工程因素對頁巖氣可采儲量的影響

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的關鍵。中外學者對包括頁巖氣開發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—水同流對產能的影響，對頁巖儲層壓裂水平井氣水兩相產能進行了分析。李慶輝等［2］在對北美Haynesville頁巖氣藏生產數據進行統計和分析的基礎上，分析工程因素對頁巖氣產量的影響。

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］引入冪律指數遞減分析方法，分析了遞減指數對產量遞減的影響。賈成業等［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量影響因素，對頁巖氣水平井產量影響因素進行了分析。石曉兵、王董東等［6-7］根據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值模擬方法分析了頁巖氣單井產量和累計產量的影響因素。

結合涪陵頁巖氣井壓裂實踐，王志剛探討了“復雜縫網+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狀，并探討了頁巖氣“井工廠”開發關鍵技術。

已有的研究從不同角度對頁巖氣開發中產能評價等進行了探索，但針對中國頁巖氣開發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，為頁巖氣開發過程中掌控好主要工程因素、 借鑒相關經驗提供參考依據。

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、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的統計分析，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）。實際生產數據表明，同1 000 m水平段的生產井相比，1 500 m水平段長的井能夠獲得更高產能。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，如井壁穩定、井簡清潔等問題會更加突出；作業風險也隨之增加，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不利于產能的發揮，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，裂縫網絡的生成不充分，不利于產能的發揮充分；高于該范圍則儲量沒有明顯增加，最優壓裂液量在3.5×104m3左右。

圖2 壓裂液量與可采儲量之間的關系

1. 3 壓裂段數的影響

壓裂段數與可采儲量關系如圖3所示。從圖3可見，壓裂段數越多可采儲量越高。但實際生產表明，壓裂段數在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。涪陵頁巖氣區塊受多期構造應力作用影響，早期發育有北東向的斷層，后期發育有北西向斷層，致使構造區斷層非常發育。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

多口井的統計數據表明，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

通過對各工程參數的相關性計算，可得出工程參數與可采儲量及相互間的相關系數，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分別為水平段長、壓裂段數、壓裂液量、距斷層距離、水平段垂深及支撐劑量等。其中有些參數相關度密切，如壓裂液量與射孔段長、壓裂段數等密切相關，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相關度為0.869，壓裂段數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，又反映出壓裂段數的多少。

表1 工程參數相關系數

通過相關性分析，根據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優選工程參數，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，作為進一步分析的參數因子。

2. 2 可采儲量預測模型的建立

涪陵頁巖氣區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為例，對工程數據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，是決定該區可采儲量的關鍵工程因素。

水平段長與壓裂規模表現為較強的正相關性，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。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因子，其結果能夠較好地反映出單井可采儲量規模，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，通過SPSS數據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工程參數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的正態分布，表明隨機誤差檢驗值遵從正態分布，回歸模型滿足正態性假設。正態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分布。對可采儲量的估算，隨生產時間的延長和生產井動態數據的不斷豐富，可采用生產動態法對可采儲量的大小進一步修正。依據勘探開發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是其中極重要的影響因素。通過對工程參數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）對同一構造區塊，地質參數相差不大時，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，最終可采規模是由地質、工程、生產制度等各種因素綜合作用的結果。各頁巖氣區具體條件的不同使各因素的影響程度也存在差異。因此，全面獲取頁巖氣區的準確資料，對各頁巖氣區進行針對性研究，才能弄清決定該區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）要充分發揮工程因素的重要作用。頁巖氣開發中工程因素具有重要的影響，鉆井和壓裂工程的優化設計、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，有利于產能的充分發揮和提高控制區儲量的有效動用程度。