基于頁巖現場含氣量測試結果預測產能的方法

姜志高，曹海虹，丁安徐，高和群

(中國石化 華東油氣分公司 勘探開發研究院，江蘇 揚州 225007)

目前，國家越來越重視清潔能源的開發，頁巖氣等非常規能源在我國也越來越重要[1-4]，其高效合理的開發對我國經濟具有重大的推動作用[5-14]，現今，國內和國外對頁巖氣和煤層氣等非常規能源的開發已經進入了快速發展的階段，出于對成本的控制，需要對單井產能提前進行預測。目前，此類研究較少[15-18]，姜寶益等[19]從滲流力學出發，根據頁巖氣藏壓裂后儲層特征，建立了頁巖氣藏復合模型，對產能進行評價；李旋等[20]用試井數值模擬法預測實例井頁巖氣產能；余友等[21]按照裂縫和基質雙重介質模型，建立了一種新的數學模型。他們對頁巖氣產能通過不同方法進行了初步的模擬，但其缺點在于均是壓裂后才能進行模擬，無法做到提前對產能進行預測。如果實現對單井產能提前進行預測，既可以提前預測目標區域資源儲量，也能指導頁巖氣井下一步施工方案，包括頁巖氣井水平段長度設計、壓裂規模及壓裂方案設計等，可以有效降低開發成本，提高頁巖氣開發利用經濟效益。

中國石化華東油氣分公司在平橋南區塊、南川武隆區塊以及彭水部署的探井和開發井已經達到幾十口，但每口井產能差異較大，還沒有辦法對單井產能進行提前預測。目前，國內外對含氣性的實驗普遍是利用現場含氣量測試，得到含氣量[22-24]，但是，越來越多的經驗告訴我們，很多井的含氣量差不多，而產量卻相差很大，這是為什么？目前幾乎沒有文獻能夠解答此問題。因此，本文對此問題進行初步探索，待現場含氣量測試結束，即可對單井產能進行初步的預測。

1 實驗方法

實驗方法按照“SY/T6940-2013頁巖含氣量測定方法”[25]，巖心出筒后迅速裝入解吸罐，然后將解吸罐升溫，一階溫度為泥漿循環溫度，在規定時間間隔內讀取解吸氣體積；一定時間后升溫至二階解吸溫度，二階解吸溫度為地層溫度，直至解吸結束，停止解吸。為消除人為讀數因素導致的解吸速率誤差，本文的解吸速率計算均為一階解吸溫度時去除第一個異常高點后的平均解吸速率，解吸氣含量為從開始解吸至解吸結束后的折算成標準狀態下的解吸氣含量。

2 實驗分析和討論

2.1 解吸過程

目前現場含氣量測試經常碰到一個問題，即很多口井的含氣量差不多，但其產量卻相差很大。以渝東南地區Z1井和L1井為例，這2口井都處于四川盆地外圍，屬于常壓頁巖氣井，含氣量Z1井跟L1井相當，甚至有些樣品含氣量還要高于L1井，但Z1井壓裂后日產量只有7 000～8 000 m3，而L1井日產量在6×104m3左右(圖1)。

為解決含氣量相近而產量差異較大的問題，將此2口井的解吸過程進行對比，就會發現其中的差異：圖2為Z1井和L1井2個典型樣品的解吸曲線以及解吸速率對比，可以看出，Z1井解吸氣量比L1井還要高；但是Z1井現場解吸速率慢，解吸時間長，計算出的損失氣含量低；而L1井雖解吸氣量低，但是具有解吸速率快，解吸時間短，計算出的損失氣含量高的特點。因此，通過這2口井解吸過程的對比，可以較好地回答這2口井產量有很大差異的問題。

因此，筆者認為單一含氣量數據不足以表征含氣性，還應該考慮其解吸過程，如解吸速率、游離氣含量因素，將解吸過程結合起來，總氣量代表頁巖容納了多少氣體；解吸速率代表頁巖釋放氣體的快慢，游離氣占比越高，則初期產量越高，從而得到一個綜合性指數，即含氣性指數，并且含氣性指數計算方法定義如下：

圖1 渝東南地區Z1井和L1井含氣量對比

圖2 渝東南地區Z1井和L1井解吸曲線及解吸速率對比

圖3 四川盆地外圍常壓頁巖氣井含氣性指數與日產量關系

含氣性指數=解吸速率×游離氣占比×總氣量

為了驗證含氣性指數計算方法是否合理，筆者從四川盆地外圍常壓頁巖氣井到盆地內部超壓頁巖氣井挑選具有代表性的8口井，對其含氣性指數進行計算(圖3)。

含氣性指數與日產量正相關性明顯(圖3)，說明含氣性指數計算方法較為合理。如圖4所示，J43井縱向上含氣量范圍為1～4 cm3/g，差距并不大，而對于其含氣性指數而言，縱向上范圍為5～70，差異較為明顯，且可以明顯篩選出含氣性指數最高的井段為2 670.5～2 696.4 m，此段為該井的“甜點段”，也就是該井水平段的最佳井深。因此，通過含氣性指數，可實現單井最優段評價，對水平段層位的選取有較大幫助。橫向上，可對不同井的含氣性進行綜合評價比對。

2.2 含氣性指數內在含義分析

含氣性指數包含了含氣量、解吸速率、游離氣占比3部分內容，其中含氣量則與TOC和保存條件息息相關，代表著地層的生烴儲烴能力。

渝東南地區J43井和L1井主要發育楔形或V形孔，此類孔隙有利于氣體的解吸，從掃描電鏡圖像上來看，與大量的黏土礦物伴生有關，而P1井則以墨水瓶形孔隙為主，不利于氣體的解吸(圖5)。表1結果顯示J43井和L1井的孔隙度、解吸速率以及游離氣占比均要高于P1井，因此，認為解吸速率和游離氣占比與孔隙度、孔隙形狀以及連通孔隙率相關，孔隙度越大，連通孔隙率越高，孔隙形狀發育越好的井其解吸速率和游離氣占比越高，代表了頁巖中氣體釋放的能力。而生烴儲烴能力和地層氣體釋放的能力又從某種角度決定了一口井產量的大小。因此，含氣性指數與產量之間的內在關聯導致兩者之間具有明顯正相關性。

接下來通過Y2井和Y3井對含氣性指數內在含義進一步驗證。這2口井為四川盆地內部的2口鄰井，含氣量分別為2.68和2.71 cm3/g，幾乎相當，但含氣性指數Y3井要高于Y2井，實際產量也是Y3井高于Y2井。圖6和表2為分別為Y2井和Y3井FIB-SEM觀測結果，可以看到，不管是有機質內孔隙度，還是連通孔隙度，Y3井均要高于Y2井，這也是Y3井的含氣性指數要高于Y2井的內在原因，說明了含氣性指數和孔隙度和孔隙連通性之間的內在關聯。

表1 渝東南3口井孔隙度、解吸速率和游離氣含量關系

圖4 渝東南地區J43井深度與含氣量和含氣性指數關系

圖5 渝東南3口井氮氣吸附和掃描電鏡結果

井號有機質內孔隙度/%連通孔隙度/%連通孔隙率/%含氣量/(cm3·g-1)含氣性指數Y2井13.341.209.02.6817Y3井36.3231.9387.912.7122

注：有機質內孔隙度：有機孔占有機質的比例；連通孔隙度：互相連通的有機孔的有機質內孔隙度；連通孔隙率：有機孔之間互相連通的比例。

圖6 四川盆地Y2井和Y3井FIB-SEM結果

2.3 產能預測

通過現場含氣量測試數據，對與產量具有相關性的因素進行篩選，挑選出含氣性指數和完井后井底壓力計顯示的壓力系數等對日產量具有明顯相關性的因素(圖3，圖7)。

因此，挑選渝東南地區B1、Z1、P1、L1、S1、J43以及J52等7口井。將壓力系數以及含氣性指數兩列數據當做矩陣A，而對應的日產量數據為矩陣B，利用MATLAB軟件，對矩陣A和矩陣B的相關性進行模擬，建立多元回歸模型。得出以下公式：

表3 渝東南3口井產能公式的驗證與預測

圖7 渝東南地區壓力系數與日產量關系

日產量=0.146 7×壓力系數7.2×含氣性指數+0.086 4

并利用J53井對此公式進行驗證(表3)，得出J53井模擬日產量為30.3×104m3，而J53井實際日產量31.7×104m3，相對誤差為4.4%。因此，認為此公式能較好地對產能進行初步預測，并對L2井和J10井2口新井日產量進行現場預測，其中L2井與J10井地層壓力系數均來源于其鄰井資料，其預測日產量分別為9.5×104m3和18.2×104m3。通過后期L2井以及J10井實際產能的測試結果發現，L2井實際日產量為9.2×104m3，J10井實際日產量為16.7×104m3，相對誤差分別為3.2%和8.9%，相對誤差均較小，說明此公式現場應用效果較好。

3 結論

(1)首次提出了含氣性指數概念，并對其內在含義進行分析，更好地表征了地層真實含氣性情況，使得單井的縱向對比更清晰，對水平段層位選取具有較好幫助，井與井之間的橫向對比效果更加明顯。

(2)根據含氣性指數以及地層壓力系數，利用MATLAB軟件建立模型：日產量=0.146 7×壓力系數7.2×含氣性指數+0.086 4，并對模型的可靠性進行現場驗證，發現和實際生產情況有較高的吻合度，因此，實現了在現場即可對單井產能進行初步預測。