川南地區百億立方米頁巖氣產能建設地質工程一體化關鍵技術

陳更生 吳建發 劉 勇 黃浩勇 趙圣賢 常 程 鐘成旭

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

頁巖氣是當前天然氣勘探和開發中產量增長最快的領域之一。中國富有機質頁巖廣泛分布，資源豐富[1]。相關數據顯示，中國頁巖氣可采資源量介于11.5×1012～36.1×1012m3，其中主體資源位于四川盆地南部地區（以下簡稱川南地區）上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組。

川南地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖均為深水陸棚相沉積，面積約為6.5×104km2。該地區位于上揚子板塊西部，隸屬于川南低陡、川西南低褶構造帶，剛性基底穩定性強，沉積蓋層變形總體較弱，歷經加里東、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動，是中國南方海相沉積相對穩定的地塊。頁巖氣儲層品質優，具有高有機碳含量（3.2%～6.5%）、高含氣量（3.2～9.0 m3/t）、高脆性礦物含量（50.6%～75.3%）以及中等孔隙度（4.1%～8.6%）等特征[2]。儲層埋深適中，主體埋深為3 500～4 500 m。頁巖氣整體保存條件好，遠離剝蝕線的區域普遍超壓（瀘州區塊壓力系數1.94～2.42，為川南地區最高；長寧、威遠區塊壓力系數1.2～2.0；渝西區塊壓力系數1.6～2.0）。但是與北美頁巖氣田相比，川南地區頁巖儲層地質工程條件更加復雜，呈現出“一薄、兩低、三高、三發育”特征，具體表現為靶體厚度薄（3～5 m），低孔隙度（平均為4%）、超低滲透率（0.000 01～0.000 1 mD），高水平應力差（10～20 MPa）、高閉合應力（90～120 MPa）、高楊氏模量（40～60 GPa），微幅構造、小斷層、天然裂縫發育，最終導致頁巖氣部署設計難度大、靶體鉆遇率提高難度大、壓裂復雜縫網形成難度大，早期單井產量低。針對上述復雜地質工程條件，如何提高單井產量和單井估算最終采收量（EUR）成為川南地區頁巖氣勘探開發的重大問題。

北美通過建立多學科融合、多技術集成的一體化創新和發展之路，實現了非常規油氣資源的成功開發。2011年，Cipolla等[3]提出了針對非常規儲層的地質工程一體化工作流程，實現了從地震數據解釋至產能模擬的全過程無縫整合。隨后，Gupta等[4-6]利用地質工程一體化方法對頁巖氣多井組水力壓裂后三維地應力場的變化、完井方案、重復壓裂方案和井距等參數優化設計進行了研究。

中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）西南油氣田公司作為中國頁巖氣的開拓者之一[7-8]，積極踐行了地質工程一體化理念[9-17]，開展了10余年探索與實踐，歷經評層選區、先導實驗、示范區建設、工業化規模開采4個階段，通過不斷探索實踐與攻關試驗，形成了地質工程一體化高產井培育方法，解決了川南地區頁巖氣效益規模開發面臨的難點，大幅度提高了頁巖氣單井產量和EUR，實現了高產井的批量“復制”，相繼培育出國內首個百萬立方米級頁巖氣井和400×104m3/d頁巖氣平臺，支撐了中國石油在川南地區頁巖氣勘探開發的重大進展。2014 年中國石油頁巖氣開始實施規模建產，2016年建成長寧—威遠國家級頁巖氣示范區，2020年頁巖氣年產量達100.29×108m3、投產氣井近千口、日產氣量超過4 000×104m3，日產量連續3年實現千萬立方米級增長，建成了國內首個“萬億立方米儲量、百億立方米產能”大氣田，形成了全球規模僅次于北美的大型頁巖氣田，持續領跑國內頁巖氣產業。

通過對頁巖氣勘探開發成果的系統梳理和總結，形成了適用于川南地區頁巖氣的地質工程一體化高產井培育方法， 針對“提高單井產量和EUR”的關鍵問題，在井位部署、鉆井、壓裂、生產等頁巖氣井全生命周期實施過程中，堅持采用地質工程一體化技術開展“一體化研究、一體化設計、一體化實施和一體化迭代”，系統考慮儲層品質、鉆井品質和完井品質，進而實現了頁巖氣產量、EUR和采收率的綜合提升。

1 地質工程一體化工作思路

頁巖氣藏是典型的人造氣藏，具有一井一藏的特殊性，必須保證“地質”和“工程”充分結合，選擇在最優質儲層實施工程改造，才能實現高產。通過多年不斷探索實踐，探索出適應于川南地區不同地質條件、不同儲層特征、不同工程條件，以地質工程一體化為核心的一體化高產井培育方法：以地質工程一體化關鍵技術為基礎，在井位部署、鉆井設計和實施、壓裂設計和實施、氣井生產管理等頁巖氣井全生命周期中，開展“一體化研究、一體化設計、一體化實施和一體化迭代”，做到“定好井、鉆好井、壓好井和管好井”，達到“高儲層品質、高鉆井品質、高完井品質”[7]，實現“高產量、高EUR、高采收率”目標（圖1）。頁巖氣地質工程一體化高產井培育方法主要包括以下三點。

圖1 頁巖氣地質工程一體化工作思路圖

1）地質工程一體化方法。一體化工作方法是開展地質工程一體化高產井培育的必備條件，具體包括地質工程一體化研究、地質工程一體化設計、地質工程一體化實施和地質工程一體化迭代。①地質工程一體化研究：通過三維地質建模、三維地應力建模，建立同時具有地質和工程屬性的一體化三維模型，實現精細化、定量化標準。②地質工程一體化設計：開展水力裂縫精細模擬和氣井生產動態預測，結合生產實際，進行開發技術政策優化、井位部署、鉆井設計、壓裂設計、生產動態預測。③地質工程一體化實施：針對鉆井實施，利用精細的三維地質導向模型和地質導向流程，提前預判和調整，確保Ⅰ類儲層鉆遇率高；針對壓裂實施，結合復雜縫網預測模型和壓裂施工數據，實時調整壓裂工藝參數，確保壓裂實施效果。④地質工程一體化迭代：根據鉆井的實鉆資料，不斷迭代更新時深轉換的速度場模型；根據實鉆的水平井軌跡數據和更新后的深度域模型，不斷迭代更新三維構造和層面模型；根據現場地應力測試、壓裂施工數據、三維地質模型，不斷迭代更新三維地應力模型；根據壓裂施工曲線和微地震監測數據、三維地應力模型，不斷迭代復雜縫網模型；根據氣井生產數據、復雜縫網模型，不斷迭代更新氣井產能預測模型。

2）地質工程一體化任務。一體化任務是開展地質工程一體化高產井培育的實施保障，具體包括頁巖氣井全生命周期中的井位部署、鉆井設計和實施、壓裂設計和實施、氣井生產管理等。①井位部署的任務：開展精細氣藏描述，優選“甜點目標”，鎖定“黃金靶體”，最大限度動用資源；②鉆井任務：確保Ⅰ類儲層鉆遇率高、井眼軌跡光滑、鉆井速度快、水平段長度足夠長；③水力壓裂任務：確保壓裂縫網復雜、儲層改造體積大、井筒完整性好、裂縫導流能力充足；④生產任務：確保測試產量規范、生產制度合理、保持井筒通暢、系統優化及時。

3）地質工程一體化目標。它是指氣井測試產量高，全生命周期的累積產量高，氣田的整體采收率高。

2 地質工程一體化研究的關鍵技術

在川南地區頁巖氣勘探開發過程中，依據地質工程一體化研究需要，逐步探索形成了三維地質建模技術、三維地質力學建模技術、地質工程一體化復雜縫網模擬技術和地質工程一體化數值模擬技術等四項關鍵技術[18]。

2.1 三維地質建模技術

三維地質建模技術主要是指三維精細構造建模、三維屬性建模和天然裂縫建模技術，具體如下：①井震結合的精細構造建模技術：將單井構造信息（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：在巖心資料、特殊測井資料及地震屬性資料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TOC、孔隙度、飽和度、含氣量等等；③基于多尺度信息的天然裂縫建模技術：充分利用成像測井資料、微地震檢測資料和地震屬性資料，進行從單井、井周邊到區塊的裂縫分析與預測，建立三維多尺度三維天然裂縫模型。長寧地區三維TOC分布的地質模型圖（圖2）。

圖2 長寧某井區三維地質模型圖

2.2 三維地質力學建模技術

三維地質力學建模技術主要是指單井地應力建模技術、三維地應力建模技術，具體如下：①單井地應力建模技術：以測井數據、巖石力學測試和現場地應力測試數據為基礎，建立孔隙壓力模型、巖石力學參數模型和地應力模型；②三維地應力建模技術：以三維地質模型為基礎，根據研究對象的不同建立不同尺度的三維有限元模型。以單井地應力預測結果為約束，綜合考慮天然裂縫、斷層對地應力場的影響，開展三維有限元數值模擬，反復迭代求解，確定復雜地質構造下應力場的展布（圖3）。

2.3 地質工程一體化復雜縫網模擬技術

地質工程一體化復雜縫網模擬技術主要是復雜縫網預測技術和復雜縫網擬合技術，具體如下：①復雜縫網預測技術：以三維地質模型（包括天然裂縫模型）、三維地質力學模型、三維空間的井眼軌跡為基礎，綜合考慮儲層非均質性、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，定量預測不同地質工程參數下的復雜縫網形態；②復雜縫網擬合技術：在壓裂施工后，以微地震監測數據、停泵壓力、壓裂施工曲線等現場實測數據為基礎，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。模擬的復雜縫網與微地震、施工壓力等數據吻合度達80%，支撐了壓裂設計優化，為量身定制工藝參數奠定基礎。

2.4 地質工程一體化數值模擬技術

地質工程一體化數值模擬技術主要分為非結構化網格剖分技術、多尺度流動耦合技術和AMG—CPR巨型稀疏矩陣求解法三個部分，具體如下：①非結構化網格剖分技術：將模擬得到的水力裂縫及天然裂縫的復雜縫網系統用于非結構生產網格模型建立，為壓后油藏數值模擬研究提供基礎，實現從壓裂到生產數據的無縫對接（圖4）；②多尺度流動耦合技術：耦合考慮解吸、應力敏感、滑脫、擴散等多種效應，模擬過程更加趨近頁巖氣的真實流動特征；③AMG—CPR巨型稀疏矩陣求解法：實現CPU千核并行計算，在短時間內完成千萬級網格的模擬計算，利于對不確定參數進行敏感性分析和校正。

3 地質工程一體化實踐

針對川南地區頁巖氣復雜地質工程背景，在地質工程一體化關鍵技術攻關基礎上，推廣應用地質工程一體化高產井培育方法，在井位部署、鉆井設計和實施、壓裂設計和實施、氣井生產管理等方面來開展地質工程一體化實踐。

3.1 井位部署

3.1.1 區域“甜點目標”的選擇

利用三維地質建模技術建立井區儲層的精細化三維構造模型、屬性模型、地應力模型、天然裂縫模型，構建了“地質+工程”全要素三維模型，綜合分析不同地質工程參數與單井產量的相關性，明確了水平井軌跡方位、箱體位置、Ⅰ類儲層、井筒完整性、主體壓裂工藝等高產主控因素，繪制了多種主控參數疊合的甜點開發分布圖（圖5），綜合了三維地質模型與三維地質力學模型的影響，支撐了井位優化部署及水平井設計。

3.1.2 靶體位置的優選

通過對已實現規模效益開發的長寧頁巖氣田大量生產井生產特征的分析得到,長寧區塊龍一11-3小層均為Ⅰ類儲層，且厚度介于6～15 m，但單井測試產量明顯受到水平井靶體位置的影響，水平井靶體位置越靠近龍一11小層底部，頁巖氣井的測試產量越高（圖6）。在三維模型內，將縱向網格分辨率加密至0.5 m，實現了“黃金靶體”空間分布的精細刻畫，為水平井軌跡設計和鉆井導向奠定基礎。

圖3 長寧某井區三維地應力分布圖

圖4 壓裂縫網非結構化網格剖分示意圖

3.1.3 井位部署模式優化

川南地區地面條件復雜，頁巖氣開發需要大量的水源和及時的物資供應，考慮到就近用水、運輸成本以及人口密集等因素，可部署平臺有限，為了提高頁巖氣探明儲量采出層度，需要開展地面平臺優化。通過不斷探索實踐，最終建立了川南地區地面—地下一體化水平井部署模式（圖7），使平臺資源動用率從2012年50%提高到目前的80%以上。該模式充分利用地下、地面兩個資源，對建產井井位部署進行整體優化。在地下根據斷層走向和方位精細設計水平段長，增加了平臺動用面積，在地面根據地面條件情況，分別采用單排式、交叉式布井，使平臺采收率增加20%。

圖5 地質工程一體化三維模型圖

3.1.4 水平井開發技術政策優化

基于建立的三維地質工程模型，以單井EUR、區塊采收率和內部收益率為指標，建立了不同地質工程條件下的技術經濟一體化開發技術政策（方位、井距、水平段長）定量評價圖版。采用數模結合實踐的方法，固化了不同地質工程特征的水平井關鍵參數，在確保效益開發的前提下，最大程度提高采收率。以井距優化為例，建立了范圍為1 700 m×1 400 m、儲量豐度為6.06×108m3/km2的模型，探討了井距為600 m、400 m、300 m、240 m、200 m 時，EUR和采收率隨井距變化的結果[19]（圖8）。通過地質—工程—經濟一體化研究，實施井距由早期的500～600 m優化調整為300～400 m。

圖6 長寧區塊靶體位置與測試產量關系圖

圖7 地面—地下一體化水平井部署模式

圖8 不同井距下EUR和采收率的變化曲線

3.2 鉆井

中國頁巖氣優質儲層相對北美具有較大不同，存在靶體薄、微幅構造及斷層發育的特征，常用的 “單伽馬+彎螺桿”導向方法不能判斷井眼軌跡出層方向、軌跡調整效率低，滿足不了復雜地質條件下頁巖氣精準導向的需要；要實現復雜地質條件下對優質儲層的精準追蹤，首先要開展地質工程一體化建模對優質儲層垂向分層和橫向展布進行精準預測，再根據模型精確設計鉆井井眼軌道，最后優選導向工具實施精準軌跡控制。

3.2.1 地質工程一體化水平井軌跡設計

基于建立的三維地質工程模型，開發了地質工程融合的頁巖氣井網可視化設計平臺，并設計了井區鉆井最優井軌跡，降低了著陸難度，解決了水平段常規二維直線式設計與實鉆軌跡偏差大的難題。并根據地層變化情況首次設計了“u”形、“n”形、“s”形和多斷層井復雜井眼軌跡（圖9）。上述復雜井眼軌跡設計降低了在“3～5 m”優質儲層中精準入靶、層位追蹤中的軌跡控制難度，確保了水平段長度大于1 800 m時，井眼軌跡足夠光滑。

圖9 復雜井眼軌跡示意圖

3.2.2 基于精細軌跡的地質工程一體化導向

基于三維地質工程模型，設計地質導向方案，多源信息精準定位，優選工具精確導向，確保水平段長達到設計要求，靶體鉆遇率高、鉆井效率高（圖10）。具體流程如下：鉆前鎖定優質儲層，明確目標靶體，建立三維地質工程模型，設計最優井眼軌道及導向方案；水平段著陸前綜合隨鉆伽馬、元素錄井及綜合錄井資料逐一識別、校對目的層上部標志層，根據實鉆情況及時校正導向模型和優化軌道設計，控制軌跡精準、平穩入靶；進入水平段后，多源信息定位鉆頭在目標層的位置，確定井眼軌跡與目的層接觸關系，實時調整鉆具姿態并控制井眼軌跡在目的層內有效延伸，保障優質儲層鉆遇率。鉆進過程中若鉆遇斷層、產狀突變等異常情況，應綜合考慮地質變化、井筒工況及鉆井難度重新設計軌跡，鉆后根據實鉆資料修正地質導向模型、對地震資料重新處理和解釋，為鄰井導向提供指導。

圖10 精準地質導向工藝流程圖

3.3 壓裂

頁巖氣開發初期，采用相同的壓裂工藝參數，受非均質性、地應力、天然裂縫、巖石力學參數等因素影響，單井產量差異大，常規的壓裂設計方法不適用，缺乏復雜縫網定量描述和評價的方法。通過探索實踐，在開展壓裂模擬研究和氣井產量主控因素分析的基礎上，形成了適用于頁巖儲層的地質工程一體化壓裂設計方法，有效提高了單井產量。

3.3.1 地質工程一體化精細分段設計

在水平井壓裂施工過程中，利用三維地質工程模型，針對儲層物性、力學特征、天然裂縫和固井要求等地質工程因素確定分段，基于氣測值、孔隙度、含氣量和狗腿度等因素確定射孔位置，形成了基于多元信息的快速智能化分段及射孔設計技術（圖11）。針對水平井段的不同地質及工程特征，如優質頁巖段、高鈣質段和天然裂縫段等，優選壓裂工藝確保最優的壓裂改造效果。

3.3.2 地質工程一體化壓裂參數設計

在壓裂施工之前，結合精細三維地質模型和三維地應力模型，首先考慮天然裂縫和地應力的分布特征，確定壓前有利因素與不利因素分析，進行風險預判；結合單井地質工程特征，重點圍繞解決不利因素，開展不同液體組合、不同排量、不同支撐劑等多組參數的地質工程一體化壓裂模擬計算，選擇最匹配單井地質特征的壓裂參數，在確保施工順利的條件下，進一步提高單井產量（圖12）。

3.3.3 地質工程一體化現場實施

通過構建室內和現場相結合的工作模式，解決現場施工過程中的復雜問題。針對加砂困難、裂縫擴展不均勻等工程問題，室內研究人員在模型迭代校準的基礎上，對單段液量、排量、加砂強度、加砂模式和射孔參數等參數進行模擬計算，指導現場人員對壓裂工藝參數進行優化調整，確保加砂量高、壓裂施工順利。通過采用該方法，深層頁巖氣井成功解決了天然裂縫發育條件下水力裂縫擴展不均勻、天然裂縫抑制水力裂縫擴展等問題，實現了實時優化調整，降低井下工程復雜，井筒完整性達100%，完成了1 478 m水平段改造，獲得了46.9×104m3/d的測試產量。

3.4 生產

3.4.1 生產制度優化

頁巖人工裂縫應力敏感性強，放大壓差生產會導致縫網閉合，影響氣井產能。針對上述問題，創新結合一體化數值模擬與應力敏感實驗，開展復雜縫網不同鋪砂濃度條件下氣井生產動態特征研究，綜合單井生產效果與經濟效益，形成了“悶井、控制、穩定、連續”為核心的排液制度，建立了以壓力、產量、穩定時間和波動范圍為指標體系的頁巖氣測試技術規范，提出了以測試產量1/3～1/2配產單井相對三年穩產的優化生產制度，實現了“排液—測試—生產”不同階段的氣井制度優化，有效降低了裂縫的應力敏感傷害，單井EUR提高了近15%。

3.4.2 氣井生產優化

頁巖氣初期產量、壓力遞減快，自噴周期短，必須及時采取產能維護措施才能保障穩定連續生產。川南地區頁巖氣基于“地層—井筒”一體化模型和管柱精細流體力學（CFD）模擬，建立了不同井型、不同AB點落差、不同產液量條件下的頁巖氣水平井井筒積液診斷預測模型。結合井筒多相流動規律實驗研究與動態監測結果，形成了以“氣舉、泡排、柱塞”為主的川南地區頁巖氣產能維護工藝。據統計，長寧區塊累計實施車載氣舉6 000井次、泡排81井次、柱塞氣舉15井次，累計增產氣量6.02×108m3。

4 實踐效果

經過10余年的地質工程一體化高產井培育方法的攻關、研究、應用和推廣，在長寧、威遠區塊取得了顯著效果。在現場試驗階段，長寧地區井均測試日產量由初期的10.9×104m3提高到26.3×104m3，最高測試日產量62×104m3，井均EUR由初期0.5×108m3提高到1.24×108m3。威遠區塊井均測試日產量由初期的11.6×104m3提高到23.9×104m3，最高測試日產量71×104m3，井均EUR由初期0.5×108m3提高到 1.1×108m3。

全面推廣地質工程一體化高產井培育方法后，又培育了一批高產井，EUR大于1.5×108m3，部分井超過2.0×108m3；長寧—威遠區塊培育了一批測試日產量超50×104m3的高產井，其中長寧地區最高測試日產量達76×104m3，威遠地區最高測試日產量達83×104m3。研究成果應用于四川盆地瀘州、渝西地區等深層頁巖氣開發，鉆探的瀘203井（垂深3 893 m）獲138×104m3/d的高產工業氣流，成為我國首口日產超百萬立方米的深層頁巖氣井，足202-H1井（垂深3 957 m）、黃202井（垂深4 082 m）、陽101H2-8（垂深4 129 m）井獲氣（20～50）×104m3/d，其中瀘州地區4口投產井井均EUR1.98×108m3。深層頁巖氣勘探開發實現了由點到面的戰略突破，展示了巨大的勘探開發潛力，堅定了“十四五”我國頁巖氣快速上產的信心。

圖11 某井精細分段及射孔方案（1 in=25.4 mm，1 ft=0.304 8 m）

圖12 頁巖氣井水力壓裂擬合圖（支撐劑鋪置）

5 結論

1）通過地質工程一體化關鍵技術可以打造透明頁巖氣藏，建立涵蓋“地質+工程”全要素的精細三維模型，實現復雜地質體的“定量化、可視化”表征，有效指導井位部署、鉆井設計、壓裂設計和氣井生產。

2）地質工程一體化高產井培育方法成功實現了井位的優化部署、提高了儲層鉆遇率、形成了復雜縫網，指導了頁巖氣井全生命周期的優化調整，有效提高單井產量和EUR，支撐頁巖氣規模效益開發。

3）地質工程一體化高產井培育方法可以在非常規油氣藏的不同領域、不同區塊、不同層位開展大規模推廣應用，支撐非常規儲層規模效益開發。