頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”理論認(rèn)識(shí)、核心技術(shù)與實(shí)踐

焦 方 正

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司

0 引言

近10年非常規(guī)油氣，尤其是頁(yè)巖氣基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)非常規(guī)油氣工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重要而深遠(yuǎn)的影響[1]。中國(guó)的石油企業(yè)針對(duì)四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖，開(kāi)展了艱苦而富有成效的探索和實(shí)踐，形成了適用的理論方法體系，研發(fā)了配套的技術(shù)裝備系列，支撐了中國(guó)頁(yè)巖氣工業(yè)快速建立和迅猛發(fā)展[2-4]。科技創(chuàng)新在中國(guó)頁(yè)巖氣的突破和發(fā)展中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，“進(jìn)源找油”重要地質(zhì)理論的系統(tǒng)升華，對(duì)持續(xù)推動(dòng)和引領(lǐng)中國(guó)頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的規(guī)模利用，具有重要的作用和意義[5]。為了提高頁(yè)巖氣區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用率和采收率，筆者梳理了美國(guó)和中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展與主要地質(zhì)認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步深化了對(duì)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層主要地質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)和頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)（段）”分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從人工干預(yù)提高頁(yè)巖氣有效流動(dòng)性、開(kāi)發(fā)整體性出發(fā)，提出了頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”的理論內(nèi)涵和核心技術(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)展望了中國(guó)頁(yè)巖氣資源“體積開(kāi)發(fā)”的發(fā)展前景。

1 中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展與主要地質(zhì)認(rèn)識(shí)

圖1 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)量區(qū)概況圖

中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖已成為最重要的頁(yè)巖氣產(chǎn)層。據(jù)2015年國(guó)土資源部第二輪全國(guó)頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，中國(guó)陸上頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為121.86×1012m3，技術(shù)可采資源量為 21.81×1012m3。2010年以來(lái)，以四川盆地及其周緣為重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通等頁(yè)巖氣田[6-7]（圖1）。截至2018年底，中國(guó)成為世界第二大頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)，累計(jì)完鉆頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井約860口，探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量1.170 1×1012m3，2018年頁(yè)巖氣產(chǎn)量為108×108m3，其中蜀南地區(qū)完鉆頁(yè)巖氣井410口，探明地質(zhì)儲(chǔ)量4 447×108m3，2018年產(chǎn)量 43×108m3；涪陵地區(qū)完鉆頁(yè)巖氣井 450 口，探明地質(zhì)儲(chǔ)量 7 254×108m3，2018 年產(chǎn)量 65×108m3。

中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)主要取得了5項(xiàng)基本地質(zhì)認(rèn)識(shí)[1-2,4,7-8]：①頁(yè)巖氣形成富集條件與美國(guó)有著明顯的差異，南方海相頁(yè)巖含氣層位多，以五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣富集條件為最優(yōu)（表1）；②五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣在四川盆地內(nèi)保存條件好，盆地外保存條件差，超壓區(qū)一般是有利開(kāi)發(fā)區(qū)；③五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向上存在著多個(gè)“甜點(diǎn)段”，平面上發(fā)育多個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”，“甜點(diǎn)區(qū)”是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的首選目標(biāo)區(qū)；④“體積開(kāi)發(fā)”是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣規(guī)模開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵途徑，水平井＋分段體積壓裂形成“人工氣藏”是頁(yè)巖氣有效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)；⑤頁(yè)巖氣藏高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵是找到“甜點(diǎn)區(qū)”、鉆入“甜點(diǎn)段”、壓開(kāi)“甜點(diǎn)層”，形成人工縫網(wǎng)系統(tǒng)。

2 中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)優(yōu)選

2.1 五峰組—龍馬溪組儲(chǔ)層主要地質(zhì)特征

五峰組—龍馬溪組沉積期為揚(yáng)子地臺(tái)內(nèi)大型坳陷半深水—深水陸棚沉積環(huán)境，黑色頁(yè)巖連續(xù)穩(wěn)定分布，形成多層段、大面積的相對(duì)均質(zhì)含氣頁(yè)巖地質(zhì)體，為頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”創(chuàng)造了有利的地質(zhì)條件。

1）半深水—深水陸棚是大面積黑色頁(yè)巖發(fā)育的有利沉積環(huán)境。五峰組沉積時(shí)期，中—上揚(yáng)子地區(qū)出現(xiàn)開(kāi)口向北、水面遼闊的半封閉海灣，尤其是五峰組沉積中晚期，海平面下降，海水溫度降低，以浮游生物為食物的筆石大量滅絕，形成富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁(yè)巖層。龍馬溪組沉積早期，川南—川東—川東北坳陷區(qū)再次出現(xiàn)大面積缺氧的深水陸棚環(huán)境，形成大面積相對(duì)均質(zhì)頁(yè)巖層系。

表1 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣與美國(guó)海相頁(yè)巖氣主要地質(zhì)參數(shù)對(duì)比表

2）五峰組—龍馬溪組發(fā)育多層段優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖烴源巖。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣主力產(chǎn)層富含有機(jī)質(zhì)，厚度介于40～80 m，有機(jī)質(zhì)主要由腐泥型有機(jī)質(zhì)和筆石體組成，TOC介于2.5%～8.5%，Ro介于2.5%～3.8%，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC值高、類型好，處于有效熱裂解氣的范圍內(nèi)，提供了高強(qiáng)度氣源供給。

3）五峰組—龍馬溪組發(fā)育硅質(zhì)、鈣質(zhì)等多種巖性頁(yè)巖，紋層及層理普遍發(fā)育。五峰組在川南地區(qū)發(fā)育含鈣質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖，在川東—川北地區(qū)發(fā)育硅質(zhì)頁(yè)巖；龍馬溪組則以硅質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖為主。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)育豐富的紋層與裂隙，主要包括富有機(jī)質(zhì)、含有機(jī)質(zhì)、黏土質(zhì)和粉砂質(zhì)4類紋層（圖2）。經(jīng)水力壓裂，裂縫可橫向延伸100～150 m，但由于頁(yè)巖層理的限制，縱向擴(kuò)展高度為15～20 m，頁(yè)巖基質(zhì)沿紋層方向的橫向滲流能力遠(yuǎn)大于垂直紋層的縱向滲流能力。富硅質(zhì)、鈣質(zhì)頁(yè)巖脆性好，易發(fā)育基質(zhì)孔隙、頁(yè)理縫及構(gòu)造縫，為頁(yè)巖氣提供了儲(chǔ)集空間和滲流通道。

4）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖含氣量較高，縱向上發(fā)育4個(gè)含氣段。五峰組—龍馬溪組含氣頁(yè)巖具有超低含水飽和度，含氣飽和度介于60%～80%，含氣量較高，一般大于2.0 m3/t，如威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)含氣量介于1.9～4.8 m3/t，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)含氣量介于2.4～5.5 m3/t，涪陵頁(yè)巖氣區(qū)含氣量介于1.3～6.3 m3/t。含氣頁(yè)巖中游離氣與吸附氣共存，前者比例約為70%，是頁(yè)巖氣井初產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)者。五峰組—龍一段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可劃分為4個(gè)含氣段：底部五峰組含氣段具“低密度、低中子”的特征，下部龍一11含氣段具“中—高密度、中—高中子”的特征，中部龍一13含氣段具“高密度、高中子”的特征，上部龍一14含氣段具“高密度、高中子”的特征（圖3）。

5）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層以納米級(jí)有機(jī)孔為主，孔滲性超低。頁(yè)巖儲(chǔ)層以微—納米級(jí)孔喉為主，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)體系內(nèi)納米級(jí)孔喉系統(tǒng)發(fā)育，有機(jī)質(zhì)納米孔徑介于50～200 nm，占頁(yè)巖總孔隙的90%以上，孔隙比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基質(zhì)孔隙度介于2.0%～10.0%，基質(zhì)滲透率介于0.001～5.7 mD，嚴(yán)重制約了天然氣的流動(dòng)性，需要立體的人工干預(yù)，將極弱滲流能力的頁(yè)巖儲(chǔ)層改造為縫網(wǎng)系統(tǒng)。

圖2 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖4類紋層照片及其特征

圖3 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層綜合剖面圖

6）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣具有“連續(xù)型”和“構(gòu)造型”2種聚集模式，“甜點(diǎn)區(qū)（段）”范圍大。“連續(xù)型”聚集模式以威遠(yuǎn)—富順—永川—長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)為代表，屬盆地內(nèi)大型凹陷中心和構(gòu)造斜坡區(qū)，面積大、穩(wěn)定、連續(xù)分布；“構(gòu)造型”聚集模式以焦石壩頁(yè)巖氣田為代表，具有構(gòu)造邊緣復(fù)雜、內(nèi)部穩(wěn)定、裂縫發(fā)育等特點(diǎn)。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”面積為數(shù)十至數(shù)百平方千米，其中涪陵頁(yè)巖氣田596 km2，威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣田威202井區(qū)80 km2、威204井區(qū)65 km2，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田寧 201 井區(qū) 120 km2，昭通頁(yè)巖氣田黃金壩區(qū)132 km2。頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)段”厚度較大，縱向上通常存在著一個(gè)或多個(gè)“甜點(diǎn)段”。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)段”TOC＞2.0%、含氣量大于2.0 m3/t，脆性礦物含量大于45%，儲(chǔ)層厚度介于40～80 m，其中涪陵頁(yè)巖氣田介于40～80 m、威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣田威202井區(qū)介于30～45 m、威204井區(qū)介于25～40 m、長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田寧201井區(qū)介于40～55 m、昭通頁(yè)巖氣田黃金壩區(qū)介于32～46 m。

7）頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng)于致密砂巖。頁(yè)巖儲(chǔ)層層狀連續(xù)分布，地應(yīng)力變化極易使頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)生變形，影響頁(yè)巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，如氣井放大壓差生產(chǎn)，可能會(huì)造成主裂縫短時(shí)迅速泄壓，導(dǎo)致主裂縫區(qū)內(nèi)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率快速大幅度下降，影響頁(yè)巖氣井產(chǎn)量。壓裂中向頁(yè)巖儲(chǔ)層中注入大量陶粒或石英砂等支撐劑，可較長(zhǎng)時(shí)間保持體積壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)單井累計(jì)產(chǎn)量的影響程度超過(guò) 30%[9]。

8）頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井早期產(chǎn)量高、遞減快，高產(chǎn)時(shí)間短。采用水平井分段體積壓裂，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖層（頁(yè)）理、天然（微）裂縫與壓裂縫構(gòu)成復(fù)雜縫網(wǎng)，形成大規(guī)模泄氣體積，采取大壓差生產(chǎn)，頁(yè)巖氣井初期產(chǎn)量較高、遞減較快[10]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣井高產(chǎn)時(shí)間為3～6月，預(yù)測(cè)EUR介于0.8×108～ 1.8×108m3，第一年累計(jì)產(chǎn)量可占總產(chǎn)量的30%～40%，遞減率為45%～75%。頁(yè)巖氣水平井分段壓裂，大幅度增加了單井水平井段及分段壓裂波及范圍內(nèi)的可動(dòng)用可采儲(chǔ)量。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層大面積連續(xù)穩(wěn)定分布，頁(yè)巖氣井后期低產(chǎn)時(shí)間更長(zhǎng)，預(yù)測(cè)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣井生產(chǎn)周期超過(guò)20年。

2.2 “甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)優(yōu)選

五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣開(kāi)采實(shí)踐證實(shí)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)區(qū)”“甜點(diǎn)段”分布規(guī)律的不斷深入認(rèn)識(shí)，是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得成功的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵過(guò)程。選用TOC、含氣量、孔隙度、脆性礦物含量、紋（層）理（含微裂縫）發(fā)育程度等作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)，將頁(yè)巖儲(chǔ)層分為4類（表2）。據(jù)五峰組—龍馬溪組含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層7類15項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)（表3），五峰組—龍一11小層為Ⅰ類儲(chǔ)層，其TOC、含氣量、孔隙度等關(guān)鍵參數(shù)都大于4；龍一12—龍一14小層為Ⅱ類儲(chǔ)層，其TOC介于3.0%～4.0%、含氣量介于3.0～4.0 m3/t、孔隙度介于4.0%～5.0%；龍一2亞段為Ⅲ類儲(chǔ)層，其TOC介于2.0%～3.0%、含氣量介于2.0～3.0m3/t、孔隙度介于3.0%～4.0%；龍二段頁(yè)巖為Ⅳ類差含氣層，其TOC、孔隙度、含氣量等參數(shù)均低于2。

表2 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

表3 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組不同層段含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

蜀南地區(qū)五峰期—龍馬溪期為持續(xù)高富有機(jī)質(zhì)、高硅質(zhì)、含鈣質(zhì)、半深水—深水陸棚相沉積區(qū)，“甜點(diǎn)區(qū)”厚度介于10～50 m，長(zhǎng)寧—瀘州區(qū)位于沉積中心附近，陽(yáng)101井鉆遇“甜點(diǎn)段”厚度70 m，屬Ⅰ類頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。與長(zhǎng)寧—瀘州區(qū)不同，威遠(yuǎn)區(qū)儲(chǔ)層“甜點(diǎn)段”厚度略小，屬Ⅱ類“甜點(diǎn)區(qū)”。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖沉積期，四川盆地沉積中心演化自東南向西北方向遷移，導(dǎo)致區(qū)域上不同區(qū)塊Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”縱向?qū)佣巍⒑穸扔兴煌奈宸褰M底部到龍馬溪組上部，可依次劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類“甜點(diǎn)區(qū)”。五峰期—魯?shù)て跒楦吒挥袡C(jī)質(zhì)頁(yè)巖的主要形成期，長(zhǎng)寧、涪陵2個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”主要形成于這一時(shí)期，“甜點(diǎn)段”厚度大、“甜點(diǎn)區(qū)”范圍大。隨著沉積時(shí)間演化，龍馬溪組沉積晚期，高富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積中心向川中、川東北方向遷移，“甜點(diǎn)段”逐漸上移變新，威遠(yuǎn)地區(qū)Ⅰ類“甜點(diǎn)段”主要形成于魯?shù)て凇Ｂ∑凇＂耦悺疤瘘c(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度占地層總厚度的比例在坳陷中心區(qū)大，向坳陷邊緣減小。深水陸棚沉積區(qū)Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度大，占地層總厚度比例普遍較高，深水陸棚區(qū)邊緣Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度小，占地層比例低于10%。蜀南地區(qū)威201井區(qū)Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度為13 m，占地層總厚度的7.22%，足201井區(qū)Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度為25 m，占地層總厚度的6.78%，陽(yáng)101井區(qū)Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度為70 m，占地層總厚度的13.81%。

3 頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的理論和技術(shù)

3.1 “體積開(kāi)發(fā)”理論

3.1.1 “體積開(kāi)發(fā)”理論的提出背景

中國(guó)繼北美之后，實(shí)現(xiàn)了南方海相頁(yè)巖氣的成功開(kāi)發(fā)，目前已進(jìn)入了整體規(guī)模開(kāi)發(fā)階段。四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、重慶涪陵等頁(yè)巖氣示范區(qū)的開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，井網(wǎng)的一次性合理部署對(duì)頁(yè)巖氣的效益開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。橫向上，合理井距部署，應(yīng)避免井間出現(xiàn)較強(qiáng)的產(chǎn)量干擾，同時(shí)減少井間未動(dòng)用儲(chǔ)量比例；縱向上，井筒附近人工裂縫縱向溝通厚度較大、橫向延伸較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離井筒人工裂縫縱向和橫向延伸規(guī)模迅速降低。目前，較多的將水平井靶窗置于有機(jī)質(zhì)含量、含氣量及單儲(chǔ)系數(shù)最高的龍一11小層，雖然取得了單層段的最佳開(kāi)發(fā)效果，但同時(shí)也明顯降低了上部含氣層段的儲(chǔ)量動(dòng)用程度。美國(guó)2013年開(kāi)始在Permian盆地采用多層水平井開(kāi)采Bone Spring及Wolfcamp等層系的頁(yè)巖氣，由于儲(chǔ)層厚度大（超過(guò)600 m）且內(nèi)部存在著砂巖夾層，上下開(kāi)發(fā)層段不會(huì)因壓裂產(chǎn)生縱向干擾，多層段開(kāi)發(fā)取得顯著效果[11-12]。但針對(duì)中國(guó)南方海相五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣，目前頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)段”厚度約為40 m，不能照搬Permian盆地多層段同步開(kāi)發(fā)的模式。在此背景下，筆者提出頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的概念，即基于較小有效頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度的中國(guó)地質(zhì)實(shí)際，研究科學(xué)部署立體開(kāi)發(fā)井網(wǎng)、配套實(shí)施立體縫網(wǎng)系統(tǒng)、合理設(shè)計(jì)立體滲流方式，追求實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)用程度、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益地開(kāi)發(fā)利用中國(guó)的頁(yè)巖氣資源。

3.1.2 “體積開(kāi)發(fā)”的概念

頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”，是指通過(guò)水平井鉆井和大規(guī)模分段分簇壓裂改造，建立頁(yè)巖氣藏人工體積縫網(wǎng)系統(tǒng)，使波及體積內(nèi)的儲(chǔ)量成為可動(dòng)用的商業(yè)開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量，進(jìn)而使頁(yè)巖氣資源得到有效規(guī)模動(dòng)用的開(kāi)發(fā)方式（圖4）。與常規(guī)層狀氣藏開(kāi)發(fā)相比，頁(yè)巖氣藏采用常規(guī)工程技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)，采用長(zhǎng)水平井、分段分簇壓裂等核心技術(shù)，儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)方式也由常規(guī)層狀油氣藏的以水平流動(dòng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)轫?yè)巖氣藏層狀頁(yè)理縫的水平流動(dòng)、垂直縫縱向流動(dòng)等多重流動(dòng)相耦合的“復(fù)合體積流動(dòng)”方式。

頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的重要條件是形成大規(guī)模縫網(wǎng)系統(tǒng)。水力壓裂的主裂縫沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸，在層間膠結(jié)薄弱處或閉合的天然裂縫處形成次裂縫，最終與天然裂縫耦合組成縫網(wǎng)系統(tǒng)[13]。較之于北美地區(qū)，中國(guó)南方頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”兩向水平主應(yīng)力差較大，傾向于形成以主裂縫為主的縫網(wǎng)系統(tǒng)[14]。結(jié)合人工裂縫規(guī)模和主裂縫形態(tài)，在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段采用上下多層交錯(cuò)布井的方式，水力壓裂后形成的體積縫網(wǎng)可最大限度的增加改造體積。

人工改造后的含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層，納米級(jí)孔喉、微米級(jí)次裂縫、天然裂縫和毫米級(jí)主裂縫多尺度相互耦合分布[15]。天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)系統(tǒng)中的流動(dòng)，不僅包括基質(zhì)內(nèi)部的解吸擴(kuò)散和水平方向的多向滲流，還有不同小層、不同水平井間體積縫網(wǎng)內(nèi)沿垂向?qū)Я骺p的縱向流體交換，總體呈現(xiàn)水平加縱向的復(fù)合流動(dòng)方式。體積縫網(wǎng)主裂縫內(nèi)的游離氣在壓力差的作用下首先流入井筒，隨著壓力降低和傳導(dǎo)，基質(zhì)表面的吸附氣逐漸解吸并與游離氣一起通過(guò)次級(jí)裂縫和天然微裂縫運(yùn)移至主裂縫，最終流入水平井筒。頁(yè)巖氣從含氣儲(chǔ)層流入生產(chǎn)井筒需經(jīng)歷4個(gè)階段：①在生產(chǎn)壓差作用下，裂縫內(nèi)游離態(tài)的頁(yè)巖氣開(kāi)始向井筒流動(dòng)，裂縫內(nèi)壓力降低，基質(zhì)孔隙內(nèi)游離態(tài)的天然氣開(kāi)始滲流；②由于地層產(chǎn)生壓降，全地層壓力低于吸附壓力時(shí)，吸附在頁(yè)巖表面的氣體開(kāi)始脫離，頁(yè)巖氣由基質(zhì)系統(tǒng)向裂縫內(nèi)表面進(jìn)行解吸，解吸出來(lái)的氣體進(jìn)入裂縫或孔隙中成為游離氣；③在基質(zhì)內(nèi)部和外部濃度差的作用下，基質(zhì)孔隙中的氣體逐漸擴(kuò)散到基質(zhì)表面，然后通過(guò)解吸作用流入裂縫；④游離態(tài)的頁(yè)巖氣在壓差和濃度差的共同作用下，由遠(yuǎn)處基質(zhì)向井筒附近的裂縫運(yùn)移。

圖4 四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”模式圖

頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”，就是在充分認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層的基礎(chǔ)上，通過(guò)人工措施，從縱、橫向最大范圍地打通基質(zhì)孔隙到體積縫網(wǎng)、從縫網(wǎng)到井筒的流動(dòng)通道，最大限度地解放頁(yè)巖儲(chǔ)層中的天然氣，在自然能量下形成商業(yè)化產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)含氣頁(yè)巖相對(duì)均質(zhì)體的一次有效鉆探、改造和開(kāi)發(fā)。要而論之，認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層是基礎(chǔ)，形成立體縫網(wǎng)系統(tǒng)和復(fù)合滲流方式是核心，推行地質(zhì)工程一體化是關(guān)鍵，實(shí)施井工廠管理是抓手。

3.1.3 “體積開(kāi)發(fā)”的評(píng)價(jià)部署

針對(duì)含氣頁(yè)巖層段，“體積開(kāi)發(fā)”以提升開(kāi)發(fā)效益和質(zhì)量為目標(biāo)，在“甜點(diǎn)區(qū)”內(nèi)科學(xué)部署開(kāi)發(fā)井網(wǎng)，建立人工縫網(wǎng)系統(tǒng)，建成多層段“人工氣藏”，實(shí)現(xiàn)一次性“體積開(kāi)發(fā)”，大幅度提高頁(yè)巖氣田的儲(chǔ)量動(dòng)用率和采收率。

整體評(píng)價(jià)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段是實(shí)現(xiàn)體積開(kāi)發(fā)的前提。除了烴源性、物性、含氣性、吸附性等頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)外，還應(yīng)重點(diǎn)分析頁(yè)巖段的地質(zhì)力學(xué)特性，包括地層可壓性（楊氏模量、泊松比等）、原始?jí)毫?chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等，地質(zhì)力學(xué)屬性是體積壓裂設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[16]。

整體設(shè)計(jì)地下井網(wǎng)、井筒管柱、地面平臺(tái)和管網(wǎng)布局及施工方案。較之于單層井網(wǎng)，體積開(kāi)發(fā)需要優(yōu)選多層段水平井靶窗位置、不同層位水平井橫向井距、相鄰層位水平井縱向排列方式、不同層位水平井壓裂參數(shù)和壓裂方式的匹配和優(yōu)化等，同時(shí)要考慮工程施工和采氣工藝需求，設(shè)計(jì)多層水平井的井筒管柱，并論證共用直井井筒和單獨(dú)井筒的可行性及經(jīng)濟(jì)性。體積開(kāi)發(fā)時(shí)，同一平臺(tái)的水平井?dāng)?shù)量超過(guò)單層井網(wǎng)的2倍，平臺(tái)的選擇和建設(shè)難度更大，地下不同層位的壓力差異對(duì)地面管網(wǎng)的建設(shè)要求更高、更復(fù)雜。因此，從效益開(kāi)發(fā)的角度，頁(yè)巖氣體積開(kāi)發(fā)必須采用一次性部署的方案，縮短搬運(yùn)時(shí)間，提高工作效率，降低施工成本，最終實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)資源的有效、立體開(kāi)發(fā)。

“體積開(kāi)發(fā)”的流程：優(yōu)選出具備開(kāi)發(fā)潛力的多層段“甜點(diǎn)區(qū)”，部署水平井網(wǎng)，優(yōu)化鉆井軌跡，在深刻認(rèn)識(shí)天然裂縫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)壓裂施工方案，確定建產(chǎn)氣井的合理配產(chǎn)，根據(jù)氣田的儲(chǔ)量動(dòng)用狀況，有針對(duì)性地實(shí)施開(kāi)發(fā)調(diào)整井網(wǎng)，地質(zhì)、工程、開(kāi)發(fā)在工作程序上變前后接力為互相滲透，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。如何部署合理高效的開(kāi)發(fā)井網(wǎng)、設(shè)計(jì)配套的體積壓裂工藝是成功實(shí)施頁(yè)巖氣田體積開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2 甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”核心技術(shù)

3.2.1 “甜點(diǎn)區(qū)”綜合評(píng)價(jià)技術(shù)

頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確尋找“甜點(diǎn)區(qū)”。通過(guò)近10年的科研攻關(guān)，初步形成了頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”綜合評(píng)價(jià)技術(shù)，包括富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)分析、頁(yè)巖儲(chǔ)層“六特性”評(píng)價(jià)等技術(shù)。

3.2.1.1 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)

建立了致密頁(yè)巖物性、巖石力學(xué)、地球化學(xué)、含氣量等測(cè)試技術(shù)，頁(yè)巖孔隙度和脈沖衰減法滲透率測(cè)試技術(shù)，“高精度、多維度、跨尺度”精細(xì)儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，采用高分辨率FIB-SEM三維頁(yè)巖儲(chǔ)層數(shù)字成像表征，開(kāi)展了精細(xì)評(píng)價(jià)頁(yè)巖吼道、裂縫空間方向及連通性等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙空間定量評(píng)價(jià)，為“甜點(diǎn)區(qū)”儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)提供了重要手段。

3.2.1.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層“六特性”評(píng)價(jià)技術(shù)

通過(guò)巖石物理模擬，建立了“礦物組分、儲(chǔ)層物性、地球化學(xué)特性、含油氣性、可壓裂性和地應(yīng)力”的頁(yè)巖“六特性”精細(xì)評(píng)價(jià)技術(shù)，有效優(yōu)選頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)層段，為頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”提供可靠的依據(jù)。其中核磁共振測(cè)井使頁(yè)巖孔隙度評(píng)價(jià)精度提高了10%，元素測(cè)井實(shí)現(xiàn)了Si、Ca、Fe、Al、S、Ti等主量元素和黏土、石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽、黃鐵礦等礦物含量的直接評(píng)價(jià)，偶極陣列聲波測(cè)井為巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)提供了泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)、地應(yīng)力大小及方向等重要工程參數(shù)。“六特性”測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)在四川盆地廣泛推廣應(yīng)用，據(jù)對(duì)200余口頁(yè)巖氣井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用效果良好。

3.2.2 體積開(kāi)發(fā)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)早期開(kāi)發(fā)的平面井距主要依靠微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果和機(jī)理模型模擬結(jié)果初步確定，普遍在400～500 m。微地震監(jiān)測(cè)是通過(guò)在地面或井筒中布置檢波器拾取微地震時(shí)間傳播的信號(hào)，利用初至或波形信息建立目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)區(qū)域地層特征建立及校正速度模型，最后反演定位水力壓裂時(shí)的微地震事件。在反演定位中構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)所用地震波信息不同，可分為基于走時(shí)的射線追蹤定位方法和基于波形的偏移定位方法[17]。但這兩種方法都存在著理論上的不足，即水力壓裂時(shí)微地震事件并不等同于實(shí)際開(kāi)啟的裂縫。尤其對(duì)于頁(yè)巖地層，因其各向異性明顯，頁(yè)理和天然裂縫發(fā)育，水力壓裂時(shí)這些薄弱面易被開(kāi)啟，形成的微地震事件能量較小，易造成監(jiān)測(cè)定位的遺漏；另一方面，在壓裂點(diǎn)遠(yuǎn)端形成的微地震事件可能是非開(kāi)啟的或孤立的無(wú)效裂縫，可能造成對(duì)水力壓裂規(guī)模和裂縫分布的誤判[18]。頁(yè)巖機(jī)理模型模擬結(jié)果是早期確定水平井間距的重要依據(jù)，參照致密砂巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐，確定頁(yè)巖的水力壓裂模型，但初期的模擬過(guò)程未充分考慮頁(yè)巖的微觀構(gòu)造如頁(yè)理面、各向異性和天然裂縫等因素的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相差較大[19]。經(jīng)過(guò)大量的干擾試井、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證，目前蜀南頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)優(yōu)化后采用的井距普遍在300 m左右，在壓裂規(guī)模不變的條件下，大部分井未見(jiàn)到明顯的壓力和產(chǎn)量干擾。

北美地區(qū)典型頁(yè)巖氣田的井距也經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化和調(diào)整。早期開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣水平井考慮了后期加密，往往初始間距較大，介于500～1 000 m[20]。2010—2016年，隨著認(rèn)識(shí)的逐步深入，同時(shí)加密后的氣井生產(chǎn)狀況良好，小井距水平井部署比例逐年增高[21-22]。但到近兩年，發(fā)現(xiàn)部分水平井存在著一定程度的干擾，井網(wǎng)部署時(shí)井距有回調(diào)的趨勢(shì)。從整體上看，目前北美地區(qū)Barnett、Haynesville、Marcellus等主要頁(yè)巖氣田，其井距穩(wěn)定在260～300 m，而Eagle Ford氣田因地質(zhì)條件差異，接近1/2的井距小于 122 m，只有少數(shù)井距大于 244 m[23-24]。

頁(yè)巖水力壓裂大物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于頁(yè)理的影響，水力壓裂形成的主裂縫在垂直頁(yè)理方向穿透能力受到很大限制，離射孔點(diǎn)越近，頁(yè)理縫越長(zhǎng)。射孔點(diǎn)水力裂縫縱向最大穿透能力在40 m左右，遠(yuǎn)離射孔點(diǎn)，裂縫高度快速減小。現(xiàn)場(chǎng)采用非放射性示蹤陶粒，Sigma測(cè)井評(píng)估足201井支撐縫高僅為9 m，合201井的支撐縫高僅為10.5 m，雖然支撐劑到達(dá)的高度并不能代表裂縫的延伸范圍，但使用傳統(tǒng)矩形模型擬合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)后發(fā)現(xiàn)，主體動(dòng)用高度也僅有10～20 m。開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，相似壓裂規(guī)模和工藝，鉆遇龍小層氣井的EUR和測(cè)試產(chǎn)氣量比鉆遇龍小層高20%左右。考慮到這兩個(gè)小層在含氣量方面的差異，可以得出結(jié)論：近井筒鉆遇層位頁(yè)巖氣儲(chǔ)量動(dòng)用程度高，遠(yuǎn)離井筒則動(dòng)用程度大幅度降低。綜上所述，水力壓裂形成的裂縫帶截面形態(tài)近似為“星形”（圖 4）。

針對(duì)目前我國(guó)投入開(kāi)發(fā)的蜀南地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖，當(dāng)前單層水平井的靶窗位置選在含氣量最大的龍小層中下部，采用縱向交錯(cuò)布井的方式，將龍小層上部作為第二套水平井的靶窗位置，2套水平井截面上呈“W”形，縱向距離15～20 m。這一立體井網(wǎng)的部署方式可以充分?jǐn)U大縫網(wǎng)的控制范圍，增加縱向儲(chǔ)量動(dòng)用程度，同時(shí)降低縫網(wǎng)間的相互影響。通過(guò)初步數(shù)值模擬證實(shí)，在天然裂縫不發(fā)育的情況下，上下2套井網(wǎng)間未出現(xiàn)明顯干擾，整體頁(yè)巖氣采收率可提高12%以上，在同一平臺(tái)、上下相鄰水平井采用同一直井段的情況下，內(nèi)部收益率可超過(guò)8%。

3.2.3 水平井鉆井、靶窗優(yōu)選與軌跡設(shè)計(jì)

水平井鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中被普遍應(yīng)用。目前，水平井鉆井技術(shù)正在向地質(zhì)、地球物理、油層物理、工程技術(shù)等多因素結(jié)合的集成系統(tǒng)發(fā)展，包括3項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)：①旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，幫助獲得高質(zhì)量的井眼和精確的水平井軌跡，提高鉆井效率；②水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，精確控制水平井井眼軌跡的有效手段；③精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，有效降低鉆井事故或復(fù)雜情況。

水平層段對(duì)單井產(chǎn)能影響較大，靶窗選擇應(yīng)以儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)。為了提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量，首先考慮的是靶窗所在層位的儲(chǔ)層品質(zhì)，優(yōu)選高TOC、高孔隙度、高含氣量的頁(yè)巖儲(chǔ)層，其次考慮的是可壓性，優(yōu)選高脆性指數(shù)的頁(yè)巖儲(chǔ)層作為開(kāi)發(fā)目的層。井軌跡要求盡可能多地鉆遇目的層，鉆井過(guò)程中主要采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具控制井眼軌跡以提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇長(zhǎng)度（或鉆遇比例）。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇長(zhǎng)度（或鉆遇比例）是確保頁(yè)巖氣井高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[25]。蜀南頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)靶窗位置鎖定在五峰組—龍小層，箱體高度控制在5 m以內(nèi)。以威遠(yuǎn)區(qū)塊為例，通過(guò)自然伽馬的高低將五峰組—龍小層縱向上細(xì)分為8個(gè)部分（圖5），其中龍小層中下部?jī)?chǔ)層的鉆遇長(zhǎng)度決定了單井產(chǎn)量的高低。威202H2平臺(tái)6口水平井龍一11小層中下部?jī)?chǔ)層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表4），水平井靶窗位置及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇長(zhǎng)度（或鉆遇比例）對(duì)單井產(chǎn)能影響很大[26]，H2-4、H2-5井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇長(zhǎng)度較大，首年的平均日產(chǎn)氣量也較高。

3.2.4 水平井段體積壓裂改造技術(shù)

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)以水平井分段壓裂建立人工縫網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模體積壓裂改造為目標(biāo)，推行地質(zhì)—工程一體化壓裂設(shè)計(jì)，根據(jù)不同井段儲(chǔ)層特征確定有針對(duì)性的壓裂設(shè)計(jì)方案：①精細(xì)確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層分段方案，綜合考慮三維地震、錄井、測(cè)井、固井等成果，將物性參數(shù)相近、應(yīng)力差異較小、固井質(zhì)量相當(dāng)、位于同一小層的井段，作為同一段進(jìn)行壓裂改造；②射孔位置優(yōu)選，優(yōu)選脆性高、含氣量高、孔隙度高、TOC高、破裂壓力低“四高一低”位置作為最佳射孔孔位；③射孔方式優(yōu)選，根據(jù)不同壓裂段的位置制定射孔方案，龍一11小層、五峰組采用螺旋射孔，龍一12等其他小層采用定向射孔；④壓裂參數(shù)差異化設(shè)計(jì)，根據(jù)水平井巷道距離、天然裂縫及斷層發(fā)育情況差異化設(shè)計(jì)壓裂液用量、支撐劑砂用量和施工排量等參數(shù)。

圖5 四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊地層小層細(xì)分綜合剖面圖

四川盆地長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)及其周緣昭通頁(yè)巖氣田基本定型了電纜泵送橋塞＋分簇射孔、低黏滑溜水＋低密度陶粒、大排量注入為主的壓裂施工工藝，壓裂效果綜合評(píng)估結(jié)果認(rèn)為基本實(shí)現(xiàn)了體積改造。水平井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)包括主體低黏滑溜水、12～14 m3/min排量，可形成復(fù)雜體積縫網(wǎng)；100目粉砂＋40/70目低密度陶粒，以40/70目陶粒為主，保障長(zhǎng)期導(dǎo)流能力 ；1 800 m3左右單段壓裂液用量、60 ～ 90 m3單段支撐劑用量、60～80 m段間距，以滿足改造強(qiáng)度。目前，蜀南頁(yè)巖氣區(qū)開(kāi)展的長(zhǎng)水平井段、密切割和提高加砂強(qiáng)度等高強(qiáng)度壓裂體積改造技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了最長(zhǎng)水平井段2 512 m、最大單井分段數(shù)46段、最高單井加砂強(qiáng)度3.1 t/m的體積壓裂改造。

3.2.5 生產(chǎn)制度設(shè)計(jì)與平臺(tái)式工廠化管理

控壓限產(chǎn)是目前中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的有效生產(chǎn)制度。微裂縫是基質(zhì)內(nèi)部氣體向裂縫系統(tǒng)解吸、擴(kuò)散和滲流的主要通道，也是“人工氣藏”限制氣井產(chǎn)能的瓶頸所在[27]。頁(yè)巖氣井生產(chǎn)早期產(chǎn)量較高，裂縫系統(tǒng)內(nèi)迅速泄壓，上覆地層壓力與流體壓力差值越來(lái)越大，支撐劑發(fā)生嵌入或壓碎，裂縫寬度減小，裂縫系統(tǒng)導(dǎo)流能力降低。主要原因是裂縫面附近被微裂縫化的基質(zhì)被重新壓實(shí)，極小的微裂縫閉合，滲透能力大幅度降低，產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力敏感，形成儲(chǔ)層永久傷害區(qū)，阻擋遠(yuǎn)縫帶基質(zhì)內(nèi)氣體進(jìn)入裂縫系統(tǒng)，嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)能和累積產(chǎn)氣量。基于此，涪陵、昭通頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)采用控壓限產(chǎn)方式生產(chǎn)[9,28]，相對(duì)于完全放壓生產(chǎn)，控壓限產(chǎn)能夠有效降低儲(chǔ)層受壓敏效應(yīng)傷害，保持近縫基質(zhì)及縫網(wǎng)的滲流能力，相同條件下單井累計(jì)產(chǎn)量可提高25%以上[29]。頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”中，需根據(jù)壓后動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果和地層壓力變化，研究不同類型氣井、不同開(kāi)發(fā)階段的適用生產(chǎn)制度，在保證效益的同時(shí)，提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)量最終采出程度。

表4 威202H2平臺(tái)水平井鉆遇小層長(zhǎng)度與產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)表

平臺(tái)式工廠化管理已成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)降本的有效方式。經(jīng)過(guò)近10年的探索與實(shí)踐，四川盆地3 500 m以淺海相頁(yè)巖氣綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化、水平井優(yōu)快鉆井、分段體積壓裂、工廠化作業(yè)模式、高效清潔開(kāi)采工程技術(shù)體系等基本形成，涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等頁(yè)巖氣生產(chǎn)區(qū)內(nèi)一平臺(tái)多井的產(chǎn)能建設(shè)模式、縱向一體化生產(chǎn)組織方式、水平井鉆井提速、井軌跡控制、拉鏈?zhǔn)綁毫训冉当驹鲂Т胧┑玫搅藦V泛應(yīng)用。

4 頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”發(fā)展前景

4.1 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”發(fā)展前景

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田位于四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣、珙縣、興文縣、筠連縣境內(nèi)，構(gòu)造上屬于四川盆地川南低緩褶皺帶，面積4 230 km2。2011年8月2日，寧201-H1井壓裂測(cè)試，獲日產(chǎn)氣量15×104m3以上穩(wěn)定產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)寧中—高產(chǎn)頁(yè)巖氣田，主力氣層為五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖層，儲(chǔ)層主要特征參數(shù)與北美頁(yè)巖層類似[30]。經(jīng)過(guò)2012—2014、2014—2016年與2017—2018年3個(gè)階段的產(chǎn)能建設(shè)和勘探持續(xù)評(píng)價(jià)，累計(jì)探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量 2 831.26×108m3，含氣面積 540 km2，投產(chǎn)氣井 135 口，日產(chǎn)氣量 860×104m3，累計(jì)產(chǎn)氣量 55.7×108m3。

寧201井區(qū)是長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)最早的區(qū)塊，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層埋深1 500～4 000 m，富集高產(chǎn)層段為五峰組—龍一1亞段，氣層厚度為29.5～46.4 m，橫向連續(xù)、穩(wěn)定分布。進(jìn)一步劃分含氣小層發(fā)現(xiàn)，由下至上，可分為五峰組、龍、龍、龍、龍層共5個(gè)層段。綜合對(duì)比，龍、龍這2個(gè)小層的含氣性最好，五峰組、龍、龍小層含氣性次之。長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層“體積開(kāi)發(fā)”中，以龍—龍小層為主要軌跡，近南北向雙排/單排布井，400 m巷道間距，平均1 500 m水平段長(zhǎng)度。

與焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣層綜合特征對(duì)比，寧201井區(qū)五峰組—龍一1亞段頁(yè)巖氣層整體參數(shù)指標(biāo)與焦石壩區(qū)塊相似。對(duì)比北美典型頁(yè)巖氣區(qū)塊，寧201井區(qū)五峰組—龍一1亞段各小層儲(chǔ)層主體參數(shù)與北美主要頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)相當(dāng)，但寧201井區(qū)頁(yè)巖氣層有機(jī)質(zhì)演化程度高、地層壓力系數(shù)大。長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田內(nèi)橫向開(kāi)發(fā)區(qū)塊對(duì)比發(fā)現(xiàn)，寧201井、寧209井、寧216井等不同井區(qū)地質(zhì)—工程條件基本一致，寧201井區(qū)實(shí)施的“體積開(kāi)發(fā)”模式在寧209井、寧216井區(qū)具有可復(fù)制性，在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田其他區(qū)塊具有進(jìn)一步推廣的前景。

4.2 涪陵頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”發(fā)展前景

涪陵頁(yè)巖氣田位于重慶市涪陵、南川、武隆等區(qū)縣境內(nèi)，構(gòu)造上屬于四川盆地東南緣川東高陡褶皺構(gòu)造帶的萬(wàn)州復(fù)向斜。2012年11月28日，焦頁(yè)1HF井壓裂測(cè)試，在五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖段獲日產(chǎn)氣量20.3×104m3，發(fā)現(xiàn)涪陵海相高產(chǎn)頁(yè)巖氣田，儲(chǔ)層主要特征參數(shù)與北美典型頁(yè)巖層相當(dāng)[30]。經(jīng)過(guò)2012—2015年、2015—2017年2期產(chǎn)能建設(shè)，迄今，涪陵頁(yè)巖氣田已形成焦石壩、江東和平橋3個(gè)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)，白馬、鳳來(lái)、白濤3個(gè)頁(yè)巖氣后備有利區(qū)，累計(jì)探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量 6 008.14×108m3，含氣面積575.92 km2，投產(chǎn)氣井 350 口，日產(chǎn)氣量 1 650×104m3，累計(jì)產(chǎn)氣量 219.64×108m3。

焦石壩區(qū)塊作為涪陵頁(yè)巖氣田主體區(qū)塊，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層厚度大，層層有氣。其中下部氣層（①～③小層）儲(chǔ)量豐度最高，為Ⅰ類“甜點(diǎn)區(qū)”，向上各氣層儲(chǔ)量豐度有所降低。產(chǎn)能建設(shè)初期，主要采取600 m井距規(guī)則井網(wǎng)開(kāi)發(fā)，“體積開(kāi)發(fā)”下部高儲(chǔ)量豐度氣層。隨著開(kāi)采時(shí)間增長(zhǎng)，逐漸動(dòng)用新的儲(chǔ)量區(qū)塊和含氣層段。2016年以來(lái)，焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)政策調(diào)整，對(duì)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層下部“甜點(diǎn)區(qū)”采取橫向加密井網(wǎng)措施，通過(guò)縮小井距、近距離壓裂，使儲(chǔ)層發(fā)生變化，改善鄰井溢氣通道，提高老井特別是水平段同向重疊長(zhǎng)的鄰井產(chǎn)量，鄰井單井平均累計(jì)增產(chǎn)氣量超過(guò)1 000×104m3。同時(shí)，縱向上根據(jù)不同地層壓力系統(tǒng)分層、分階段開(kāi)發(fā)。通過(guò)密織井網(wǎng)、充分動(dòng)用儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)了焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)高效“體積開(kāi)發(fā)”。

目前，焦石壩區(qū)塊仍以3 500 m以淺的五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層為主，焦石壩區(qū)塊周圍其他深層區(qū)塊富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度大，TOC高、有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育、保存條件好，“體積開(kāi)發(fā)”推廣應(yīng)用前景好。

4.3 頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”應(yīng)用前景

中國(guó)發(fā)育海相、海陸過(guò)渡相和陸相3種類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖（圖6）。迄今，海相頁(yè)巖氣資源較為落實(shí)，確定了四川盆地、中—上揚(yáng)子地區(qū)兩大海相五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”，落實(shí)有利面積約10×104km2，頁(yè)巖氣可采資源量為 8.82×1012m3[7,31-32]，是近期頁(yè)巖氣實(shí)施“體積開(kāi)發(fā)”的主要對(duì)象。海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣資源量為2.37×1012m3，主要分布在華北地區(qū)石炭—二疊系和南方地區(qū)二疊系，面積為19.1×104km2，該類頁(yè)巖常與煤層、粉—細(xì)砂巖互層，橫向相變，脆性礦物含量不高，黏土礦物含量相對(duì)較高。陸相頁(yè)巖氣資源潛力較小，可采資源量為1.66×1012m3，在中國(guó)主要含油氣盆地均有分布，以中、新生界湖相沉積為主，盆地中心或埋深較大區(qū)域是潛力分布區(qū)。目前，陸相、海陸過(guò)渡相兩類頁(yè)巖氣資源尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)開(kāi)采，未來(lái)開(kāi)展超臨界二氧化碳、無(wú)水等新型壓裂液、壓裂方式及配套裝備攻關(guān)，有望實(shí)現(xiàn)“體積開(kāi)發(fā)”。

圖6 中國(guó)非海相頁(yè)巖和頁(yè)巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)圖

5 結(jié)論

1）提出了頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的概念，即在不同級(jí)別含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)區(qū)”“甜點(diǎn)段”范圍內(nèi)，通過(guò)立體布井建立空間井網(wǎng)體系，在多水平層段分段壓裂構(gòu)建人工縫網(wǎng)系統(tǒng)，以水平方向流動(dòng)疊加垂向?qū)Я骺p流動(dòng)形成復(fù)合流動(dòng)方式，促使波及范圍內(nèi)的頁(yè)巖氣資源成為可開(kāi)發(fā)的商業(yè)儲(chǔ)量，以實(shí)現(xiàn)更多頁(yè)巖氣資源有效動(dòng)用。

2）“甜點(diǎn)區(qū)”綜合評(píng)價(jià)、體積開(kāi)發(fā)井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、水平井鉆井和靶窗優(yōu)選及軌跡設(shè)計(jì)、水平井段體積壓裂改造技術(shù)、生產(chǎn)制度設(shè)計(jì)與平臺(tái)式工廠化管理是頁(yè)巖氣“體積開(kāi)發(fā)”的5項(xiàng)核心技術(shù)。

3）“體積開(kāi)發(fā)”理論技術(shù)可為海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)量區(qū)、陸相—海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的整體利用，提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝：成文中得到了中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司及下屬企業(yè)的大力支持，在撰寫過(guò)程中得到了中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鄒才能院士、位云生、周德華、胡志明、趙群、金亦秋、于榮澤、李東暉、劉德勛、車明光、王南、王莉、程峰等同志的幫助，在此一并致謝。