摘要：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1500～1650m之间、压裂级数12～17级、加砂量1500～3 000t、油嘴尺寸8～9mm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。

关键词：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C02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

    Haynesville页岩气盆地位于美国东得克萨斯州与西路易斯安那州交界，是北美少数产能巨大的页岩气盆地之一。Haynesville页岩广泛分布于Louisiana州的Bienville、Bossier、Cadd0、De Sot0、Red River、Sabine等郡和Texas州的Harrison、Nacogdoches、Panola、San Augustine、Shelby等郡[4]。

    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一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1500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2550×108m3的Barnett页岩(14900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1500多口井中水平段长度范围在427.6～2220.8m，压裂级数3～20段，支撑剂用量460.7～3413.0t，油嘴尺寸3～25mm。

    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。

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1500m和1650m水平段长度完井。Louisiana州集中在1200～1500m，且以1500m为最多，两侧近似对称分布；Texas州集中在1350～1800m，以1650m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，1500m以上产能与水平段长度线性关系变差。虽然两州1000～1500m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(1650m)长于Louisiana州(1500m)，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。

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1500～2500t，Texas州则为1500～3000t。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9mm和8mm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6mm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 并底压力的影响

    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。

    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1100多口井的井底压力进行估算，看到井底压力在70MPa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76～83MPa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，8井2009年11月完井。求产时油嘴尺寸也相近：A井8mm，B井和C井9mm。首月产量接近：A井1774×104m3，B井1803×104m3，C井略高于前两者为2034×104m3。A井和8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。

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1500m和1650m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1500～2500t和1500～3000t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9mm和8mm两种油嘴尺寸。此外，Louisiana州有倾向于采用6mm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。

参考文献

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[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.

(本文作者：李庆辉1，2 陈勉1 Fred 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)