頁巖氣藏地質因素敏感性分析
——以平橋區塊為例*

張莉娜，張耀祖，劉欣

(1.中國石化華東油氣分公司 勘探開發研究院，江蘇 南京 210000；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266000；3.中國石化華東油氣分公司 石油工程技術研究院，江蘇 南京 210000)

近幾年，常壓頁巖氣開發成為我國頁巖氣開發領域的熱門，四川盆地及其周圍分布的常壓頁巖氣相較于我國其他地區具有分布廣、面積大等特點。其中南川地區勝頁2井壓裂試氣獲產量30.2×104m3/d，標志著我國頁巖氣藏具有良好的開發潛力。與常規氣藏不同，頁巖氣藏大都為微納米尺度孔隙，且吸附氣含量高、壓力系數低，同時生產周期較長，在礦場中大都通過壓裂手段來提高頁巖氣的滲流能力[1,2]，從而達到較高的經濟價值[3]。頁巖氣藏開發為衰竭式開發[4-7]，在開發過程中易受各類影響因素控制，故需分析開發過程中的敏感性因素[8-13]，從而進行合理選區。

目前何希鵬等人[14，15]通過綜合地質研究指出深水陸棚相優質頁巖是頁巖氣富集的基礎，保存條件是頁巖氣富集高產的關鍵，有機孔隙發育是頁巖氣高產的重要因素。高玉巧等人[16]通過含氣量測試研究甲烷碳同位素分餾特征，認為頁巖孔隙度越大，游離氣含量越高，頁巖保存條件越好，甲烷碳同位素分餾作用就越不明顯。袁玉松[17]等人根據泥頁巖覆壓滲透率測試分析得出，處于脆性帶之上的泥頁巖，泥頁巖超固結比越大，裂縫閉合程度越差，對頁巖氣保存不利，容易導致超壓完全釋放。

但由于頁巖氣區塊多存在生產時間短、開發動態資料少等問題，現有研究對地質參數的生產影響分析仍不全面，如吸附解吸參數尚未考慮[18，19]。然而地質因素的生產敏感性分析，直接決定了選區是否具有經濟開發價值，也為認識頁巖氣井的動態規律提供理論依據。本文以平橋頁巖氣藏為研究對象，利用數值模擬軟件建立頁巖氣藏數學機理模型，進行頁巖氣滲流模擬，通過對儲層基質滲透率、吸附/解吸參數等重要地質因素進行敏感性分析，得出頁巖氣藏開發過程中的地質參數敏感性程度，為優化頁巖氣選區和制定氣井合理生產制度提供技術指導。

1 地質背景

平橋區塊地處重慶市南川區境內，屬渝黔南川頁巖氣勘查區塊，地形屬山地-丘陵地貌。構造上隸屬于川東高陡褶皺帶萬縣復向斜南部的平橋斷背斜，屬隔檔式褶皺。目的層為上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組，屬深水-半深水陸棚沉積環境，展布相對穩定。該區埋深相對較深，屬于中深層高壓頁巖氣藏，氣藏壓力25.5～58.5 MPa，主力層系厚度分布在25～48 m，平均孔隙度3.8%，且由北向南主力層物性逐漸變差。現場測試含氣量平均為2.55 m3/t，以吸附氣為主，游離氣次之。

2 數值模型的建立

根據平橋頁巖氣藏地質特征及多口試采井壓恢解釋結果，利用地質軟件PETREL建立立體復雜縫網型模型，具體參數設置見表1。由于地應力會隨頁巖氣井的開發而變化，降低基質孔隙度和滲透率，進而影響單井產能，并且地應力在整個頁巖氣井選區評價中也是一個必不可少的因素，因此將地質力學模型加入地質模型中，用于耦合預測水力裂縫情況。

表1 數值模型基礎參數

通過選用正交網格，將氣藏模型復雜程度保持最小，將模型離散化成25×13×10=3250個網格，其中X方向網格步長為80 m，Y方向網格步長為30.75 m，縱向上4 m/層。

3 敏感性分析

根據所建立的機理模型，利用數值模擬的方法，設置5組敏感性方案，每組方案的參數取值見下表2。

表2 各分析方案參數設置

3.1 儲層基質滲透率

超低的儲層基質滲透率和頁巖儲層的親水性，決定著返排液低的現狀[20-22]。在相同氣藏下，模擬不同儲層基質滲透率對應的頁巖氣井采出程度和穩產時間，其開發效果的差異性見表3。 由表3可知，隨著儲層基質滲透率的增加，氣藏采出程度、穩產時間隨之增加，尤其當儲層基質滲透率≤5×10-5mD時，二者與之有明顯的正相關性。儲層基質滲透率越小，頁巖氣藏開發過程中壓力傳播越慢，壓裂改造范圍內的壓力下降越快，穩產結束后的遞減率越高。故在進行選區時，優先考慮儲層基質滲透率≥5×10-5mD的區域。

3.2 有效厚度

根據平橋頁巖氣藏實際有效厚度的分布，模擬地層有效厚度為15 m至45 m間隔5個數值，對有效厚度進行敏感性分析，各組生產指標見表4。最終得到采出程度與油層厚度呈現線性負相關，穩產時間則與之呈現良好的正相關。結果表明氣藏厚度越大，儲層縱向上的動用程度越低，采出程度則越低，壓降隨之變緩，如圖1所示。結合壓裂工藝水平，建議優先考慮有效厚度為20～30 m范圍的儲層進行改造試氣。

表3 不同儲層基質滲透率對頁巖氣藏開發指標的影響儲層基質滲透率/mD累產氣量/×108 m3平均日產氣量/×104(m3/d)穩產時間/d采出程度/%0.0000031.122.232020.940.0000051.563.152728.17 0.0000301.723.388334.620.0000502.153.9651240.34 0.0003002.275.2178543.22 0.0005002.315.3079143.240.0030002.425.3882643.59

表4 有效厚度對頁巖氣藏開發指標的影響有效厚度/m地質儲量/×108 m3累產氣量/×108 m3平均日產氣量/×104(m3/d)穩產時間/d采出程度/%152.681.292.364548.28203.351.562.8617946.75 254.021.813.3130445.16 304.692.043.7348843.54 355.352.244.0966941.84 406.022.414.4188840.07 456.502.474.5194737.99圖1 有效厚度對頁巖氣藏壓降的影響

3.3 地層壓力系數

壓力系數決定原始地層壓力的大小，壓力增大有利于增強頁巖氣的封存性，提高氣藏的儲量[23，24]。改變原始地層壓力，分析壓力系數對頁巖氣井生產的影響。由表5生產指標結果可以看出，隨著壓力系數的增加，氣藏地質儲量增加，穩產期明顯增長，采出程度增加，生產結束時的地層中部壓力高。當壓力系數≥1.2后，累產氣量隨壓力的增加程度降低，初期壓降差異減小(見圖2)，故可優先改造高壓區域。

表5 地層壓力系數對頁巖氣藏開發指標的影響壓力系數地質儲量/×108 m3累產氣量/×108 m3平均日產氣量/×104( m3/d)穩產時間/d采出程度/%0.83.831.192.18531.241.04.401.582.8813035.82 1.24.911.963.5737039.49 1.45.352.244.0966941.84 1.65.742.464.5099042.89 1.86.092.654.83131043.44 2.06.402.775.06165643.34圖2 地層壓力系數對頁巖氣藏壓降的影響

3.4 吸附/解吸參數

改變Langmuir參數，分析蘭氏體積、蘭氏壓力對頁巖氣開發趨勢的影響[25]，開發指標見表6、表7。可知：蘭氏體積對地質儲量、采出程度有影響，對累產氣量、穩產期的影響較小；地質儲量、累產量、穩產時間與蘭氏體積均呈正比，采出程度與之成反比，當蘭氏體積≥2 cm3/g時，采出程度隨蘭氏體積的增加呈線性減小。由蘭氏壓力的模擬結果可知，該參數對氣藏開發指標的影響微弱。采出程度、穩產時間與蘭氏壓力有微弱的線性正相關關系，地質儲量與之呈負相關性。

因為吸附/解吸參數主要改變吸附氣的儲量，頁巖氣井穩產期主要受自由氣儲量影響，故生產初期的穩產時間對吸附/解吸參數的敏感性弱一些。

表6 蘭氏體積對頁巖氣藏開發指標的影響蘭氏體積/(cm3/g)地質儲量/×108m3累產氣量/×108m3平均日產氣量/×104(m3/d)穩產時間/d采出程度/%1.54.312.053.7647747.652.54.452.073.8049246.403.55.352.183.8951240.34 4.55.912.304.1755039.085.56.402.304.2156136.17 6.56.932.324.2458833.37 7.57.472.354.4060231.52 表7 蘭氏壓力對頁巖氣藏開發指標的影響蘭氏壓力/MPa地質儲量/×108m3累產氣量/×108m3平均日產氣量/×104(m3/d)穩產時間/d采出程度/%35.462.163.7847640.2445.452.183.8049140.8555.382.193.9150341.2265.352.203.8951441.7975.322.214.0857941.9885.272.234.0961942.38 95.222.22 4.1062542.86

基于上述單因素模擬結果，選取儲層基質滲透率、有效厚度、地層壓力系數等對頁巖氣井采出程度影響較明顯的三個因素，采用正交設計，進行多因素多水平分析。根據考慮頁巖氣井采出程度的正交設計表，計算三個因素不同取值下的方差均值，進而得到表征各因素敏感程度的極差，見表8。儲層基質滲透率、有效厚度、壓力系數的極差分別為：4.12 mD、1.056 m、3.481。結合單因素敏感性結果可知，各參數敏感因子從大到小依次為：儲層基質滲透率、壓力系數、有效厚度、蘭氏體積、蘭氏壓力。

表8 考慮頁巖氣井采出程度的正交設計表

4 模型驗證及應用

根據平橋區塊礦場資料顯示，該文參數取值符合該區實際情況，同時對已試氣、試采井進行地質對比、生產評價，得出對平橋區塊地質參數敏感性分析的結論符合該區頁巖氣井生產規律。

P1HF、P2HF、P3HF、P4HF四口井在平面上自西向東分布，東部近斷層，儲層基質滲透率依次增大，其余屬性相近，其中P4HF天然裂縫最發育，在礦場試采6個月后，獲得最高平均日產氣量為12.6×104m3/d(P1HF最低，為3.8×104m3/d)，日均壓降最小，為0.14 MPa(P1HF最高，為0.5 MPa)。驗證了儲層基質滲透率對平橋區塊頁巖氣初期開發效果的顯著影響。

P11HF、P12HF、P13HF三口井在平面上自南向北分布，儲層有效厚度、地層滲透率等參數基本一致，從北向南地層壓力系數逐漸增加，P11HF、P12HF、P13HF的壓力系數分別為：0.96、1.03、1.12，這三口井放噴測試獲得的產能評價分別為：7.6×104m3/d、11.2×104m3/d、16.1×104m3/d。證明地層壓力系數對于采收率有提高效果。

5 結論

(1)本文基于平橋頁巖氣工區，通過數值模擬研究，得到實際礦場中頁巖氣藏的地質儲量與儲層有效厚度、地層壓力系數和蘭氏體積成正相關關系，與蘭氏壓力成負相關關系。

(2)結合對地質因素敏感性分析以及考慮各類開發指標，得出評價頁巖氣藏最佳的地質參數值為：當儲層基質滲透率≥5×10-5mD，地層壓力系數越大越有利，同時當儲層厚度為20～30 m范圍時，與頁巖氣藏壓裂工藝匹配度高，具有較好的壓裂效果。

(3)研究表明儲層基質滲透率、壓力系數是頁巖氣井選區不可忽略的兩個因素，對頁巖氣藏開發的影響最大。各參數敏感因子從大到小依次為：儲層基質滲透率、壓力系數、有效厚度、蘭氏體積、蘭氏壓力。