0 引言
页岩气是一种赋存于富有机质黑色页岩中的天然气，具有大面积连续分布、纹层及层理发育、纳米级有机孔隙丰富、“甜点区（段）”富集、热成因游离气决定产量高低等特征[1]。美国是全球开展页岩气商业开发最早、技术最成熟、产量最高的国家。2018年美国页岩气产量高达6 072×108m3，约占其天然总产量的58%。美国主导的“页岩气革命”，不仅改善了美国能源消费结构，加速了美国“再工业化”进程，助推了美国“能源独立”战略，而且还改变了全球天然气市场的竞争态势和贸易格局，对世界能源格局和地缘政治造成极大影响[1,2,3,4,5,6]。美国“页岩气革命”取得的巨大成功及其对世界能源结构造成的重大影响，引起了全球广泛关注，国内大量学者对美国页岩气快速发展的原因也展开了激烈讨论。他们认为，美国页岩气快速发展的原因主要包括以水平井多段压裂和优化钻井为代表的关键技术进步、开放的市场竞争环境、优惠的政府扶持政策、健全的市场监管和平台式“工厂化”生产等方面[1,6,7,8,9,10,11,12,13]。显然，专家学者主要从技术、经济、政策、组织与管理等方面对美国页岩气开发实践进行总结，少有对单个页岩气田的开发实践进行详细解剖和经验分析。本文以北美第二个商业开发的页岩气产区——Fayetteville气田为例，从有利区优选、主体工艺确定、水平井方位调整、水平段长度及稳产技术对策等方面进行详细剖析，重点探索美国页岩气开发实践的启示，从而推动我国页岩气产业的快速发展。
1 勘探开发历程
2002年，美国西南能源公司（SWN）的一个勘探小组发现：在Arkoma盆地Wedington砂岩储层获得的天然气产量远远超出传统分析所能解释的气产量。进一步调查显示：Wedington砂岩直接覆盖在Fayetteville页岩之上，推测富含有机质的页岩很可能对气井生产发挥了一定作用。该研究小组随后开展了近一年的油气系统研究，并得出以下结论：Fayetteville页岩具有与Barnett页岩相似的地球化学特征与储层物性。Barnett页岩厚度为61~153m，R O值为1.0%~2.1%，TOC含量为4.5%，含气量为2.8~5.7m³/t，孔隙度为4.5%，而Fayetteville页岩厚度为16~100m，R O值为1.5%~4.0%，TOC含量为2.0%~9.5%，含气量为1.7~6.2m³/t，孔隙度为2.0%~8.0%[14,15]。2003年SWN公司在Fayetteville页岩气产区开始勘探，2004年7月成功地完成了发现井[16]——Thomas1-9井（直井），测试日产页岩气1.5×104m3/d。
Fayetteville页岩气开发之初主要采用直井，2004年投产直井14口，主要目的是证实开采的可行性和落实目标层位。2005年投产直井37口，同年2月完成第一口水平井——Vaughan#4-22H，采用泡沫压裂，由于相应基础设施不够完善，测试初期日产气仅1.65×104m3/d，开发效果并不理想。鉴于Barnett水平井取得越来越好的开发效果，SWN公司持续探索并改进水平井压裂工艺技术，到年底共投产水平井13口。随着技术进步，水平井实施效果变好，2006年转变开发方式，以水平井为主，当年新投产水平井103口，投产直井仅12口。到2007年6月，SWN公司共完钻页岩气井303口，其中水平井219口，分布在8个县33个先导试验区，通过改进以滑溜水为主的水平井多段压裂技术，开展三维全区地震勘探，采用“工厂化”作业模式，以及逐渐完善配套基础设施，使得开采效果不断提升[15,16]。2012年，Fayetteville页岩气产量达到峰值，年产页岩气290×108m3。由于有利区面积有限、油气行业整体低迷、钻井工作量减少等原因，2016年页岩气产量开始递减，至2018年产量降至144×108m3。截至2018年底，Fayetteville累计生产页岩气超过2 380×108m3。
2 地质与开发特征
Fayetteville页岩为一套密西西比亚时期发育的富有机质黑色页岩，属海相陆棚环境。Fayetteville页岩发育区位于美国阿肯色州Arkoma盆地，其北部为Ozark高原，南部为Ouachita褶皱带，西接南俄克拉荷马盆地，东部为Reelfoot裂谷，又称密西西比地堑[17][图1(a)]。全区TOC含量为2.0%~9.5%，北部区域较高；热演化程度为1.5%~4.0%，南部区域较高，处于过成熟演化阶段，以生干气为主，整体东部区域生烃条件好于西部地区[15,18,19][图1(b)]。Fayetteville页岩气产区目的层埋深由北向南变大，北部出露地表，主体埋深360~2 250m，最深超过3 000m，且区内发育多组北东—南西走向的正断层[19][图1(c)]。该区孔隙度为2%~8%，渗透率为（5~50）×10-8μm2，厚度为16~100m，平面上向西北方向变厚[15,19]；据Browing等[20] 2014年估算：Arkoma盆地中部页岩气开发区面积为7 088.8km2，通过测井解释校正的孔隙体积计算出原始游离气地质储量为2.27×1012m3，技术可采储量为1.08×1012m3，经济可采资源量为0.50×1012m3，游离气储量丰度呈现出中部高[约（4.26~5.04）×108m3/km2（Pore县南部，Conway县西部，Van Buren县东南部，Cleburne县西南部）]，向南、向北呈降低的趋势[图1(d)]。
3 六点启示
Fayetteville页岩气2004年勘探突破后进入快速产能建设阶段，2012年达到峰值产量，稳产4年后开始递减。总结其开发实践，主要有六点启示，具体论述如下：
3.1 转变开发方式、持续改进工艺技术，不断完善 学习曲线，实现降本增效
Barnett是北美最早实现商业开发的页岩气产区，早期主要采用直井开发。1992年完钻第一口水平井，1997年第一次使用滑溜水压裂。2003年开始尝试斜井及水平井开发，斜井产量与直井基本一致，甚至还没有直井产量高。而水平井多段压裂效果逐步提升，可以大幅度提高单井产量，此后斜井逐渐被放弃，直井数量也大幅削减，从2002年669口[占比超99%（不考虑斜井）]，下降到2008年的145口[占比5.5%]；而水平井得到快速推广应用，2002年仅2口，2005年水平井数已经超过直井， 2008年上升到2 508口[15]（图4，图5）。Fayetteville是继Barnett之后第二个商业开发的页岩气产区，充分借鉴Barnett开发的成功经验，2004年勘探突破后快速投入产能建设，2005年直接探索应用水平井多段压裂技术，当年投产水平井13口，2006年即大规模推广水平井应用，2009年水平井数量达到858口，占比超过99%，直井数量仅为2口[15]（图5）。从2004年到2009年的6年间，Barnett投产直井1 528口，占总井数的15.4%，而Fayetteville投产直井仅有92口，仅占总井数的4.2%，由此可见Fayetteville推广应用水平井的力度之大。
在钻井完井技术方面，初期水平井采用177.8mm技术套管和114.3mm生产套管；随着水平井长度的增加，为降低摩阻损失，后期水平井生产套管由114.3mm换为139.7mm。此外，为降低钻完井成本，简化水平井井身结构，除406.4mm导管外，套管层数由三层简化为两层[16]。为减少钻井周期，采用空气钻井技术，并配合三牙轮钻头钻表层井眼和PDC钻头钻至造斜点，采用定制PDC钻头和油基钻井液钻造斜段和水平段，“造斜段+水平段”正常只用一只钻头，即实现“一趟钻”。2007—2013年，随着工艺技术的不断提高，虽然水平段长度增加了一倍，由809m提高到1 630m，但通过工艺技术的持续改进，钻井周期由17.5天降为6.2天，降幅65%；单井投资由300万美元下降到240万美元，降幅17%（图6）[15]。降本增效显著，SWN公司年产量同期也由15×108m3提升到138×108m3。
在压裂改造技术方面，由于Fayetteville页岩属于常压或略有欠压，为提高压裂液返排，早期采用凝胶压裂液加氮气助排。2006年进行水平井多段压裂时，采用滑溜水替代凝胶。为提高水平井压裂段的改造程度，段间距从180m减少到120m或90m，压裂液和支撑剂分别减少15%和25%；簇间距由45~60m减少至22m，每段射孔簇数从4簇增加至6簇。为提高裂缝支撑效果，支撑剂由100%的40/70目石英砂，变为40/70目和100目石英砂各占50%[16,22]。由于工艺技术的改进，单井产量明显提高，2008年投产页岩气水平井首年平均日产气5.18×104m3/d，2009—2011年平均产量(5.57~6.30)×104m3/d。依据递减规律，估算40年的累积产气量作为EUR，2008年投产气井EUR平均为0.52×108m3，2009—2011年平均EUR提高到(0.86~0.91)×108m3，EUR提升显著。
在借鉴Barnett成功开发经验快速推广应用水平井的同时，SWN公司持续改进工艺技术，不断强化学习曲线，努力实现降本增效，仅用6年时间就达到Barnett开发28年的产能规模。
3.2 以富含有机质页岩品质为主线，深化有利区认识，有效降低开发风险
有利区评价指标：储层厚度直接影响储量丰度与气井产能，有利区页岩厚度>60m，有效厚度>22.5m；总有机碳（TOC）含量是生烃与有机孔的基础，有利区TOC>2%；当成熟度高于2.5%时，CO2含量增高，增加腐蚀和处理成本，有利区R O值为2.0%~2.5%；孔隙为游离气提供储集空间，孔隙度越高则游离气含量越高；脆性矿物含量高，则可压性好，有利于提高单井产量；埋藏浅则地层压力低、含气量低；埋藏深会导致单井投资高，有利区埋藏深度为900~1 800m[19]。
3.3 页岩储层非均质特征明显，通过开辟试验区、滚动开发的方式提高高产井比例
受地质条件与工程技术等多种因素影响，页岩气单井产量[23]及EUR[24]差异大；高产井零星分布，较为分散，仅在局部富集，部分高产区覆盖范围5~15个单元（每单元2.59km2），面积达10~40km2；在Conway县东北至Cleburne县中西部一带为高产富集区带，即甜点区，甜点区内高产井区比例高、高产区连片面积大，但亦存在一定数量低产井[图11(a）]。2011年底前共投产水平井3 689口井，单井EUR分布区间为（0.02~1.86）×108m3，其中大于0.71×108m3的占25.7%，在（0.42~0.71）×108m3之间的占45.1%，小于0.42×108m3的占29.2%[图11(b）]。
Fayetteville页岩区块非均质特征明显，即使相邻区块（图12中A、B和C区块）产量及产量分布差异也较大，A、B和C共3个区块中值产量分别为6 511×104m3、4 247×104m3和3 115×104m3，而表征非均质程度的参数P10/P90分别为2.4、3.7和6.2[25]（图12）。针对这种具有较强非均质特征的页岩气产区，为降低开发风险，避免规模出现低产低效井，优选优质储层发育区及有利区，SWN公司在8个县设置33个先导试验区（图13），并在4个常规气试验区探索比Fayetteville页岩层更深的Moorefield页岩和Chattanooga页岩储层开发的可行性，共完钻303口井，其中水平井219口[15]；通过开辟早期试验区、滚动开发的方式，逐渐提高地质认识程度，同时持续改进工程技术，有效地提高了开发效果，使低效井的比例不断降低。若把EUR小于0.4×108m3的井定义为低效井，全区2007—2013年低效井的比例占20.92%，其中2007—2008年投产井中，低效井的比例高达39.12%，2009—2010年这一比例降低到18.72%，2011—2012年进一步降为10.43%，2013年仅为5.51%。
3.4 受征用土地边界限制调整水平井部署方位后，长期生产特征表明开发效果未受影响
理论分析认为：平行于最小水平主应力方向部署水平井，压裂后形成与水平井垂直的水力裂缝，可以大幅度提高单井改造体积（SRV），从而获得高产。
Fayetteville最小水平主应力方向为NW—SE向，初期主要按NW—SE向部署水平井。由于征用土地边界线主要为SN向，按SN向布井可以部署更多的水平井，由此水平井主体方位改为SN向（占56%）。为对比分析不同方位水平井的开发效果，按方位将水平井划分为NW—SE、NE—SW、SN及EW 4个方向，按EUR大小将气井划分为四类，依据各类气井比例评价不同方位气井的开发效果。2005—2009年共投产水平井1 998口，依据EUR由高到低排序，按井数等分为1至4共4类，每类约500口井。
2009年投产832口水平井，NW—SE向1+2类井比例占71%，SN向1+2类井比例占64%[图14(a）][26]，由此，从短期生产动态看，水平井方位平行于最小主应力时开发效果相对较好。统计2005—2009年1 990口井，NW—SE向1+2类井比例为39%，而SN向1+2类井比例高达58%[图14(b）][27]，由此从长期生产动态看，SN走向的水平井具有更好的开发效果；另外，NE—SW向与EW向的水平井数量较少，1+2类井与NW—SE向的气井比例基本一致。由此水平井方位是否一定与最小主应力平行，需要依据现场试验成果确定。如果水平井方位影响不大，则可以灵活部署水平井，以便提高城市规划区等不宜布井区域的资源动用，另外还可以通过降低水平井倾角，降低钻遇断层等风险。
3.5 水平段长度逐年增加，平均单井产量同比提高，长水平井总体开发效益较好
由于技术进步，随着水平段长度的增加，单井综合成本呈下降趋势[图6(c）]，且单井产量也提高了，由此长水平段水平井可以获得更好的经济效益。在3.5美元每28.32m3气价条件下，SWN公司常规水平井内部收益率约为10%，长水平段水平井内部收益率高达20%；如果气价提高到每28.32m3为4.0美元，常规水平井内部收益率为20%，长水平段水平井内部收益率提高到40%，长水平井总体开发效益较好。
3.6 单井产量低、初期递减快，需持续、大量钻井才能保持气田上产与稳产
如果不考虑建产期，即一次性投产达到100×108m3/a，按Fayetteville标准井[图2(b）]估算20年稳产条件下所需投产井数详见图17。第一年需要投产井数为594口，之后所需新投产井数逐年减少，第2年为327口，第10年为179口，第17~20年每年为145~150口。对于Fayetteville，即年产100×108m3页岩气，稳产10年需要生产井2 702口，稳产20年则需要4 258口；换言之，建成1×108m3产能，需要投产6口水平井，稳产10年需要27口水平井，稳产20年则需要43口井。如果考虑建产期，则需要更多的井数，Fayetteville实际建产期为2004—2011年，平均1×108m3产能建产井数约为13.4口。
4 结论与认识
Fayetteville是继Barnett之后第二个商业开发的页岩气产区，仅用6年时间就达到Barnett开发28年的产能规模，其开发实践对于我国页岩气开发具有重要启示：
（1）以富含有机质页岩品质为主线，依据有效储层厚度优选建产有利区，依据厚度、孔隙度、TOC/R O、埋藏深度和矿物成分五项指标划分核心区与有利区；开发早期设置先导试验区、实施滚动评价开发，避免规模钻遇低效井，降低开发风险，提高开发效果。
（2）随着水平段长度逐渐增加，平均单井产量同步提高，而成本却不断下降，技术进步使长水平井取得较好的开发效果与效益；为提高城市规划区等不宜布井区域的资源动用，在水平主应力差较小条件下，可灵活调整水平井方位部署水平井。
（3）页岩气单井产量低、初期递减快，需持续、大量钻井，并不断提高认识、改进工艺，才能实现降本增效，保持气田上产与稳产。
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