四川盆地南部威榮、永川地區深層頁巖氣勘探開發進展、挑戰與思考

郭彤樓 熊 亮 雷 煒 趙 勇 龐河清

中國石化西南油氣分公司

0 引言

經過10余年的探索和實踐，我國在頁巖氣地質理論、勘探開發技術、生產能力等方面取得了長足進步[1-2]，已在四川盆地及周緣建成了8個頁巖氣田，2021年頁巖氣產量達到了230×108m3。目前，3 500 m以淺的頁巖氣勘探開發已形成了地質評價、開發技術、優快鉆井、體積壓裂、井工廠化作業、高效清潔開采等技術體系，實現了效益開發[3-4]。但是，資源量占比超過80%的深層頁巖氣效益開發仍面臨極大的挑戰[5-6]，因此，加快深層頁巖氣地質理論認識，形成深層頁巖氣勘探開發關鍵技術對進一步提高我國頁巖氣保障能力具有重大意義[5-7]。

深層頁巖氣較于中深層具有埋深大、高溫、高壓、高地應力的特點，可鉆性、可壓性是提產和降本面臨的最大難題[5-6]。中國石化西南油氣分公司在四川盆地威榮（威遠—榮縣）、永川地區深層頁巖氣勘探開發實踐中，強化地質—工程一體化研究，明確了優質頁巖儲層分布，落實了開發有利區，建成了20×108m3/a產能規模，為我國建設深層頁巖氣田增強了信心。但是，深層頁巖氣普遍存在改造難度大、單井產能低、技術可采儲量低等問題。針對其高應力差、高破裂壓力和高閉合應力特征，優化升級壓裂工藝技術，加大排量及改造規模，裂縫起裂和延伸得到改善，但是，由于地應力場非對稱分布，加大改造規模導致套變、壓竄頻發，嚴重影響了產建效果。氣井建產后單井產能低、遞減快、返排液高，排水采氣措施及返排液處理增加了生產成本，效益開發面臨極大挑戰。

筆者以四川盆地威榮、永川地區深層頁巖氣開發建設成果為依托，歸納總結深層頁巖氣地質評價、高效鉆完井、體積壓裂、高效采輸一體化等方面的技術成果與進展，深入剖析深層頁巖氣開發面臨的主要問題與挑戰，以期為深層頁巖氣開發提供借鑒，助推我國深層頁巖氣實現效益開發。

1 威榮、永川地區地質概況

威榮、永川地區位于四川盆地南部，該地區下志留統龍馬溪組頁巖埋深大于3 500 m（圖1-a）。威榮地區位于川西南低陡構造帶的白馬鎮向斜內，斷層不發育，構造幅度小于300 m，地層傾角介于0.5°～4.0°，局部構造自西向東依次為西部次凹、中部凸起和東部次凹，呈“兩凹一凸”的特征；永川地區位于川南低陡構造帶，構造特征明顯，分為北部向斜、中部背斜、南部向斜3個區域，埋深差異大（3 100～4 200 m），中部背斜斷層發育，南部次之，北部不發育。工區已鉆遇地層自下而上為奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系，缺失泥盆系和石炭系，累計厚度介于3 600～4 000 m，地表出露侏羅系—三疊系。

圖1 四川盆地龍馬溪組埋深分布與地層劃分柱狀圖

根據巖性、電性、含氣性以及筆石等特征，研究區目的層五峰組—龍一段自下而上可劃分為①—⑨號層（圖1-b、c）。其中，①—④號層為主要開發層系，厚度介于27～39 m，分布穩定，具有中—高總有機碳含量（TOC，2.8%）、高孔隙度（6.1%）、高脆性礦物含量（64.0%）、高含氣量（3.2 m3/t）、低黏土礦物含量（34.0%）的“四高一低”特征[7-8]。開發上，考慮到威榮、永川兩個地區縱向上沉積相帶、巖性、電性等特征略為不同，開發小層劃分方案存在一定差異，其中，威榮地區可劃分為11、12、2、31、32、33、4共 7個開發小層[9]；永川地區11、12、13、2、31、32、33、4、5、6、71、72共 12 個開發小層（圖 1-b、c）。

2 威榮、永川地區深層頁巖氣主要特征

2.1 儲層特征

通過9個氣田36口典型井五峰組—龍馬溪組一段優質頁巖測井解釋數據統計分析，相同沉積環境的TOC及礦物組分、含量基本一致，威榮、永川地區優質頁巖TOC、脆性礦物含量較川東南涪陵焦石壩地區低，反映出沉積環境的差異，與埋深無關[5]。威榮、永川地區五峰組—龍馬溪組一段主要為鈣硅質深水陸棚相沉積，優質頁巖TOC介于2.4%～3.2%（平均值為2.8%），同一沉積環境下的頁巖TOC差異不大；涪陵焦石壩地區五峰組—龍馬溪組一段為硅質深水陸棚相沉積，優質頁巖TOC介于3.3%～3.8%（平均值3.5%），較鈣硅質深水陸棚沉積環境高。頁巖脆性礦物含量亦有相似的變化規律，威榮、永川地區五峰組—龍馬溪組一段優質頁巖脆性礦物含量介于53.3%～59.8%（平均值為55.8%）；涪陵焦石壩地區頁巖脆性礦物含量介于56.6%～74.5%（平均值為69.8%）。威榮、永川地區頁巖孔隙度介于5.2%～7.6%（平均值為6.3%），含氣量介于5.7～7.9 m3/t（平均值為6.5 m3/t）；涪陵焦石壩地區頁巖孔隙度介于4.9%～5.3%（平均值為5.3%），含氣量介于5.0～6.2 m3/t（平均值5.7 m3/t）。因此，深層頁巖氣優質頁巖孔隙度、含氣量都要高于中深層，孔隙度、含氣量隨埋深的增加而增大[10]。孔隙度、含氣量與相帶無關，但與成巖演化過程中深埋及保存條件關系密切。在相似地質條件下，埋深越大保存條件往往越好，游離氣逸散受限，表現出壓力系數高、天然氣的壓縮比大、單位體積含氣量高的特點[10,11-14]（圖2）。

圖2 不同沉積環境下優質頁巖儲層參數與埋深關系圖

2.2 紋層、裂縫特征

紋層可從紋層組成、結構及構造3個方面進行描述。施振生等[16]根據粒徑大小將五峰組—龍馬溪組一段優質頁巖紋層劃分為泥紋層（生物硅含量大于70%、TOC大于15%）和粉砂質紋層（鈣質含量大于50%、無機硅含量大于20%、TOC介于5%～15%）。筆者借鑒施振生等的紋層劃分方案，結合威榮、永川地區五峰組—龍馬溪組頁巖脆性礦物含量和TOC，將威榮、永川地區優質頁巖紋層劃分為泥紋層（圖3-a～c）和粉砂質紋層（圖3-d～f）兩大類。另外，根據紋層密度、紋層間距以及紋層組合關系可進一步劃分為粗紋層（圖3-a、d）、細紋層（圖3-b、e）以及無紋層段（圖3-c、f）3種類型。威榮地區鈣質含量高，其粉砂質紋層占比高，巖心觀察可見滴鹽酸強烈起泡。紋層縱向上具有明顯的分段性，縱向上以①—③號層紋層最發育，④—⑥號層次之，⑦—⑨號層欠發育。目前，威榮、永川地區五峰組—龍馬溪組僅有效動用①—③號層，筆者重點對①—③號層進行精細描述（圖4-a）。涪陵焦石壩地區紋層也主要在①—⑤號層發育，⑥—⑧號層較發育，呈下多上少不均勻分布特征，⑨號層欠發育，大量發育的紋層起到了連接有機孔和無機孔的作用，提高了頁巖的水平滲流能力[17]（圖4-b）。

圖3 威榮、永川地區典型井層理縫特征圖

圖4 典型頁巖氣井紋層及裂縫分布圖

由鏡下觀察可知，威榮、永川五峰組—龍馬溪組一段優質頁巖泥紋層中可見順層發育的層理縫，常充填方解石、有機質（圖3-a、d、e）。層理縫形成與頁巖缺乏膠結物質有關，在成巖壓實過程中，層理面為脆性面，當構造隆升變淺導致上覆巖層壓力降低，頁巖內部地層高壓使得巖石有效應力降低，微裂縫常沿著頁巖層理面、應力差異性界面或脆弱面發育，層理縫的形成是沉積、構造和成巖作用共同作用的結果[17]。微觀上，裂縫產狀與形態不僅影響著頁巖滲流能力，還對頁巖氣賦存狀態起到一定的控制作用[11,18]。威榮地區構造簡單，構造成因縫不發育。巖心觀察到與構造有關的天然裂縫主要發育在③—⑧號層，裂縫密度為1.68 條/m，以低角度縫為主，占比為73.0%～87.0%，①—③號層以發育層理縫為主，構造成因縫總體欠發育（圖4-a）。據成像測井裂縫解釋及地震裂縫預測結果，威榮地區主要發育北西向、北東向兩組裂縫，以北西向裂縫最為活躍，壓裂施工時易引起壓竄現象；北東向裂縫易發生剪切滑移。威榮地區44口井53個套變點與裂縫有關的占比超過50.0%，其中又以北東向裂縫占比高。永川地區構造復雜，與構造變形有關的裂縫較發育。根據巖心觀察及成像測井解釋結果可知，永川地區裂縫類型單一，主要以低角度水平縫為主，占比61.0%；裂縫走向主要以北東向或北東東向為主，其次為北北西向、北西西向，裂縫延伸長度介于5～10 cm，開度一般小于2 mm，裂縫多被方解石、石英、黃鐵礦全充填或者半充填，占比高達93.3%，對頁巖儲層滲透率貢獻較小，但后期水力壓裂時充填縫易重新裂開，有利于復雜縫網的形成[19]。涪陵焦石壩地區構造縫發育，主要為刺穿型高角度縫、內部高角度縫、低角度縫3類裂縫，縱向上主要發育于巖性變化和脆性礦物含量高的層段，如五峰組與臨湘組界面附近、層內巖性變化附近裂縫密度超過10 條/m，脆性礦物含量為62.4%的五峰組裂縫發育密度高達20 條/m[17,20]。

適度裂縫發育有利于提升頁巖滲流能力，改善氣井生產能力。從3個地區頁巖氣開發實踐來看，威榮地區層理縫對壓裂施工影響嚴重，壓裂過程中，層理縫易被激活，壓裂液易沿著層面擴展溝通附近裂縫導致套變、壓竄現象，復雜縫網形成難度大，氣井產量偏低；永川南產建區為負向構造，但是靠近新店子背斜，優質頁巖中除了發育大量層理縫，構造縫也較發育，氣井測試產量雖然偏低，但返排率較威榮地區低、生產效果相對更優，壓竄、套變等復雜工況相對少見；涪陵焦石壩地區不同類型裂縫發育，高角度縫、低角度縫、層理縫形成立體裂縫系統，從而大大提高頁巖氣聚集和滲流能力[17]。

2.3 工程地質特征

頁巖氣孔隙喉道為納米級，壓裂關鍵是通過增大基質與裂縫的接觸面積，減小基質中的流體向裂縫滲流的距離[21-22]。與中深層頁巖相比，威榮、永川地區深層頁巖儲層條件和工程地質特征更復雜，具有以下難點：①主體區埋藏深（3 550～4 200 m）、力學脆性指數低（0.44）、水平兩向應力差大（大于15 MPa），壓裂難以形成復雜縫，改造體積有限。②高應力（閉合壓力梯度介于2.3～2.5 MPa/100 m）、高破裂壓力（破裂壓力梯度介于2.6～3.2 MPa/100 m），裂縫起裂和延伸困難，施工壓力大于85 MPa，加砂難度大，裂縫長期有效導流能力難以保持（表1）。③應力狀態復雜。根據應力結構指數（AΦ）和Anderson斷層理論進行地層三向應力大小關系定量刻畫[23]，將頁巖應力狀態劃分為區域徑向拉伸態[AΦ＝0，垂向應力（Sv）＞最大水平應力（SH）≈最小水平應力（Sh）]、拉張態（AΦ＝ 0.5，Sv＞SH＞Sh）、拉張走滑態（AΦ＝ 1.0，Sv≈SH＞Sh）、走滑態（AΦ＝ 1.5，SH＞Sv＞Sh）、走滑擠壓態（AΦ＝ 2.0，SH＞Sv≈Sh）、擠壓態（AΦ＝2.5，SH＞Sh＞Sv）、區域徑向擠壓態（AΦ＝3.0，SH≈Sh＞Sv）共7種類型。威榮地區AΦ介于0.5～1.5，應力狀態為拉張走滑態、走滑態兩種（圖5）。受低角度縫以及層理縫發育的影響，這兩種應力狀態改造施工時縱向縫高擴展受限，以致壓裂液可能更易橫向擴展，從而發生壓竄現象。壓竄后氣井復產難度大，強排液復產措施增加了返排液處理成本。

表1 威榮、永川與焦石壩地區地質工程參數對比表

圖5 威榮地區頁巖儲層應力狀態平面分布圖

3 威榮、永川地區深層頁巖氣勘探開發技術進展

3.1 深層頁巖氣甜點評價及預測關鍵技術

3.1.1 甜點地質評價方法

甜點的精細刻畫與評價是水平井靶窗優選及工程工藝實施的重要依據[24-25]。針對深層頁巖氣儲層特點，通過開展多尺度多視域儲層精細描述，明確深層頁巖氣儲層宏觀及微觀特征。首先，縱向上從層、小層及測井微層對頁巖儲層特征進行多尺度描述；其次，從巖心尺度對紋層特征進行定性描述；最后，采用微納米CT、場發射氬離子拋光掃描電鏡對其微觀儲集空間進行多視域定性表征，從而實現頁巖儲層多尺度、多視域精細刻畫。再基于儲層精細描述，建立了礦物組分“三端元”＋有機質的頁巖巖石相分類方案，對儲層進行分類，并建立了儲層地質模型[24]。在此基礎上，優選TOC、含氣量、有機孔占比、脆性礦物、黏土礦物等參數作為地質甜點評價參數，并引入脆性指數、水平應力差異系數作為工程甜點評價參數，建立深層頁巖氣儲層甜點評價指標體系（詳見本文參考文獻[25]），并采用灰色關聯分析方法將儲層劃分為A、B、C、D共4個等級，其中A級儲層為生物硅質頁巖和含鈣黏土質硅質頁巖，主要分布于2—31小層，為有利靶窗位置（圖6）。

圖6 A3井單井綜合評價圖

3.1.2 甜點測井評價技術

針對川南地區深層頁巖氣儲層礦物組分、巖電關系復雜與孔隙度、含氣量及可壓性測井定量評價不準確的難題，開展了烴源巖品質、儲層品質及工程品質的測井評價技術攻關。基于黏土礦物骨架的頁巖孔隙度校正及評價技術，實現了微裂縫、黏土礦物晶間孔、硅質礦物粒間孔及有機質孔4孔隙度定量評價，為頁巖儲集空間評價提供支撐；探索了頁巖游離氣、吸附氣測井評價新方法，實現原地條件下頁巖含氣量的定量評價；基于橫波建立解釋模型，計算巖石力學參數和定量評價可壓裂性[26]。綜上所述，實現了地質約束下復雜礦物組分、孔隙度、含氣量及可壓裂性的定量評價，誤差小于8%，評價精度由85%提高到90%以上，有效支撐地質—工程“雙甜點”優選及壓裂方案設計。

3.1.3 甜點地震預測

深層頁巖氣儲層由于埋藏深，地震波場傳播復雜，對微幅構造預測影響大，同時地層壓力、應力、脆性、巖石力學等參數復雜多變，精準預測困難[27]。針對上述問題，創建了基于趨勢匹配的深度域地震微幅校正技術和基于正演模擬及地質統計的小尺度斷層檢測技術，消除了虛假微幅構造，構造解釋誤差小于0.5%，并可識別10 m左右的小尺度斷層，實現了甜點儲層精細構造解釋。圍繞“兩高、一富”（高碳、高孔、富氣），研發基于各向異性AVAZ方法及多元回歸擬合的地震甜點參數預測技術，減少疊前反演多解性，提高彈性參數反演精度，經實鉆井證實厚度預測誤差小于3 m，TOC、孔隙度、含氣量預測誤差小于5%[28]。聚焦“兩選、兩避、兩低”，即選高壓—選高硅、避變形—避漏失、低破裂壓力—低兩向應力差，形成了基于生烴作用的地層壓力預測、綜合可壓性及含氣性的脆性指數預測、基于校正項約束的線性滑動理論地應力預測、基于巖石力學的破裂—坍塌壓力定量預測等4項工程甜點參數預測技術，建立了深層頁巖氣地震預測技術體系，預測精度超過85%。

3.2 “建?！獕耗！獢的！币惑w化技術

地質工程一體化強調地學研究與現場作業的互動，且尤為關注地應力、斷縫等與套變、壓竄復雜工況密切相關的工程參數[29-30]。地質建模中的天然裂縫建模、地應力建模難度大，人工縫網表征及有效評估方法單一，不同尺度縫網的流動規律認識不清，給精細數值模擬帶來了極大的挑戰。通過以下步驟探索了建模數模一體化技術：①采用“水平段分層建立虛擬井數據庫”、基于“巖心觀察＋成像測井＋地震預測”的螞蟻體微裂縫預測、基于力學模擬器進行原場應力模擬、多尺度復雜縫網運移定量表征等技術方法，解決了制約建?！獢的Ｒ惑w化的關鍵技術節點；②結合壓裂施工參數、生產動態監測及動態反演成果，建立了天然裂縫與人工壓裂裂縫的縫網耦合模型；③采用“單重介質＋四區（最佳SRV區、次佳SRV區、欠佳SRV區以及未改造區）＋氣液兩相＋組分（甲烷、二氧化碳等多組分）＋嵌入式離散裂縫”模型，建立了以井組為單位的數值模擬模型。針對深層頁巖氣井產液量大、不同階段生產特征差異大，歷史擬合精度低的問題，創新提出了分階段多級控制的深層頁巖氣歷史擬合方法，從而形成了深層頁巖氣建模—壓模—數模一體化技術（圖7）。

圖7 威榮地區建模—數模一體化模型圖

3.3 優快鉆完井技術

受埋深大的影響，威榮、永川地區深層頁巖氣地質條件相對于中深層更復雜、地層溫度和地層壓力更高，鉆井過程中面臨復雜工況多、軌跡控制難、鉆速慢周期長等難題[31]。針對縱向多壓力系統、裂縫氣層發育的特點，以“地質—工程”一體化、“安全—快速”一體化為目標開展了優化井身結構，滿足各開次壓力平衡約束條件；圍繞“鉆頭、工具、參數”3大核心要素，研選多元混合破巖PDC鉆頭和長壽命大扭矩螺桿，綜合配套強化鉆井參數，形成了以“單井精益鉆井和平臺批量鉆井”為核心的深層頁巖氣高效鉆完井技術。即：井身結構優化為三開；1臺6～10井布井模式和以“雙二維、二維＋小三維”為核心的平臺井軌道設計；升級鉆井關鍵設備、動力鉆具和測量工具，強化鉆井參數[32]；以滑軌平移裝置為主的1機3～5井平臺批量鉆井技術；配套“清水替漿＋鉆桿/連油一體化通刮洗”為特點的高效井筒準備措施（圖8）。截至2021年底，完鉆165口水平井，鉆井周期提前15天以上，優質儲層鉆遇率達到97.7%，有效支撐了深層頁巖氣規模建產。

圖8 平臺井軌道和批量鉆井技術示意圖

3.4 體積壓裂技術

受埋深大的影響，威榮、永川深層頁巖氣總體可壓性較中深層差。2015年以來，先后經歷了探索（2019年以前）、提升（2019—2020年）、強化（2021年至今）3個階段，不斷完善深層頁巖氣體積壓裂技術。

2019年以前，以探索深層頁巖氣壓裂工藝、尋求勘探突破為目標，采用段內少簇、變排量控近擴遠、段塞式膠液加砂、低加砂強度等措施；2019—2020年，以提高裂縫水平橫向覆蓋率和裂縫復雜性為目標，采用段內6簇為主、3級支撐、降阻水連續加砂、提高加砂強度、1～2次縫口暫堵等壓裂措施；2021年以來，以“體積全控制、裂縫全支撐”為宗旨，以“地質—工程一體化”為導向，以實現“提高單井最終可采氣量（EUR）、降低成本”為目標，開展裂縫多尺度強支撐壓裂技術研究[33-34]。結合區域可壓性、裂縫特征以及井網井距等因素，采用應力干擾分析和有限元模擬，優化威榮、永川地區壓裂簇間距（裂縫條數），裂縫橫向覆蓋率達到99.5%，有效改造體積1 754×104m3，較好地實現井區儲層全控制。通過壓裂技術不斷攻關，在加砂強度、用液強度、綜合砂比、最高砂比等參數上進步明顯（表2），形成了以“裂縫空間優化配置”為核心，以“裂縫強支撐優化設計及建造”為關鍵的深層頁巖氣“密切割、強加砂、暫堵轉向”主體壓裂技術。2018年以來，應用該技術共實施75口水平井，提產效果明顯，目前平均加砂強度已達到2.01 m3/m、最高可達到2.21 m3/m；平均單井無阻流量由36.4×104m3/d提升至目前的46.0×104m3/d，提升26.4%；單井EUR由0.79×108m3提升至目前的1.01×108m3（非套變井），提升26.6%（表2）。然而，深層頁巖氣仍然面臨技術可采儲量低、改造體積低、穩產難度大等難題，加之套變、壓竄等復雜工況影響氣井產量，深層頁巖氣的效益開發依然任重道遠。

表2 威榮地區頁巖氣井壓裂參數及平均單井無阻流量、EUR統計表

3.5 采氣技術

3.5.1 全生命周期“三精”生產管理技術

目前，國內規模開發的頁巖氣田（如涪陵、威遠、長寧等頁巖氣田）主要為中深層頁巖氣田，氣井主要采用放壓生產和控壓生產兩種生產方式。威榮地區頁巖氣為國內首個投入商業開發的深層頁巖氣田，尚無成熟的開發經驗可參考，為了對比不同生產方式氣井生產效果的差異性，開展了平臺井控壓和放壓生產的現場試驗，控壓生產井初期配產6×104～8×104m3/d，放壓生產井初期配產12×104～20×104m3/d。生產結果表明，控壓生產井動態指標更優、EUR更高。相較于放壓生產井，控壓生產氣井壓降速度平均降低了65.6%，穩產期平均延長了2.5倍，單位井口壓降產氣量平均提高了1.1倍，首年遞減率平均減緩了18.5%，單井EUR平均提高了22.5%（圖9、表3）。

表3 不同生產方式氣井動態指標對比表

圖9 不同生產方式氣井歸一化井口壓力與累計產氣量曲線圖

鑒于目前深層頁巖氣井EUR偏低，若采用放壓生產，EUR還可能損失至少20%。為保障氣井EUR最大化，基于氣液兩相滲流理論及生產特征，提出了深層頁巖氣分段—分級的生產管控措施（表4），建立了全生命周期的“三精”管理模式。①在排液階段精細排液，通過開展最佳悶井時間及合理排液制度論證，確定氣井最佳悶井時間為7～9 d，悶井后采用逐級放大油嘴排液，見氣后控制生產制度介于7×104～9×104m3/d，確保氣井井口壓降速度小于0.15 MPa/d；②在定產降壓階段的精準控產，為保障氣井產期穩產及EUR最大化，需控制井口壓降速度小于0.06 MPa/d，基于運移規律實驗、應力敏感實驗、流態診斷與識別和不同生產制度開發效果評價等室內及現場試驗，確定氣井合理的生產制度介于5×104～8×104m3/d，最佳下油管時機為井口壓力下降至20～25 MPa；③定壓降產階段的精心維護，通過開展排水采氣工藝介入時機及措施論證，建立井底積液預警機制，形成了“強排、泡排、氣舉”等7項專項處置措施，確保氣井連續生產。

表4 深層頁巖氣井全生命周期分段、分級生產管控措施統計表

3.5.2 集約化排液采氣技術

深層頁巖氣生產期間水量大、遞減快、低壓低產期長，如何長期穩定排液面臨挑戰[35-37]。在叢式井大規模開發模式下，同一時間內需要排液措施井較多，采取傳統的人工排采、單井作業模式效率難以滿足井群長周期排液管理需要[36]。為此，引入集約化整體排采理念，研發了模塊式多分支智能加注裝置，實現了平臺整體起消泡一體化加注，代替了人工投注或車載式泵注；采用“一高帶多低”的氣舉工藝，依靠同平臺高壓氣源井對低壓積液井進行井間氣舉，提高了平臺復產、助排運行效率；同時設計了不關井連續排液的分體式柱塞工具，與上述2種工藝相配合，實現了多元復合排液舉升。

通過上述技術攻關，實現了排液采氣由“單體式”向“集約化”轉變，形成了針對深層頁巖氣高返排、快遞減、平臺部署的排采穩產技術，提升了智能化管控水平，有利于氣田穩定生產。經過近百口井應用，井底流壓梯度由前期的0.41 MPa/100 m降至0.22 MPa/100 m，47口井開展了泡排、氣舉及柱塞氣舉排水采氣工藝，累計增產天然氣量約850×104m3，單井日產液量穩定在10～15 m3，油套壓差控制在3.5 MPa以內，單位壓降產氣量由措施前的65.45×104m3/MPa增加至81.23×104m3/MPa，產量遞減率由措施前的40.22%降低至30.65%（圖10）。

圖10 威榮地區老井措施前后生產曲線圖

4 思考及展望

4.1 威榮、永川地區深層頁巖氣勘探開發啟示

4.1.1 堅定頁巖氣勘探開發的信心

威榮、永川地區頁巖氣的勘探開發實踐證實了四川盆地深層頁巖氣具有廣闊的前景。中國南方深層頁巖氣分布范圍廣泛，各項地質參數與淺層頁巖氣相當，具備頁巖氣形成富集的有利地質條件。四川盆地及周緣下志留統底界埋深小于3 500 m的頁巖氣面積為6.3×104km2，埋深大于3 500 m的頁巖氣面積為12.8×104km2，深層頁巖氣面積約為中—淺層頁巖氣的2倍[38]。研究結果顯示，我國3 500 m以深的頁巖氣資源量超過了3 500 m以淺的頁巖氣資源量，其中四川盆地3 500～4 500 m資源量為11.2×1012m3，主要分布在川東南、川南和川北地區[38-41]。威榮、永川地區深層頁巖氣的商業開發突破證實了四川盆地深層頁巖氣的勘探潛力，在未來相當長的一段時期，我們仍應堅持四川盆地頁巖氣勘探開發主體地位、龍馬溪組主體開發層系不動搖，積累經驗并逐步擴展到其他新區新層系。

4.1.2 堅持夯實基礎研究工作

不同地區和層系有不同的地質、工程特點，不能照抄照搬其他區龍馬溪組的現成做法。同為深層頁巖氣，沉積環境的差異導致了威榮地區甜點層段富鈣質，丁山地區富硅質，而永川地區則是黏土礦物含量相對較高；各地區所處構造位置的不同也造成了其地應力條件、裂縫發育程度、地層傾角等方面的差異。這些差異性決定了在地質評價、鉆井、壓裂和開發等各個環節都需要采取不同的方法和策略。

4.1.3 堅持創新關鍵技術

美國頁巖氣的發展歷程表明，只有通過加強顛覆性基礎理論和技術的研究，形成革命性的新技術才能實現了頁巖氣井產量跨越式增長。在威榮、永川地區頁巖氣田的建設過程中，形成了較為系統的適合深層頁巖氣特點的勘探開發理論，發展了甜點評價及預測、優快鉆井、高效體積壓裂、適應性的開發技術政策、集約化采輸技術等，有力支撐了深層頁巖氣的規模開發，亦為川南復雜構造區的頁巖氣勘探開發提供了借鑒作用。但深層頁巖氣開發主體技術和配套工藝形成是一個長期的過程，不能寄希望于畢其功于一役，需要持續投入、循序漸進地攻關。目前還應秉持多專業、多學科深度融合，堅持“一井一策、一段一案”的反向設計、正向施工理念，以提升單井產氣量為中心，采用單井實驗平臺推進的穩妥開發政策，不宜采取規模區塊建產的會戰模式。

4.2 深層頁巖氣面臨的挑戰及發展方向

盡管深層頁巖氣勘探開發方面取得了很大進展，實現了規模建產，但在效益開發上仍面臨著巨大的挑戰：①由于深度大，地震資料對微小斷層的刻畫精度不夠，水平井軌跡往往會鉆遇不同巖性層，這些變化經常會導致后期壓裂因巖性、小斷層（裂縫）造成套管變形。②深層頁巖層系作為構造滑脫層，應力活躍，易形成套變；深層難以形成網狀縫網，單一裂縫易造成井間壓竄，制約了壓裂改造效果，增大施工難度和作業成本，影響氣井產量。③鉆井方面，淺表層漏失、高壓裂縫氣水層的井控風險，為鉆井提速帶來了巨大挑戰。為了實現深層頁巖氣更大的規模產量及效益開發，需持續開展頁巖氣技術攻關，具體包括以下幾個方面。

4.2.1 甜點評價與預測技術

針對深層頁巖氣構造類型多、應力場復雜、作業成本居高不下的問題，亟須建立基于“地質—工程—經濟”一體化的甜點評價方法，完善甜點評價參數體系，明確產能主控因素，為優化部署評價提供指導。隨著埋深增大，深層頁巖氣可鉆性、可壓性變差，工程甜點有效識別及預測是甜點評價、水平井方位部署及壓裂施工的關鍵。川南地區深層頁巖氣普遍位于復雜構造區，地震信號弱、信噪比與分辨率低，深度預測精度較低，精細描述及甜點有效預測難度大，因此需集中精力開展技術攻關[42]。

4.2.2 “建模—壓?！獢的！币惑w化技術

威榮地區微小尺度裂縫較發育，導致套變、壓竄復雜工況頻發，嚴重影響產能建設效果。因而提高原始裂縫刻畫精度，對優化壓裂設計方案、提升改造效果至關重要。進一步攻關微小尺度裂縫預測方法，探索地質統計學或人工智能方法在裂縫預測中的應用，構建巖相、有機質、構造以及應力場與裂縫的關系，實現對天然裂縫的精細刻畫[43]。此外，深層頁巖氣井如何形成或者能否形成復雜縫網仍是目前亟需解決的關鍵問題，在傳統流固耦合研究的基礎上，還需考慮地應力、天然裂縫的影響，進一步完善人工裂縫擴展技術，明確不同工程地質條件下裂縫的穿層及延伸界限，精細刻畫壓后裂縫展布特征，從而開展針對性的壓裂改造，支撐深層頁巖氣的高效開發。同時，在氣藏精細刻畫的基礎上，持續深化精細數值模擬技術。從微觀—宏觀尺度實驗分析著手，豐富發展多場、多尺度、多重運移理論[44]，建立多尺度氣—液—固三相耦合數學模型，開發更具針對性的頁巖氣數值模擬軟件，提高數模研究精細程度，更好地支撐氣井產能預測和氣田開發技術政策的制定。

4.2.3 鉆井技術

針對深層頁巖氣鉆完井過程中面臨的難點問題，以實現安全高效低成本建井為目標，開展工程工藝技術攻關。新材料、新裝備、信息化技術與傳統鉆完井技術的深度融合是未來的發展趨勢，隨鉆技術、遠程控制和自動化操作將為極端環境下鉆井提供了越來越多的可能。在持續完善中深層頁巖氣低成本鉆完井技術的基礎上，針對深層/超深層頁巖氣由于埋深大帶來的高溫、高壓等工程難題，圍繞安全快速鉆完井目標，加快工程地質一體化攻關，引進或攻關鉆完井關鍵設備和鉆完井液體系，優化集成深層/超深層水平井鉆完井技術，實現深層頁巖氣綠色、高效開發。

4.2.4 壓裂技術

深層頁巖氣壓裂的核心矛盾主要表現為提產、降本和環保，應在以下幾個方面開展攻關研究：①開展深層/超深層頁巖氣壓裂基礎理論與技術攻關，如丁山、林灘場、永川北等4 000 m以深、構造復雜的深層頁巖氣，需開展高應力及高應力差下壓裂裂縫形成機制、深層常壓/高壓增產機理研究，進行高閉合壓力下長期高導流裂縫壓裂工藝攻關；②充分結合地質—鉆井—壓裂—經濟甜點的交集，在裂縫體積模擬的基礎上差異化壓裂設計，實現一區一策、一井一策、一段一案、一簇一案，實現地質—工程—經濟一體化壓裂設計，同時開展深層頁巖壓裂套變、壓竄機理及對策研究，提高改造的針對性，降低生產井壓竄傷害，確保氣井產量不受影響；③研發全可溶、可降解壓裂關鍵工具，目前橋塞和套管固井滑套等分段壓裂工具已實現國產化，能實現部分可溶，壓裂后仍需連續油管掃塞、通井，需研發壓裂后全可溶或全可降解的壓裂工具，不影響壓裂井排液及生產，可減少作業工序和降低成本；④攻關二氧化碳等少水無水壓裂工藝，減少大型體積壓裂對水資源的需求，降低環保壓力，提高常壓頁巖氣壓裂效果。

4.2.5 采輸技術

近幾年投入生產的深層頁巖氣井，存在入地液量大、低壓低產期長、氣井全生命周期內伴隨井底積液、排液效率低的問題，這些問題制約了單井EUR，因此，應突破傳統的單井采氣、單一措施、人工排采作業模式，發展平臺整體、多元復合、遠程智能的新一代智能排采技術，實現不同類型氣井積液預警、故障診斷、參數優化和智能管控，為頁巖氣長期低產穩產提供技術支撐。

5 結論

1）威榮、永川地區深層頁巖氣地質特征與中深層基本相似，但工程地質特征更復雜，具有地應力高、水平應力差高、塑性高、地層壓力高的“四高”特征，有效開發難度大。區內天然裂縫總體欠發育，以低角度縫為主，裂縫類型單一，地應力復雜，有效改造體積偏小，以致氣井初期產能低、遞減快、EUR低、返排液高。

2）通過威榮、永川地區深層頁巖氣勘探開發實踐，初步形成了深層頁巖氣甜點評價及預測關鍵技術、“地?！獕耗！獢的！币惑w化、優快鉆完井、體積壓裂、全生命周期“三精”生產管理技術、集約化排液采氣技術。

3）深層頁巖氣勘探開發面仍臨諸多挑戰，相關的工程工藝技術創新是一個長期的過程，需長期投入、循序漸進，從地質、鉆井工程、壓裂改造、氣藏開發等多方面進行攻關，唯有技術取得長足的進步，才能實現深層頁巖氣的效益開發。