長寧區塊頁巖氣水平井組地質工程一體化

黃浩勇, 范 宇, 曾 波, 趙圣賢, 常 程

(1.中國石油西南油氣田公司，成都 610017； 2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，成都 610051)

四川盆地南部地區龍馬溪組頁巖氣資源量豐富，具有大面積、低豐度連續分布特點，開發潛力巨大[1]。但頁巖以納米級孔隙和納達西級別滲透率為主[2-3]，無自然產能，屬于典型“人造氣藏”；必須采用水平井和大規模體積壓裂技術[4—6]，才能實現頁巖氣商業化開發。

長寧-威遠國家級頁巖氣示范區的長寧區塊是中國主要頁巖氣產區之一，具有儲層品質優、物性好、保持條件好等特點；經過不懈探索和持續攻關，井均單井預估最終可采儲量(EUR)由早期的0.53×108m3提高到1.21×108m3，提高了128%[7-8]，但是在進一步提高單井產量和采收率方面仍然面臨著挑戰[9]。主要表現為：①部署設計難度大：不同地質工程條件下，合理井距優化難度大；不同天然裂縫和地應力方向下，井軌跡方向優化難度大；②提高優質儲層鉆遇率難度大：局部微幅構造、斷裂發育，地層傾角變化大，井眼軌跡預調整和多次入靶難度大；③精細設計難度大：地應力、巖石力學屬性、天然裂縫分布非均性強[10]；常規模擬方法無法充分考慮實際地質和工程參數的非均質性，定量刻畫和對比分析壓后裂縫形態；④產能維護難度大：氣井初期產能高、遞減快，缺乏復雜縫網剖分技術，準確評價產能難度大；氣井動態生產規律復雜[11]，合理生產制度確定難度大。

2011年，Cipolla等[12]首次針對非常規儲層開發的挑戰提出了“從地震至模擬”一體化工作流，無縫整合了從地震數據解釋至產能模擬的全過程研究方法。2012年，Gupta等[13]采用地質工程一體化研究方法，綜合考慮儲層、地質力學、天然裂縫等因素，研究了多井組水力壓裂后三維地應力場的變化。2013年，Cohen等[14]、Phatak等[15]利用一體化研究方法對Marcellus的支撐劑、液量、排量，泵序等壓裂施工參數進行了優化。2014年，Ramanathan等[16]在加拿大蒙特尼，利用地質工程一體化方法開展了完井方案的優化。2015年Matteo等[17]對Eagle Ford頁巖氣開展了一體化研究，對重復壓裂、加密井井距等方面進行了優化設計。2015年，吳奇等[18]在中國首先提出了“品質三角形”，以及基于此的針對中國南方海相頁巖氣開發的地質-工程一體化實施的技術路線。2017年，胡文瑞[19]針對低品質油氣資源，詳細地闡述了地質工程一體化的基本概念、核心內涵、適用領域，提出了地質工程一體化是實現低品位資源高效開發的必由之路。隨后，文獻[20-27]分別在中石油西南油氣田、浙江油氣田、塔里木油氣田、新疆油氣田、大港油氣田，以及中石化涪陵頁巖氣田等區塊廣泛應用地質工程一體化思路或方法，實現了頁巖油氣等低品質資源的規模效益開發。2018年，吳奇等[28]針對地質工程一體化應用中的問題進行了詳細闡述。目前，非常規儲層開發的學者，以及殼牌、BP(英國石油公司)、斯倫貝謝、貝克休斯等公司都提出并使用了地質工程一體化方法開展了相關研究，主要包括精細儲層描述，基于儲層和完井質量的水力壓裂設計和縫網模擬，以及生產動態擬合和預測[29-33]。因此，為了應對長寧地區開發挑戰，必須引入地質-工程一體化理念，利用地質工程一體化構建三維地質工程一體化模型[18]，打造“透明”頁巖氣藏，有力支撐部署、設計和預測，提高頁巖氣儲層規模開發效益。

本文針對長寧頁巖區塊地質特點和面臨的難點，開展了長寧區塊頁巖氣水平井組地質工程一體化研究。基于一體化研究思路、軟硬件平臺以及研究團隊，建立了從地質建模到產能模擬無縫銜接的一體化研究工作流，形成了地質建模、地質力學建模、壓裂模擬和氣藏模擬等4 個專業方向的多項關鍵技術。運用該技術在現場開展應用，建立同時具有地質和工程屬性的一體化三維模型；精細模擬水力裂縫形態和預測氣井生產動態規律，以期實現三維空間的開發技術政策優化、井位部署、鉆井設計、壓裂設計、生產動態預測，指導現場施工，提高單井產量和采收率。

1 地質工程一體化研究思路

1.1 研究主體思路

中國石油在川南頁巖氣勘探開實踐中，已探索出了適應中國不同地質條件、不同地表環境、不同工程特征，以氣藏研究為中心，多學科多信息相融合的研究模式；并針對其開發特點，提出了地質工程一體化的技術路線，如圖1所示。

在頁巖氣開發實施過程中，地質工程一體化研究的技術路線主要分為四個部分。第一步：地質建模。基于區域三維地震數據、導眼井或水平評價井的錄井、測井等數據，利用井震結合的方法開展區域和平臺的精細小層劃分，建立三維地質構造模型、三維地質屬性模型和天然裂縫模型，最終得到區塊和平臺的儲層品質模型。第二步：地質力學建模。基于三維精細地質模型，以單井巖石力學剖面為約束，采用三維有限元模擬方法，實現全區和平臺三維地應力場的精細刻畫，最終形成區塊和平臺的三維鉆井品質和完井品質模型。第三步：壓裂模擬。基于三維地質模型和三維地質力學模型，以微地震和壓裂施工數據為約束，利用復雜裂縫模擬技術，實現平臺井和單井人工裂縫的精細模擬，最終有效提高頁巖氣水平井體積壓裂縫網的復雜程度和儲層改造體積。第四步：產能模擬。基于壓裂縫網模型，應用非結構化網格剖分技術和多尺度流動耦合差分求解技術，實現了頁巖氣多段壓裂水平井生產動態模擬，最終實現生產制度優化和生產動態精確預測，開發效果不斷提升。

圖1 地質工程一體化研究技術路線Fig.1 Geo-engineering integration research technical route

1.2 研究基礎

目前各專業融合深度不夠，要提升地質工程一體化水平，必須打造一體化團隊、實施一體化管理、建立一體化平臺，打破“技術條塊分割、管理接力進行”的模式，真正實現地質與工程的“換位思考、無縫銜接”[18]。

1.2.1 一體化團隊

具有一體化理念、心態開放、思維寬闊、溝通有力、交互式工作的多學科研究和管理團隊。

1.2.2 一體化管理

構建協同作戰的管理構架，制定協同化、統一化的目標，實現跨部門、跨單位的高效協同工作(圖2)。

1.2.3 一體化平臺

以多學科數據為基礎，具有整合性和兼容性的軟件平臺和工作流程，實現多專業融合，數據和成果共享。

圖2 地質工程一體化管理框架Fig.2 Management framework of geo-engineering integration

2 面臨的主要難點和關鍵技術

2.1 面臨的主要難點

頁巖氣地質工程一體化研究過程中在地質建模、地質力學建模、壓裂模擬和產能模擬等四個方面都面臨了一些與常規氣藏不同的難點，亟需解決。

2.1.1 地質建模面臨的難點

地震分辨率難以達到頁巖氣小層評價的要求，建產工區評價井密度低，常規“地震+評價井”建模方法，難以實現頁巖氣全區及平臺模型的精細刻畫；天然裂縫發育非均質性強，受控因素復雜，常規裂縫預測方法難以準確表征不同尺度裂縫產狀、形態。

2.1.2 地質力學建模面臨的難點

孔隙壓力預測難度大：垂向上具有多套壓力系統，缺乏標定數據；常規方法難以精確描述孔隙壓力平面分布規律；強改造、高熱演化和過成熟的龍馬溪組海相頁巖具有非常復雜的孔隙壓力超壓機理，且頁巖孔隙壓力難易直接測量，導致孔隙壓力預測困難。

地應力精細描述難度大：受川南地區復雜的構造運動及地質演化影響，區域地應力分布異常復雜；同時垂向上層理發育，巖石非均質性強，進一步增加了室內實驗和測井解釋的難度，增大了地質力學建模的復雜性；常規方法不能考慮地表起伏、斷層、天然裂縫對地應力場的影響。

2.1.3 壓裂模擬面臨的難點

常規的體積壓裂模擬方法考慮因素不足：常規壓裂模擬通常只建立縱向剖面模型，不能考慮巖石與地應力的各向異性以及地層傾角；無法考慮復雜的天然裂縫形態、應力陰影對水力裂縫的影響；通常只能模擬單井/單段的壓裂，不能模擬頁巖氣平臺井工廠化作業的過程。

受地應力剖面影響和復雜機理影響，常規壓裂模擬后裂縫形態差異大；實際施工完成后，僅能通過微地震監測得到的大致尺寸對水力裂縫模型進行簡單的校正，模型擬合的方法簡單，手段少，精度低。

頁巖氣儲層體積壓裂效果定量評估難：由于天然裂縫系統的存在，微地震監測結果經常表現出較為復雜的特征，也對有效改造體積的評估提出了挑戰。同時，由于頁巖氣井生產效果是工程和地質參數的深度融合，利用常規的統計數據分析方法很難得到明顯的影響規律，所以需要在壓裂模擬的基礎上，深度挖掘不同工程參數的影響規律，并根據取得的認識對后續井的壓裂參數進行優化。

2.1.4 頁巖氣數值模擬的難點

水力縫網幾何形態復雜，常規網格剖分技術難以準確表征縫網特征；頁巖氣具有跨尺度流動特征，同時構建不同尺度的三維網格并開展流動模擬存在較大難度；水平井多段壓裂縫網模型網格數量巨大(單井模型網格大于20×104個)，裂縫網格尺寸較小(小于2 m)，模擬運算的收斂性面臨較大挑戰。

2.2 關鍵技術

2.2.1 三維地質建模技術

①井震結合精細構造建模技術：單井構造信息(例如成像測井構造傾角信息和真地層厚度(TST)域小層精細對比構造信息等)與地震解釋層面相結合，建立精細三維構造模型；②井震結合的屬性建模技術：在巖心分析資料、特殊測井資料及地震屬性(反演或其他屬性)指導下通過地質統計學方法建立反映儲層品質的屬性模型，如總有機碳(TOC)、孔隙度、飽和度、含氣量等；③基于多尺度信息的裂縫建模技術：充分利用成像測井資料、微地震檢測資料和地震屬性，進行從單井、井周邊到區塊的裂縫分析與預測并建立三維裂縫模型。

2.2.2 地質力學建模技術

以三維地質模型為基礎，根據井位部署、鉆井、完井和壓裂等不同問題分別建立單平臺、區塊、全氣田等不同尺度的有限元模型，并確定合理的網格劃分尺寸。設置由地震解釋的孔隙壓力和巖石力學屬性參數，以及地質力學模擬模型的外擴邊界。以單井地應力預測結果為約束，開展三維有限元數值模擬，反復迭代求解，并最終確定復雜地質構造下應力場的展布。

2.2.3 水力裂縫模擬技術

采用斯倫貝謝軟件平臺的復雜縫網模型(UFM)，利用該模型可以直接調用三維地質模型(包括天然裂縫模型)、三維地質力學模型、考慮三維空間的井眼軌跡、壓裂工程數據，建立三維壓裂模擬模型；此外，該模型基于TerraTek實驗室大型水力壓裂物模實驗結果，確定了水力裂縫與天然裂縫的相互作用判定模型；基于邊界元理論考慮了應力陰影對裂縫同步擴展的影響。因此，當導入已完成的地質和地質力學模型，即可開展單井和平臺井的體積壓裂模擬，能夠充分考慮儲層非均質性、復雜天然裂縫、應力陰影、地應力的各向異性和非均質性的影響。壓裂模擬完成后，可以根據微地震監測數據、停泵壓力、壓裂施工曲線等現場實測數據，開展水力裂縫擬合校正和精細刻畫，得到更加逼近真實的裂縫形態。

2.2.4 數值模擬技術

首先，從審計數據的采集而言，由于隨著“互聯網+”、云計算的廣泛應用，企業的主要業務大都通過信息系統操作得以實現，因此各業務的信息系統中積累了大量的日常管理數據，并以此形成了企業的動態數據源，具有高度的真實性和實效性，也就成為了審計數據采集的源泉。

①非結構化網格剖分技術：能夠直接將模擬出的水力裂縫及天然裂縫的復雜縫網系統用于建立非結構生產網格模型，采用非常細小的網格描述水力縫網形態，并根據水力縫網內支撐劑分布和導流能力自動計算網格滲透率，為壓后油藏數值模擬研究提供模型基礎，實現水力壓裂復雜縫網多相流動模擬，形成從壓裂到生產的數據無縫對接，建立從完井壓裂設計到生產模擬的優化工作流程；②多尺度流動耦合技術：能夠同時對不同流動方程開展數值差分求解，模擬過程更加趨近頁巖氣的真實流動特征；③巨型稀疏矩陣求解法(AMG-CPR)：能夠實現CPU千核并行計算，可在短時間內完成千萬級網格的模擬計算，計算效率大幅提升，利于對不確定參數進行敏感性分析和校正。

3 應用實例

針對長寧地區A平臺，開展了地質工程一體化研究，完成了A平臺的三維地質精細模型、三維地質力學模型的精細刻畫，實現了水力裂縫的定量描述，并在此基礎上系統地分析了A-5井體積壓裂改造效果，預測了該井的最終可采儲量。

3.1 平臺概況

長寧A平臺地處四川省宜賓市珙縣。平臺共6口井，巷道間距400 m；上半支4口井，A-1、A-3、A-4井水平段長1 400 m，A-2井1 445 m；下半支2口井，A-5、A-6井水平段長1 500 m。A平臺動靜態資料豐富，其中A-1井、A-2井和A-5井開展了微地震監測，滿足平臺精細建模要求。

3.2 地應力建模

利用地質工程一體化中的地質力學建模技術，可以得到長寧A平臺三維地質力學模型，包括三維孔隙壓力模型、三維巖石力學屬性模型、三維地應力模型。三維孔隙壓力模型圖可以清晰展示孔隙壓力的平面分布，優選有利區，包括楊氏模量、泊松比、脆性指數、單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、內聚力、內摩擦角等模型，通過綜合分析三維巖石力學屬性模型可以確定工程甜點區，優化井位部署。從長寧A平臺龍一11小層楊氏模量和脆性指數平面分布圖上，可以清晰看出工程甜點分布的平面非均勻分布，其中脆性指數較高的地區體積壓裂容易形成復雜縫網；同時，長寧A平臺三維地應力模型顯示，龍一11小層為走滑斷層地應力狀態，即最大水平地應力>上覆巖層壓力>最小水平地應力；受天然裂縫的影響，A平臺地應力在平面分布上非均質性強，水平應力差較大在6～18 MPa之間，如圖3至圖5所示，為精細壓裂設計提供了數據支撐。

圖3 龍一11小層楊氏模量平面分布Fig.3 Plane distribution of Young's modulus of zone1of S1l1

圖4 龍小層脆性指數平面分布Fig.4 Plane distribution of brittleness index of zone1of S1l1

圖5 龍小層水平應力差分布Fig.5 Plane distribution of in-situ horizontal stress difference of zone1of S1l1

3.3 壓裂模擬結果

利用地質工程一體化中的壓裂模擬技術，可以實現長寧A-5井水力裂縫的精細刻畫和定量評估，得到了長寧A-5井18段水力裂縫在三維空間的展布形態的分布規律，如圖6所示。

圖6 長寧A-5井水力裂縫的精細刻畫模型Fig.6 Fine model for hydraulic fractures of well A-5

圖7 長寧A-5井水力縫長與支撐縫長分布Fig.7 Distribution of length and width of hydraulic fractures of well A-5

根據研究結果可以得到長寧A-5井多種參數，包括支撐劑、裂縫導流能力、裂縫寬度、加砂濃度等分布特征，同時還可以統計得到水力縫網參數，水力縫長：14～460 m，平均227 m；支撐縫長：3～380 m，平均171 m(圖7)；水力縫高：10～94 m，平均48 m；支撐縫高：0.8～82 m，平均31 m；水力縫寬：0.11～35 mm，平均17 mm；支撐縫寬：0.01～14 mm，平均2 mm；導流能力：0.01～718 mD·m，平均140 mD·m；凈壓力：6～26 MPa，平均13 MPa。

從圖7看出，A-5井全井53 簇裂縫全部起裂，但水力縫長200 m以下有22 簇，占比41 %，其中有4 簇縫長不到100 m；支撐劑鋪置上，縫長方向上有砂鋪置的裂縫占比75.3 %，縫高方向上有砂鋪置的裂縫占比64.6 %；主體裂縫導流能力在200 mD·m以下，占比達77 %，其中100 mD·m以下占比47%，具體如圖8所示。通過精細水力壓裂模擬，可以進一步支撐產能擬合精度的提高。

圖8 長寧A-5井裂縫導流能力分布Fig.8 Distribution of fracture conductivity of well A-5

3.4 壓裂模擬結果

利用地質工程一體化中的產能模擬技術，可以通過對6項不確定參數(裂縫導流系數、等溫吸附曲線、擴散系數、裂縫含水飽和度、基質毛管壓力、裂縫毛管壓力)進行經驗調整，獲得了較好的擬合效果。最終實現了長寧A-5井日產氣量擬合程度>98%(圖9)；井口壓力擬合程度>80%；產液趨勢擬合程度>75%；累產液量擬合程度>90%。

利用擬合后模型，進行對生產20年后的地層壓力和EUR進行預測，結果如圖10、圖11所示。通過對比不同生產制度下的累積產氣量可以發現，在投產初期開展控壓生產，可實現日產氣10 萬方，穩產13個月，最終累計產氣量1.25×108m3，比目前的EUR提高21%。

圖10 長寧A-5井預測期末地層壓力分布(2038年)Fig.10 Pore pressure predicted on the 2038 of well A-5

圖11 長寧A-5井歷史擬合后累產氣量預測曲線(2038年)Fig.11 Cumulative production curves predicted by history match of well A-5 (2038 year)

4 結論

(1)基于一體化平臺、一體化團隊和一體化的管理，建立了地質工程一體化研究思路，為提高低品位資源的儲量動用率和氣藏采收率奠定了基礎。

(2)利用地質工程一體化研究技術，可以實現平臺內地質和工程甜點區的精細刻畫，非均質三維地應力場的空間展布，為平臺井部署和壓裂優化設計提供支撐。

(3)基于微地震監測和壓裂施工數據，通過地質工程一體化壓裂模擬，可以實現長寧A-5井復雜水力裂縫精細刻畫，定量描述了每簇凈壓力、支撐劑分布、裂縫形態和導流能力的定量描述，為壓裂效果評估和優化設計提供堅實的依據。

(4)依托于地質工程一體化的多學科綜合研究，通過非結構化網格模擬技術可以將復雜縫網與產能模擬無縫銜接起來，提高了產能預測的精度，能夠為生產動態的科學預測和開發技術政策的優化提供了依據。