多层系致密砂岩气藏水平井开发适应性评价

刘姣姣，王德龙，刘倩，汤敬

（中国石油 长庆油田分公司a.勘探开发研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；c.气田开发事业部，西安 710018）

神木气田发育多套含气层系，储集层致密，优势层不突出，砂体叠置关系复杂[1-2]。增大水平井与储集层接触面积，是致密气藏提高单井产量、实现气田高效开发的有效手段。但与国外致密气藏稳定分布的储集层相比[3-4]，神木气田有效储集层规模小，连通性差，且纵向多层分散，仅部分区域存在优势储集层。若开发地质目标选择不当，会造成水平井储量动用程度低、经济效益差等问题，具有一定的开发风险[5-6]。

前人对该气田水平井开发适应性方面的研究较少，缺乏针对强非均质性、复杂多层叠置致密气藏的水平井开发储集层界限的系统性研究[7-10]。本文基于神木气田砂体发育规模、有效储集层空间构型等研究，引入剖面储量集中度，划分有效储集层空间叠置类型。利用数值模拟，评价不同类型储集层的水平井开发效果，确定神木气田多层致密气藏水平井开发的最佳储集层条件，评价水平井开发在气田中的适应性。

1 储集层地质特征

神木气田位于陕西省榆林市神木县境内，与榆林、大牛地、子洲、米脂等气田相邻，构造上属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部（图1），地处盆地东部生烃中心，发育大面积三角洲沉积砂体，区域封盖条件良好，有利于大型岩性气藏的形成[11-12]。

神木地区石炭系—二叠系主要发育一套海陆交互相的含煤地层，自下而上依次发育上石炭统本溪组，下二叠统太原组、山西组，中二叠统石盒子组及上二叠统石千峰组。根据气井钻遇情况，主力气层位于太原组、山西组山一段及山二段，平均气层钻遇率均大于70%，单气层厚度为6.0～10.0 m。储集层平均孔隙度为6.2%～7.6%，平均渗透率为0.41～0.64 mD，整体属于多层系致密砂岩气藏。

1.1 储集层发育规模

利用野外露头测量对比法和密井网地质精细解剖法，定量评价有效砂体的厚度、宽度、长度等参数，明确储集层有效砂体发育规模。神木气田山西组山一段单砂体厚度为0.5～4.5 m，平均为2.5 m；宽度为200～600 m，平均为400 m；长度为400～1 200 m，平均为600 m。山二段单砂体厚度为0.8～6.5 m，平均为3.5 m；宽度为400～1 000 m，平均为600 m；长度为600～1 600 m，平均为800 m；太原组单砂体厚度为0.6～5.0 m，平均为2.8 m；宽度为400～1 000 m，平均为450 m；长度为500～1 400 m，平均为600 m。

山一段单砂体规模小，山二段单砂体规模大，太原组介于两者之间（图2）。神木气田各岩组段单砂体规模有限，但多期单砂体复合叠置，可形成相对较大规模的复合砂体（表1）。受沉积相、古地貌、河道纵向下切与横向侧积作用的影响，多期河道砂体叠置，在太原组和山二段局部发育侧向叠置及垂向叠加式复合砂体[13-14]，沿河道延伸方向，砂体厚度大，分布稳定且连续性好，具备采用水平井开发的地质条件。

表1 神木气田有效砂体规模解剖参数Table 1.Parameters of effective sand bodies in Shenmu gas field

1.2 有效储集层空间叠置特征

通过精细解剖研究区砂体可知，神木气田多层系气藏有效储集层空间叠置类型可分为主力层突出型、多层多边叠合型和多薄层分散型[15-16]。

为研究多层系气藏水平井井位部署的定量筛选标准，根据层间储量分布，引入剖面储量集中度，即单层地质储量与储集层总储量比值。运用剖面储量集中度定量表征气藏纵向单层储量分布，挖掘相对优势层。

在解剖有效储集层空间叠置结构及计算剖面储量集中度基础上，将多层系气藏划分为单层式、双层式和多层式3 种类型。多层式一般气层较薄且层数多（3 层及以上），该类型发育广泛，各层储量集中度较均一，无明显主产层；双层式有2 个主力气层，主要发育在气田东部，2 个主产层储量集中度之和大于85%，且分别大于35%；单层式有1 个主产层，在气田局部发育，主力层的储量集中度大于75%。

2 水平井可行性界限确定

利用数值模拟，建立不同有效储集层空间叠置类型的气藏模型，评价水平井在不同气藏模式下的增产效果。神木气田水平井的单井综合投资是直井的2.80倍，因此，当水平井增产倍比即气井废弃时，水平井最终累计产气量与直井最终累计产气量的比值，超过2.80 时，水平井开发效果优于直井，选择水平井开发。以水平井增产倍比作为经济效益评价依据[17]，开展多层系致密气藏水平井开发的可行性储集层界限研究，为神木气田开发提供依据。

2.1 数值模型建立

根据气田水平井平均综合投资和天然气价格，推算水平井内部收益率达8%时的气井累计产气量，确定水平段合理长度[18-19]。目前，神木气田主产层厚度为6.0～9.0 m，评价水平井水平段合理长度为1 200～1 800 m，平均为1 500 m，段间距为200 m 左右（图3），以此为依据，建立1口水平井控制范围的数值模型。

根据神木气田有效储集层空间叠置类型和物性参数，建立不同叠置模式下的气藏数值模型（图4）。其中，依据模型面积为1.44 km2，宽度为600 m，长度为2 400 m，总有效厚度为15.0 m，平面网格尺寸为50 m×50 m，垂向设置3 层砂体，不同砂体叠置模型下各小层有效厚度不同（表2）。

表2 不同砂体叠置模式下的气藏数值模型参数Table 2.Parameters of numerical models under different stacking patterns

分别设置3 口直井或1 口水平井，直井全层段压裂，日产量为1.5×104m3；水平井分7段压裂，日产量为4.5×104m3，预测不同砂体叠置模式下直井和水平井的开发指标。

2.2 储量集中度界限

在不同有效储集层叠置模型及开发方式下，因射孔层位及控制范围不同，储集层压力分布及储量动用程度存在差异，水平井开发效果不同。在不同有效储集层空间叠置模式下，对比直井与水平井在开发15年末期的压力分布、采出程度（图5、图6）。

分析水平井在不同类型气藏的开发效果可知：多层式气藏中，水平井控制储量有限，造成其他层储量遗留，采出程度低，仅为24.3%，增产倍比为2.22，低于气田水平井经济效益界限（2.80），水平井开发不适用；双层式气藏中，当优势层储量占比为45%，另2 层储量占比为40%和15%时，增产倍比为2.81，此时水平井与直井开发效果相当，说明采用水平井开发该类储集层具备可行性；单层式气藏中，水平井基本控制优势层储量，增产倍比为3.75，开发效果优于直井。

综上所述，局部单层式储集层叠置类型发育区域，水平井开发效果好；双层式叠置类型发育区域，可采用直井与水平井混合井网或双分支水平井开发，提高气藏采出程度。

2.3 储集层物性界限

多层致密气藏储集层非均质性强，水平井产量与层间物性差异密切相关。从水平井增产效果来说，水平井在单层式及双层式气藏中均可有效开发，因此需进一步开展单层式及双层式气藏层间物性差异对水平井开发效果的影响分析[20-21]，以确定适合水平井开发的最佳储集层叠置类型。

根据神木气田优势层与次产层渗透率差异范围，分析主产层与次产层渗透率差异对水平井和直井开发效果的影响（图7）。

气井最终累计产气量与渗透率级差呈半对数关系，单层式及双层式气藏，随着主产层与次产层渗透率级差增大，水平井与直井累计产气量增大，但增幅逐渐减小（图7）。

主产层与次产层渗透率差异对水平井增产倍比的影响表明，渗透率级差增大，水平井增产倍比先急剧增大后减小（图8）。因水平井接触储集层面积大，当主产层渗流能力变强时，水平井开发效果较直井提升明显；而随着主产层与次产层渗透率比值进一步增大，主产层对直井产量贡献增大，且主产层规模有限，水平井产量增长幅度较小，因此，水平井增产倍比反而减小。单层式气藏的水平井增产倍比均大于经济界限值2.80，即水平井开发单层式气藏优势明显（图8a）。双层式气藏存在储集层渗透率差异界限，当主产层与次产层渗透率比值为0.8～3.9 时，水平井增产倍比大于经济效益界限值2.80，开发效果好（图8b）。

综上所述，根据储集层地质特征、储量集中度、物性参数等，建立神木气田水平井开发储集层界限。分析认为：水平井主力开发层段储量集中度应不低于75%，连续有效厚度应大于6.0 m，砂体有效延伸长度应大于1 500 m，主产层与次产层渗透率比值应为0.8～3.9，以保证水平井较好的开发效益。

3 实例应用

依据神木气田水平井开发储集层界限标准，优选出气田水平井开发有利区。神木气田太原组和山二段局部砂体厚度大，连续性较好，但整体规模较小，呈小面积零星分布，水平井不适合大面积整体部署，适用于局部单层优势区集中部署。

以S1-1 井组为例，该井组所处区域山二段和太原组储集层连续砂体发育，平均有效厚度为7.5 m，储量集中度占比为76%，渗透率为0.62 mD，各项指标符合水平井开发标准，结合砂体展布形态，部署3 口水平井。

对比S1-1 井组气井生产指标可知，水平井平均日产量为3.4×104m3，预测最终累计产气量为6 881×104m3，为直井的3.4 倍，各项指标均为邻近直井的3.0倍以上。因此，在地质条件允许的前提下，局部部署水平井，有助于提高多层致密砂岩气藏的开发效果。

4 结论

（1）神木气田山二段和太原组单砂体规模有限，但多期砂体复合叠置，有效砂体展布面积为0.6～3.0 km2，具备采用水平井开发的地质条件。

（2）多层致密砂岩气藏分为多层式、单层式和双层式3 种类型。不同类型气藏，水平井开发适用性存在差异，单层式气藏水平井开发效果好，双层式气藏水平井开发可行，但存在储集层物性界限。

（3）多层系致密砂岩气藏水平井开发最佳储集层条件为：主力开发层段储量集中度大于75%，连续有效厚度大于6.0 m，有效延伸长度为1 600～3 200 m，优势层与次产层渗透率比值为0.8～3.9。神木气田总体不适合水平井大面积整体部署，适用于局部单层优势区集中部署。