工程因素对页岩气可采储量的影响

张凤东，黄学斌，李 军，范凌霄

中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院

0 引言

页岩气工程因素与可采储量的大小密切相关，其中水平井钻井和分段压裂是页岩气有效开发的关键。中外学者对包括页岩气开发中储量的影响因素和计算方法进行了探讨。李勇明等［1］考虑压裂液返排期间气—水同流对产能的影响，对页岩储层压裂水平井气水两相产能进行了分析。李庆辉等［2］在对北美Haynesville页岩气藏生产数据进行统计和分析的基础上，分析工程因素对页岩气产量的影响。

郭昊等［3］在考虑储层非均质性的情况下，基于物质点法建立非均质储层改造效果评价模型。段永刚等［4］引入幂律指数递减分析方法，分析了递减指数对产量递减的影响。贾成业等［5］从地质和工程两个方面分析了长宁—威远和昭通页岩气水平井产量影响因素，对页岩气水平井产量影响因素进行了分析。石晓兵、王董东等［6-7］根据页岩气物理特性和地球化学特性提出了基于孔隙尺寸、通过生产指示曲线求取地质储量和可采储量的新方法。甘柏松［8］通过递减分析方法和数值模拟方法分析了页岩气单井产量和累计产量的影响因素。

结合涪陵页岩气井压裂实践，王志刚探讨了“复杂缝网+支撑主缝”为主体的水平井改造模式［9］；曾凌翔、陈更生等［10-11］则从水击效应、压力波动等多角度分析了压裂改造效果，提出地质与工程一体化、提高单井产能的4项关键技术。余雷、叶登胜等［12-13］对中国页岩气钻完井及压裂改造技术进行了总结。王金磊等［14-16］以北美页岩气为例，介绍了页岩气钻完井工程技术现状，并探讨了页岩气“井工厂”开发关键技术。

已有的研究从不同角度对页岩气开发中产能评价等进行了探索，但针对中国页岩气开发过程中工程因素及其对可采储量的影响研究较少。本文通过对涪陵页岩气井实际工程资料的分析， 探讨了水平井钻井和压裂施工等工程因素对页岩气可采储量的影响，为页岩气开发过程中掌控好主要工程因素、 借鉴相关经验提供参考依据。

1 工程因素与页岩气可采储量的相关性

页岩气可采储量的大小不仅与地质因素有关，还与钻井、压裂改造等工程因素密切相关，如水平段长度、压裂液量、压裂段数、支撑剂量、距断层距离、水平段钻井深度等，都是影响单井可采储量的工程因素。通过对涪陵234口页岩气井工程因素中各参数的统计分析，明确各因素与可采储量的相关关系，并确定影响可采储量的主要工程因素。

1. 1 水平段长的影响

统计分析表明，页岩气井钻井水平段长度与可采储量关系较密切（图1）。实际生产数据表明，同1 000 m水平段的生产井相比，1 500 m水平段长的井能够获得更高产能。在水平段长小于1 500 m时，随长度的增加采气面积增大，提高了单井控制的储量和动用程度，可采储量随水平段长的增加而增加；而当水平段长大于1 500 m时，施工难度增大，如井壁稳定、井简清洁等问题会更加突出；作业风险也随之增加，如脆性页岩垮塌等工程事故。而且钻水平段越长成本越高，而可采储量的增加并不明显。由此可见，射孔段长度在1 500 m附近时单井可采储量较高，小于1 500 m不利于产能的发挥，更长的井段对可采储量无明显贡献。

图1 水平段长与可采储量的关系

1. 2 压裂液量的影响

压裂液量与可采储量关系如图2所示。从图2中可知，可采储量随压裂液量的增加而增加，单井压裂液量为2.5×104～ 4.5×104m3时压裂效果最好，大于4.5×104m3压裂效果没有明显提高，低于该范围则改造强度不够，裂缝网络的生成不充分，不利于产能的发挥充分；高于该范围则储量没有明显增加，最优压裂液量在3.5×104m3左右。

图2 压裂液量与可采储量之间的关系

1. 3 压裂段数的影响

压裂段数与可采储量关系如图3所示。从图3可见，压裂段数越多可采储量越高。但实际生产表明，压裂段数在15 ～ 20段时压裂效果最好，低于15段时改造效果及供气范围有限，多于20段时单井可采储量没有显著增加。

图3 压裂段数与可采储量关系

1. 4 支撑剂量的影响

支撑剂量与可采储量关系如图4所示。支撑剂量和水平段长度、压裂段数和压裂液量直接相关。从图4可以看出，压裂时单井支撑剂范围通常为0.5×103～ 1.5×103m3，最佳值约为1 000 m3。表明支撑剂量并非越多越好，更多的加砂量无助于单井可采储量的提高。同时也表明在压裂规模一定的前提下，如果砂比过高并不一定能提高改造效果。

图4 支撑剂量与可采储量关系

1. 5 距断层距离的影响

从图5对单井距断层距离和可采储量的关系可以看出，生产井距断层的距离是影响涪陵页岩气单井储量的因素之一。涪陵页岩气区块受多期构造应力作用影响，早期发育有北东向的断层，后期发育有北西向断层，致使构造区断层非常发育。从图5中可见，距断层越近所受影响越大，单井控制的可采储量越小，可采储量随距断层距离的远离而大致呈增加的趋势。

图5 距断层距离可采储量关系

1. 6 钻井垂深的影响

多口井的统计数据表明，水平段钻井垂直深度与可采储量具有明显的负相关性（图6）。随着钻井水平段深度的增加，页岩塑性变形增强，页岩破裂、裂缝延伸难度加大，上覆应力、最小水平主应力增大，同时天然裂缝剪切破坏所需净压力也增加，埋深较深的井压裂效果将受到较大的影响，致使单井可采储量减少。

图6 水平段平均垂深与可采储量关系

2 可采储量预测模型

2. 1 工程因素相关性

通过对各工程参数的相关性计算，可得出工程参数与可采储量及相互间的相关系数，见表1。对相关因素进行独立性考察，与可采储量相关性最强的工程参数分别为水平段长、压裂段数、压裂液量、距断层距离、水平段垂深及支撑剂量等。其中有些参数相关度密切，如压裂液量与射孔段长、压裂段数等密切相关，和可采储量的相关关系也较为一致。结果可知，水平段长与压裂段数相关度为0.869，压裂段数与压裂液量相关度为0.948，压裂液量与水平段长相关度为0.824，表明水平段长即可代表页岩气的压裂液量，又反映出压裂段数的多少。

表1 工程参数相关系数

通过相关性分析，根据单因素评价待选因素与可采储量之间的相关性，以与可采储量相关度密切又相互间独立性较强为依据优选工程参数，从而筛选出水平段长、水平段垂深和距断层距离为表征工程因素影响的3个独立参数，作为进一步分析的参数因子。

2. 2 可采储量预测模型的建立

涪陵页岩气区为似箱状断背斜构造，主体平缓，边缘被大耳山西、石门、吊水岩等逆断层夹持，背斜形态整体向西南方向倾覆，西北部地层较陡、东南部被断层复杂化，主要发育北东向和北西向两组断层。在地质因素确定的情况下，工程因素是决定可采储量的关键。以涪陵页岩气主体区为例，对工程数据的相关性计算分析表明，水平段长、水平段垂深与距断层距离直接影响着储量的动用潜力，是决定该区可采储量的关键工程因素。

水平段长与压裂规模表现为较强的正相关性，代表着改造强度，水平段垂深和地层压力有较强的相关性，因此取水平段长、水平段垂深表征其他相关参数。距断层距离反映周围大断层对单井可采储量的影响程度。如图7所示，把水平段长、水平段垂深和距断层距离进行归一化，形成表征工程因素的综合参数因子，其结果能够较好地反映出单井可采储量规模，在一定的地质条件下决定着地质储量的采出程度。

在进行标准化处理以后，以选定的水平段长、水平段垂深和距断层距离作为工程参数，通过SPSS数据分析软件与可采储量进行相关性拟合，建立了试采阶段依据工程参数计算的单井可采储量预测模型：

式中：Q—单井可采储量，108m3；

x—综合工程参数因子；

l—射孔段长，km；

h—水平段垂深；km；

s—距断层距离，km。

图7 归一化可采储量与综合工程参数关系

在SPSS的输出结果中，从回归标准化残差的直方图可以直观地看出，标准化残差服从均值为0、标准差为1的正态分布，表明随机误差检验值遵从正态分布，回归模型满足正态性假设。正态概率图散点也基本围绕在第一象限对角线上散布，可判断残差基本服从正态分布。对可采储量的估算，随生产时间的延长和生产井动态数据的不断丰富，可采用生产动态法对可采储量的大小进一步修正。依据勘探开发不同阶段对资料的掌握程度，逐渐提高单井可采储量的计算精度。

3 结论

页岩气可采储量的大小是由包括地质因素、开发技术水平等各种因素综合影响的结果，而钻井和压裂等工程参数是其中极重要的影响因素。通过对工程参数与可采储量的关系分析，能够得出以下结论：

（1）总体看来，水平段长在约1 500 m表现与可采储量的相关性最好，更长对可采储量无明显贡献；单井压裂液量为2.5×104～ 4.5×104m3时压裂效果最好，低于或高于该范围改造效果降低或单控储量增加不明显。

（2）对同一构造区块，地质参数相差不大时，工程因素决定了单井可采储量的大小。在地质因素确定的情况下，工程因素是决定可采储量的关键。相关性分析表明，涪陵页岩气井水平段长、水平段垂深以及距断层的距离直接影响着单井可采储量的大小。水平段长、生产井距断层的距离与可采储量正相关，而水平段垂深与可采储量表现出明显的负相关性。支撑剂量和平均单段砂量与可采储量表现出一定的相关性。

（3）页岩气井可采储量受多种因素的影响，最终可采规模是由地质、工程、生产制度等各种因素综合作用的结果。各页岩气区具体条件的不同使各因素的影响程度也存在差异。因此，全面获取页岩气区的准确资料，对各页岩气区进行针对性研究，才能弄清决定该区页岩气单井可采储量的主控因素，进而对可采储量进行较为准确的估算。

（4）要充分发挥工程因素的重要作用。页岩气开发中工程因素具有重要的影响，钻井和压裂工程的优化设计、较精确的钻井井身轨迹控制，保证水平井段在最佳岩层中穿行，可以提高压裂改造效果，有利于产能的充分发挥和提高控制区储量的有效动用程度。