郭旭升 胡德高 舒志國 李宇平 鄭愛維 魏祥峰 倪 凱 趙培榮
1.中國石化油田勘探開發事業部 2.中國石化江漢油田分公司 3.中國石化勘探分公司
我國頁巖氣資源豐富,全國頁巖氣地質資源量達134.42×1012m3,勘探開發潛力大。中國石油化工股份有限公司(以下簡稱中國石化)高度重視頁巖氣勘探開發工作。2006年,中國石化啟動了“中國頁巖氣早期資源潛力分析”研究項目,基于對美國典型頁巖氣盆地頁巖氣形成、富集、開發的系統調研,對比分析了國內外頁巖氣的形成條件,探討了中國頁巖氣資源前景。2009年,中國石化成立了非常規能源專業管理機構與勘探開發隊伍,借鑒北美經驗,明確頁巖氣選區評價參數,開展了南方海相頁巖氣選區評價工作,先后部署實施了宣頁1井、河頁1和黃頁1井。2011年以來,中國石化將南方海相頁巖氣勘探重點向四川盆地及其周緣聚集,優選出重慶涪陵焦石壩地區的龍馬溪組為最有利勘探目標,實施了焦頁1井。2012年11月,焦頁1HF井測試日產氣20.3×104m3,發現了涪陵頁巖氣田。
2013年9月,國家能源局批準設立“重慶涪陵國家級頁巖氣示范區”(以下簡稱涪陵國家級頁巖氣示范區)。建設初期,面對涪陵頁巖氣田地表條件復雜構造變形強、埋藏深大、沒有可借鑒的經驗等難題,中國石化堅持難中求進、大膽探索,在勘探開發理論、組織生產模式及綠色開發等方面不斷取得重大突破,高水平、高速度、高質量建成了涪陵國家級頁巖氣示范區,使我國成為繼美國、加拿大之后,第三個形成頁巖氣規模化開發的國家。涪陵國家級頁巖氣示范區的建設有助于推進頁巖氣規模增儲和效益建產,引領長寧—威遠、昭通、延安等國家級頁巖氣示范區的高質量建設,對加快頁巖氣產業化速度,發展頁巖氣等清潔能源,推進能源生產和消費結構,保障國家能源安全起著重要的作用[1-2]。
示范區建設歷程可分為3個主要階段(圖1)。

圖1 涪陵國家級頁巖氣示范區建設歷程圖
該階段處于2009—2012年。通過與北美典型頁巖氣形成條件的對比,明確頁巖厚度、有機質豐度、熱演化程度、埋藏深度和礦物含量為海相頁巖氣主要評價參數,在焦石壩構造部署實施了焦頁1HF井。2012年11月焦頁1HF井測試日產氣20.3×104m3,發現了涪陵頁巖氣田。
該階段處于2013—2017年。2013年按照勘探開發一體化的思路,部署三維地震594.5 km2,落實焦石壩背斜構造細節和龍馬溪組頁巖展布特征,同時部署焦頁2、3、4三口探井并相繼獲得高產氣流,實現焦石壩背斜主體的整體控制。在開發方面,焦頁1HF轉入試采,評價單井產能,同時啟動試驗井組評價,實現當年開發、當年投產、當年見效,新建產能5.0×108m3/a。2014年,啟動一期50×108m3/a產能建設,同年7月10日,涪陵頁巖氣田提交國內首個頁巖氣探明地質儲量,新增探明地質儲量1 067.5×108m3;2015年12月,涪陵頁巖氣田累計建成產能50×108m3/a,累計探明地質儲量3 806×108m3,涪陵國家級頁巖氣示范區建設項目通過國家能源局驗收。
在焦石壩背斜主體開展評價同時,針對焦石壩背斜外圍復雜構造區部署實施探井4口、三維地震550 km2。焦頁8井鉆獲20.9×104m3/d的高產頁巖氣流,實現涪陵二期平橋背斜頁巖氣勘探重大突破。2016年1月,啟動涪陵頁巖氣田江東、平橋區塊二期50×108m3/a產能建設。2017年3月,涪陵頁巖氣田累計產量突破100×108m3。2017年12月,涪陵頁巖氣勘查開發示范基地圓滿完成建設任務。
該階段處于2018年至今。2018年5月,涪陵頁巖氣田啟動焦石壩區塊開發調整試驗,編制整體開發調整方案,共部署開發調整井244口。同時加大外圍常壓頁巖氣區勘探和低成本技術攻關,在國內率先實現常壓頁巖氣規模探明,東勝—平橋西、白馬區塊新增探明地質儲量2 967×108m3。
截至2021年12月,涪陵國家級頁巖氣示范區開井 650口,累計探明頁巖氣儲量8 975×108m3,累計新建產能148×108m3/a,累計產氣量達416.6×108m3,成為國內頁巖氣產量增長的主力軍。
與北美相比,涪陵頁巖氣田具有地層時代老、熱演化程度高、構造變形強、埋藏深度大、地表條件復雜等特征,有效動用難度較大[3]。針對涪陵地區五峰組—龍馬溪組海相頁巖特點,中國石化立足自主創新,采用理論與實踐、室內研究與礦場應用相結合的方法,形成了海相頁巖氣“二元富集”理論和頁巖氣高效開發氣藏工程評價方法。
涪陵頁巖氣田位于四川盆地川東隔擋式褶皺帶南段石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等多個構造單元的結合部,開發層系為五峰組—龍馬溪組一段,縱向上分布連續、無明顯夾層;其中五峰組—龍馬溪組一段一亞段深水陸棚相優質頁巖儲層厚度介于30~45 m,TOC含量平均為3.5%,平均孔隙度介于4.4%~6.2%,硅質礦物含量平均達45.7%,整體表現出“高碳、高孔、高硅”的“三高”特征[4-6]。
氣田五峰組—龍馬溪組一段具有大面積層狀分布、整體含氣的特點,計算出五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層中滯留油裂解氣約占70%,干酪根裂解氣約占30%,揭示氣田頁巖氣具有“源儲一體、原位滯留”的特征[7-8]。氣藏埋深介于1 800~4 500 m,地層壓力系數介于1.05~1.58,地溫梯度介于2.36~2.62 ℃/100 m,屬于中深層—深層、正常地溫、常壓—高壓頁巖氣氣藏。氣藏天然氣相對密度介于0.559~0.601,甲烷平均含量98.49%,二氧化碳平均含量0.5%,氦氣平均含量0.045%,為不含H2S的優質天然氣。
2.2.1 深水陸棚相優質頁巖發育是頁巖氣“成烴控儲”基礎
通過對中國南方主要頁巖沉積、地球化學特征分析及成因模式研究,發現深水陸棚相頁巖不僅有機碳含量和內生硅質礦物含量高,而且二者具有良好正相關耦合規律;其有機碳含量與生烴量、孔體積呈正相關,且脆性好,有利于頁巖氣生成、儲集和壓裂改造[9-11]。
2.2.2 良好的保存條件是頁巖氣“成藏控產”關鍵
頁巖頂底板突破壓力均較高的地層組合,從頁巖生烴開始就能有效阻止烴類縱向散失,利于液態烴的滯留、相態轉化及流體壓力的保持。通過三軸物理模擬實驗和滲透率的壓力敏感性分析,發現隨埋深變淺頁巖自身封閉性變差,揭示了頁巖氣“早期滯留,晚期改造”的動態保存機理,建立了頁巖氣保存—逸散模型,認為頂底板好、埋深適中、遠離剝蝕露頭區和開啟斷裂的地區,保存條件好,有利于頁巖氣富集[12-16]。
2.3.1 頁巖多尺度介質流動機理
頁巖地層條件下多尺度孔隙介質、多相態流體賦存及其耦合關系復雜,當時對頁巖氣流動機理以及規律認識尚不清楚,通過研發適合頁巖儲層特點的孔滲飽測試、開采模擬等多種實驗設備和測試方法,建立了模擬儲層條件和開發過程的頁巖氣多相多機制流動實驗技術,揭示了涪陵示范區頁巖氣開發過程中的解吸、擴散、滲流規律。頁巖氣降壓開采過程中,產出氣初期以游離氣為主,吸附氣的貢獻逐漸增加[17-20]。在龍馬溪組頁巖儲層溫度壓力條件下(82 ℃、37.7 MPa),大于100 nm孔中以達西滲流為主,20~100 nm孔中以滑脫流為主,1~20 nm孔中為滑脫流及過渡流。
2.3.2 頁巖氣井產能評價及動態分析預測
當時頁巖氣開采規律缺少成熟動態分析方法,常規方法難以準確評價頁巖氣井產能。通過分析,明確涪陵示范區頁巖氣井生產包括穩產降壓、定壓遞減和增壓開采3個階段(圖2),其中穩產降壓階段表現為不穩定線性流特征,規整化產量—物質平衡時間在雙對數圖板上呈現明顯的1/2直線段;定壓遞減階段總體符合調和遞減[21],測算不同地區第一年遞減率介于56.1%~66.8%,平均60.5%。

圖2 涪陵氣田頁巖氣分段壓裂水平井生產模式示意圖
以涪陵頁巖氣示范區生產中存在的突出問題為導向,采取自主攻關與引進吸收相結合、科技攻關與生產實踐相結合的方式,創新形成了具有涪陵頁巖氣特色的四大配套技術體系:頁巖氣叢式水平井組優快鉆井技術、不同地質條件頁巖儲層差異化縫網壓裂技術、頁巖氣高效采氣集輸技術、巖溶山地頁巖氣綠色開發技術,實現了關鍵裝備和配套工具國產化。
涪陵頁巖氣田為典型的山地地形,淺表喀斯特地貌漏失風險高、井場選址受地形限制、叢式井組偏移距大[22-24],通過室內試驗、關鍵工具研發等方面攻關,構建了山地環境叢式水平井組井工廠高效鉆井系列技術,大幅降低鉆井周期,4 500 m井深平均鉆井周期降至49天,最短鉆井周期25.69天。
3.1.1 涪陵頁巖氣水平井鉆井優化設計技術
應用測井資料、巖心力學參數修正的地層巖石物理參數模型,建立了示范區頁巖地層“三壓力”剖面,明確了考慮層理產狀、流體侵入等因素作用下井眼軌跡坍塌壓力特征,為井身結構優化設計奠定基礎;結合儲層改造機理,模擬老井壓裂后地層壓力及坍塌壓力變化規律,指導新井復雜井網安全鉆井液密度設計。在此基礎上,進一步優化復雜構造區“導管+三開”井身結構設計,構造穩定區推廣“導管+二開”結構,推進鉆井提速降本。建立了以最短周期和最小進尺為目標函數的軌道優選方法,提出了“五點六段式”“雙二維”等軌道模型,創新“交叉式布井+魚鉤型剖面”設計方式,鉆井過程中盲區面積減少85.7%,實現資源有效動用。
3.1.2 復雜山地環境頁巖氣“井工廠”高效鉆井模式
通過“井工廠”作業流程、工序優化,建立了山地環境井工廠鉆井作業技術規范,實現高效鉆井及鉆井液重復利用,推廣應用“學習曲線”[25-27],平均鉆井周期較初期縮短32%,鉆井成本降低33.8%。研發了大尺寸PDC、定向PDC、混合鉆頭、頁巖水平段鉆頭等高效鉆頭序列,研制了水力振蕩器、扭力沖擊器等關鍵工具,建立了“上部清水強鉆”“定向PDC/混合鉆頭+ MWD +等壁厚螺桿”復合鉆進、“低成本國產油基鉆井液+國產LWD +耐油長壽命螺桿”復合鉆為核心的“1411”鉆井提速模板及井眼軌跡精細控制技術(表1),水平段一趟鉆比例達40%,常規導向工具現場應用270余口,導向成本節約65%,實現了頁巖氣鉆井關鍵工具、裝備全面國產化。

表1 涪陵頁巖氣田一趟鉆技術模板表
3.1.3 長水平段水平井固井技術
通過水泥環失效機制研究,優選固井水泥漿添加劑,評價水泥石長效密封、抗交變載荷等性能,研發了彈韌性膠乳固井水泥漿體系;基于油基潤濕反轉評價,優化增溶擴溶型高效沖洗劑分子結構設計,優選加重材料,研制了油基鉆井液固井沖洗液、清洗液體系;開發了頁巖氣專用氣密封高強度套管、樹脂扶正器、自旋轉引鞋、趾端滑套等完井關鍵工具,形成了“井眼準備+套管下入+扶正居中+高效頂替”為核心的長水平井預應力固井技術,固井質量優質率100%,壓后環空帶壓下降至8.6%。
與北美頁巖相比,涪陵頁巖氣藏地質條件復雜,埋深、構造形態復雜、地應力條件及裂縫分布差異大。針對氣田不同地質特征存在較大差異的難點,形成了復雜頁巖儲層差異化縫網壓裂工藝、頁巖氣水平井重復壓裂工藝、壓后多方法綜合評估三大核心技術,指導方案設計及施工600余井,壓裂工藝成功率98%、有效率97%。
3.2.1 分區分層差異化壓裂優化設計技術
考慮涪陵頁巖氣田平面及縱向儲層特征變化,通過室內多因素壓裂物模試驗,揭示了不同脆性、頁理發育程度頁巖的裂縫起裂延伸機理,為頁巖氣井針對性、精細化方案設計提供了理論依據。
結合涪陵氣田不同區塊地質關鍵影響因素,開展以“平面精細設計+縱向精準改造”為特色的差異化壓裂工藝設計。平面上,以SRV最大化和縫網復雜化為目標,建立了“混合壓裂、組合加砂”為核心的主體改造模式,制定了不同類型儲層針對性改造對策(表2);縱向上,考慮各小層儲層特征及裂縫延伸規律,建立“六參數”三大類施工參數設計方法,形成了不同區域、小層差異化縫網壓裂工藝技術,現場應用平均單井測試氣量達26×104m3/d,該技術有力支撐了涪陵氣田一期、二期百億立方米產能建設。

表2 涪陵頁巖氣田不同類型儲層差異化壓裂工藝措施表
綜合考慮開發調整井儲層特征、井網井距、老井誘導及經濟評價等多方面需求和配置關系,以井組整體有效動用為目標,提出以“增大接觸面積、井組協同優化”為核心的改造理念,形成了以“細密布縫+均衡改造+高強加砂”為特色的壓裂工藝技術,通過推廣應用立體開發調整井精準壓裂技術,關鍵核心參數指標得以提升,下部加密井和上部氣層井平均測試產氣量分別提高至22.6×104m3/d和17.4×104m3/d。
3.2.2 頁巖氣水平井重復壓裂工藝技術
針對采收率偏低、水平井段內改造效果存在差異等情況,研究了頁巖氣井生產應力場變化規律、重復壓裂裂縫起裂延伸規律,明確重復壓裂時機及選井方法,率先在國內探索了頁巖氣水平井重復壓裂工藝試驗,形成了短水平井段“暫堵轉向”和長水平井段“重建井筒”兩種重復壓裂技術體系。
暫堵轉向重復壓裂以“疏通老縫、開啟新縫”為目標,采用“簇間封堵+縫內轉向”復合暫堵方式,將開啟壓力基本一致的射孔簇劃分為一級,采用“擠注提壓+分級主壓”的施工模式。該工藝在焦頁9-2HF井短水平井段(<500 m)重壓取得成功,壓后累計采氣量1 072×104m3。重建井筒分段壓裂[28]工藝主要針對長水平井段簇間改造不充分的情況,即在?139.7 mm套管中下入?88.9 mm小套管重新固井建立新井筒(圖3),采用分段射孔壓裂方式,尋找段、簇間剩余儲量,精準改造剩余潛力井段。在焦頁4HF井成功開展現場試驗,測試產氣量達18.1×104m3/d,為老區高效開發提供了新的技術途徑,具有較好的推廣示范作用。

圖3 涪陵頁巖氣田重建井筒重復壓裂工藝示意圖
3.2.3 頁巖氣井壓后多方法綜合評估技術
針對頁巖氣壓裂裂縫形態復雜多變效果評估尚無系統方法等難題,首次創建了涪陵頁巖氣井壓裂動態分析與效果評估的裂縫定量化描述技術[29-31]。以壓裂裂縫形態、擴展演化機制診斷分析為核心,形成了壓裂施工曲線變化量化評價方法,明確了沿不同裂縫延伸狀態下地面壓力響應規律;利用神經網絡、灰色關聯、層次分析等大數據分析方法,明確不同區域單井產能影響主控地質、工程因素及權重排序。集成應用多種分析方法(表3),實現了定量化評價縫網壓裂改造效果,目前已在氣田全面推廣應用。

表3 涪陵頁巖氣田氣井壓后多方法綜合評估技術表
3.3.1 頁巖氣井全生命周期采氣工藝技術
針對頁巖氣井井筒積液預測難度大、采氣工藝優化設計復雜等難題,創新形成了涪陵頁巖氣井全生命周期采氣工藝技術。以氣井生產規律為基礎,以節點分析法為核心,攻關形成了頁巖氣井氣藏—井筒一體化采氣工藝優化設計方法,制定了涪陵采氣工藝分類、分階段優化方案;針對涪陵頁巖氣井特殊的井筒、井口結構,研發配套了投撈式氣舉閥排采、連續管完井、同心管完井、智能柱塞、“增壓+泡排”等一系列排采工藝技術,為氣田高效開采提供了技術手段。
3.3.2 復雜山地特征的地面集輸及配套工藝技術
按照“標準化設計、模塊化建設、標準化采購、信息化提升”的總體思路,根據涪陵地區地表特征,形成了“環狀管網、兩級布站、濕氣集輸、兩級脫水”的地面集輸及配套工藝技術。焦石壩區塊共部署集氣站與采氣平臺合建63個,土地節約率達57%。
3.3.3 建成了數字化頁巖氣示范區
通過通信及安防系統、SCADA系統和信息平臺的建設,建成了一個具備高度自動化、可視化、集成化、流程化為特征的數字化氣田。采氣、集輸實時數據自動化采集率達到100%,實現了集氣站無人值守、異常情況下的氣井主動關停,保障生產安全。
3.4.1 頁巖氣產出水達標處理技術
系統開展了產出水達標處理工藝研究,研發了撬裝式產出水處理設備,形成了“預處理—雙膜脫鹽—結晶蒸發”核心處理工藝(圖4),建成了大型頁巖氣產出水處理站,處理后的外排水水質達到《地表水環境質量標準》III類標準,優于國家標準。

圖4 涪陵頁巖氣田產出水處理站工藝流程圖
3.4.2 固體廢棄物無害化處理技術
研發了水基、油基鉆屑不落地、無害化處理裝置及配套技術,對收集、轉運、存放到無害化處理的全過程實施監管。研制了間歇式與連續式兩套模塊化熱解處理裝置,處理后的熱解灰渣中石油類含量僅0.02%,優于國家標準;同時利用灰渣研制了免燒磚、壓裂支撐劑等,實現油基鉆屑100%無害化處理。
3.4.3 巖溶山地頁巖氣開發土地集約化利用技術
涪陵頁巖氣田勘探開發過程平臺土地復墾不僅缺乏系統的工程技術,也缺少可以借鑒的實際工程經驗[32-34]。針對喀斯特巖溶地貌特征,實踐總結出了一整套土地復墾技術,有效恢復和提高了土地生產力,技術流程包括:確定復墾范圍、劃分復墾單元、確定復墾種類和后評價方式等。
3.4.4 頁巖氣開發碳減排綜合技術
通過研究與應用試采一體化、網電鉆機、全電驅高效壓裂、井下節流技術及方法,減少氣體排放,節約資源,單井平均減少頁巖氣放噴量43×104m3。
涪陵頁巖氣示范區利用中國石化產業鏈完整的優勢,加強裝備工具研發攻關,實現了“井工廠”鉆井、壓裂關鍵裝備和配套工具的全部國產,有效打破國外壟斷,降低生產成本,提高生產效率。
創新研制了全方位整體移運自走式鉆機,最大移運重量達1 000 t,井間定位精度小于10 mm,井間搬遷從72 h縮短至4 h。研制了模塊化、自動化程度高、適應山地作業環境的步進式、軌道式整體運移鉆機;研制了耐油長壽命螺桿鉆具和降摩減阻工具等,為頁巖氣開發提供鉆井成套裝備及工具解決方案。創新研制世界首臺3000型壓裂泵車、連續油管作業車、高壓管匯等配套裝備,形成頁巖氣開發成套裝備解決方案,有力保障了山地環境下長時間、高壓力、大功率壓裂施工;研發了5 000馬力(1馬力=745.699 9 W)電動壓裂泵。
創新研制8 kN測井牽引器、專用PDC鉆頭和耐油螺桿、耐高溫高壓易鉆橋塞、140 MPa多級射孔工具串等關鍵工具,降低了生產成本,實現規模應用。創新研制了油基泥漿體系、高效壓裂減阻液體系,技術指標達到國際先進水平,成本較國外同類產品低30%以上。
根據四川盆地頁巖氣地質特點、資源潛力、不同類型大型氣田發現規律,制定了中國石化“十四五”頁巖氣發展規劃。深入貫徹大力提升國內油氣勘探開發力度的指示精神,踐行綠色開發、效益開發理念,加大基礎研究和關鍵技術攻關,攻關突破川南深層4 000~5 000 m志留系、盆緣復雜構造帶常壓志留系,實現多類型頁巖氣商業突破,勘探上培育形成涪陵萬億立方米規模儲量,開發上持續探索頁巖氣提高采收率技術,實現涪陵頁巖氣示范區百億立方米產量上產穩產[35-40]。
涪陵頁巖氣示范區實現了3 500 m以淺超壓頁巖氣藏高效開發、3 500~4 000 m有效開發,但深層頁巖儲層埋藏深、施工壓力高、施工排量受限,對長水平井壓裂技術和裝備的要求更高;常壓頁巖氣富集保存機理及評價技術體系目前尚不明確,常壓區低成本優快鉆井技術、高效壓裂技術尚未配套。未來將結合已有的技術體系持續優化與攻關,建立4 000 m以深和常壓頁巖氣開發關鍵技術,打造區域差異化開發模式。
焦石壩區塊經過井網加密開發調整后,采收率從12.6%提高到23.3%,立體開發調整區采收率達到39.2%。但對于江東、平橋復雜構造區、白馬深層新區,開發調整潛力及實施效果仍有待落實。因此,下步應積極攻關地模數模一體化技術,建立以頁巖氣天然裂縫與人工縫耦合的地模—數模一體化儲量動用評價、基于復雜應力場的復雜縫網高效體積壓裂、復雜山地條件下立體開發提高采收率技術,實現頁巖氣資源的充分動用。
結合智能化及大數據應用趨勢,持續優化攻關示范區高效開發技術體系和裝備。①強化頁巖氣氣藏地質、氣藏工程理論研究,進一步探尋氣藏機理與生產規律;②突破工程工藝技術瓶頸,鉆、試、地面工程提速提質降本,開發調整工藝體系不斷完善;③持續提高氣藏的“甜點”識別和單井產能,降低開采成本,提高氣田產量。
堅持減量化—再利用—再循環的經濟模式,嚴格實行廢水循環用、廢氣減排放、廢渣嚴處理,促進節能、降耗、減污、增效的勘探開發全過程清潔生產,切實保障資源開發與環境保護并重。
1)涪陵國家級頁巖氣示范區建設歷經了勘探評價、一期二期建設、立體開發調整建設三個階段,累計產氣量超400×108m3,成為國內頁巖氣產量增長的主力軍。
2)涪陵國家級頁巖氣示范區建設過程中形成了海相頁巖氣“二元富集”理論和頁巖氣高效開發氣藏工程理論,形成了四大配套技術體系:頁巖氣叢式水平井組優快鉆井技術、不同地質條件頁巖儲層差異化縫網壓裂技術、頁巖氣高效采氣集輸技術、巖溶山地頁巖氣綠色開發技術,實現了關鍵裝備和配套工具國產化。
3)涪陵國家級頁巖氣示范區下步將持續攻關深層、常壓頁巖氣勘探開發技術,勘探上培育形成涪陵萬億立方米規模儲量,開發上持續探索頁巖氣提高采收率技術,實現涪陵頁巖氣示范區百億立方米產量上產穩產。