致密砂岩储层水平井开发地质下限研究——以鄂尔多斯盆地L区块盒8储层为例

倪 军，党海龙，庞振宇

(陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，陕西 西安 710075)

引 言

鄂尔多斯盆地L区块盒8储层属于致密砂岩气储层，具有丰度低、孔隙度低、渗透率低、单井产量低等特点，气藏开发难度大，开发投资成本高，需要在一定技术措施下才可获得工业天然气产量。近年来，水平井、分层分段压裂等特殊技术的应用成为研究区致密砂岩气藏开发的有效技术手段[1-2]。然而，研究区水平井开发仍处于试验阶段，水平井产能差异较大，为了摸清影响产能差异的因素，针对大规模应用水平井开发中存在的问题，急需论证适合水平井开发的地质条件，明确鄂尔多斯盆地L区块盒8储层水平井开发的地质下限[3]，寻找适合水平井高效开发有利区。

目前国外水平井钻井技术，最大位移可以达到10 000 m以上，水平段长度可以达到6 000 m以上，井身轨迹控制技术已经可以确保钻头在1 m左右的薄气层中稳定钻进，大大提高了水平井有效储层钻遇率[4-6]。国内随着钻井技术的进步、先进测量仪器的投入使用，特别是随钻地质导向技术的应用，我国水平井开发对象已经从厚储层逐渐推广到薄层、薄互层等致密砂岩储层[7]，然而现有经济条件下,对致密砂岩气藏水平井开发地质下限的研究不够深入。

目前国内一般从气藏类型、气藏深度、气层有效厚度、气层各向异性指数、气层厚度与气层各向异性系数的乘积、气层渗透率、单井可采储量7个方面分析水平井开发的地质适应性[8-9]。本次研究着眼于地质因素，采用经济极限产量法，利用水平井单井投资成本、气井产气量等参数，对鄂尔多斯盆地L区块水平井进行经济评价，探讨适合水平井有效开发的储层厚度、物性、含气性和电性下限[10-11]，为研究区致密砂岩气藏水平井高效开发提供一定理论依据。

1 水平井经济评价方法

1.1 经济极限储量

经济极限储量是指在一定技术经济条件下，在盈亏边界值内从地下采出的有经济价值的天然气累计产量[12-13]。经济极限储量的算法较多，主要有现金流量法、经济极限法等。本文应用经济极限法获得单井天然气经济极限产量，进而通过经济极限产量与气田采收率比值计算得到单井最小控制地质储量

(1)

(2)

单井最小储量丰度

(3)

式中：R为采收率，%；QEL为单井经济极限产量，m3；Gmin为单井最小控制地质储量，m3；GP为最小累计采气量，104m3；C为总成本，元；P为产品单价，元/m3；η为产量的商品率，0.98；T为单位产品综合税率，0.2；GA为单井最小储量丰度，m3/km2；A为单井控制面积，km2。

随天然气价格的升高，相同投资成本条件下经济储量逐渐降低，定价条件下随着成本的增加，经济储量随之增大。例如当气价P为1.1元/m3、单井总投资C为2 150万元，单井经济极限产量QEL为2 493×104m3，经济极限储量Gmin为0.5×108m3，其最小储量丰度GA为0.45×108m3/km2(表1)。

表1 不同气价时经济极限产量及储量Tab.1 Economic limit output and reserves at different gas prices

1.2 经济极限日产量

考虑研究区气田的实际情况，气田的评价寿命期选取13 a，稳产时间为10 a，每年生产天数330 d，其他参数同1.1节，则经济极限日产量为0.76×104m3，表1给出不同气价下的单井经济极限日产量。根据试气及生产动态资料，目前研究区气井3 a平均日产气0.91×104m3，平均能达到经济界限产量，能取得相应经济效益。

1.3 水平井开发有效厚度下限

对于单一的水平井，将水平井单井控制面积看作气藏含气面积，经济极限储量(最小单井控制储量)等同于原始天然气储量G，即

Gmin=G=0.01AhφSgi/Bgi。

(4)

式中：G为气藏的原始地质储量，108m3；A为含气面积，km2；φ为平均有效孔隙度；h为有效储层厚度，m；Sgi为原始含气饱和度；Bgi为天然气体积系数。

研究区气藏平均有效孔隙度为6.67%，平均原始含气饱和度为61%，带入式(1)、(2)和式(4)计算出在单井总投资为2 150万元时，不同气价条件下的储层有效厚度(图1)。可见：随天然气销售价格上升，所需气层厚度相应减小。当气价为1.1 元/m3时，储层有效厚度为4.05 m，因此，确定适合研究区水平井开发的气层最小厚度应大于4 m。

图1 水平井有效厚度随气价变化趋势图(单井投资2 150万元)Fig.1 Variation trend of effective reservoir thickness of horizontal well with gas price

1.4 水平井水平段有效长度

在确定水平井经济极限渗透率之前首先要确定水平井水平段的有效长度。由于水平井水平段内存在摩擦损失，气沿水平井筒流动产生一个压降，当水平段内压降和气内压降相当时，水平段末端压降很小或者为零，那么水平段末端出现不产气的井段，因而水平段内摩擦损失减少了产能，从经济上浪费了这一部分不产气水平段的钻井和完井费用。在注采井网中，随着水平井无因次长度的增加，水平井无因次产量增加，当无因次长度增加到一定值之后，进一步增加水平井的长度，无因次产量增加幅度不大。通过统计研究区完钻的17口水平井的有效长度、产量与无阻流量的关系，发现完钻水平井水平段长度主要分布在800～1 200 m，钻遇有效砂体的长度主要分布在600～1 000 m，因此确定水平井有效长度为600～1 000 m。

2 水平井开发储层物性下限

2.1 经济极限渗透率

目前国内外已经有很多学者对水平井产能计算方法进行了系统研究，同时形成了各自的水平井产能计算公式。根据研究区气田开发的经验，采用陈元千公式

(5)

式中：pe为地层压力，MPa；rw为水平井井底半径，m；pwf为井底流动压力，MPa；psc为0.101 MPa；T为376.8 K；Tsc为地面标准温度，K；μ为0.027 mPa·s；h为气层厚度，m；Z为0.97；reh为拟圆形驱动半径，m；Kh为垂直渗透率比；Qgh为经济极限日产量，m3；L为水平段有效井段长度 。

在目前气价为1.1 元/m3的经济约束下，在水平井有效长度最长为1 000 m、最小储层厚度为4 m时，计算求得储层经济极限渗透率为0.28×10-3μm2。图2为不同储层有效厚度下的经济极限渗透率与储量丰度之间的关系曲线。

图2 水平段长度为1 000 m时不同储层有效厚度下经济极限渗透率Fig.2 Economic limit permeability under different effective reservoir thickness and horizontal segment length of 1 000 m

2.2 经济极限孔隙度

根据研究区密闭取心资料统计(图3)，孔隙度和渗透率的关系为

K=0.004 4φ1.827 2，R2=0.567。

(6)

将经济极限渗透率0.28×10-3μm2代入式(6)，可以计算求得经济极限孔隙度为8.85%。

图3 研究区密闭取心孔隙度与渗透率相关关系Fig.3 Relationship between porosity and permeability from closed coring data in study area

3 水平井开发含气饱和度下限

3.1 储量法计算结果

对于研究区目的层气藏，认为孔隙空间赋存的流体为束缚水、可动水和天然气分子，含气饱和度Sg是天然气所占的孔隙空间百分比[14-15]。在目前经济水平下，在确定了水平段长度和储层厚度下限后，基于储量计算公式，确定经济极限渗透率和含气饱和度关系

(7)

式中：Gmin为单井最小控制地质储量；Bgi为天然气体积系数；A为单井控制面积，km2；h为储层厚度，m；K为经济极限渗透率。

通过式(5)和式(7)可以得到不同储层厚度和水平段长度下的经济极限含气饱和度(图4)。在同一水平段长度下，储层有效厚度越大，所需含气饱和度越低，在最小的厚度4 m和最长的水平段长度1 000 m下，得到的含气饱和度下限值为53.4%。

3.2 孔隙结构参数计算结果

依据研究区致密砂岩储层岩心高压压汞(46块样品)所获取的中值半径，建立其与渗透率交会图(图5)， 用实验方法建立渗透率和孔喉半径相关关系[16-17]。可见当经济极限渗透率取0.28×10-3μm2时，对应的中值半径为0.09 μm。

图4 不同储层厚度与水平段长度下的经济极限含气饱和度Fig.4 Economic limit of gas saturation under different reservoir thickness and horizontal well length

图5 研究区孔喉中值半径与渗透率关系Fig.5 Relationship between the median radius of pore throat and permeability in the study area

利用束缚水处的含气饱和度与孔喉半径关系(图6)可确定中低饱和气区和高饱和气区的分界。基于此，在经济极限孔喉半径为0.09 μm时，含气饱和度下限为56%，与储量法计算的含气饱和度下限相当[18]。

图6 束缚点对应孔喉半径与含气饱和度关系Fig.6 Relationship between pore throat radius and gas saturation at binding point

4 水平井开发电性下限

储层电性是指储层的自然电位、电阻率等的响应特征，是岩性特征、物性特征及含气特征的综合反映。研究区致密砂岩储层经受了强烈的成岩作用，储层电性特征整体上差异较小，电测曲线变化幅度不明显。当储层含气时，深浅侧向电阻率差异不明显，自然伽马、自然电位曲线反应较灵敏，与泥质含量变化吻合较好，声波时差增大，密度减小，气测值不高，未见明显的挖掘效应[19]。

4.1 声波时差下限

由于研究区孔隙度与声波时差相关性较好(图7)，因此本次研究利用孔隙度下限计算声波时差下限。当取极限孔隙度为8.85%时，盒8储层声波时差下限为230 μs/m。

图7 研究区孔隙度与声波时差交会图Fig.7 Cross-plot of porosity and interval transit time in the study area

4.2 电阻率下限

利用阿尔奇公式，代入极限孔隙度8.85%和储量法极限含气饱和度53.4%，计算出电阻率下限为27.0 Ω·m，带入孔隙结构参数法计算的极限含气饱和度56%，计算得电阻率下限为29.5 Ω·m。

由于水平井不能见水，鉴于此，将研究区纯产气井与产水井层段的孔隙度和电阻率作交会图(图8)，可以看出当电阻率小于30 Ω·m时储层易出水，与29.5 Ω·m相近，也可以证明孔喉结构参数法计算含气饱和度的准确性。因此，最终将适合水平井开发的电阻率下限定为30 Ω·m。

图8 研究区孔隙度与电阻率交会图Fig.8 Closs-plot of porosity and resistivity in the study area

4.3 储层密度与泥质含量下限

实际产量低于经济极限日产量0.76×104m3，即认为没有经济开发价值，由于实际产量小于试气产量，试气产量小于2×104m3/d即认为没有经济开发价值。盒8段声波时差与密度(图9)和泥质含量与密度(图10)交会图显示，整体上不同产气量储层的声波时差与密度分布趋势相近。因此，确定适合盒8段储层水平井开发的储层密度和泥质含量下限分别为：DEN<2.55 g/cm3，SH<14%。

图9 研究区声波时差与密度交会图Fig.9 Closs-plot of interval transit time and density in the study area

图10 研究区泥质含量与密度交会图Fig.10 Closs-plot of shale content and density in the study area

5 结 论

(1)当气价为1.1 元/m3时，研究区水平井最小单井控制地质储量为0.5×108m3，最小储量丰度为0.45×108m3/km2，经济极限日产量为0.76×104m3，水平井有效长度为600～1 000 m，最小储层厚度为4 m。

(2)鄂尔多斯盆地L区块致密砂岩储层水平井开发地质下限标准为：经济极限渗透率为0.28×10-3μm2，经济极限孔隙度为8.85%，含气饱和度下限为53.4%，中值半径下限为0.09 μm，声波时差下限为230 μs/m，电阻率下限为29.5 Ω·m，密度下限为2.55 g/cm3，泥质含量下限为14%。

参 考 文 献：

[1] 贾承造，张永峰，赵霞.中国天然气工业发展前景与挑战[J].天然气工业，2014，34(2)：1-11.

JIA Chengzao,ZHANG Yongfeng,ZHAO Xia.Prospects of and chanllenges to natural gas industry development in China[J].Natural Gas Industry，2014，34(2)：1-11.

[2] 赵文智，王红军，钱凯.中国煤成气理论发展及其在天然气工业发展中的地位[J].石油勘探与开发，2009，36(3)：280-289.

ZHAO Wenzhi,WANG Hongjun,QIAN Kai.Progress of coal-formed gas geological theory and its status in natural gas industry in China[J].Petroleum Exploration and Development，2009，36(3)：280-289.

[3] 陈建军，翁定为.中石油非常规储层水平井压裂技术进展[J].天然气工业，2017，37(9)：79-84.

CHEN Jianjun,WENG Dingwei.CNPC's progress in horizontal well fracturing technologies for unconventional reservoirs[J].Natural Gas Industry，2017，37(9)：79-84.

[4] JODY R AUGUSTINE.How do we achieve sub-interval fracturing[C].SPE 147179,2011.

[5] MATT MCKEON.Horizontal Fracturing in Shale Plays[R].Hulliburton,2011.

[6] DAN THEMIG.New technologies enhance efficiency of horizontal,multistage fracturing[J].JPT,April 2011.

[7] 丁庆新，侯世红，杜鑫芳，等.国内水平井压裂技术研究进展[J].石油机械，2016，44(12)：79-82.

DING Qingxin,HOU Shihong,DU Xinfang,et al.Advance of horizontal well fracturing technology in China[J].China Petroleum Machinery，2016，44(12)：79-82.

[8] 刘新社，席胜利，付金华，等.鄂尔多斯盆地上古生界天然气生成[J].天然气工业，2000，20(6)：19-23.

[9] 周进松，王念喜，赵谦平，等.鄂尔多斯盆地东南部延长探区上古生界天然气成藏特征[J].天然气工业，2014，34(2)：34-41.

ZHOU Jinsong,WANG Nianxi,ZHAO Qianping,et al.Natural gas accumulation characteristics in the Upper Paleozoic in the Yanchang exploration block of southeastern Ordos Basin[J].Natural Gas Industry，2014，34(2)：34-41.

[10] 朱光有，张水昌，陈玲，等.天然气充注成藏与深部砂岩储集层的形成：以塔里木盆地库车坳陷为例[J].石油勘探与开发，2009，36(3)：347-357.

ZHU Guangyou,ZHANG Shuichang,CHEN Ling,et al.Coupling relationship between natural gas charging and deep sandstone reservoir formation:a case from the Kuqa Depression,Tarim Basin[J].Petroleum Exploration and Development，2009，36(3)：347-357.

[11] 陈义才，林杭杰，唐波，等.苏里格地区石炭-二叠系天然气充注特点及充注能力[J].石油与天然气地质，2011，32(1)：91-97.

[12] 王大为，刘小鸿，杜春晓，等.水平井水平段长度优化及经济界限研究[J].新疆石油天然气，2017，13(3)：19-24.

WANG Dawei,LIU Xiaohong,DU Chunxiao,et al.Research on horizontal well horizontal sectionlength optimization and economic limit[J].Xinjiang Oil & Gas，2017，13(3)：19-24.

[13] 高嘉祺，陈明强.鄂尔多斯盆地低渗透气藏水平井经济开采预测模型[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2017，32(2)：81-85.

GAO Jiaqi,CHEN Mingqiang.Prediction model for economic production limit of horizontal wells in exploitation of low permeability gas reservoir in Ordos Basin[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition)，2017，32(2)：81-85.

[14] 宁方兴.济阳坳陷地层油气藏成藏动力与含油高度预测[J].新疆石油天然气，2010，6(3)：17-22.

[15] 过敏，李仲东，惠宽洋，等.储层压力与天然气分布关系：以鄂北塔巴庙地区上古生界储层为例[J].天然气工业，2007，27(4)：15-18.

GUO Min,LI Zhongdong,HUI Kuanyang,et al.Relationship between characteristics of reservoir pressure and distribution of natural gas:an example of Tabamiao area,the northern Ordos Basin[J].Natural Gas Industry，2007，27(4)：15-18.

[16] 庞振宇，孙卫，李进步，等.低渗透致密气藏微观孔隙结构及渗流特征研究：以苏里格气田苏48和苏120区块储层为例[J].地质科技情报，2013，32(4)：133-138.

[17] GHARBI O，BLUNT M J.The impact of wettability and connectivity on relative permeability in carbonates：a pore network modeling analysis[J].Water Resources Research，2012，48(12)：67-72.

[18] MARYAM A MOUSAVI，STEVEN L BRYANT.Connectivity of pore space as a control on two-phase flow properties of tight-gas sandstones[J].Transport in Porous Media，2012，94(2)：537-554.

[19] 黄禹忠，刁素，尹琅.致密砂岩气藏水平井细分段适应性分析[J].天然气地球科学，2017，28(3)：460-465.

HUANG Yuzhong,DIAO Su,YIN Lang.Analysis of fine segmentation adaptability of horizontal wells in tight sandstone gas reservoirs[J].Natural Gas Geoscience，2017，28(3)：460-465.