周文彬,張志全,許詩婧,吳亞星,張 彬,楊樹東
(長江大學 石油工程學院,湖北 武漢 430100)
全球能源短缺和高能源價格導致對人們對頁巖氣的開發很感興趣,頁巖氣儲層的成功勘探和開發使美國多年來能夠確保以天然氣供應為主。中國頁巖氣資源被普遍認為相對比較豐富,據估計中國的頁巖氣儲量約為26×1012m3,與美國的儲量(28×1012m3)相當。
頁巖氣藏是一個自生自儲型天然氣藏。大量的頁巖氣可作為游離氣儲存在粒間孔隙和天然裂縫中,吸附在有機質和黏土顆粒表面,或溶解在干酪根和瀝青中。頁巖因其寬大的孔隙結構、孔徑分布、有機質豐度而變得開發復雜。
近年來,中國頁巖氣勘探開發取得重大突破,成為北美之外第一個實現規模化商業開發的國家。加快頁巖氣勘探開發,提高天然氣在一次能源消費中的比重,是加快建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的必由之路,也是化解環境約束、改善大氣質量、實現綠色低碳發展的有效途徑。目前除了3 500 m以淺海相頁巖氣資源得到了有效動用外,中國在海相深層、陸相、海陸過渡相等頁巖層系中存在巨量資源,隨著頁巖氣勘探開發理論技術配套成熟,未來中國頁巖氣產量將會大幅攀升。四川盆地頁巖氣勘探開發在較大程度上反映和影響未來中國頁巖氣的發展前景,加快中國頁巖氣勘探開發的發展。四川盆地一直是中國天然氣勘探開發最具潛力的區域,大型常規氣田既有2003年發現的普光氣田,也有2012年新發現的安岳龍王廟氣田。頁巖氣的成功開發,不僅可以緩解能源緊張狀況,而且可以有效調整能源供應結構,擴大油氣勘探領域。目前,世界各地掀起了一股新的頁巖氣勘探理論和技術創新浪潮,對我國頁巖氣勘探開發起到了指導作用[1]。
烴源巖是一種新的資源類型,包括頁巖油、頁巖氣、煤層氣等,它們自生自儲,主要產于烴源巖內部儲層。頁巖由細碎屑、黏土和有機質組成(直徑小于0.003 9 mm)。它是層狀或層狀層理和脆性沉積巖,即ANSI grain size standards(美國粒度標準)小于0.003 9 mm的細粒沉積巖。頁巖氣是由黑色天然氣生產的天然氣富含有機質的頁巖,或自生自儲的天然氣不斷聚集在頁巖的納米級微孔中[2]。
中國各地富含有機質的頁巖是指海相,海陸交錯相和湖泊相頁巖,主要集中在油氣中良好的頁巖烴源巖軸承盆地[3]。中國南方揚子地區海相頁巖主要為硅質頁巖(如揚子地區牛蹄塘組頁巖)、黑色頁巖、鈣質頁巖和砂質頁巖,風化后呈層狀,并且海陸交錯相頁巖主要為碳質頁巖和砂質頁巖。其中渤海灣盆地和柴達木盆地新生代湖相頁巖鈣質含量高,屬鈣質頁巖。鄂爾多斯盆地中生代湖相頁巖中石英含量較高。
目前,商用頁巖氣開發區或核心區的五大富集高產條件一般是指總有機碳超過2%的有效頁巖處于“氣窗”內、脆性礦物含量超過40%。頁巖有效厚度在30~50 m即可實現商業開發(如繼續開發,頁巖有效厚度應在30 m以上;如果不連續開發或總有機碳小于2%,總厚度應大于50 m)。北美頁巖氣產層最小有效厚度為6 m(例如Fayetteville),最大有效厚度為304 m(例如Marcellus),但核心區有效厚度超過30 m[4]。
根據北美頁巖氣勘探開發經驗、統計分析及重點試驗成果,認為有利頁巖氣及核心應該區具有4大特征和3大開發特征,見表1。

表1 頁巖氣的特征概述Tab.1 Overview of shale gas characteristics
頁巖氣主要以吸附和游離的狀態存在,賦存于頁巖及其夾層中烴類氣體。頁巖儲層通常基質孔隙度較小(圖1),一般情況都在10%以下,并且滲透率也較低,通常以納米級為主。頁巖氣開發過程中,影響頁巖氣藏產能的因素有許多,從大體上可分為靜態因素和動態因素。動態因素包括吸附作用、活脫效應以及壓裂施工后壓裂液的滯留等;靜態因素包括巖石孔隙度、頁巖儲層的厚度、頁巖儲層礦物組成以及儲層中有機質的成熟度和豐富度等[5]。

圖1 頁巖微裂縫Fig.1 Shale microfracture
頁巖氣具有“連續性”油氣聚集的特征,而與構造圈閉或地層圈閉油氣藏為代表的常規“非連續性”油氣聚集特征明顯不同。同時,頁巖氣具有7項基本特征:頁巖氣大面積連續分布;紋層及層理普遍發育;納米級有機孔隙豐富;“甜點區”與“甜點段”富集;熱成因游離氣含量決定初產高低;天然裂縫發育及超壓控制高產;水平井壓裂“人造氣藏”實現有效開發。
黑色頁巖層系油氣包括近源的致密油和氣、頁巖油和氣以及煤層氣等3種非常規油氣,致密油和頁巖油開采主要依靠游離態油的產量,致密氣、頁巖氣、煤層氣開采主要依靠游離態和吸附態的連續產出(圖2)。

圖2 油、氣資源類型及成藏模式Fig.2 Hydrocarbon types and accumulation patterns
截至目前,全國已鉆頁巖氣開發井770口,投入生產井530口,已建成頁巖氣產能100×108m3/a,探明頁巖氣儲量7 643×108m3,其中2017年產量為90×108m3,并且已經形成了蜀南和涪陵兩大頁巖氣產區[4]。
20世紀60年代以來,我國在四川盆地和鄂爾多斯盆地進行常規油氣勘探開發時,發現頁巖層中存在天然氣。1966年,威-5井在下寒武統筇竹寺組獲得日產氣量為2.46×104m3,經過酸化后,Yang-63井在上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組的日產量為3 500 m3。中國研究者從20世紀80年代開始關注頁巖氣資源,從2000年開始,研究人員就從原國土資源部油氣資源戰略咨詢中心、中國地質大學(北京)、中國石化、中石油等油氣資源中心展開調查頁巖氣地質條件及評價指標。2009年,原國土資源部啟動了“中國重要地區頁巖氣資源潛力評價及有利區帶選擇”項目,在重慶市彭水鉆第一口井“彭頁1井”進行頁巖氣資源潛力評價。2011年,原國土資源部在全國范圍內組織開展了頁巖氣資源潛力和開發潛力調查選擇其中有利區域,并向公眾公布。2012年3月1日,中國頁巖氣產量高達134.42×1012m3,其中頁巖氣可采資源量占25.08×1012m3。2011年3月,中國工程院啟動對我國非常規天然氣勘探開發進行戰略研究,得出我國頁巖氣資源可采量為10.50×1012m3,同時提出了我國頁巖氣開發利用的趨勢和路線圖(圖3)[6]。

圖3 中國頁巖氣的發展歷程Fig.3 Development history of shale gas in China
2012年4月,長寧地區的201-H1井在五峰組和龍馬溪組獲得頁巖氣日產量15×104m3,同時標志著中國頁巖氣商業化勘探取得突破性進展。2014年,中國石化首次證實了頁巖氣探明儲量為1 067.5億m3,截至2017年底,涪陵頁巖氣田累計儲量為6 000多億m3,頁巖氣產能100億m3,年產氣量60.4億m3。通過勘探開發實踐,我國學者提出了復雜構造區海相頁巖氣的“二元富集”理論,提出了“構造型甜點”和“連續型甜點”的富集模式,有利區帶和有利目標的選擇和評價程序已完善到成熟水平。初步建立了氣藏描述、產能評價、開發參數優化等技術,同時建立了以廢渣、廢液、廢氣循環利用和無害化處理為代表的清潔生產技術體系。在關鍵壓裂設備研制中,設計生產了具有自主知識產權的3000型壓裂車、研發體系、測試制造體系,制定了國產大功率壓裂機組應用標準,自主開發了裸眼封隔器、橋塞等壓裂設備,實現了工業化大生產。以涪陵頁巖氣田為例,制定了數百項技術標準和規范,授權國家專利39項,其中發明專利12項。中國在全球頁巖氣工業中得到了世界的認可和高度重視。2014年第五屆世界頁巖油氣峰會上,中國企業獲得頁巖油氣開發國際先鋒獎。2018年,“涪陵大型海相頁巖氣田高效勘探開發”項目獲國家科技進步一等獎。
四川盆地是中國四大盆地之一,位于四川省內紫色盆地,盆地總面積約為26×104km2,四周為海拔+2 000~+3 000 m的山脈和高原所環繞,北界為米倉山、大巴山,南界為大婁山,西界為青藏邊緣的大涼山、邛崍山,東界為齊岳山。四川盆地油氣勘探開發60余年,累計發現天然氣田120個,開發天然氣天110個,截至 2017 年,四川盆地累計探明五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質儲量9 210×108m3,建成了逾100×108m3產能規模;2018年實現了頁巖氣年產量90.25×108m3,中國已成為全球第三個實現頁巖氣大規模開發的國家[7]。
四川盆地是中國南方最大的含油氣盆地,是世界上最早發現油氣資源的盆地之一,也是一個典型的多期構造疊合盆地,構造上處于揚子地臺西部重要的一級單元。四川盆地為多旋回疊合盆地,具有多期構造變動和多級層次結構,因為其在震旦紀至中三疊世形成多套碳酸鹽沉積建造,縱向上構成多套完整的生儲蓋組合,具有較好的石油地質條件,從而成為我國南方海相油氣勘探最重要的地區。近些年來相繼發現的普光、龍崗、合川、新場、高石梯—磨溪等大氣田展示了四川盆地在不同層系均具有良好的油氣勘探前景。四川盆地具有古老陸殼、變質基底和沉積蓋層、基底由四個磁性巖塊(峨眉—簡陽—大足巖塊、南充—平常巖塊、開縣—三峽巖塊、石柱巖塊)的特點。隨著油氣勘探的深入、20世紀80年代“國際巖石圈計劃”、“全球地球科學斷面計劃”以及SinoProbe的實施,四川盆地地質結構研究取得了一系列的成果,四川盆地的巖石圈在縱向具有層狀結構,上地殼結構復雜,下地殼結構簡單;在橫向上存在明顯的不均一性,川中具有熱的、相對薄的巖石圈和厚的地殼,川西和川東具有厚的巖石圈和薄的地殼。同時,四川盆地邊緣板塊系統和內部板塊系統具有不同的巖石圈結構、地形和演化等,龍門山和川西前陸盆地(WSFB)、米倉山和川北前陸盆地(NSFB)、大巴山和川東北前陸盆地(NESFB)代表邊緣板塊體系,而祁連山和川東陡褶皺帶、川南大婁山和平緩褶皺帶、川西南大涼山和平緩褶皺帶代表了內部板塊體系。
我國海相頁巖發展良好,分布廣泛厚度大。包括震旦系陡山沱組(Z2)、筇竹寺組(1)、五峰—龍馬溪組(O3-S1)、龍潭組(P2)。以揚子克拉通地區為例,最好的頁巖主要分布在下寒武統、上奧陶統頂部和下志留統底部。四川盆地海相頁巖氣地質資源量為32.59×1012m3,可采資源量為6.57×1012m3,其中上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣地質資源量為26.90×1012m3,占總資源量的 84%,可采資源量為5.51×1012m3;寒武系筇竹寺組頁巖氣地質資源量為5.69×1012m3,占總資源量的 18%,可采資源量為1.06×1012m3。從分布地區來看,頁巖氣資源主要分布在川東以及川西南地區,其中五峰組—龍馬溪組的頁巖氣資源主要分布在重慶涪陵地區、彭水地區。
四川盆地沉積巖總厚度介于7 000~12 000 m。四川盆地富有基質頁巖豐富,區域性富有基質頁巖有6套,自上而下分別是:上三疊統須家河組、下侏羅統自流井組(—沙溪廟組)、上二疊統龍潭組、上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組、下寒武統筇竹寺組及上震旦統陡山沱組。其中,須家河組為陸相沉積頁巖,厚度介于20~240 m,須家河組頁巖TOC普遍較高,絕大多數樣品均大于1.0%,TOC 大于等于2.0%的優質頁巖分布范圍廣,疊合面積約占全盆地面積的66%[8];自流井組湖泊相頁巖,川中、川北和川東地區厚度為40~230 m,TOC>2%的頁巖厚度介于20~40 m[9];龍潭組有機質豐度整體較高,TOC主體大于2.0%的厚度為65 m左右,龍潭組巖性組合以泥巖、碳質泥巖為主夾薄煤層,沉積環境還控制有機質的類型,龍潭組由于沉積相差異較大,導致有機質類型較為復雜;五峰組—龍馬溪組在盆地南部、東北部、北部厚度均在300~600,TOC>2%的頁巖厚度介于80~120 m[10];筇竹寺組為黑色頁巖,有機質大量富集,TOC為0.77%~3.55%,平均1.85%[11];陡山沱組厚度介于15~120 m,總有機碳含量(TOC)大于2%的頁巖厚度介于10~70 m[12]。經過研究認為,上述6套富有機質頁巖厚度大、區域分布穩定,有機碳含量高、成熟度高(Ro>1.0%),均具有良好的頁巖氣資源前景。“五峰組”一詞由孫云鑄(1931)所命名的五峰頁巖演變而來。區域上四川盆地上奧陶統五峰組主要為深水陸棚沉積的硅質頁巖,其分布較為穩定,厚度一般在幾米到幾十米。而龍馬溪組頁巖是由尹贊勛最新命名的,其名稱源自湖北省以西宜昌市秭歸縣東南方向的龍馬溪,分布比較穩定,厚度一般在180~400 m。由于五峰組巖性和龍馬溪組頁巖較為相似且都具有較高的有機質含量,在四川盆地及邊緣地區兩者通常呈漸變整合接觸關系,所以將這兩套深水沉積的頁巖看作一整套優質的烴源巖,五峰組—龍馬溪組頁巖分布廣、厚度大、TOC高、脆性好,頁巖氣生成富集條件優越。因此五峰組—龍馬溪組是四川盆地頁巖氣最現實的勘探開發層系[13]。
四川盆地富有基質頁巖基本特征見表2。

表2 四川盆地富有基質頁巖基本特征Tab.2 Basic characteristics of matrix rich shale in Sichuan Basin
研究與實踐成果均證實,四川盆地頁巖氣資源豐富,能夠形成較好的工業產能,發展前景優于中國其他地區,是中國頁巖氣勘探開發最有利和最重要的地區。以下將采用多元回歸分析對四川盆地的產量進行預測。
最終采收率(EUR)受到很多因素的影響,其中一些因素與EUR呈線性關系,另一些因素與EUR呈非線性關系。為了全面確定EUR的關鍵控制因素,本文采用Pearson相關系數法和最大互信息系數法(Pearson-MIC)分別衡量EUR與各因素之間的線性和非線性關系[14]。
皮爾遜相關系數是應用最廣泛的關系測量標準之一,它可以測量2個隨機變量之間的線性關系,計算公式如下:
(1)
式中,Cov(x,y)為x和y的協方差;Var(x)為x的方差;Var(y)為y的方差。
相關系數絕對值越大,說明相關性越強,同時相關系數越接近1或-1,說明相關性越強。相關系數越接近0,相關性越弱。一般情況下,變量的相關強度根據以下取值范圍來判斷:0.8~1.0,相關性極強;0.6~0.8,強的相關性;0.4~0.6,中相關;0.2~0.4,弱相關;0.0~0.2,相關性極弱或無相關性。
最大互信息系數(MIC)是一種基于信息的非參數檢驗方法,用來測量兩個變量之間的線性或非線性強度。它可以表示變量之間的線性函數關系,也可以求非線性函數關系(指數函數和周期函數)。此外,它還可以表示函數關系和非函數關系,從而得到了廣泛應用。
MIC利用了互信息概念,可以用式(2)來說明:
(2)
MIC的計算公式如下:
(3)
式中,p(x)為變量的概率;p(y)為變量的概率;p(x,y)為變量和變量的聯合概率;a,b為在x和y方向上劃分的網格數,本質上是一個網格分布;C為一個變量。
MIC計算結果在0~0.1,表示完全不相關;MIC為1,表示完全相關;當MIC大于0.5時,一般認為這2個變量具有很強的相關性。
Pearson相關系數對線性關系很敏感。將MIC與Pearson相關系數進行比較,MIC比Pearson相關系數更強,不容易受到離群值的影響,可以用于檢測變量之間的潛在非線性關系。結合這2種相關性分析的優勢,采用Ma等[15]提出的Pearson-MIC綜合評價方法篩選影響頁巖氣井EUR的關鍵控制因素。
由于多元線性回歸模型的重要性,該方法已廣泛應用于經濟、石油、氣象等各行業。線性回歸是最重要的數學模型之一,它經常被用作許多其他模型的基礎,多元線性回歸是多元統計分析中的一種重要方法。該方法可用于評價各自變量對因變量的相對重要性,多元線性回歸模型可表示為:
y=α0+α1x1+… …αnxn
(4)
式中,y為因變量;α0…αn為未知參數;x1…xn為自變量。
涪陵頁巖氣田是我國首個大型頁巖氣田,地表屬山地喀斯特地貌,海拔+300~+1 000 m。為了進一步提高資源儲量動用率,實現穩產增效,涪陵頁巖氣田在焦石壩主體區塊部署了200余口加密井。頁巖氣井產能受到多種因素的影響,包括地質因素、工程因素和經濟因素。
地質因素包括儲層厚度、總有機碳量、含氣量、成熟度、基質孔滲特征、壓力系數、裂縫發育程度、埋深、脆性礦物含量、含水飽和度等。工程因素包括優質儲層的鉆井長度、壓裂段數、射孔簇數、簇間距、水平段、含砂量、壓裂液量、支撐劑用量、返排速率等。地質因素是不可控的,工程因素和經濟因素是可控的。工程因素受到地質因素和經濟因素影響。地質因素和工程因素直接影響頁巖氣井產能。
本文對涪陵地區56口頁巖氣井[16-19]的地質參數和工程參數進行了配置。選取14個地質工程因素(埋深、總有機碳量、孔隙度、壓力系數、氣體飽和度、厚度、脆性礦物含量、壓裂水平段長、壓裂段數、頁巖密度、返排率、加砂強度、總砂量、總液量)對涪陵地區EUR的關鍵控制因素進行分析,并根據統計的可用性和有效性建立EUR預測模型。
EUR和14個因子之間的線性擬合[20]如下:埋深0.028,總有機碳量0.012,孔隙度4.67×10-4,脆性礦物含量2.9×10-5,壓力系數0.044,氣體飽和度0.05,厚度0.002,總液量0.001,返排率0.001,壓裂段數0.065,壓裂水平段長0.034,總砂量0.007,頁巖密度0.016,加砂強度0.021。
EUR與14個因素間的Pearson相關系數如下:埋深0.168,總有機碳量0.107,孔隙度0.022,脆性礦物含量0.005,壓力系數0.210,氣體飽和度0.224,厚度0.042,總液量-0.038,返排率-0.029,壓裂段數0.254,壓裂水平段長0.184,總砂量0.081,頁巖密度-0.125,加砂強度0.144。選取相關系數大于0.14的影響因素。其中地質因素包括埋深、壓力系數、氣體飽和度,工程因素包括壓裂段數、壓裂水平段長、加砂強度。
EUR與14個因素的MIC相關系數如下:埋深0.56,總有機碳量0.57,孔隙度0.59,脆性礦物含量0.43,壓力系數0.05,氣體飽和度0.46,厚度0.45,總液量0.48,返排率0.50,壓裂段數0.62,壓裂水平段長0.58,頁巖密度0.48,加砂強度0.63,同時選擇了相關系數大于0.55的影響因素。其中地質因素包括埋深、總有機碳量、孔隙度,工程因素包括加砂強度、壓裂段數、壓裂水平段長。
結合Pearson-MIC綜合評價法,選取因素作為關鍵控制因素建立多元線性回歸模型如下:埋深、總有機碳量、孔隙度、加砂強度、壓裂段數、壓裂水平段長、壓力系數、氣體飽和度。
文章以涪陵區塊56口頁巖氣井為樣本、EUR為最終評價指標,設計了4個方案并驗證了訓練樣本量對回歸模型結果的影響,具體方案見表3。其中有10個測試樣本量與頁巖氣井數據相同。

表3 設計方案Tab.3 Design schemes
在進行多因素分析時,針對各指標因其自身性質和計量單位不全面而無法綜合的問題,需要進行無量綱處理。然而,采用無量綱處理,通過應用極值法(式(5))消除不同量綱的影響來處理各種因素。然后對處理后的數據進行多元回歸,建立EUR預測模型。
(5)
式中,maxxi為樣本數據的最大值;minxi為樣本數據的最小值。
通過Pearson-MIC綜合評價方法,可以得出EUR與總有機碳量、孔隙度呈非線性關系。曲線擬合后,發現EUR與總有機碳量的二次相關性比較好,y=0.106x-0.003x2-0.452,其中EUR跟孔隙度的立方相關性更好,y=-3.415+6.287x2-2.392x3+1.4。然后對總有機碳量和孔隙度進行線性變換,最后多元線性回歸分析。考慮到各因素之間的關系比較復雜,可能存在多重共線性,本文采用逐步回歸的方法來解決這個問題。這種方法的基本思想是逐步引入新的變量,如果新變量的偏回歸平方和經檢驗顯著,說明可以引入。此時,新變量被視為獨立的解釋變量,不能由其他解釋變量線性表示。否則,這意味著新變量不是獨立的,不應該被引入。
針對上文4種方案的多元線性回歸模型及擬合優度R2見表4。對每個方案的檢驗結果以及分別計算每個檢驗樣本的真值的平均相對誤差、平均絕對誤差和模型預測值,評價結果如圖4所示。

表4 多元線性回歸模型結果Tab.4 Results of multiple linear regression model

圖4 模型預測結果Fig.4 Model prediction results
通過觀察多元線性回歸得到的模型可以看出,當訓練樣本量分別為20口井和30口井時,由于數據量小,EUR與各關鍵控制因素之間的關系無法充分研究。因此,回歸模型中只考慮氣體飽和度和壓裂水平段長2個因素。當訓練樣本數量增加到40口氣井和50口井時,回歸模型中包含了3個關鍵控制因素,即壓裂段數、埋深和孔隙度。測試樣本的預測結果表明,隨著訓練樣本數量的增加,預測結果的誤差可以顯著降低,但樣本量的增加使回歸模型的擬合優度變差。當訓練樣本量小于40口氣井時,測試樣本量的平均絕對誤差和平均相對誤差都較大,無法達到理想的預測效果。當訓練樣本量增加到50口及以上時,測試樣本量的平均絕對誤差可降低到20%以下。
(1)綜合分析了涪陵區塊56口頁巖氣井的地質和工程參數。采用皮爾遜MIC綜合相關評價法確定了影響該區塊EUR的關鍵控制因素。結果表明,影響該區塊EUR值的主要地質因素包括埋深、氣體飽和度和孔隙度,工程因素包括工程因素包括加砂強度、壓裂段數、壓裂水平段長。同時,我們在對四川盆地開采頁巖氣時,可以從這些因素出發以增加頁巖氣的產量。
(2)通過引入多元線性回歸方法預測EUR,EUR總和的誤差的測試樣本(10口氣井)小于10%,當訓練樣本規模達到50口氣井,隨著訓練樣本的大小逐漸增加,EUR的總和的測試樣品會逐漸減少。結果表明,該方法可作為涪陵區塊頁巖氣井評價的良好標準,并且應用于未開發且有巨大潛力的區塊。
(3)四川盆地廣泛發育海相、海陸過渡相、陸相沉積地層,賦存多套富有機質頁巖地層,頁巖氣形成與富集條件優越,頁巖氣資源量豐富,具有良好的頁巖氣發展前景。
綜上所述,基于數據挖掘的分析方法為頁巖氣井EUR預測提供了一種思路,提高了頁巖氣井EUR預測的效率。因此,建議將多元回歸方法應用于頁巖氣井EUR預測,從而得到頁巖氣產量的預測。