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(jīng)過10余年的探索和實(shí)踐，我國在頁巖氣地質(zhì)理論、勘探開發(fā)技術(shù)、生產(chǎn)能力等方面取得了長足進(jìn)步[1-2]，已在四川盆地及周緣建成了8個(gè)頁巖氣田，2021年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到了230×108m3。目前，3 500 m以淺的頁巖氣勘探開發(fā)已形成了地質(zhì)評價(jià)、開發(fā)技術(shù)、優(yōu)快鉆井、體積壓裂、井工廠化作業(yè)、高效清潔開采等技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了效益開發(fā)[3-4]。但是，資源量占比超過80%的深層頁巖氣效益開發(fā)仍面臨極大的挑戰(zhàn)[5-6]，因此，加快深層頁巖氣地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)，形成深層頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)對進(jìn)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(yīng)力的特點(diǎn)，可鉆性、可壓性是提產(chǎn)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(yuǎn)—榮縣）、永川地區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐中，強(qiáng)化地質(zhì)—工程一體化研究，明確了優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層分布，落實(shí)了開發(fā)有利區(qū)，建成了20×108m3/a產(chǎn)能規(guī)模，為我國建設(shè)深層頁巖氣田增強(qiáng)了信心。但是，深層頁巖氣普遍存在改造難度大、單井產(chǎn)能低、技術(shù)可采儲(chǔ)量低等問題。針對其高應(yīng)力差、高破裂壓力和高閉合應(yīng)力特征，優(yōu)化升級(jí)壓裂工藝技術(shù)，加大排量及改造規(guī)模，裂縫起裂和延伸得到改善，但是，由于地應(yīng)力場非對稱分布，加大改造規(guī)模導(dǎo)致套變、壓竄頻發(fā)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)建效果。氣井建產(chǎn)后單井產(chǎn)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(chǎn)成本，效益開發(fā)面臨極大挑戰(zhàn)。

筆者以四川盆地威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣開發(fā)建設(shè)成果為依托，歸納總結(jié)深層頁巖氣地質(zhì)評價(jià)、高效鉆完井、體積壓裂、高效采輸一體化等方面的技術(shù)成果與進(jìn)展，深入剖析深層頁巖氣開發(fā)面臨的主要問題與挑戰(zhàn)，以期為深層頁巖氣開發(fā)提供借鑒，助推我國深層頁巖氣實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。

1 威榮、永川地區(qū)地質(zhì)概況

威榮、永川地區(qū)位于四川盆地南部，該地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖埋深大于3 500 m（圖1-a）。威榮地區(qū)位于川西南低陡構(gòu)造帶的白馬鎮(zhèn)向斜內(nèi)，斷層不發(fā)育，構(gòu)造幅度小于300 m，地層傾角介于0.5°～4.0°，局部構(gòu)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(qū)位于川南低陡構(gòu)造帶，構(gòu)造特征明顯，分為北部向斜、中部背斜、南部向斜3個(gè)區(qū)域，埋深差異大（3 100～4 200 m），中部背斜斷層發(fā)育，南部次之，北部不發(fā)育。工區(qū)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(jì)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(jù)巖性、電性、含氣性以及筆石等特征，研究區(qū)目的層五峰組—龍一段自下而上可劃分為①—⑨號(hào)層（圖1-b、c）。其中，①—④號(hào)層為主要開發(fā)層系，厚度介于27～39 m，分布穩(wěn)定，具有中—高總有機(jī)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(fā)上，考慮到威榮、永川兩個(gè)地區(qū)縱向上沉積相帶、巖性、電性等特征略為不同，開發(fā)小層劃分方案存在一定差異，其中，威榮地區(qū)可劃分為11、12、2、31、32、33、4共 7個(gè)開發(fā)小層[9]；永川地區(qū)11、12、13、2、31、32、33、4、5、6、71、72共 12 個(gè)開發(fā)小層（圖 1-b、c）。

2 威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣主要特征

2.1 儲(chǔ)層特征

通過9個(gè)氣田36口典型井五峰組—龍馬溪組一段優(yōu)質(zhì)頁巖測井解釋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，相同沉積環(huán)境的TOC及礦物組分、含量基本一致，威榮、永川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖TOC、脆性礦物含量較川東南涪陵焦石壩地區(qū)低，反映出沉積環(huán)境的差異，與埋深無關(guān)[5]。威榮、永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段主要為鈣硅質(zhì)深水陸棚相沉積，優(yōu)質(zhì)頁巖TOC介于2.4%～3.2%（平均值為2.8%），同一沉積環(huán)境下的頁巖TOC差異不大；涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段為硅質(zhì)深水陸棚相沉積，優(yōu)質(zhì)頁巖TOC介于3.3%～3.8%（平均值3.5%），較鈣硅質(zhì)深水陸棚沉積環(huán)境高。頁巖脆性礦物含量亦有相似的變化規(guī)律，威榮、永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段優(yōu)質(zhì)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(qū)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(qū)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(qū)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(yōu)質(zhì)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]?？紫抖?、含氣量與相帶無關(guān)，但與成巖演化過程中深埋及保存條件關(guān)系密切。在相似地質(zhì)條件下，埋深越大保存條件往往越好，游離氣逸散受限，表現(xiàn)出壓力系數(shù)高、天然氣的壓縮比大、單位體積含氣量高的特點(diǎn)[10,11-14]（圖2）。

圖2 不同沉積環(huán)境下優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層參數(shù)與埋深關(guān)系圖

2.2 紋層、裂縫特征

紋層可從紋層組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造3個(gè)方面進(jìn)行描述。施振生等[16]根據(jù)粒徑大小將五峰組—龍馬溪組一段優(yōu)質(zhì)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(zhì)紋層（鈣質(zhì)含量大于50%、無機(jī)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(jié)合威榮、永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖脆性礦物含量和TOC，將威榮、永川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖紋層劃分為泥紋層（圖3-a～c）和粉砂質(zhì)紋層（圖3-d～f）兩大類。另外，根據(jù)紋層密度、紋層間距以及紋層組合關(guān)系可進(jìn)一步劃分為粗紋層（圖3-a、d）、細(xì)紋層（圖3-b、e）以及無紋層段（圖3-c、f）3種類型。威榮地區(qū)鈣質(zhì)含量高，其粉砂質(zhì)紋層占比高，巖心觀察可見滴鹽酸強(qiáng)烈起泡。紋層縱向上具有明顯的分段性，縱向上以①—③號(hào)層紋層最發(fā)育，④—⑥號(hào)層次之，⑦—⑨號(hào)層欠發(fā)育。目前，威榮、永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組僅有效動(dòng)用①—③號(hào)層，筆者重點(diǎn)對①—③號(hào)層進(jìn)行精細(xì)描述（圖4-a）。涪陵焦石壩地區(qū)紋層也主要在①—⑤號(hào)層發(fā)育，⑥—⑧號(hào)層較發(fā)育，呈下多上少不均勻分布特征，⑨號(hào)層欠發(fā)育，大量發(fā)育的紋層起到了連接有機(jī)孔和無機(jī)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(qū)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(yōu)質(zhì)頁巖泥紋層中可見順層發(fā)育的層理縫，常充填方解石、有機(jī)質(zhì)（圖3-a、d、e）。層理縫形成與頁巖缺乏膠結(jié)物質(zhì)有關(guān)，在成巖壓實(shí)過程中，層理面為脆性面，當(dāng)構(gòu)造隆升變淺導(dǎo)致上覆巖層壓力降低，頁巖內(nèi)部地層高壓使得巖石有效應(yīng)力降低，微裂縫常沿著頁巖層理面、應(yīng)力差異性界面或脆弱面發(fā)育，層理縫的形成是沉積、構(gòu)造和成巖作用共同作用的結(jié)果[17]。微觀上，裂縫產(chǎn)狀與形態(tài)不僅影響著頁巖滲流能力，還對頁巖氣賦存狀態(tài)起到一定的控制作用[11,18]。威榮地區(qū)構(gòu)造簡單，構(gòu)造成因縫不發(fā)育。巖心觀察到與構(gòu)造有關(guān)的天然裂縫主要發(fā)育在③—⑧號(hào)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(hào)層以發(fā)育層理縫為主，構(gòu)造成因縫總體欠發(fā)育（圖4-a）。據(jù)成像測井裂縫解釋及地震裂縫預(yù)測結(jié)果，威榮地區(qū)主要發(fā)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(shí)易引起壓竄現(xiàn)象；北東向裂縫易發(fā)生剪切滑移。威榮地區(qū)44口井53個(gè)套變點(diǎn)與裂縫有關(guān)的占比超過50.0%，其中又以北東向裂縫占比高。永川地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，與構(gòu)造變形有關(guān)的裂縫較發(fā)育。根據(jù)巖心觀察及成像測井解釋結(jié)果可知，永川地區(qū)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?yàn)橹?，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(dá)93.3%，對頁巖儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)較小，但后期水力壓裂時(shí)充填縫易重新裂開，有利于復(fù)雜縫網(wǎng)的形成[19]。涪陵焦石壩地區(qū)構(gòu)造縫發(fā)育，主要為刺穿型高角度縫、內(nèi)部高角度縫、低角度縫3類裂縫，縱向上主要發(fā)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(nèi)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(fā)育密度高達(dá)20 條/m[17,20]。

適度裂縫發(fā)育有利于提升頁巖滲流能力，改善氣井生產(chǎn)能力。從3個(gè)地區(qū)頁巖氣開發(fā)實(shí)踐來看，威榮地區(qū)層理縫對壓裂施工影響嚴(yán)重，壓裂過程中，層理縫易被激活，壓裂液易沿著層面擴(kuò)展溝通附近裂縫導(dǎo)致套變、壓竄現(xiàn)象，復(fù)雜縫網(wǎng)形成難度大，氣井產(chǎn)量偏低；永川南產(chǎn)建區(qū)為負(fù)向構(gòu)造，但是靠近新店子背斜，優(yōu)質(zhì)頁巖中除了發(fā)育大量層理縫，構(gòu)造縫也較發(fā)育，氣井測試產(chǎn)量雖然偏低，但返排率較威榮地區(qū)低、生產(chǎn)效果相對更優(yōu)，壓竄、套變等復(fù)雜工況相對少見；涪陵焦石壩地區(qū)不同類型裂縫發(fā)育，高角度縫、低角度縫、層理縫形成立體裂縫系統(tǒng)，從而大大提高頁巖氣聚集和滲流能力[17]。

2.3 工程地質(zhì)特征

頁巖氣孔隙喉道為納米級(jí)，壓裂關(guān)鍵是通過增大基質(zhì)與裂縫的接觸面積，減小基質(zhì)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(qū)深層頁巖儲(chǔ)層條件和工程地質(zhì)特征更復(fù)雜，具有以下難點(diǎn)：①主體區(qū)埋藏深（3 550～4 200 m）、力學(xué)脆性指數(shù)低（0.44）、水平兩向應(yīng)力差大（大于15 MPa），壓裂難以形成復(fù)雜縫，改造體積有限。②高應(yīng)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(dǎo)流能力難以保持（表1）。③應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。根據(jù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)指數(shù)（AΦ）和Anderson斷層理論進(jìn)行地層三向應(yīng)力大小關(guān)系定量刻畫[23]，將頁巖應(yīng)力狀態(tài)劃分為區(qū)域徑向拉伸態(tài)[AΦ＝0，垂向應(yīng)力（Sv）＞最大水平應(yīng)力（SH）≈最小水平應(yīng)力（Sh）]、拉張態(tài)（AΦ＝ 0.5，Sv＞SH＞Sh）、拉張走滑態(tài)（AΦ＝ 1.0，Sv≈SH＞Sh）、走滑態(tài)（AΦ＝ 1.5，SH＞Sv＞Sh）、走滑擠壓態(tài)（AΦ＝ 2.0，SH＞Sv≈Sh）、擠壓態(tài)（AΦ＝2.5，SH＞Sh＞Sv）、區(qū)域徑向擠壓態(tài)（AΦ＝3.0，SH≈Sh＞Sv）共7種類型。威榮地區(qū)AΦ介于0.5～1.5，應(yīng)力狀態(tài)為拉張走滑態(tài)、走滑態(tài)兩種（圖5）。受低角度縫以及層理縫發(fā)育的影響，這兩種應(yīng)力狀態(tài)改造施工時(shí)縱向縫高擴(kuò)展受限，以致壓裂液可能更易橫向擴(kuò)展，從而發(fā)生壓竄現(xiàn)象。壓竄后氣井復(fù)產(chǎn)難度大，強(qiáng)排液復(fù)產(chǎn)措施增加了返排液處理成本。

表1 威榮、永川與焦石壩地區(qū)地質(zhì)工程參數(shù)對比表

圖5 威榮地區(qū)頁巖儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)平面分布圖

3 威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)展

3.1 深層頁巖氣甜點(diǎn)評價(jià)及預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 甜點(diǎn)地質(zhì)評價(jià)方法

甜點(diǎn)的精細(xì)刻畫與評價(jià)是水平井靶窗優(yōu)選及工程工藝實(shí)施的重要依據(jù)[24-25]。針對深層頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，通過開展多尺度多視域儲(chǔ)層精細(xì)描述，明確深層頁巖氣儲(chǔ)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(chǔ)層特征進(jìn)行多尺度描述；其次，從巖心尺度對紋層特征進(jìn)行定性描述；最后，采用微納米CT、場發(fā)射氬離子拋光掃描電鏡對其微觀儲(chǔ)集空間進(jìn)行多視域定性表征，從而實(shí)現(xiàn)頁巖儲(chǔ)層多尺度、多視域精細(xì)刻畫。再基于儲(chǔ)層精細(xì)描述，建立了礦物組分“三端元”＋有機(jī)質(zhì)的頁巖巖石相分類方案，對儲(chǔ)層進(jìn)行分類，并建立了儲(chǔ)層地質(zhì)模型[24]。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選TOC、含氣量、有機(jī)孔占比、脆性礦物、黏土礦物等參數(shù)作為地質(zhì)甜點(diǎn)評價(jià)參數(shù)，并引入脆性指數(shù)、水平應(yīng)力差異系數(shù)作為工程甜點(diǎn)評價(jià)參數(shù)，建立深層頁巖氣儲(chǔ)層甜點(diǎn)評價(jià)指標(biāo)體系（詳見本文參考文獻(xiàn)[25]），并采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法將儲(chǔ)層劃分為A、B、C、D共4個(gè)等級(jí)，其中A級(jí)儲(chǔ)層為生物硅質(zhì)頁巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)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(jià)圖

3.1.2 甜點(diǎn)測井評價(jià)技術(shù)

針對川南地區(qū)深層頁巖氣儲(chǔ)層礦物組分、巖電關(guān)系復(fù)雜與孔隙度、含氣量及可壓性測井定量評價(jià)不準(zhǔn)確的難題，開展了烴源巖品質(zhì)、儲(chǔ)層品質(zhì)及工程品質(zhì)的測井評價(jià)技術(shù)攻關(guān)。基于黏土礦物骨架的頁巖孔隙度校正及評價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微裂縫、黏土礦物晶間孔、硅質(zhì)礦物粒間孔及有機(jī)質(zhì)孔4孔隙度定量評價(jià)，為頁巖儲(chǔ)集空間評價(jià)提供支撐；探索了頁巖游離氣、吸附氣測井評價(jià)新方法，實(shí)現(xiàn)原地條件下頁巖含氣量的定量評價(jià)；基于橫波建立解釋模型，計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)和定量評價(jià)可壓裂性[26]。綜上所述，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)約束下復(fù)雜礦物組分、孔隙度、含氣量及可壓裂性的定量評價(jià)，誤差小于8%，評價(jià)精度由85%提高到90%以上，有效支撐地質(zhì)—工程“雙甜點(diǎn)”優(yōu)選及壓裂方案設(shè)計(jì)。

3.1.3 甜點(diǎn)地震預(yù)測

深層頁巖氣儲(chǔ)層由于埋藏深，地震波場傳播復(fù)雜，對微幅構(gòu)造預(yù)測影響大，同時(shí)地層壓力、應(yīng)力、脆性、巖石力學(xué)等參數(shù)復(fù)雜多變，精準(zhǔn)預(yù)測困難[27]。針對上述問題，創(chuàng)建了基于趨勢匹配的深度域地震微幅校正技術(shù)和基于正演模擬及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的小尺度斷層檢測技術(shù)，消除了虛假微幅構(gòu)造，構(gòu)造解釋誤差小于0.5%，并可識(shí)別10 m左右的小尺度斷層，實(shí)現(xiàn)了甜點(diǎn)儲(chǔ)層精細(xì)構(gòu)造解釋。圍繞“兩高、一富”（高碳、高孔、富氣），研發(fā)基于各向異性AVAZ方法及多元回歸擬合的地震甜點(diǎn)參數(shù)預(yù)測技術(shù)，減少疊前反演多解性，提高彈性參數(shù)反演精度，經(jīng)實(shí)鉆井證實(shí)厚度預(yù)測誤差小于3 m，TOC、孔隙度、含氣量預(yù)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(yīng)力差，形成了基于生烴作用的地層壓力預(yù)測、綜合可壓性及含氣性的脆性指數(shù)預(yù)測、基于校正項(xiàng)約束的線性滑動(dòng)理論地應(yīng)力預(yù)測、基于巖石力學(xué)的破裂—坍塌壓力定量預(yù)測等4項(xiàng)工程甜點(diǎn)參數(shù)預(yù)測技術(shù)，建立了深層頁巖氣地震預(yù)測技術(shù)體系，預(yù)測精度超過85%。

3.2 “建?！獕耗！獢?shù)?！币惑w化技術(shù)

地質(zhì)工程一體化強(qiáng)調(diào)地學(xué)研究與現(xiàn)場作業(yè)的互動(dòng)，且尤為關(guān)注地應(yīng)力、斷縫等與套變、壓竄復(fù)雜工況密切相關(guān)的工程參數(shù)[29-30]。地質(zhì)建模中的天然裂縫建模、地應(yīng)力建模難度大，人工縫網(wǎng)表征及有效評估方法單一，不同尺度縫網(wǎng)的流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，給精細(xì)數(shù)值模擬帶來了極大的挑戰(zhàn)。通過以下步驟探索了建模數(shù)模一體化技術(shù)：①采用“水平段分層建立虛擬井?dāng)?shù)據(jù)庫”、基于“巖心觀察＋成像測井＋地震預(yù)測”的螞蟻體微裂縫預(yù)測、基于力學(xué)模擬器進(jìn)行原場應(yīng)力模擬、多尺度復(fù)雜縫網(wǎng)運(yùn)移定量表征等技術(shù)方法，解決了制約建?！獢?shù)模一體化的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)；②結(jié)合壓裂施工參數(shù)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測及動(dòng)態(tài)反演成果，建立了天然裂縫與人工壓裂裂縫的縫網(wǎng)耦合模型；③采用“單重介質(zhì)＋四區(qū)（最佳SRV區(qū)、次佳SRV區(qū)、欠佳SRV區(qū)以及未改造區(qū)）＋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(shù)值模擬模型。針對深層頁巖氣井產(chǎn)液量大、不同階段生產(chǎn)特征差異大，歷史擬合精度低的問題，創(chuàng)新提出了分階段多級(jí)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?！獕耗！獢?shù)模一體化技術(shù)（圖7）。

圖7 威榮地區(qū)建?！獢?shù)模一體化模型圖

3.3 優(yōu)快鉆完井技術(shù)

受埋深大的影響，威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣地質(zhì)條件相對于中深層更復(fù)雜、地層溫度和地層壓力更高，鉆井過程中面臨復(fù)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(tǒng)、裂縫氣層發(fā)育的特點(diǎn)，以“地質(zhì)—工程”一體化、“安全—快速”一體化為目標(biāo)開展了優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，滿足各開次壓力平衡約束條件；圍繞“鉆頭、工具、參數(shù)”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(qiáng)化鉆井參數(shù)，形成了以“單井精益鉆井和平臺(tái)批量鉆井”為核心的深層頁巖氣高效鉆完井技術(shù)。即：井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開；1臺(tái)6～10井布井模式和以“雙二維、二維＋小三維”為核心的平臺(tái)井軌道設(shè)計(jì)；升級(jí)鉆井關(guān)鍵設(shè)備、動(dòng)力鉆具和測量工具，強(qiáng)化鉆井參數(shù)[32]；以滑軌平移裝置為主的1機(jī)3～5井平臺(tái)批量鉆井技術(shù)；配套“清水替漿＋鉆桿/連油一體化通刮洗”為特點(diǎn)的高效井筒準(zhǔn)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(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)到97.7%，有效支撐了深層頁巖氣規(guī)模建產(chǎn)。

圖8 平臺(tái)井軌道和批量鉆井技術(shù)示意圖

3.4 體積壓裂技術(shù)

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(jīng)歷了探索（2019年以前）、提升（2019—2020年）、強(qiáng)化（2021年至今）3個(gè)階段，不斷完善深層頁巖氣體積壓裂技術(shù)。

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(biāo)，采用段內(nèi)少簇、變排量控近擴(kuò)遠(yuǎn)、段塞式膠液加砂、低加砂強(qiáng)度等措施；2019—2020年，以提高裂縫水平橫向覆蓋率和裂縫復(fù)雜性為目標(biāo)，采用段內(nèi)6簇為主、3級(jí)支撐、降阻水連續(xù)加砂、提高加砂強(qiáng)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(zhì)—工程一體化”為導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)“提高單井最終可采氣量（EUR）、降低成本”為目標(biāo)，開展裂縫多尺度強(qiáng)支撐壓裂技術(shù)研究[33-34]。結(jié)合區(qū)域可壓性、裂縫特征以及井網(wǎng)井距等因素，采用應(yīng)力干擾分析和有限元模擬，優(yōu)化威榮、永川地區(qū)壓裂簇間距（裂縫條數(shù)），裂縫橫向覆蓋率達(dá)到99.5%，有效改造體積1 754×104m3，較好地實(shí)現(xiàn)井區(qū)儲(chǔ)層全控制。通過壓裂技術(shù)不斷攻關(guān)，在加砂強(qiáng)度、用液強(qiáng)度、綜合砂比、最高砂比等參數(shù)上進(jìn)步明顯（表2），形成了以“裂縫空間優(yōu)化配置”為核心，以“裂縫強(qiáng)支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)及建造”為關(guān)鍵的深層頁巖氣“密切割、強(qiáng)加砂、暫堵轉(zhuǎn)向”主體壓裂技術(shù)。2018年以來，應(yīng)用該技術(shù)共實(shí)施75口水平井，提產(chǎn)效果明顯，目前平均加砂強(qiáng)度已達(dá)到2.01 m3/m、最高可達(dá)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(shù)可采儲(chǔ)量低、改造體積低、穩(wěn)產(chǎn)難度大等難題，加之套變、壓竄等復(fù)雜工況影響氣井產(chǎn)量，深層頁巖氣的效益開發(fā)依然任重道遠(yuǎn)。

表2 威榮地區(qū)頁巖氣井壓裂參數(shù)及平均單井無阻流量、EUR統(tǒng)計(jì)表

3.5 采氣技術(shù)

3.5.1 全生命周期“三精”生產(chǎn)管理技術(shù)

目前，國內(nèi)規(guī)模開發(fā)的頁巖氣田（如涪陵、威遠(yuǎn)、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(chǎn)和控壓生產(chǎn)兩種生產(chǎn)方式。威榮地區(qū)頁巖氣為國內(nèi)首個(gè)投入商業(yè)開發(fā)的深層頁巖氣田，尚無成熟的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可參考，為了對比不同生產(chǎn)方式氣井生產(chǎn)效果的差異性，開展了平臺(tái)井控壓和放壓生產(chǎn)的現(xiàn)場試驗(yàn)，控壓生產(chǎn)井初期配產(chǎn)6×104～8×104m3/d，放壓生產(chǎn)井初期配產(chǎn)12×104～20×104m3/d。生產(chǎn)結(jié)果表明，控壓生產(chǎn)井動(dòng)態(tài)指標(biāo)更優(yōu)、EUR更高。相較于放壓生產(chǎn)井，控壓生產(chǎn)氣井壓降速度平均降低了65.6%，穩(wěn)產(chǎn)期平均延長了2.5倍，單位井口壓降產(chǎn)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(chǎn)方式氣井動(dòng)態(tài)指標(biāo)對比表

圖9 不同生產(chǎn)方式氣井歸一化井口壓力與累計(jì)產(chǎn)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(chǎn)，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(chǎn)特征，提出了深層頁巖氣分段—分級(jí)的生產(chǎn)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(xì)排液，通過開展最佳悶井時(shí)間及合理排液制度論證，確定氣井最佳悶井時(shí)間為7～9 d，悶井后采用逐級(jí)放大油嘴排液，見氣后控制生產(chǎn)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(chǎn)降壓階段的精準(zhǔn)控產(chǎn)，為保障氣井產(chǎn)期穩(wěn)產(chǎn)及EUR最大化，需控制井口壓降速度小于0.06 MPa/d，基于運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)、流態(tài)診斷與識(shí)別和不同生產(chǎn)制度開發(fā)效果評價(jià)等室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，確定氣井合理的生產(chǎn)制度介于5×104～8×104m3/d，最佳下油管時(shí)機(jī)為井口壓力下降至20～25 MPa；③定壓降產(chǎn)階段的精心維護(hù)，通過開展排水采氣工藝介入時(shí)機(jī)及措施論證，建立井底積液預(yù)警機(jī)制，形成了“強(qiáng)排、泡排、氣舉”等7項(xiàng)專項(xiàng)處置措施，確保氣井連續(xù)生產(chǎn)。

表4 深層頁巖氣井全生命周期分段、分級(jí)生產(chǎn)管控措施統(tǒng)計(jì)表

3.5.2 集約化排液采氣技術(shù)

深層頁巖氣生產(chǎn)期間水量大、遞減快、低壓低產(chǎn)期長，如何長期穩(wěn)定排液面臨挑戰(zhàn)[35-37]。在叢式井大規(guī)模開發(fā)模式下，同一時(shí)間內(nèi)需要排液措施井較多，采取傳統(tǒng)的人工排采、單井作業(yè)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(fā)了模塊式多分支智能加注裝置，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)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(tái)高壓氣源井對低壓積液井進(jìn)行井間氣舉，提高了平臺(tái)復(fù)產(chǎn)、助排運(yùn)行效率；同時(shí)設(shè)計(jì)了不關(guān)井連續(xù)排液的分體式柱塞工具，與上述2種工藝相配合，實(shí)現(xiàn)了多元復(fù)合排液舉升。

通過上述技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了排液采氣由“單體式”向“集約化”轉(zhuǎn)變，形成了針對深層頁巖氣高返排、快遞減、平臺(tái)部署的排采穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)，提升了智能化管控水平，有利于氣田穩(wěn)定生產(chǎn)。經(jīng)過近百口井應(yīng)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(jì)增產(chǎn)天然氣量約850×104m3，單井日產(chǎn)液量穩(wěn)定在10～15 m3，油套壓差控制在3.5 MPa以內(nèi)，單位壓降產(chǎn)氣量由措施前的65.45×104m3/MPa增加至81.23×104m3/MPa，產(chǎn)量遞減率由措施前的40.22%降低至30.65%（圖10）。

圖10 威榮地區(qū)老井措施前后生產(chǎn)曲線圖

4 思考及展望

4.1 威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)啟示

4.1.1 堅(jiān)定頁巖氣勘探開發(fā)的信心

威榮、永川地區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)實(shí)踐證實(shí)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(xiàng)地質(zhì)參數(shù)與淺層頁巖氣相當(dāng)，具備頁巖氣形成富集的有利地質(zhì)條件。四川盆地及周緣下志留統(tǒng)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(jié)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(qū)[38-41]。威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣的商業(yè)開發(fā)突破證實(shí)了四川盆地深層頁巖氣的勘探潛力，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)期，我們?nèi)詰?yīng)堅(jiān)持四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)主體地位、龍馬溪組主體開發(fā)層系不動(dòng)搖，積累經(jīng)驗(yàn)并逐步擴(kuò)展到其他新區(qū)新層系。

4.1.2 堅(jiān)持夯實(shí)基礎(chǔ)研究工作

不同地區(qū)和層系有不同的地質(zhì)、工程特點(diǎn)，不能照抄照搬其他區(qū)龍馬溪組的現(xiàn)成做法。同為深層頁巖氣，沉積環(huán)境的差異導(dǎo)致了威榮地區(qū)甜點(diǎn)層段富鈣質(zhì)，丁山地區(qū)富硅質(zhì)，而永川地區(qū)則是黏土礦物含量相對較高；各地區(qū)所處構(gòu)造位置的不同也造成了其地應(yīng)力條件、裂縫發(fā)育程度、地層傾角等方面的差異。這些差異性決定了在地質(zhì)評價(jià)、鉆井、壓裂和開發(fā)等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要采取不同的方法和策略。

4.1.3 堅(jiān)持創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)

美國頁巖氣的發(fā)展歷程表明，只有通過加強(qiáng)顛覆性基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究，形成革命性的新技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)了頁巖氣井產(chǎn)量跨越式增長。在威榮、永川地區(qū)頁巖氣田的建設(shè)過程中，形成了較為系統(tǒng)的適合深層頁巖氣特點(diǎn)的勘探開發(fā)理論，發(fā)展了甜點(diǎn)評價(jià)及預(yù)測、優(yōu)快鉆井、高效體積壓裂、適應(yīng)性的開發(fā)技術(shù)政策、集約化采輸技術(shù)等，有力支撐了深層頁巖氣的規(guī)模開發(fā)，亦為川南復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)提供了借鑒作用。但深層頁巖氣開發(fā)主體技術(shù)和配套工藝形成是一個(gè)長期的過程，不能寄希望于畢其功于一役，需要持續(xù)投入、循序漸進(jìn)地攻關(guān)。目前還應(yīng)秉持多專業(yè)、多學(xué)科深度融合，堅(jiān)持“一井一策、一段一案”的反向設(shè)計(jì)、正向施工理念，以提升單井產(chǎn)氣量為中心，采用單井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)推進(jìn)的穩(wěn)妥開發(fā)政策，不宜采取規(guī)模區(qū)塊建產(chǎn)的會(huì)戰(zhàn)模式。

4.2 深層頁巖氣面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

盡管深層頁巖氣勘探開發(fā)方面取得了很大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模建產(chǎn)，但在效益開發(fā)上仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)：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(huì)鉆遇不同巖性層，這些變化經(jīng)常會(huì)導(dǎo)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(gòu)造滑脫層，應(yīng)力活躍，易形成套變；深層難以形成網(wǎng)狀縫網(wǎng)，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(yè)成本，影響氣井產(chǎn)量。③鉆井方面，淺表層漏失、高壓裂縫氣水層的井控風(fēng)險(xiǎn)，為鉆井提速帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣更大的規(guī)模產(chǎn)量及效益開發(fā)，需持續(xù)開展頁巖氣技術(shù)攻關(guān)，具體包括以下幾個(gè)方面。

4.2.1 甜點(diǎn)評價(jià)與預(yù)測技術(shù)

針對深層頁巖氣構(gòu)造類型多、應(yīng)力場復(fù)雜、作業(yè)成本居高不下的問題，亟須建立基于“地質(zhì)—工程—經(jīng)濟(jì)”一體化的甜點(diǎn)評價(jià)方法，完善甜點(diǎn)評價(jià)參數(shù)體系，明確產(chǎn)能主控因素，為優(yōu)化部署評價(jià)提供指導(dǎo)。隨著埋深增大，深層頁巖氣可鉆性、可壓性變差，工程甜點(diǎn)有效識(shí)別及預(yù)測是甜點(diǎn)評價(jià)、水平井方位部署及壓裂施工的關(guān)鍵。川南地區(qū)深層頁巖氣普遍位于復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，地震信號(hào)弱、信噪比與分辨率低，深度預(yù)測精度較低，精細(xì)描述及甜點(diǎn)有效預(yù)測難度大，因此需集中精力開展技術(shù)攻關(guān)[42]。

4.2.2 “建?！獕耗！獢?shù)?！币惑w化技術(shù)

威榮地區(qū)微小尺度裂縫較發(fā)育，導(dǎo)致套變、壓竄復(fù)雜工況頻發(fā)，嚴(yán)重影響產(chǎn)能建設(shè)效果。因而提高原始裂縫刻畫精度，對優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)方案、提升改造效果至關(guān)重要。進(jìn)一步攻關(guān)微小尺度裂縫預(yù)測方法，探索地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)或人工智能方法在裂縫預(yù)測中的應(yīng)用，構(gòu)建巖相、有機(jī)質(zhì)、構(gòu)造以及應(yīng)力場與裂縫的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對天然裂縫的精細(xì)刻畫[43]。此外，深層頁巖氣井如何形成或者能否形成復(fù)雜縫網(wǎng)仍是目前亟需解決的關(guān)鍵問題，在傳統(tǒng)流固耦合研究的基礎(chǔ)上，還需考慮地應(yīng)力、天然裂縫的影響，進(jìn)一步完善人工裂縫擴(kuò)展技術(shù)，明確不同工程地質(zhì)條件下裂縫的穿層及延伸界限，精細(xì)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(fā)。同時(shí)，在氣藏精細(xì)刻畫的基礎(chǔ)上，持續(xù)深化精細(xì)數(shù)值模擬技術(shù)。從微觀—宏觀尺度實(shí)驗(yàn)分析著手，豐富發(fā)展多場、多尺度、多重運(yùn)移理論[44]，建立多尺度氣—液—固三相耦合數(shù)學(xué)模型，開發(fā)更具針對性的頁巖氣數(shù)值模擬軟件，提高數(shù)模研究精細(xì)程度，更好地支撐氣井產(chǎn)能預(yù)測和氣田開發(fā)技術(shù)政策的制定。

4.2.3 鉆井技術(shù)

針對深層頁巖氣鉆完井過程中面臨的難點(diǎn)問題，以實(shí)現(xiàn)安全高效低成本建井為目標(biāo)，開展工程工藝技術(shù)攻關(guān)。新材料、新裝備、信息化技術(shù)與傳統(tǒng)鉆完井技術(shù)的深度融合是未來的發(fā)展趨勢，隨鉆技術(shù)、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化操作將為極端環(huán)境下鉆井提供了越來越多的可能。在持續(xù)完善中深層頁巖氣低成本鉆完井技術(shù)的基礎(chǔ)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(biāo)，加快工程地質(zhì)一體化攻關(guān)，引進(jìn)或攻關(guān)鉆完井關(guān)鍵設(shè)備和鉆完井液體系，優(yōu)化集成深層/超深層水平井鉆完井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣綠色、高效開發(fā)。

4.2.4 壓裂技術(shù)

深層頁巖氣壓裂的核心矛盾主要表現(xiàn)為提產(chǎn)、降本和環(huán)保，應(yīng)在以下幾個(gè)方面開展攻關(guān)研究：①開展深層/超深層頁巖氣壓裂基礎(chǔ)理論與技術(shù)攻關(guān)，如丁山、林灘場、永川北等4 000 m以深、構(gòu)造復(fù)雜的深層頁巖氣，需開展高應(yīng)力及高應(yīng)力差下壓裂裂縫形成機(jī)制、深層常壓/高壓增產(chǎn)機(jī)理研究，進(jìn)行高閉合壓力下長期高導(dǎo)流裂縫壓裂工藝攻關(guān)；②充分結(jié)合地質(zhì)—鉆井—壓裂—經(jīng)濟(jì)甜點(diǎn)的交集，在裂縫體積模擬的基礎(chǔ)上差異化壓裂設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一區(qū)一策、一井一策、一段一案、一簇一案，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)—工程—經(jīng)濟(jì)一體化壓裂設(shè)計(jì)，同時(shí)開展深層頁巖壓裂套變、壓竄機(jī)理及對策研究，提高改造的針對性，降低生產(chǎn)井壓竄傷害，確保氣井產(chǎn)量不受影響；③研發(fā)全可溶、可降解壓裂關(guān)鍵工具，目前橋塞和套管固井滑套等分段壓裂工具已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，能實(shí)現(xiàn)部分可溶，壓裂后仍需連續(xù)油管掃塞、通井，需研發(fā)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(chǎn)，可減少作業(yè)工序和降低成本；④攻關(guān)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(huán)保壓力，提高常壓頁巖氣壓裂效果。

4.2.5 采輸技術(shù)

近幾年投入生產(chǎn)的深層頁巖氣井，存在入地液量大、低壓低產(chǎn)期長、氣井全生命周期內(nèi)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(yīng)突破傳統(tǒng)的單井采氣、單一措施、人工排采作業(yè)模式，發(fā)展平臺(tái)整體、多元復(fù)合、遠(yuǎn)程智能的新一代智能排采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同類型氣井積液預(yù)警、故障診斷、參數(shù)優(yōu)化和智能管控，為頁巖氣長期低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

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

2）通過威榮、永川地區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐，初步形成了深層頁巖氣甜點(diǎn)評價(jià)及預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)、“地?！獕耗！獢?shù)?！币惑w化、優(yōu)快鉆完井、體積壓裂、全生命周期“三精”生產(chǎn)管理技術(shù)、集約化排液采氣技術(shù)。

3）深層頁巖氣勘探開發(fā)面仍臨諸多挑戰(zhàn)，相關(guān)的工程工藝技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)長期的過程，需長期投入、循序漸進(jìn)，從地質(zhì)、鉆井工程、壓裂改造、氣藏開發(fā)等多方面進(jìn)行攻關(guān)，唯有技術(shù)取得長足的進(jìn)步，才能實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣的效益開發(fā)。