面臨挑戰。

1.4 鉆井周期長、壓裂改造施工難度大，單井增產效果不理想

該氣藏地層壓力高，巖石可鉆性及井壁穩定性差，鉆井周期長（水平井平均為101 d，直井平均為34 d），鉆井成本高。由于地層破裂壓力高（地層破裂壓力梯度大于3.7 MPa/m），儲層壓裂改造成功率低，單井增產效果不理想。

2 高效開發關鍵技術

2.1 巖性氣藏目標處理技術

2.1.1 巖性氣藏三維地震資料高保真處理技術

川西地區自然地理和地質環境條件復雜，導致地震采集記錄中存在多種類型的干擾波，激發能量弱、原始記錄主頻偏低，地震資料品質受到嚴重影響，地震資料分辨率低，儲層地震響應特征不明顯，導致薄層識別符合率低。針對中江氣田沙溪廟組氣藏疊置河道期次多、砂體縱橫向變化快、儲層厚度薄且非均質性強、儲層預測結果多解性高的難題，在以“保持可靠振幅相對變化、突出含氣砂體地震響應特征”為特色的地震資料高保真及高分辨目標處理思路的指導下，通過基于波動方程的模型法自適應地滾波衰減技術、分頻去噪技術、保持AVO屬性的道集拉平技術、角度域反拉伸畸變技術、高密度Q體補償技術、基于小波變換的Q體剩余補償技術等特色技術的應用研究，創建了巖性氣藏三維地震資料目標處理關鍵技術及實施流程，實現了中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏地震資料高效高品質處理，為河道砂的邊界識別、分期次刻畫及儲層精細定量描述奠定了基礎。

圖1為中江氣田沙溪廟組氣藏過X1井—X3井三維地震資料高保真處理成果剖面，可以看出，地震資料信噪比高、分辨率較高、保真度高，反射相位連續性好，地震反射波能量與頻率一致性好，反射層波組特征清晰，偏移成像歸位合理，含氣砂體（組）地震響應特征清晰。

2.1.2 基于諧波準則恢復弱勢信號拓頻技術

基于諧波準則恢復弱勢信號的頻帶拓寬技術（以下簡稱BBI技術）采用連續小波變換，把信號分解為基頻信號，利用諧波準則來計算基頻信號的諧波和次諧波，進而加入原信號的小波譜，然后對新小波譜進行反變換實現信號的寬頻成像，從而達到提高地震資料分辨率的目的。BBI技術可以在大幅度提高地震資料分辨率的同時保證資料的可靠性，采用該技術能夠處理低信噪比的資料，且處理結果只與資料有效頻帶的信噪比相關。

圖2是對疊后地震資料做了反Q濾波高分辨處理和BBI技術處理后剖面及頻譜對比，可見采用BBI技術處理后的地震分辨率要高于反Q濾波，復合波被明顯區分開，復合波形間出現2～3個同向軸，很多薄砂體反射特征被分辨出來；同時保持了較高的信噪比，能量保持均衡，沒有出現局部強能量，淺層沒有出現高頻振蕩現象；整個剖面的波組特征保持較好，剖面中連續層位更清晰。

應用BBI技術使地震預測的儲層分辨率明顯提高，儲層空間展布刻畫更加精細，有利于對疊置河道砂體進行精細劈分，從而使井位部署的風險降低。

2.2 窄河道砂體多域多屬性精細刻畫技術

準確刻畫河道砂體的空間展布是中江氣田沙溪廟組氣藏高效開發的前提。為此，西南分公司積極開展技術攻關，創新形成了窄河道砂體多域多屬性精細刻畫技術，實現了對中江氣田沙溪廟組氣藏11套砂組、18套砂體、113條分流河道的精細刻畫，為該氣藏高效滾動開發奠定了基礎。

圖1 過X1井—X3井三維地震資料高保真處理成果剖面圖

圖2 過A1井原始剖面、反Q濾波和BBI處理剖面對比圖

疊置河道砂體分期次刻畫是制約中江氣田致密砂巖氣藏實現高效開發的技術瓶頸，基于河道砂體疊置樣式正演和地震響應特征分析，通過采用各向異性去噪、小波子體分頻及時頻域頻變能量融合表征技術，對河道外形及內幕的刻畫取得了突破。在此基礎上，結合地震三維可視化及子體追蹤技術，實現了中江氣田沙溪廟組氣藏疊置河道砂體復合相位或單相位內3期以上河道砂體的刻畫與期次區分[7-8]。

圖3為中江氣田J2s21砂組多期次河道砂體疊置地震剖面響應特征以及平面上相互交叉疊置展布形態及刻畫結果，高分辨率地震剖面上發現，多期次河道砂體交錯疊置，這些地震反射響應時窗在一個至一個半相位內疊置的河道砂體（圖3-a），進行常規的剖面追蹤來拾取砂體的難度大，基于體屬性的空間刻畫及分頻能量融合技術可以提高河道分期次刻畫效率及精度。首先，針對河道砂體開展體分頻頻變能量融合，確定4條主要河道砂體的平面展布特征（圖3-b）；接著，針對每一條河道砂體開展三維子體刻畫，利用不同顏色進行區分（如圖3-c），實現多期次交叉疊置的①、②、③、④號河道在空間上的剝離；在此基礎上，多期次河道砂體時間構造上的分布位置也能揭示其沉積期次，晚期沉積的河道砂體埋深淺，其中①、④號河道砂體埋深淺，②號河道砂體埋藏最深，③號河道砂體埋深居中，總體分為3期河道，其中②號河道為最早期河道，③號河道為中期河道，①、④號河道為晚期河道。利用河道砂體的平面展布特征、單河道砂子體刻畫、縱向相對位置刻畫結合高分辨率地震剖面，多期、相互交叉疊置的河道砂體空間展布特征刻畫效果較好，且各條河道砂體的沉積時間順序也非常清晰。

2.3 巖相、物相、流體相“三相”定量預測技術

現有的疊前反演技術是通過分析地震振幅隨著偏移距變化（AVO）的信息反推地下巖層的彈性信息。在實際工作中，一般都是先將偏移距域的地震數據轉換到角度域，然后根據角度域的Zoeppritz方程進行振幅信息的計算。盡管Zoeppritz方程經過幾十年的發展得到了較大改進，但依舊存在由于地層的速度信息求取較困難而導致反演結果可信度降低且存在多解性的問題。為了解決上述問題，將地震數據從偏移距域轉換到射線參數域進行反演（AVP），把射線參數引入到Zoeppritz方程中，使變量從之前的4個參數增加到5個參數（增加的參數為縱波速度），進而求得速度絕對值，實現了對速度信息的無約束反演。該反演方法即可以降低反演計算結果的多解性，又可以提高反演計算結果精度。

將射線參數域的改進三參數反演方法與地質統計學反演方法相結合，實現了薄層巖相、物相高精度定量預測，可以識別厚度介于5～8 m的河道砂體，巖性預測吻合率接近100%，預測的儲層厚度、孔隙度誤差均低于10%。

2.4 天然氣富集高產區優選技術

曾焱等[9]、黎華繼等[10]對中江氣田沙溪廟組氣藏古今構造特征、斷砂配置、河道砂儲層展布特征等因素與氣井產能特征進行了相關性分析，發現該氣藏構造對油氣富集具有控制作用，且古構造是關鍵控制因素，有效斷砂配置是油氣井獲產的前提條件，儲層物性好壞是決定氣井高產、穩產的關鍵因素；提出“有效斷砂配置+優勢古構造+優質儲層”“有效斷砂配置+優勢古構造+物性封堵+優質儲層”是該氣藏的兩種天然氣富集高產模式。在此基礎上，形成了河道砂天然氣富集高產區優選技術，通過尋找能夠形成烴源巖斷層與河道砂有效搭配的區域，且區域位置與斷裂保持一定距離（介于5～25 km），古今構造均高或者古構造高、今構造低，同時儲層物性好，則在滿足上述條件的區域有望獲得氣井高產、穩產。

2.5 強非均質性、窄河道致密砂巖氣藏立體開發技術

中江氣田沙溪廟組氣藏河道窄，82%的河道寬度介于400～600 m，儲層非均質性強，由于河道在平面上交錯疊置，直井產能低，如何提高儲量動用程度實現氣藏的高效開發面臨巨大的挑戰。

2.5.1 井組立體部署技術

中江氣田沙溪廟組氣藏位于川西地區經濟發達的城市群周邊，土地資源日漸稀缺，高效利用井場尤為重要。根據地面條件、河道砂展布特征及其疊置程度，創新性地提出了地面地下一體化的“一場多井、一井多層”立體部署思路：平面上，根據河道砂體形態及地面條件，形成了“一”字形、“Y”形、“X”形、“V”形等形式的井組；縱向上，根據砂體疊置情況，開展“多層位、多井型”井組優化設計（圖4）。通過采用井組立體部署技術，累計節約投資近3億元，實現了有利河道評價快速化、成本最小化及儲量動用程度最大化。

2.5.2 井型優選技術

根據川西地區致密砂巖氣藏開發實踐，針對不同滲透性砂巖儲層推薦了合理的井型（表1）[11-13]。當儲層滲透率介于0.1～1.0 mD時，合理井型為水平井；若儲層滲透率大于1.0 mD，推薦采用直井。

圖4 中江氣田沙溪廟組氣藏井組立體部署圖

表1 川西地區致密砂巖氣藏合理井型推薦表

2.5.3 水平井優化設計技術

以中江氣田沙溪廟組氣藏儲層類型為主評價因子，結合河道寬度、儲層厚度與滲透率將該氣藏河道類型劃分為寬厚低滲型、窄薄致密型及高含水致密型3個類型、6個類別（表2）。由于采用水平井開發致密砂巖氣藏是提升該類型氣藏開發效果的重要技術手段[14]，因此，基于窄河道砂巖儲層地質特征，采用氣藏數值模擬技術，對水平井位置、水平段方位與長度進行了優化研究，以實現井控儲量最大化、經濟效益最優化。

研究結果表明，中江氣田沙溪廟組氣藏的優質儲層一般分布于河道中心部位，儲層物性由中心部位向邊部明顯變差，當水平井軌跡位于河道中心部位時其開發效果明顯優于軌跡位于邊部的水平井，且越偏離河道中心部位，氣井產量越低，因此，設計的水平井軌跡應位于河道中心部位且沿著河道方向延伸。當受到地面條件限制時，水平井也應當盡量部署在距離河道中心50～100 m范圍內。

表2 中江氣田沙溪廟組氣藏主力河道類型劃分表

水平段長度是影響水平井單井控制儲量與產量的主要因素。通常，水平段越長，單井產量也越大。但是，水平井產量與水平段長度雖呈正相關關系，但并非線性關系，而是隨水平段長度的增加，產量增長幅度逐漸變小，同時，水平段越長，鉆完井作業的風險也將增大。因此，針對窄河道、致密砂巖氣藏的地質特征，考慮目前的鉆完井工藝技術水平，采用氣藏數值模擬技術對不同類型河道中水平井段的長度進行優化。如圖5所示，隨著水平井段長度增加，水平井無阻流量（qAOF）逐漸增大，但增幅越來越小。不同類別河道水平井的合理水平段長度也略有不同，Ⅰ-A類河道中水平井段的合理長度介于900～1 000 m，Ⅰ-B、Ⅱ-A類河道中水平井段的合理長度則介于1 000～1 100 m。可以看出，對于寬度窄、儲層物性差的河道可以通過適當增加水平段長度來提高單井產量。

2.6 水平井優快鉆井技術及地質工程一體化壓裂改造技術

2.6.1 深度域水平井軌跡實時精準控制技術

高砂體鉆遇率及高儲層鉆遇率是水平井獲產的關鍵因素之一，為實現高砂體及高儲層的鉆遇率，通過高精度時深轉換，建立了深度域水平井軌跡精確控制技術，實現了水平井軌跡的精準控制，經實鉆資料證實，儲層深度預測值的誤差小于5 m。通過該技術的運用，實現了中江氣田沙溪廟組氣藏120余口水平井的平均砂體鉆遇率達95%，儲層鉆遇率達85%。

圖5 中江氣田沙溪廟組氣藏不同類型河道氣井qAOF、qAOF增量與水平段長度關系曲線圖

2.6.2 水平井優快鉆井技術

隨著對中江氣田沙溪廟組氣藏地質認識的逐漸深入，對水平井井身結構進行了三輪持續優化，形成了二開尾管懸掛不回接井身結構，并通過室內試驗進行了高鉆壓鉆井參數的優化，針對關鍵層位提高鉆井液密度低限及增大核心材料加量，結合鉀氨基防塌鉆井液的使用，實現了該氣藏水平井的優快鉆進，平均鉆井周期由101 d下降到54 d。

2.6.3 地質工程一體化分段壓裂改造技術

基于中江氣田沙溪廟組氣藏致密砂巖儲層的非均質展布特征，建立了單井三維地質模型[15-16]，在此基礎上進行非對稱立體壓裂優化設計，即依據砂體的平面展布和縱向疊置特征，進行人工裂縫縫長和縫高的設計，以實現對儲量的充分控制；為提高支撐裂縫的有效性，形成了“脈沖加砂、纖維固砂”為核心的柱塞式纖維加砂壓裂技術；通過HY341封隔器的自主研發、K344封隔器的引進及分段工具尺寸優化，具備了可以形成12段24～36縫的水平井分段壓裂技術；同時，為了實現壓裂液快速返排及儲層低傷害的目標，形成了考慮壓裂液動態濾失的水平井分段壓裂高效返排工藝技術。通過采用地質工程一體化水平井分段壓裂技術，單井測試產氣量穩步提升，2013—2019年間單井平均測試產氣量（7.082×104m3/d）較2012年以前單井平均測試產氣量（0.599×104m3/d）提高10.8倍，成為中江氣田沙溪廟組氣藏高效開發的關鍵技術。

3 結束語

中江氣田沙溪廟組氣藏規模雖然不大，但極其復雜。通過勘探開發的聯合攻關，實現了對窄河道薄砂巖儲層的精細刻畫；深入研究了該致密砂巖氣藏天然氣的富集高產規律，以指導評價選區；統籌兼顧，科學設計，形成了復雜窄河道致密砂巖氣藏立體開發技術；通過工藝技術的革新，形成了地質工程一體化水平井優快鉆井及精細壓裂改造技術。上述系列技術助力中江氣田建設成為年產氣量超過10×108m3的川西地區陸相第二大氣田，所取得的研究成果可以為同類型氣藏的高效開發提供有益的借鑒。