從Haynesville頁巖氣開發數據研究高壓頁巖氣高產因素

房大志　曾　輝　王　寧　張　勇（.中國石化華東分公司石油勘探開發研究院，江蘇南京　00；.中國石化華東分公司物探研究院，江蘇南京　00）

從Haynesville頁巖氣開發數據研究高壓頁巖氣高產因素

房大志1曾輝1王寧1張勇2
（1.中國石化華東分公司石油勘探開發研究院，江蘇南京210011；2.中國石化華東分公司物探研究院，江蘇南京210011）

Haynesville頁巖氣井實際生產數據表明，影響氣井產量的3大主導因素是地質甜點區、壓裂參數、合理排采。儲層厚度50～60 m、總有機碳（TOC）含量>3%、孔隙度>4%、壓力系數>2.0、脆性礦物含量>60%，是選擇頁巖甜點區的關鍵因素。水平段長一般1 000～1 500 m、分段數9～12段、單段長90～110 m、簇間距20～25 m、施工排量11～13 m3/min，單段液量大于1 500 m3、單段加砂量大于120 t是高產水平井儲層壓裂參數。初期保持較小生產壓差有利于保持滲流能力進而獲得最大累積產量。建議我國借鑒北美類似經驗，并根據不同區塊頁巖地質特征優化壓裂參數，實現頁巖氣經濟高效開發。

頁巖氣；產量；甜點區；壓裂參數

美國發現近30個頁巖氣盆地，實現商業性開發的主力層系為Marcellus、Barnett、Haynesville、Antrim、New Albany、Fayetteville、Eagle Ford和 Woodford等9套頁巖地層。截止到2013年6月，美國頁巖氣產量達8.19×108m3/d，特別是2010年以后的Haynesville、Marcellus等頁巖層，氣產量呈指數增長［1］。Haynesville頁巖氣探明儲量為8 353.4×108m3，是北美地區儲量最大的含氣頁巖。

Haynesville頁巖分布于德克薩斯-路易斯安那鹽盆，面積23 400 km2。地理位置主要位于路易斯安娜州和德克薩斯州西部。2004年4月Elm Grove Plantation-15直井鉆探證實Haynesville頁巖為優質含氣頁巖。之后2005—2007年不同油公司分別實施多口直井評價并取心分析。2007年12月在Haynesville頁巖層實施水平井SLRT#2井并開展分段壓裂測試獲7.4×104m3/d高產。隨后水平井數大幅增加。截止2013年12月已完鉆井2 508口，其中生產井2 274口，全區合計產量達1.60×108m3/d，是Marcellus之外產量最大的頁巖氣田。目前已完鉆頁巖氣井主要分布在路易斯安那州，占Haynesville頁巖開發井總井數的75%以上［2］。

Haynesville頁巖通過直井取心和測井，系統開展儲層評價后，再利用水平井分段壓裂改造技術獲取產能。系統的地質評價選擇甜點區，合理的壓裂參數實現充分改造，兩者的有效結合實現了Haynesville頁巖氣的大規模商業開發。筆者從開發數據的角度分析開發效果的影響因素，期望對我國類似高壓深層頁巖氣開發提供一定的借鑒和參考。

1　Haynesville頁巖基本地質特征

Haynesville頁巖是一套黑色的富含有機質的上侏羅統頁巖，是常規油氣的主要烴源層。與下伏地層Smackover碳酸鹽巖不整合接觸，與上覆Bossier頁巖整合接觸，含氣頁巖厚度15～135 m。

Haynesville頁巖由球粒狀灰質泥頁巖、細粒石英粉砂巖及碎屑黏土巖組成，微生物化石含量豐富，紋層狀層理發育，屬深水陸棚相沉積，具有低于風暴浪基面和低氧帶的還原特征，生物產率高，有機質保存好［3-4］。

Haynesville頁巖在盆地內連續穩定發育。從圖1中可以看出，頁巖具有多源沉積的特點，既有盆內原生的碳酸鹽沉積物源，還有外源的碎屑沉積物源。碳酸鹽巖物源來自于西區碳酸鹽巖臺地及鮞粒灘，碎屑物源來自于東北區三角洲、濱岸沉積。碳酸鹽臺地、鮞粒灘、古隆起以及深水陸棚形成的局限盆地環境，造成頁巖具有較強的非均質性，由東北向西南由硅質頁巖逐漸過渡為鈣質頁巖。有利相帶沉積背景下發育的Haynesville頁巖在儲層、溫壓系統、埋深、含氣性等具有獨特性［5］。

（1）儲層“四高”。總有機碳（TOC）含量高，平均3%；演化程度高，鏡質組反射率Ro為2.2%～3.2%；總孔隙度高，一般在4%～8%；脆性礦物含量高，鈣質硅質含量大于60%。

圖1　Haynesville頁巖沉積相及沉積剖面圖（據Ewing，2009，修編）

（2）地層高壓高溫。地層壓力55～70 MPa，地溫137～204 ℃，壓力梯度為1.6～2.0 MPa/100 m，屬超壓地層。

（3）頁巖埋藏深。普遍大于3 000 m，最深4 300 m。

（4）含氣量高。一般在2.8～9.4 m3/t，其中游離氣比例高，平均占總含氣量80%，吸附氣平均占20%。

2　Haynesville頁巖層高產因素分析

Haynesville頁巖原始地層壓力平均48.3 MPa，壓力系數1.5～2.0，高壓地層具有較高的單井產量，平均初產25×104m3/d，最高可達56×104m3/d，是北美單井產量最高的頁巖氣田，其中德克薩斯州頁巖氣井平均日產氣量18.4×104m3/d，路易斯安那州氣井平均日產氣量32.6×104m3/d，是德克薩斯州氣井初產的1.8倍，通過分析甜點區地質特征、壓裂參數、排采制度等因素分析高產的主導因素。

2.1甜點區地質特征

路易斯安那州Caddo、DeSoto、Red River、Bienville和Bossiver Parishes等地區是Haynesville頁巖氣高產區，綜合分析認為高產區位于地質甜點區，表現為穩定構造、適中厚度、高TOC、高壓力系數、高脆性礦物含量等地質特征［6］。

（1）構造穩定。Haynesville構造是一個穩定的箱狀背斜構造，頂部寬緩、斷層發育少，構造變形弱。高產井位于背斜東南翼，傾角較緩，構造穩定。

（2）優質頁巖厚度大。全區頁巖總有效厚度30～120 m，其中高產區優質頁巖厚度50～60 m。頁巖頂底板封蓋層穩定，上下隔層對縫高的控制，導致排量與厚度的有效匹配，使得凈壓力增加，更易形成縫網的體積改造。

（3）高TOC含量。TOC含量大于3%。干酪根吸附能力強，增加頁巖含氣量。干酪根內發育有機孔隙，提高頁巖儲集性。

（4）高孔隙度。孔隙度大于4%，游離氣儲集空間大，含氣量高，利于初期高產。

（5）高地層壓力系數。一般大于2.0，Haynesville地層是北美已開發頁巖層系中壓力系數最高的地層，高壓表明地層能量充分，保存條件良好，也是Haynesville頁巖初產遠高于其他頁巖初產的重要原因。

（6）高脆性礦物含量。石英、長石等脆性礦物含量大于60%，其中碳酸鹽巖礦物含量大于25%。泥質含量較低，一般小于45%。高脆性、低黏土頁巖脆性指數高，易于壓裂。

2.2壓裂參數優化

選擇位于路易斯安那州的相似地質條件下產量不同的49口井，單井產量（8～56）×104m3/d，建立歸一化產量，即將不同水平段長的生產井統一折算為1 000 m水平段長后進行分析。利用歸一產量分析與壓裂段數、單段長、施工排量、壓裂液量、加砂量、施工壓力與裂縫壓力梯度等關系，如圖2。

圖2　Haynesville頁巖氣井產量與壓裂參數關系

從圖2可以看出，高產井壓裂參數具有長水平段、多段數、大排量、大液量、高施工壓力、低破裂壓力梯度等特征。

（1）水平段長。水平段作為單因素評價與產量關系并不明顯。選擇相似壓裂參數的井對比不同水平段長分析顯示，水平段越長，產量越高。單位注液強度16 m3/m，單位加砂強度1.5 t/m，施工壓力76 MPa，排量13.9 m3/min條件下水平段長1 400 m的井產量為29×104m3/d，相對于1 200 m為21×104m3/d，折算每增加100 m可提高產量4×104m3/d。

（2）多段數、小段長，小簇間距。30×104m3/d以上高產井壓裂段一般為9～12段，單段長一般在90～110 m，簇間距20～25 m。

（3）中高排量。30×104m3/d以上高產井施工排量一般在11～13 m3/min。

（4）大液量，高砂量。單段2 000 m3液量對應產量30×104m3/d相對于1000 m3液量19×104m3/d，產量增加1.6倍。經驗統計Haynesville高產井單段液量大于1 500 m3，砂量120 t，注液強度大于20 m3/ m，加砂強度大于1.3 t/m。

（5）低返排率。Haynesville頁巖返排率通常較低，一般在15%～30%，主要返排期在前2年。高產井表現為低返排率［5］，原因可能是由于復雜縫網可容空間大，壓裂改造效果好，壓裂液滯留在遠端縫網改造區不易返排。而高返排率井一般表現為近井筒段的單一縫或平面縫，改造空間較小，壓裂液以線性流方式返回井筒。

2.3排采工作制度

早期開發Haynesville頁巖氣井產量遞減過快，主要原因是由于壓降過快導致生產壓差過大，氣體采出速度過快，滲透率下降，造成應力敏感，影響了單井累產［7］。通過控壓生產的方法有效避免支撐劑嵌入、破損及堵塞等因素對儲層的傷害，進而最大限度保持網狀縫的滲流能力。圖3中通過歸一化產能指數來評價壓降對井生產能力的影響［5］，可以看出，12口實際生產井中有3口井由于控制壓降，遞減較慢，累產氣量大于0.5億m3。

圖3　Haynesville頁巖氣井歸一化產量指數與累產氣量變化圖［5］

歸一化產能指數方程為

其中

式中，PIn為歸一化產能指數；qg為產氣量，m3/d；i為原始地層壓力，MPa；bh為井底流壓，MPa。

Haynesville頁巖氣井返排初期20 d控壓生產，保持井底流壓至少維持在35 MPa以避免滲流能力過快降低［8］；之后通過自噴排液實現降壓求取峰值產量，見氣高峰一般為60 d，峰值產量后控制壓降幅度延緩遞減，日降流壓0.3～0.5 MPa，通過改變油嘴尺寸可實現壓降速率的控制，一般選擇大油嘴獲得高的初產，但遞減更快，小油嘴初產相對低，但遞減更慢［9］。一般小于30×104m3/d初產選擇?5.6 mm油嘴、大于60×104m3/d初產選擇?9.6 mm油嘴可獲取最大累產（圖4）。

圖4　Haynesville頁巖氣井油嘴與產量關系圖

3　我國高壓頁巖氣開發工程參數對策

前人研究認為四川盆地及其周緣下志留統龍馬溪組具有優越的頁巖氣成藏地質條件［10］。中石油、中石化等通過對川東南地區露頭觀察、鉆井取心等分析研究，獲取了沉積相、儲層展布、含氣性等地質參數，優選出威遠、富順-永川、長寧、涪陵等區塊內發育的多個有利構造為頁巖氣高產富集區。近年來，通過實施水平井大型分段壓裂，證實了川東南地區盆內穩定構造發育高壓力系數的頁巖氣層具備高產條件，是我國商業化開發頁巖氣的現實區。

3.1涪陵頁巖氣田地質參數

2012年11月焦頁1井試獲高產工業氣流以來，多口井在焦石壩構造連續試獲高產氣流，發現了我國第一個百億方頁巖氣田——涪陵焦石壩頁巖氣田。焦石壩構造位于四川盆地內部，齊岳山斷裂帶以西，構造主體變形較弱，上、下構造層形態基本一致，整體表現為背斜形態，頂部寬緩、地層傾角小、斷層不發育［11］。龍馬溪-五峰組頁巖屬深水陸棚相，頁巖儲層參數具體見表1［12］。優質頁巖段石英、長石等脆性礦物50.9%～80.3%，平均為62.4%。良好的頂底板蓋層和相對較弱的構造改造作用使焦石壩構造具有良好的保存條件，實測地層壓力系數1.55，同樣位于盆內的富順區塊陽高寺構造壓力系數2.2，實施水平井獲43×104m3/d高產，實例證明盆地穩定構造發育的高壓頁巖氣藏具有高產條件，而位于盆外復雜構造區桑柘坪向斜自燕山期以來受多期構造改造和破壞，表現為1.0的低常壓系統，水平井產量為2.0×104m3/d。

涪陵頁巖氣田是四川盆地龍馬溪組頁巖的甜點區，具有高TOC、高孔隙度、高壓力系數和高脆性礦物的地質特征，有利的地質條件是獲取高產的前提，與北美Haynesville氣田高產區分布規律一致。

表1　涪陵頁巖氣田與Haynesville氣田地質條件對比

3.2壓裂參數優化

JY1HF井是涪陵頁巖氣田的第1口水平井，水平段長1 007 m，分15段壓裂，壓裂參數見表2，壓裂后保持20 MPa的穩定井底流壓條件下穩產6×104m3/d，達到了壓裂改造的目的［13］。JY1HF是我國第一口實現規模化、商業化開發的頁巖氣井，實現了國產自主知識產權的重大突破。

該井壓裂成功后在其附近開展了23口的井組試驗，并開展不同壓裂參數試驗，試驗井水平段長1500 m，方位優化為近南北向，與最小水平主應力方位一致，壓裂裂縫與井眼方向垂直，壓裂改造效果較好［14］。試驗井測試平均產量大于30×104m3/d，明確了長水平段（1 500 m）、多段數、小段長、大液量、大砂量的壓裂參數適合我國高壓頁巖氣改造，與前文分析北美Haynesville頁巖經驗一致。

表2JY1HF井與Haynesville高產井壓裂參數對比

目前涪陵頁巖氣田已基本形成頁巖氣井網絡壓裂優化設計方法，建議在北美Haynesville和我國涪陵頁巖氣田成功經驗的基礎上，根據不同區塊地質特征進一步優化壓裂工藝參數，實現壓裂工具及材料國產化，降本增產，為頁巖氣經濟高效開發提供依據。

4　結論與認識

美國Haynesville頁巖氣和涪陵頁巖氣獲得高產表明需優選有利甜點區，并采用適合的壓裂改造參數和合理生產制度：（1）TOC含量、高孔隙、高壓力系數、高脆性礦物的頁巖分布甜點區；（2）長水平段、適中段數、小段長、小簇間距、高注液強度、高加砂強度的有效壓裂施工參數；（3）壓后返排初期需要通過合適的油嘴、中后期通過連續油管或抽吸控壓排采，減小縫中有效閉合應力的增加速度，保持滲流能力。

［1］O’SULLIVAN F, PALTSEV S. Shale gas production：potential versus actual greenhouse gas emissions［R］. Cambridge： MIT Energy Initiative, 2012.

［2］ POPE C D, PALISCH T T, LOLON E, et al. Improving stimulation effectiveness-field results in the Haynesville Shale［R］. SPE 134165, 2010.

［3］MICHAEL C D,DAVID Spain, COLIN Walling, et al. Stratigraphy and depositional dynamics of the haynesvillebossier sequence： inferences from whole-rock elemental data［C］//AAPG Conference.New Orleans, USA：AAPG Search and Discovery Article#10298, 2011.

［4］THOMPSON J W, FAN L, GRANT D, et al.An overiew of horizontal well completions in the Haynesville Shale［R］. SPE 136875,2010.

［5］FAN L, THOMPSON J W, ROBINSON J R. Understanding gas production mechanism and effectiveness of well stimulation in the Haynesville Shale through reservoir simulation［R］. SPE 136696, 2010.

［6］AMGAD Younes, HOLLY Moore, NATHAN Suumeyer, et al. Sweet Spotting the Haynesville-Bossier Shale Gas Play, Northwestern Louisiana, an Integrated Study［C］// AAPG Hedberg Conference.Austin,USA：AAPG Search and Discovery Article#90122, 2010.

［7］鄭力會，魏攀峰.頁巖氣儲層傷害30年研究成果回顧［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：1-16.

［8］ CHARLES Pope, BILLY Peters, TIM Benton, et al. Haynesville shale-one operator’s approach to well completions in this evolving play［R］. SPE 125079, 2009.

［9］李慶輝， 陳勉， FRED P Wang，等.工程因素對頁巖氣產量的影響——以北美Haynesville頁巖氣藏為例［J］.天然氣工業，2012，32（4）：1-6.

［10］聶海寬，張金川，包書景，等.四川盆地及其周緣上奧陶統-下志留統頁巖氣聚集條件［J］.石油與天然氣地質，2012，33（3）：335-344.

［11］郭彤樓， 張漢榮.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成于富集高產模式［J］.石油勘探與開發，2014，41（1）：28-36.

［12］ 郭彤樓，劉若冰.復雜構造區高演化程度海相頁巖氣勘探突破的啟示——以四川盆地東部盆緣JY1井為例［J］.天然氣地球科學，2013，24（4）：643-650.

［13］周德華，焦方正，賈長貴，等.JY1HF頁巖氣水平井大型分段壓裂技術［J］.石油鉆探技術，2014，42（1）：75-79.

［14］ 周賢海.涪陵焦石壩區塊頁巖氣水平井鉆井完井技術［J］.石油鉆探技術，2013，41（5）：26-30.

（修改稿收到日期2015-01-15）

〔編輯朱偉〕

Study on high production factors of high-pressure shale gas from Haynesville Shale Gas development data

FANG Dazhi1, ZENG Hui1, WANG Ning1, ZHANG Yong2
（1. Petroleum Exploration and Production Research Institute, Huadong Branch Company, SINOPEC, Nanjing 210011, China; 2. Geophysical Prospecting Research Institute, Huadong Branch Company, SINOPEC, Nanjing 210011, China）

The actual production data from Haynesville Shale gas wells show that, the three leading factors affecting production are geologic sweet spot area, fracture parameters and proper drainage. The key factors for sweet spot areas selection in shale include reservoir thickness (50 to 60 m), total organic carbon (TOC) (>3%), porosity (>4%), pressure coefficient (>2.0), and the content of brittle minerals (>60%). The fracturing parameters for reservoirs with high-production horizontal wells are: the length of horizontal section being generally 1 000 m to 1 500 m; stages being in 9 to 12; the length of single stage being 90 m to 110 m; cluster spacing being 20 to 25 m; construction displacement being 11 to 13 m3/min; fluid volume for single stage being greater than 1 500 m3; and sand volume for single stage being greater than 120 t. Maintaining a small initial production pressure differential helps maintain the seepage capacity, and hence obtain the maximum cumulative production. It is recommended that using the similar experiences from North America for reference, optimizing the fracturing parameters according to geologic features of shales in different blocks, and realizing economic and efficient development of shale gas.

shale gas; production; sweet spot area; fracture parameters

TE37

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0058 – 05

10.13639/j.odpt.2015.02.016

國家首批礦產資源綜合利用示范基地項目。

房大志，1984年生。2009年畢業于中國石油大學（北京）與俄羅斯石油天然氣大學石油地質專業，碩士研究生，主要從事頁巖氣及煤層氣開發工作，工程師。電話：025-58611069。E-mail：157334594@qq.com。

引用格式：房大志，曾輝，王寧，等.從Haynesville頁巖氣開發數據研究高壓頁巖氣高產因素［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）：58-62.