工程因素对页岩气产量的影响——以北美Haynesville页岩气藏为例

李庆辉 陈勉 Fred P.Wang 金衍 李志猛

1.中国石油大学（北京）石油工程学院 2.University of Texas at Austin

工程因素对页岩气产量的影响
——以北美Haynesville页岩气藏为例

李庆辉1，2陈勉1Fred P.Wang2金衍1李志猛1

1.中国石油大学（北京）石油工程学院 2.University of Texas at Austin

我国页岩气开发尚处于前期探索阶段，分析国外成功的开发案例具有重要的借鉴作用和参考价值。在对北美Haynesville页岩气藏生产数据进行统计和分析的基础上，总结了工程因素对该页岩气藏开发的影响规律。结论认为：页岩气井水平段长度、压裂级数、加砂量、油嘴尺寸、井底压力和是否采取重复压裂施工对累积产量有显著影响；水平段长度在1 500～1 650 m之间、压裂级数12～17级、加砂量1 500～3 000 t、油嘴尺寸8～9 mm为该地区常用且效果较好的设计方案；井底压力高的区域页岩气产量相应较高，这与井底超压改善页岩脆性、优化压裂效果有关；重复压裂能够显著提高页岩气总产量，作业时机的选择与增产效果关系密切。

页岩气 工程因素 生产能力 水平井 压裂（岩石） 规模 重复压裂 增产效果

北美已圈定页岩气和页岩油盆地超过70个。2010年美国页岩气产量约为1.27×1011m3，预计到2030年将增至2.83×1011m3。当前能源供需矛盾突出的情况下，页岩气的高效开发可有效缓解国家能源的对外依存情况，降低CO2排放。因此，页岩气的开采对我国乃至世界各国均具有重要意义［1－3］。

含气页岩的品位、供气能力和产能持久性将决定页岩气开发的成功与否。页岩的品质和供气能力主要由总有机碳含量、热成熟度、含气量、厚度、脆性、压力梯度和矿物组成决定。而产能的持久性除与储层特性有关，还同时受到水平钻井和分段压裂等关键工程因素的显著影响。由于页岩具有低孔、低渗的特征，生储共生的情况下，理论上的渗流理论和规律尚未建立起来。研究钻井和压裂工程因素对产能的影响，对于了解产气规律，优化钻完井设计具有重要意义。

笔者在前人研究的基础上，以北美Haynesville页岩为例，结合实际资料和测试成果，综合运用产能分析和模拟方法，分析水平钻井和压裂施工等关键因素对页岩气产能的影响，研究了该地区最新的钻井和压裂趋势，为我国页岩气开发过程中把握关键设计因素、借鉴相关经验提供了依据。

1 Haynesville页岩气藏勘探开发现状

晚侏罗世Haynesville页岩是一套在相对半封闭沉积环境下发育的高碳泥页岩，南西方向由碳酸盐岩台地包围，北东方向为大陆架构造。Haynesville页岩与下伏的Smackover、Buckner石灰岩、碳酸盐岩不整合接触，与下伏的硅（砂）质Bossier地层局部整合接触。构造形态上受石炭纪Sabine台地隆升和北路易斯安那—东得克萨斯州盐丘盆地形成的影响，该套页岩形成北东—南西向倾斜产状［5－6］。

古地理构造及环境影响着现今岩层的矿物组成。Haynesville页岩在盆地的北及北西方向为高黏土—硅质页岩，越往南西方向过渡碳酸盐矿物和总有机碳含量逐渐升高。气藏产层的孔隙度在8%～14%，束缚水饱和度和总有机碳含量相对较低，绝大多数游离气储存在非有机质骨架。页岩总体矿物组成中方解石和石英等脆性矿物含量14%～35%，天然裂缝及地层超压增强了页岩的脆性［1，6－7］。

自2007年发现到2011年10月为止，已钻页岩气井约1 500口，日产气约1.56×108m3，累积产气量已超过710×108m3。与开发历史30年（1981—2011年）、累积产能2 550×108m3的Barnett页岩（14 900口井）相比，Haynesville页岩气藏无疑是开发潜力极大的非常规能源。

由于缺乏共享数据，不同作业公司在该地区开发页岩气时采用的工艺技术有很大差距，已完钻的1 500多口井中水平段长度范围在427.6～2 220.8 m，压裂级数3～20段，支撑剂用量460.7～3 413.0 t，油嘴尺寸3～25 mm。

考虑到目前Haynesville页岩尚处于开发早期，绝大多数生产井未停止生产，因此，最终产量也无法确定。在分析上述工程因素对页岩气产能的影响时，采用初产产量、1年和2年累积产量进行研究。

从图1－a、b可以看到，初始产量和单井累积产量之间呈现大致的相关关系，初产越高，最终产量亦相应越高。从图1－c、d看，1年和2年累积产量与单井累积产量的相关关系非常明显，1年和2年累积产量越高，单井累积产量亦越高。因此，对于尚处生产期的页岩气井来说，采用初产产量、1年和2年累积产量作为指标，分析工程因素对产能的影响具有可行性和借鉴性。

RTB Bor是塞尔维亚国有铜业公司，曾经是该国的核心工业项目，控制MS、VK、NC、JM四个矿山和一个冶炼厂，是该国唯一的铜矿在产项目。

图1 Haynesville页岩气井生产数据的规律分析图

2 工程因素对产能的影响

2.1 水平段长度的影响

Haynesville页岩开发过程中大大地借鉴了邻近Barnett页岩气开发积累下的经验。水平钻井和多段压裂是其普遍采用的开发技术。

一般页岩气井的水平段越长采气面积越大，储量的控制和动用程度越高。但是水平井的设计长度并不是越长越好，水平段越长施工难度越大，脆性页岩垮塌和破裂等复杂问题越突出。同时，由于井筒压差的存在，水平段越长抽吸压力越大，总体页岩气产量反而降低。此外，从经济技术的角度考虑，水平段越长，钻井及开发耗费资金越多，成本越高。

统计Louisiana州和Texas州页岩气井水平段的长度发现，两个州分别倾向于选择1 500 m和1 650 m水平段长度完井。Louisiana州集中在1 200～1 500 m，且以1 500 m为最多，两侧近似对称分布；Texas州集中在1 350～1 800 m，以1 650 m为最多，两侧近似对称分布（图2－a）。

分析显示，两州页岩气井产能情况有差异，1 500 m以上产能与水平段长度线性关系变差。虽然两州1 000～1 500 m水平段长度井数均最多，初产产量、1年和2年累积产量最高的生产井也在此长度段范围内，该长度段内产量差异性亦非常明显，反映了页岩气钻井过程中水平段长度不是决定产能的唯一因素。Texas州平均水平段长度（1 650 m）长于Louisiana州（1 500 m），但是产量却低于后者。

2.2 压裂级数影响

两个州的页岩气井压裂级数集中在2～20级。Louisiana州倾向于12～14级压裂，Texas州倾向于15～17级压裂（图3－a）。从生产情况看，压裂级数越多，产能倾向于越高（图3－b、c、d）。Louisiana州的页岩气井产能情况优于Texas州，初产产量一般高于Texas州，但Texas的San Augustine郡页岩气产能趋势良好，此为例外，其2年累积产量仍落后于Louisiana州。

图2 水平段长度与产能数据的关系图

2.3 加砂量的影响

上述两州的加砂量情况上亦不相同。Louisiana州页岩气井加砂量多在1 500～2 500 t，Texas州则为1 500～3 000 t。总加砂量的差异主要和页岩气井的水平段长度、压裂级数和压裂规模有关。总体上看，加砂量越多产量不一定越好，加砂量与产量的线性关系最差（图4）。

2.4 油嘴尺寸的影响

油嘴尺寸方面，Louisiana和Texas州分别倾向于9 mm和8 mm油嘴求产（图5－a）。产能方面，油嘴尺寸选取越大，初产产量越高，相关关系明显（图5－b）。1年和2年累积产量与油嘴尺寸关系仍大致可见（图5－c、d）。新的趋势是：Louisiana州采用6 mm油嘴的案例逐渐增多，可能与经济环境、成本需求有关，具体原因有待分析。

2.5 井底压力的影响

井底压力方面，Louisiana州井底压力大致正态分布，Texas州井底压力则无明显趋势，这反映了两个地区页岩气品质上的差异（图6）。井底压力与产能的关系较为明显，初产产量与井底压力的线性相关性较好。井底压力对两州页岩气累积产量的影响情况大致相当，没有出现显著的分化现象。

图3 压裂级数与产能数据的关系图

图4 加砂量与产能数据的关系图

图5 油嘴尺寸与产能数据的关系图

图6 井底压力与产能数据的关系图（1 psi＝6.894 76 kPa）

进一步研究发现，较高的压力梯度增加了孔隙度、含气量（来自于孔隙度和页岩气密度增加）和含气页岩的表观脆性。大量数据显示，Haynesville页岩的内在脆性实际上比Barnett页岩更差，异常的压力作用在增加孔隙度和含气量的同时，降低了骨架有效应力，从而使得页岩储层容易压裂，且效果显著。通过对以Haynesville页岩层为目的层的1 100多口井的井底压力进行估算，看到井底压力在70 MPa的井位以南西—北东向为主，包括Red River、Sabine、Nacogdoches和San Augustine等几个郡县。结合产能统计可见，这几个郡县的产量均较高。其中，以Red River为代表，井底压力均值较高，介于76～83 MPa之间，页岩气井初产产量普遍较高，均值在42×104m3。这与井底超压改善页岩的脆性，从而激化压裂增产效果有关。

2.6 重复压裂时机的影响

重复压裂是有效提高页岩气井产能的增产方法，压裂时机的选择对最终产量的影响显著。选取A、B、C这3口页岩气井进行分析，3口井完井时间相近：A、C井2009年12月完井，B井2009年11月完井。求产时油嘴尺寸也相近：A井8 mm，B井和C井9 mm。首月产量接近：A井1 774×104m3，B井1 803×104m3，C井略高于前两者为2 034×104m3。A井和B井分别在投产后第7个月开展重复压裂，C井则在第12个月进行重复压裂（图7）。分析压裂结果可得以下结论：①重复压裂能够显著增加页岩气产量，重复压裂后，A、B、C这3口井月产量均有大幅度提升；②重复压裂时机的选择非常关键，从上述3口井的结果看，重复压裂时间越早，作业后单月产量和累积总产量越高。

图7 重复压裂与产能数据的关系图

3 认识与建议

1）影响页岩气开发的工程因素主要有水平井水平段长度、压裂级数、加砂量、油嘴尺寸、井底压力和是否采取重复压裂措施等。

2）水平段长度不是决定产能的唯一因素，也非越长越好。Louisiana和Texas州分别趋向于采用1 500 m和1 650 m水平段生产井开发页岩气。

3）一定水平段长度压裂级数越多产能倾向于越高。Louisiana和Texas州分别多采用12～14级和15～17级压裂。

4）加砂量多少与产能的关系较为复杂，受到水平段长度、压裂级数和压裂规模的影响。目前，Louisiana和Texas州分别多采用1 500～2 500 t和1 500～3 000 t两种加砂量。

5）油嘴尺寸与初产产量之间关系显著，与1年和2年累积产量也有一定相关关系。Louisiana和Texas州分别倾向于采用9 mm和8 mm两种油嘴尺寸。此外，Louisiana州有倾向于采用6 mm油嘴的趋势。

6）井底压力对产能的影响显著，超压范围与高产区域吻合良好。这与超压改善页岩脆性，优化压裂改造效果有关。

7）重复压裂能够显著提高压裂效果，最佳压裂时机的选择可以通过产能分析与预测进行判断。实例显示压裂越早效果越好，但具体何时最好，仍需进一步分析。

［1］WANG F P，REED R M.Pore networks and fluid flow in gas shales［C］∥paper 124253－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4－7 October 2009，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，2009.

［2］翟光明，何文渊，王世洪.中国页岩气实现产业化发展需重视的几个问题［J］.天然气工业，2012，32（2）：1－4.

［3］邱中建，邓松涛.中国非常规天然气的战略地位［J］.天然气工业，2012，32（1）：1－5.

［4］STONEBURNER R.The Haynesville Shale：a look back at the first year［R］.Dallas，Texas：8thGas Shales Summit，2009.

［5］POPE C，PETERS B，BENTON T，et al.Haynesville Shale－one operator′s approach to well completions in this evolving play［C］∥paper 125079－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4－7 October 2009，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，2009.

［6］HAMMES U，EASTWOOD R，HAMLIN H S.Influence of faces variations on exploration，production，and resource assessment in gas－shale plays：a geologic and petrophysical evaluation of the Haynesville Shale，East Texas，USA［R］.New Orleans，Louisiana：AAPG，2010.

［7］LOUCKS R G，REED R M，JARVIE D M.Morphology，genesis and distribution of nano scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett Shale［J］.Journal of Sedimentary Research，2009，79（12）：848－861.

Influences of engineering factors on shale gas productivity：A case study from the Haynesville shale gas reservoir in North America

Li Qinghui1，2，Chen Mian1，Fred P.Wang2，Jin Yan1，Li Zhimeng1
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum－Beijing，Beijing 100083，China；2.University of Texas at Austin，Austin，78758，Texas，USA）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.54－59，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Shale gas development in China is still in the exploration stage so we need to learn from good experiences and successful cases from abroad.Therefore，based on the statistical analysis of the production data of the Haynesville shale in North America，the influencing law of engineering factors on the development of such shale gas reservoir is summarized as follows.（1）All the factors like horizontal well length，number of fracture stages，proppant volume，choke size for production，bottomhole pressure，and whether to take re－fracture construction，exert significant influence on the accumulated productivity of a shale gas well.（2）In the recommended scheme designed and adopted in this area with good results，horizontal well lengths are 1500－1650 m，number of fracture stages are 12－17，proppant volumes 1500－3000 tons，and choke sizes 8－9 mm.（3）The shale gas well production is high at the area with high bottomhole pressure，which is related to overpressure improving gas shale＇s brittleness and sharpening fracturing effect.（4）The total production can be significantly increased by re－fracturing and the increase of production is highly associated with the operation timing.

shale gas，engineering factor，product capacity，horizontal well，fracture（rock），scale，re－fracturing

李庆辉等.工程因素对页岩气产量的影响——以北美Haynesville页岩气藏为例.天然气工业，2012，32（4）：54－59.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.013

国家自然科学基金“超低渗透页岩多井多裂缝同步压裂机理研究”（编号：51074171）。

李庆辉，1985年生，博士研究生；主要从事石油工程岩石力学及页岩气藏钻井、压裂技术研究工作。地址：（102249）北京市昌平区府学路中国石油大学（北京）研修大厦北楼812号。电话：13581633102。E－mail：liqinghui＠sina.cn

（修改回稿日期 2012－02－13 编辑 韩晓渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.013

Li Qinghui，born in 1985，is studying for a Ph.D degree and is mainly engaged in research of the rock mechanics of petroleum engineering and shale gas drilling ＆fracturing technology.

Add：Room 812，North Yanxiu Building，Fuxue Rd.，Changping District，Beijing 102249，P.R.China

Tel：＋86－13581633102 E－mail：liqinghui＠sina.cn