周德華,何希鵬, 張培先

1.中國石化 油田勘探開發(fā)事業(yè)部,北京 100728;2.中國石化 華東油氣分公司,南京 210019;3.中國石化 華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院,南京 210019

“十二五”以來,通過深化基礎(chǔ)研究,創(chuàng)新工程工藝技術(shù),加大勘探開發(fā)力度,中國南方海相頁巖氣發(fā)展迅猛[1-10],相繼發(fā)現(xiàn)了以涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、威榮及綦江等為代表的高壓頁巖氣田(地層壓力系數(shù)1.3～2.0)和以南川及白馬等為代表的常壓頁巖氣田(地層壓力系數(shù)1.0～1.3)[10-13]。2022年,中國累計提交頁巖氣探明儲量超2.9×1012m3(常壓頁巖氣占比約20%),年產(chǎn)氣量超240×108m3(常壓頁巖氣占比約15%),實(shí)現(xiàn)了儲量、產(chǎn)量雙增長。目前,頁巖氣儲量、產(chǎn)量大部分來自高壓頁巖氣田,但常壓頁巖氣儲量、產(chǎn)量呈逐年上升趨勢。

渝東南地區(qū)處于四川盆地東南緣向武陵褶皺帶過渡的盆緣轉(zhuǎn)換帶[12-15],上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育常壓、高壓兩種類型頁巖氣藏。渝東南地區(qū)處于深水陸棚相,常壓頁巖氣與高壓頁巖氣生烴物質(zhì)基礎(chǔ)基本相當(dāng),但在后期構(gòu)造改造過程中,常壓頁巖氣遭受的破壞程度更大,在儲層、構(gòu)造、壓力體系與賦存狀態(tài)、地應(yīng)力場等地質(zhì)特征方面與高壓頁巖氣具有典型差異性。地質(zhì)差異性決定了兩者在富集高產(chǎn)主控因素、鉆井工程及壓裂工藝等方面需要針對性的研究方法和對策。經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐,高壓頁巖氣形成了較為系統(tǒng)的地質(zhì)理論和關(guān)鍵技術(shù)[1-9],但常壓頁巖氣仍然面臨形成機(jī)理不清、富集規(guī)律認(rèn)識膚淺,滲流機(jī)理不明、效益開發(fā)技術(shù)政策尚未建立,中淺層縫洞發(fā)育、鉆井提速難度大,地應(yīng)力場復(fù)雜、高效壓裂技術(shù)體系尚未形成等難題,高壓頁巖氣的地質(zhì)理論和工程工藝技術(shù)能否適應(yīng)于常壓頁巖氣,需要深入開展對比分析研究,從而明確常壓頁巖氣效益開發(fā)對策,助力常壓頁巖氣實(shí)現(xiàn)效益動用。

通過開展區(qū)域地質(zhì)、鉆井巖心、實(shí)驗(yàn)分析、測井評價及生產(chǎn)動態(tài)等綜合研究,結(jié)合勘探開發(fā)實(shí)踐,深入分析常壓與高壓頁巖氣在地質(zhì)特征、成藏富集規(guī)律及生產(chǎn)特征等方面的典型差異,明確深化基礎(chǔ)研究引領(lǐng)效益開發(fā)、建立合適的開發(fā)技術(shù)政策助力效益開發(fā)、加大工程工藝創(chuàng)新力度及打造高效組織運(yùn)行模式是實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣效益開發(fā)的重要途徑。常壓頁巖氣與高壓頁巖氣典型差異性分析旨在進(jìn)一步提高認(rèn)識,互融互學(xué),更好地指導(dǎo)常壓頁巖氣勘探開發(fā),提高效益開發(fā)水平。

1 地質(zhì)背景

渝東南地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造,主要受燕山早期北西向擠壓抬升和燕山中晚期南北向壓扭走滑的影響,形成了現(xiàn)今“東西分帶、南北分塊”構(gòu)造格局[8-9](圖1)。晚奧陶世—早志留世,受全球性海侵事件影響,渝東南地區(qū)處于深水陸棚相帶,五峰組—龍馬溪組下部沉積了一套區(qū)域性分布的富碳富硅富筆石頁巖,具有較好的頁巖氣成藏條件。

圖1 渝東南地區(qū)研究區(qū)位置、地層分布(a)與地層綜合柱狀圖(b)

渝東南以齊岳山斷裂為界,斷裂以東五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件相對較差,為常壓頁巖氣;斷裂以西五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件較好,常壓頁巖氣與高壓頁巖氣并存,是當(dāng)前頁巖氣開發(fā)的主陣地。自東向西,構(gòu)造逐漸減弱、抬升逐漸變晚、保存逐漸變好,渝東南五峰組—龍馬溪組地層壓力系數(shù)由0.9逐漸增大至1.5[5-13],由常壓頁巖氣過渡為高壓頁巖氣。

2 地質(zhì)特征差異性

常壓頁巖氣與高壓頁巖氣具有相似的沉積背景,從基本地質(zhì)條件及富集規(guī)律等方面,開展常壓、高壓頁巖氣地質(zhì)特征對比研究,明確了兩者在地質(zhì)特征方面的典型差異性。

2.1 基本地質(zhì)條件

以渝東南地區(qū)涪陵高壓頁巖氣和南川—武隆常壓頁巖氣為代表,深化頁巖氣地質(zhì)特征研究,總結(jié)常壓頁巖氣與高壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn),從頁巖沉積、儲集、構(gòu)造、保存與賦存特征及地應(yīng)力場等方面,開展地質(zhì)特征對比研究和差異性分析(表1),明確了常壓頁巖氣優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較薄,孔隙度較低,有機(jī)質(zhì)孔小而密;構(gòu)造復(fù)雜,抬升幅度大,埋深適中;保存條件較差,頁巖吸附氣占比高;地應(yīng)力適中但兩向水平應(yīng)力差異系數(shù)較大的典型地質(zhì)特點(diǎn)。受多期構(gòu)造改造及差異性抬升影響,常壓頁巖氣形成機(jī)理復(fù)雜,結(jié)合勘探開發(fā)實(shí)踐,明確常壓頁巖氣富集高產(chǎn)受沉積相帶、保存條件及地應(yīng)力場控制。

表1 渝東南地區(qū)常壓與高壓頁巖氣地質(zhì)特征對比

2.1.1 沉積特征

晚奧陶世—早志留世,渝東南地區(qū)處于川中古隆起、雪峰隆起及黔中古隆起夾持的深水陸棚相沉積環(huán)境[6-8],五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖TOC含量、脆性礦物含量、孔隙度及含氣量均較高,具有良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)。受沉積微相影響,由北往南、自西向東水體逐漸變淺,優(yōu)質(zhì)頁巖厚度逐漸減薄、有機(jī)質(zhì)豐度有所降低。彭水—南川等常壓區(qū)處于深水陸棚相沉積中心邊緣區(qū)(圖2),優(yōu)質(zhì)頁巖厚24～35m,TOC 含量為3.0%～3.3%,涪陵等盆內(nèi)高壓區(qū)處于深水陸棚相沉積中心,優(yōu)質(zhì)頁巖厚38～45 m,TOC含量為 3.5%～4.0%。常壓頁巖氣與高壓頁巖氣均具有良好的生烴條件,但高壓頁巖氣生烴條件相對更優(yōu)。

圖2 渝東南上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積剖面示意

2.1.2 儲集特征

五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育以微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔和無機(jī)孔為主要孔縫系統(tǒng)的儲集空間。從盆外常壓區(qū)到盆緣常壓區(qū)再到盆內(nèi)高壓區(qū),頁巖微裂縫發(fā)生規(guī)律性變化。通過巖心觀察和FMI成像測井分析,自東向西優(yōu)質(zhì)頁巖裂縫發(fā)育程度和規(guī)模逐漸減小[14-17],盆外常壓區(qū)水平縫較發(fā)育(50層/m),高角度縫約3條/m,五峰組見明顯的滑脫揉皺,盆緣常壓區(qū)構(gòu)造縫密度明顯減少,約1.9條/m,五峰組滑脫揉皺僅厚0.1 m,盆內(nèi)高壓區(qū)構(gòu)造縫及層理縫發(fā)育程度進(jìn)一步減少。常壓區(qū)頁巖孔隙度一般為3.5%～5.0%(圖3),有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育但以小孔為主[9-11,18],呈棱角狀(圖4)。高壓區(qū)頁巖孔隙度一般為4%～6%,有機(jī)質(zhì)孔的大孔徑占比有所升高,圓度較高(圖4)。

圖3 渝東南常壓區(qū)與高壓區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段綜合對比

圖4 渝東南常壓區(qū)與高壓區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔氬離子拋光掃描電鏡照片

2.1.3 構(gòu)造特征

渝東南地區(qū)自彭水桑柘坪到南川平橋再到涪陵焦石壩,構(gòu)造具有遞進(jìn)變形特征,構(gòu)造樣式由沖斷構(gòu)造帶逐漸過渡到斷彎—斷展構(gòu)造帶,再逐漸過渡到滑脫變形帶(圖5)。主要受兩期構(gòu)造作用影響,燕山早期在擠壓作用下形成了焦石壩、平橋、東勝、武隆等北東向構(gòu)造,燕山中晚期在擠壓和走滑作用下形成了陽春溝、道真等近南北向構(gòu)造。不同構(gòu)造帶地層產(chǎn)狀、斷裂發(fā)育情況存有較大差異。常壓頁巖氣主要處于盆緣斜坡區(qū)及盆外殘留區(qū),構(gòu)造抬升較早(距今120～100 Ma),改造較強(qiáng)烈,地層產(chǎn)狀較陡(20°～40°)且變化快,埋深適中(以小于3 500 m為主)。高壓頁巖氣主要處于盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū),構(gòu)造抬升較晚(距今80 Ma),改造較弱,地層產(chǎn)狀相對平緩(5°～15°),埋深變化大(2 500～5 500 m)。

圖5 渝東南常壓區(qū)與高壓區(qū)構(gòu)造地質(zhì)剖面示意

2.1.4 保存與賦存特征

影響頁巖氣保存條件的因素較多,主要是構(gòu)造演化、構(gòu)造樣式、生排烴、頂?shù)装宸馍w性及頁巖非均質(zhì)性等多因素耦合作用的結(jié)果,通常用地層壓力系數(shù)大小評價保存條件好壞,而保存條件的好壞決定了頁巖含氣量的高低及不同的氣體賦存方式。地層壓力系數(shù)越大,含氣量越高,游離氣占比越高。沖斷構(gòu)造帶為基底逆沖,改造作用強(qiáng),保存條件遭受破壞;斷彎及斷展構(gòu)造帶地應(yīng)力適當(dāng)釋放,縫網(wǎng)發(fā)育,斷層封閉性好,保存條件較好;滑脫變形帶構(gòu)造改造弱,保存條件最好,但埋深及地應(yīng)力大,壓裂改造難度較大。渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)頁巖地層壓力系數(shù)具有自東向西、由南往北逐漸增大的變化規(guī)律。常壓頁巖氣地層壓力系數(shù)一般為0.9～1.3,含氣量為2.0～5.0 m3/t(圖3),吸附氣占比較高(40%～80%),單井產(chǎn)量一般低于10×104m3。高壓頁巖氣地層壓力系數(shù)大于1.3,含氣量為4.0～8.0 m3/t,吸附氣占比較低(25%～40%),單井產(chǎn)量一般大于10×104m3,最高可達(dá)89.5×104m3。

2.1.5 地應(yīng)力場特征

渝東南地區(qū)受強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓及抬升作用影響,不同構(gòu)造帶地應(yīng)力場特征差異明顯。一般而言,構(gòu)造改造越強(qiáng)、抬升幅度越大、地應(yīng)力相對越小。常壓頁巖氣地應(yīng)力較小,為40～80 MPa,但兩向水平應(yīng)力差較大,一般大于10 MPa,兩向水平應(yīng)力差異系數(shù)一般大于0.2。高壓頁巖氣地應(yīng)力為50～90 MPa,兩向水平應(yīng)力差小,一般小于10 MPa,應(yīng)力差異系數(shù)為0.09～0.15(圖6)。同等埋深條件下,常壓頁巖氣地層破裂壓力、施工壓力及停泵壓力均小于高壓頁巖氣,但形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度較大。

圖6 渝東南常壓區(qū)與高壓區(qū)地應(yīng)力特征對比

2.2 富集規(guī)律

2.2.1 主控因素差異性

高壓頁巖氣地質(zhì)條件優(yōu)越,頁巖儲集條件好、保存條件好、含氣量高、單井產(chǎn)量高。根據(jù)眾多學(xué)者的研究成果,高壓頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素主要受儲層條件和保存條件控制,提出了諸如“二元富集”理論[4],“沉積相帶與保存條件控藏、構(gòu)造類型與構(gòu)造作用過程控富”[7]等地質(zhì)認(rèn)識。在常壓頁巖氣與高壓頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件對比基礎(chǔ)上,結(jié)合渝東南地區(qū)常壓頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐[1-11],明確了沉積相帶、保存條件、地應(yīng)力是常壓頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素[8-13]。渝東南地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖處于深水陸棚相,從東向西,自彭水到武隆再到焦石壩,越靠近沉積生烴中心,靜態(tài)指標(biāo)越優(yōu)越,為形成大規(guī)模頁巖氣聚集提供了良好物質(zhì)基礎(chǔ)。在構(gòu)造改造及生烴演化過程中,渝東南常壓頁巖氣保存條件遭受不同程度破壞,自東向西保存條件逐漸變好,地層壓力系數(shù)逐漸升高,從0.9升高到1.5左右,良好的保存條件是頁巖氣富集的關(guān)鍵因素。渝東南地區(qū)影響常壓頁巖氣保存條件的因素較多,不同構(gòu)造樣式、距走滑斷層距離、埋深、地層產(chǎn)狀、距剝蝕區(qū)距離等都可能會對常壓頁巖氣保存條件造成影響,一般而言,正向構(gòu)造、微幅隆起或逆斷層的斷下盤,距走滑斷層大于2 km,埋深大于500 m,地層傾角小于20°,距剝蝕區(qū)大于3 km的地區(qū)頁巖氣保存條件較好,有利于頁巖氣富集(圖7)。不同的地應(yīng)力場影響常壓頁巖氣壓后單井產(chǎn)量的高低,古地應(yīng)力形成的天然縫改善了頁巖孔滲條件,有利于游離氣儲集和富集,適中的現(xiàn)今地應(yīng)力有利于人工壓裂改造并形成復(fù)雜縫網(wǎng)。盆緣區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力大小和方位變化較快,頁巖壓裂改造效果差異較大,一般平緩構(gòu)造、裂縫發(fā)育的地區(qū)壓裂改造效果較好,單井易獲得高產(chǎn);盆外殘留構(gòu)造地應(yīng)力相對適中,易壓裂施工,但兩向應(yīng)力差異較大,不易形成復(fù)雜縫網(wǎng),返排率較高,單井產(chǎn)量偏低。

圖7 渝東南常壓區(qū)與高壓區(qū)頁巖氣成藏模式

常壓頁巖氣與高壓頁巖氣成藏富集主控因素的差異性,決定了兩者具有不同的甜點(diǎn)評價技術(shù)。常壓頁巖氣甜點(diǎn)評價是以保存條件為主線,注重埋深、構(gòu)造樣式、離剝蝕區(qū)距離等表征地層壓力系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。高壓頁巖氣甜點(diǎn)評價是以儲層為主線,側(cè)重物性、微裂縫發(fā)育程度等表征優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.2 形成機(jī)理差異性

常壓頁巖氣與高壓頁巖氣是在漫長的地質(zhì)歷史時期內(nèi)動態(tài)演化的結(jié)果。通過PVT模擬、流體包裹體古壓力恢復(fù)及古巖石力學(xué)性質(zhì)演化模擬,結(jié)合埋藏史分析,明確了常壓、高壓形成機(jī)制。晚三疊世—晚侏羅世,五峰組—龍馬溪組頁巖在深埋(4 500～6 000 m)、高溫(160～204 ℃)條件下干酪根生烴和液態(tài)烴裂解生氣,產(chǎn)生高壓甚至是超壓(壓力系數(shù)1.4～2.0)。白堊紀(jì)以來抬升卸載,構(gòu)造改造強(qiáng)烈,頁巖發(fā)生超壓破裂,頁巖氣發(fā)生大規(guī)模逸散,高壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌?。?gòu)造抬升的早晚、多期應(yīng)力場的疊加改造和高角度裂縫的發(fā)育程度是影響頁巖氣保存條件和常壓—高壓形成的關(guān)鍵。

3 生產(chǎn)特征差異性

3.1 滲流機(jī)理

與高壓頁巖氣相比,常壓頁巖氣地層能量弱、孔徑小以及吸附氣占比高,氣體在微納米孔隙中努森效應(yīng)更顯著,滲流機(jī)理更復(fù)雜[19-24]。儲層改造后壓裂液賦存狀態(tài)與高壓頁巖氣不同,導(dǎo)致儲層內(nèi)長期存在氣水兩相流動。

常壓頁巖氣孔隙壓力較低,吸附氣含量占比較高,最高可達(dá)80%以上,常壓頁巖氣吸附氣解吸擴(kuò)散機(jī)制相對來說更為重要,生產(chǎn)中后期吸附氣對氣井產(chǎn)量貢獻(xiàn)更大。由于常壓頁巖氣基質(zhì)孔隙及孔徑更小,小于10nm的孔隙占比達(dá)50%～70%,努森數(shù)(Kn)高達(dá)0.8,是高壓頁巖氣的10倍以上,努森數(shù)越大,氣體運(yùn)移時的微尺度效應(yīng)越顯著。通過頁巖巖心低速滲流實(shí)驗(yàn)分析,明確了常壓頁巖氣具有黏性流、努森擴(kuò)散、表面擴(kuò)散及構(gòu)型擴(kuò)散等多重運(yùn)移機(jī)制。

高壓頁巖氣儲層基質(zhì)孔隙度相對較高、孔徑相對較大,壓裂液可大量侵入基質(zhì)孔隙內(nèi)置換出游離氣。而常壓頁巖氣由于孔徑小、毛細(xì)管力大,壓裂液難以侵入納米級孔隙中,主要賦存于裂縫及裂縫周圍的盲端基質(zhì)孔隙內(nèi)。侵入基質(zhì)孔隙的水相占據(jù)了部分孔隙空間,降低了氣體擴(kuò)散能力,導(dǎo)致兩相滲流阻力更大。通過分析不同壓力系數(shù)下的氣液兩相相滲曲線,表明氣相滲透率隨孔隙壓力降低而增大,液相滲透率在等滲點(diǎn)前后發(fā)生反轉(zhuǎn),等滲點(diǎn)后常壓頁巖氣的水相滲透率比高壓頁巖氣更高(圖8),從而導(dǎo)致了常壓頁巖氣井在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出排水周期長、返排率高的特點(diǎn)。

圖8 渝東南常壓頁巖氣氣液兩相相滲曲線

3.2 生產(chǎn)特征

由于常壓頁巖氣具有地層能量弱、孔徑小、吸附氣占比高及氣液兩相滲流長期存在等特點(diǎn),導(dǎo)致常壓頁巖氣單井初期產(chǎn)量低,為(2～6)×104m3/d,產(chǎn)液量大(150～350 m3/d),返排率高(50%以上),穩(wěn)產(chǎn)期短(1～2年),遞減相對較慢(30%～50%),單井最終可采儲量EUR為(0.5～0.8)×108m3,氣井全生命周期具有“純液、過渡、穩(wěn)產(chǎn)、遞減和低壓排采”五階段生產(chǎn)特征。而高壓頁巖氣地層能量強(qiáng)、孔徑大、游離氣占比高,單井初期產(chǎn)量較高,為(10～15)×104m3/d,遞減相對較快(50%以上),單井EUR 高,為(1.0～3.0)×108m3,氣井全生命周期具有“穩(wěn)產(chǎn)、遞減和低壓排采”三階段生產(chǎn)特征(圖9)。

圖9 渝東南常壓頁巖氣與高壓頁巖氣生產(chǎn)階段模式

針對常壓頁巖氣的地質(zhì)特點(diǎn)和生產(chǎn)特征,排水采氣貫穿其全生命周期,在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)適應(yīng)性的排水采氣工藝研究,降低井底流壓,達(dá)到吸附氣臨界解吸壓力,充分釋放吸附氣,從而確保常壓頁巖氣井長期連續(xù)生產(chǎn)。近期武隆地區(qū)淺層頁巖氣井通過強(qiáng)化排采、優(yōu)化生產(chǎn)制度,實(shí)現(xiàn)了單井全生命周期效益提升,坪地1井頁巖埋深979 m,試驗(yàn)液力無桿泵排水降壓后,單井產(chǎn)能得到大幅度提升,由0.7×104m3提升至4.5×104m3,進(jìn)一步證實(shí)了盆外常壓頁巖氣采取適合的排水采氣工藝對單井產(chǎn)能釋放和長期穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用。

通過對比常壓頁巖氣與高壓頁巖氣典型地質(zhì)特征差異性,結(jié)合高壓頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐,對常壓頁巖氣在甜點(diǎn)目標(biāo)優(yōu)選、開發(fā)技術(shù)政策、優(yōu)快鉆井、高效壓裂及組織管理等方面提出了更高的挑戰(zhàn),對效益開發(fā)提出了更高的要求。

4 效益開發(fā)對策

渝東南地區(qū)常壓頁巖氣地質(zhì)條件與富集規(guī)律復(fù)雜,資源品位較差,尤其是武隆—道真等地區(qū)的四川盆地外常壓頁巖氣仍未實(shí)現(xiàn)效益動用,為了盤活常壓頁巖氣資源,需要堅持勘探開發(fā)一體化、地質(zhì)工程一體化、生產(chǎn)科研一體化,從基礎(chǔ)地質(zhì)、開發(fā)技術(shù)政策、工程工藝及組織運(yùn)行方式等方面創(chuàng)新實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣由資源向儲量、從儲量向效益的轉(zhuǎn)變。

式中:Gk為最大迭代次數(shù);ωint為初始慣性權(quán)重,ωint取0.9;ωend為最終的慣性權(quán)重,ωend取0.3。

4.1 深化基礎(chǔ)地質(zhì)研究引領(lǐng)常壓頁巖氣效益開發(fā)

渝東南常壓頁巖氣資源豐富,但地質(zhì)條件較為復(fù)雜,先天地質(zhì)條件較差,部分領(lǐng)域勘探認(rèn)識程度低,理論研究進(jìn)展滯后于勘探生產(chǎn)實(shí)踐,制約四川盆地外常壓頁巖氣未來發(fā)展。深化基礎(chǔ)地質(zhì)理論研究,以問題為導(dǎo)向,以富集高產(chǎn)主控因素為主線[25-26],結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)[27],從宏觀、微觀不同維度開展頁巖氣生成機(jī)制、賦存狀態(tài)、聚集與滲流機(jī)理研究。特別是頁巖氣多尺度流動機(jī)理尚不完全清楚,開發(fā)實(shí)驗(yàn)評價技術(shù)及多相流動機(jī)理需持續(xù)研究。深化不同類型常壓頁巖氣差異性地質(zhì)特征及富集規(guī)律研究,致力于解決制約常壓頁巖氣效益動用的重大基礎(chǔ)理論難題,指導(dǎo)規(guī)模性的常壓頁巖氣勘探突破和效益開發(fā)。

重點(diǎn)開展保存條件影響因素和地應(yīng)力場研究,明確常壓頁巖氣富集規(guī)律,指導(dǎo)甜點(diǎn)目標(biāo)優(yōu)選,以南川高陡背斜帶和斜坡區(qū),武隆—道真殘留向斜寬緩部位和凹中隆等有利構(gòu)造樣式,老廠坪、洛龍等殘留背斜為重點(diǎn),建立常壓頁巖氣地質(zhì)—工程“雙甜點(diǎn)”評價體系,優(yōu)選甜點(diǎn)目標(biāo),為增儲上產(chǎn)提供有利陣地(圖10)。

圖10 渝東南地區(qū)有利目標(biāo)分布

4.2 建立合適的開發(fā)技術(shù)政策支撐常壓頁巖氣效益開發(fā)

常壓頁巖氣地層能量弱、地應(yīng)力場及生產(chǎn)規(guī)律復(fù)雜,在井網(wǎng)井距、水平段長、應(yīng)力方位、壓裂改造及合理配產(chǎn)等開發(fā)技術(shù)政策方面與高壓頁巖氣有較大差異,高壓頁巖氣的開發(fā)技術(shù)政策不能直接用于指導(dǎo)常壓頁巖氣開發(fā),需根據(jù)常壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn)建立適應(yīng)性的開發(fā)技術(shù)政策。

常壓頁巖氣資源豐度較低,地應(yīng)力較低,壓裂易形成主縫,結(jié)合微地震監(jiān)測和數(shù)值模擬的縫長,井距一般以350～400 m為主,可避免產(chǎn)生嚴(yán)重的井間干擾。單井產(chǎn)量和EUR隨水平段長增加而增加,為提高常壓頁巖氣單井EUR,構(gòu)造寬緩區(qū)采用長水平段提高單井動用儲量及單井EUR。南川地區(qū)東勝南斜坡3口井水平段長3 500～4 000 m,單井EUR提高至(1.1～1.4)×108m3,取得較好開發(fā)效果。在道真地區(qū),構(gòu)造走向與最小水平主應(yīng)力方位一致,適合部署長水平段水平井,既可減小靶點(diǎn)落差,同時可增大井控儲量,提高單井EUR。

常壓區(qū)地應(yīng)力場大小、方位變化快,兩向應(yīng)力差異較大,壓裂改造不易形成復(fù)雜縫網(wǎng),裂縫易沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸,因此,水平井軌跡方位與最小水平主應(yīng)力夾角越小越好,一般控制在20°以內(nèi),增大形成復(fù)雜縫網(wǎng)的幾率。同時采用小段密切割促縫,提高加砂強(qiáng)度(2.5～4.0 m3/m),增大改造體積,實(shí)現(xiàn)裂縫復(fù)雜和有效支撐,進(jìn)一步提高單井EUR。常壓頁巖氣地層壓力較低,井筒積液嚴(yán)重,影響產(chǎn)能釋放,為實(shí)現(xiàn)水平井各段產(chǎn)能均衡貢獻(xiàn),AB兩靶高差一般控制在150 m以內(nèi)。

常壓頁巖氣具有初產(chǎn)低、產(chǎn)液高、低壓排采周期長的特征,以氣井長期穩(wěn)產(chǎn)和全生命周期EUR最大化為目標(biāo),采取分階段動態(tài)優(yōu)化合理配產(chǎn),實(shí)現(xiàn)EUR最大化。在制定開發(fā)技術(shù)政策時,需充分考慮產(chǎn)液的影響,即產(chǎn)量預(yù)測模型的差異性。常壓頁巖氣初期產(chǎn)能僅是高壓頁巖氣的八分之一到三分之一,要充分考慮臨界攜液,試采初期按照無阻流量配產(chǎn)系數(shù)法配產(chǎn),生產(chǎn)3～4個月后,進(jìn)入中期線性流動階段,進(jìn)行控壓生產(chǎn),控制套壓/油壓日降幅0.01～0.03 MPa,降低壓力敏感對EUR的影響,穩(wěn)產(chǎn)期1～2年,配產(chǎn)(2～6)×104m3;生產(chǎn)3～4年后,進(jìn)入中后期邊界流動階段,強(qiáng)化措施排液、降低解吸壓力,充分釋放吸附氣,配產(chǎn)主要考慮管輸壓力和臨界攜液綜合確定。

在深化認(rèn)識常壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn)和生產(chǎn)規(guī)律的基礎(chǔ)上,結(jié)合勘探開發(fā)實(shí)踐,逐漸形成了“變井距、長水平段、小夾角、強(qiáng)改造、低高差、控壓差”的常壓頁巖氣開發(fā)技術(shù)政策。渝東南地區(qū)常壓頁巖氣實(shí)現(xiàn)了單井產(chǎn)量、EUR雙提升,平均測試產(chǎn)量由4.6×104m3提高至15.9×104m3,單井EUR由0.48×108m3提升至0.8×108m3。

4.3 加大工程工藝創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣效益開發(fā)的重要途徑

常壓頁巖氣與高壓頁巖氣地質(zhì)特征差異性決定了兩者在鉆完井、壓裂等工程工藝的差異性及不同的工程工藝對策,地質(zhì)內(nèi)因決定工程外因。以優(yōu)快成井、體積改造最大化為目標(biāo),針對渝東南常壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn),加強(qiáng)工程工藝自主創(chuàng)新力度[28-29],攻關(guān)適合常壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn)的鉆井、壓裂等核心技術(shù),持續(xù)提速提效降本,促進(jìn)常壓頁巖氣低成本效益動用。

一是針對頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜的問題,強(qiáng)化地質(zhì)工程一體化技術(shù)研究,精準(zhǔn)刻畫地質(zhì)環(huán)境因素,提高地質(zhì)預(yù)測精度,科學(xué)指導(dǎo)鉆井及壓裂工程方案設(shè)計和現(xiàn)場施工;二是基于地層壓力剖面,結(jié)合渝東南常壓區(qū)出露地層、縱向地層巖性組合及可能的地層漏失和必封點(diǎn)等,優(yōu)化井身結(jié)構(gòu),全面推行二級井身結(jié)構(gòu)、水平段“一趟鉆”技術(shù)及井工廠作業(yè)模式,開展小井眼、低密度固井等專項(xiàng)攻關(guān),降低鉆井周期、提高鉆井效率、保障完井質(zhì)量;三是持續(xù)開展低成本高性能壓裂材料的優(yōu)選評價和自主研發(fā),推廣砂混陶、高強(qiáng)度加砂及投球轉(zhuǎn)向技術(shù),強(qiáng)化形成復(fù)雜縫網(wǎng)的壓裂模式研究,提高常壓頁巖氣單井產(chǎn)能和單井EUR;四是進(jìn)行多層立體開發(fā)超級井工廠模式探索,突破提升立體開發(fā)超級井工廠鉆井及壓裂優(yōu)化設(shè)計、超級一趟鉆鉆井工藝技術(shù)與配套、高性能鉆井液、高效壓裂等關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步降低頁巖氣開發(fā)成本。

二級井身結(jié)構(gòu)技術(shù)在武隆、陽春溝地區(qū)廣泛應(yīng)用,武隆向斜LY1-2HF井機(jī)械鉆速最高達(dá)16.9 m/h,鉆井周期縮短至22.2 d,陽春溝南斜坡示范井YY54-3HF井,鉆井周期縮短至19.96 d,提速提效明顯。優(yōu)選渝東南地區(qū)東勝南斜坡、陽春溝南斜坡實(shí)施2口埋深小于2 000 m的評價井,全部采用石英砂,加砂強(qiáng)度提升至3.0～4.0 m3/m,實(shí)現(xiàn)淺層頁巖氣勘探突破,試采穩(wěn)定,日產(chǎn)氣(4.5～6.0)×104m3。在平橋南斜坡3個平臺開展10井次的以砂混陶先導(dǎo)試驗(yàn),4年累產(chǎn)氣(0.8～1.1)×108m3,生產(chǎn)效果與鄰井全陶粒相當(dāng),且成本降低67.6%,后續(xù)大規(guī)模推廣應(yīng)用到東勝、陽春溝及武隆地區(qū),提升了常壓頁巖氣效益開發(fā)水平。

4.4 打造高效組織運(yùn)行模式是實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣效益開發(fā)的重要保障

4.4.1 推行一體化運(yùn)行油氣項(xiàng)目管理模式

堅持向管理要效益,是現(xiàn)代化企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。積極探索創(chuàng)新管理模式,堅持生產(chǎn)科研一體化、地質(zhì)工程一體化和勘探開發(fā)一體化[30-31],構(gòu)建大兵團(tuán)、多專業(yè)聯(lián)合作業(yè)模式或地質(zhì)工程一體化工作室,統(tǒng)籌“探、評、產(chǎn)、銷”無縫銜接,提高運(yùn)行效率和效益,降低投資風(fēng)險。

4.4.2 創(chuàng)新靈活的體制機(jī)制,深化甲乙方合作模式

常壓頁巖氣效益水平差,需進(jìn)一步創(chuàng)新體制機(jī)制,探索風(fēng)險共擔(dān)、利益共享合作模式,實(shí)現(xiàn)整體效益最大化。以技術(shù)為主線、管理為抓手,加大內(nèi)外部市場開發(fā)力度,形成完善的激勵制度,推行“鉆井日費(fèi)制”、“壓裂日費(fèi)制”、“平臺大包”等模式,從而實(shí)現(xiàn)提效降本;積極推動企地共建,發(fā)揮地方主觀能動性和積極性,加快推進(jìn)常壓頁巖氣勘探開發(fā),實(shí)現(xiàn)企地雙贏。

4.4.3 建立大數(shù)據(jù)共享平臺,推進(jìn)學(xué)習(xí)曲線優(yōu)化,提升工作效率、降低成本

打破“數(shù)據(jù)孤島”,搭建高質(zhì)量大數(shù)據(jù)共享平臺,深入數(shù)據(jù)挖潛,促進(jìn)數(shù)據(jù)融合,讓數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用,學(xué)習(xí)曲線不斷優(yōu)化進(jìn)步,推動常壓頁巖氣勘探開發(fā)從“數(shù)據(jù)化、數(shù)字化”到“智慧化、智能化”的迭代升級,實(shí)現(xiàn)信息和經(jīng)驗(yàn)的共享與互聯(lián)互通,切實(shí)提高工作效率、優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行、降低生產(chǎn)成本、持續(xù)提質(zhì)增效。

5 結(jié)論

(1)渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組發(fā)育常壓、高壓兩種頁巖氣藏。與高壓頁巖氣相比,常壓頁巖氣地質(zhì)條件相對較差,具有優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較薄,孔隙度較低,有機(jī)質(zhì)孔小而密,保存條件較差,兩向水平應(yīng)力差異系數(shù)較大的地質(zhì)特點(diǎn),形成機(jī)理復(fù)雜,富集高產(chǎn)受沉積相帶、保存條件及地應(yīng)力場控制,兩者在地質(zhì)特點(diǎn)、形成機(jī)理及富集規(guī)律等方面具有明顯差異性。

(2)常壓頁巖氣地層能量弱、頁巖孔徑小、吸附氣占比高及氣液兩相滲流長期存在,滲流機(jī)理更復(fù)雜,導(dǎo)致單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期短、EUR較低、返排率較高,具有純液、過渡、穩(wěn)定生產(chǎn)、遞減生產(chǎn)及低壓排采五階段生產(chǎn)特征,不同于高壓頁巖氣初產(chǎn)高、遞減快、EUR高的生產(chǎn)特征。排水降壓是保持常壓頁巖氣產(chǎn)能釋放和長期穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。

(3)渝東南地區(qū)常壓頁巖氣資源品位較差,深化基礎(chǔ)地質(zhì)研究,明確富集規(guī)律和甜點(diǎn)目標(biāo),建立適應(yīng)性的開發(fā)技術(shù)政策,提高單井產(chǎn)量和單井EUR,加大低成本鉆井和高效壓裂等工程工藝創(chuàng)新力度,實(shí)現(xiàn)提速提效降本,創(chuàng)新體制機(jī)制建設(shè),打造靈活高效的組織運(yùn)行模式等是實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣效益開發(fā)的關(guān)鍵對策,助力渝東南常壓頁巖氣實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

周德華提出論文總體構(gòu)思,負(fù)責(zé)生產(chǎn)特征、開發(fā)對策編寫;何希鵬負(fù)責(zé)前言及地質(zhì)特征編寫;張培先負(fù)責(zé)論文統(tǒng)稿及修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

ZHOU Dehua proposed the overall idea of the paper and was responsible for the compilation of production characteristics and development countermeasures. HE Xipeng was responsible for the introduction and geological characteristics. ZHANG Peixian was responsible for the compilation and revision of the paper. All authors have read and approved the submission of the final manuscript.