天然气地球科学, 2023, 34(1): 74-82 doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.08.004

天然气开发

四川盆地威远页岩气开发成熟区加密井可采储量概率法评估

刘洪林,1,2,3, 刘德勋1,2,3, 李晓波1,2,3

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083

2.中国石油非常规油气重点实验室，北京 100083

3.国家能源页岩气研发（实验）中心，河北 廊坊 065007

Study on probabilistic evaluation of EUR of infilling wells in the mature area of Weiyuan shale gas field

LIU Honglin,1,2,3, LIU Dexun1,2,3, LI Xiaobo1,2,3

1.Research Institute of Petroleum Exploration & Development，PetroChina，Beijing 100083，China

2.PetroChina Key Laboratory for Unconventional Oil and Gas，Beijing 100083，China

3.National Energy Shale Gas Research and Development （Experiment） Center，Langfang 065007，China

收稿日期: 2022-05-30   修回日期: 2022-08-09   网络出版日期: 2022-09-08

基金资助: 中国石油基础性项目“海陆过渡相页岩气成藏条件及勘探前景评价”.  202205035
中国石油科技重大专项“川南页岩气富集区优选与规模效益开发技术研究”.  101022

Received: 2022-05-30   Revised: 2022-08-09   Online: 2022-09-08

作者简介 About authors

刘洪林（1973-），男，山东济宁人，高级工程师，博士，主要从事非常规油气勘探开发研究.E-mail：liuhonglin69@petrochina.com.cn. , E-mail：liuhonglin69@petrochina.com.cn

摘要

随着川南页岩气勘探开发快速上产，威远页岩气开发不断深入，需要井间加密提高动用储量，利用现有生产井对规划的加密井进行最终可采储量（EUR）评价成为现实问题之一。应用现代产量递减分析方法评价了威远成熟区生产井EUR并建立其概率分布，应用概率法评价规划加密井EUR，认为从单井EUR统计规律来看威远页岩气开发已经进入成熟阶段，可在威远区块使用概率法开展EUR类比，评估加密井EUR；采用概率法评价W204井区加密井的EUR目标风险和开发风险较小，表明井数越多EUR不确定性越小；在页岩气开发成熟阶段，使用概率法可以更加可靠地预测单井EUR和降低项目不确定性风险。利用概率法评价加密井EUR和气田EUR的结果和方法可以为其他类似地区提供借鉴和参考。

关键词： 页岩气 ; 可采量评估 ; 概率法 ; 蒙特卡洛模拟 ; 威远区块

Abstract

With the rapid progress of shale gas exploration and development in southern Sichuan， it is necessary to drill infilling wells improving recovery factor or recovery efficiency. Using existing production wells to evaluate the Estimated Ultimate Recovery （EUR） of infilling wells has become one of the emerging problems. In this paper， the EUR of Weiyuan producing well has been predicted and its probability distribution has been established by using the Modern Production Decline Analysis Method. Based on the above results， EUR of infilling wells has been simulated by using the Mante Carlo probability method. It is considered that the development of Weiyuan shale gas has entered a mature stage from the statistical law of EUR of single well， and the EUR of infilling wells can be established in Weiyuan， and the probability method can be used to evaluate the EUR of infilling wells； The risk of infilling wells EUR evaluated by probability method in block W204 are much smaller， indicating that the more wells， the less uncertainty of EUR； After development of shale gas entering the mature stage， the probability method can give more reliable prediction of the single well EUR and reduce uncertainty risk of project. The results and methods of using probability method to evaluate infilling well EUR and gas field EUR in this paper can provide reference for other similar areas.

Keywords： Shale gas ; EUR evaluation ; Probability method ; Monte Carlo simulation ; Weiyuan block

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本文引用格式

刘洪林, 刘德勋, 李晓波. 四川盆地威远页岩气开发成熟区加密井可采储量概率法评估. 天然气地球科学[J], 2023, 34(1): 74-82 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2022.08.004

LIU Honglin, LIU Dexun, LI Xiaobo. Study on probabilistic evaluation of EUR of infilling wells in the mature area of Weiyuan shale gas field. Natural Gas Geoscience[J], 2023, 34(1): 74-82 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2022.08.004

0 引言

在过去的30年，页岩油气的勘探开发已经改变了世界能源格局。在页岩气勘探开发中，页岩气单井最终可采储量（EUR）评价是一项十分重要的工作。北美地区页岩气勘探开发较为成熟，其中石油工程师协会（SPE）和石油评估工程师学会（SPEE）出版了页岩气EUR评估规则［1-3］，根据开发程度把页岩气项目划分为早期、中期、统计期和成熟期4个阶段，不同阶段采用不同的EUR评价方法。在页岩气开发早期，一般井少、井距大，中期井数增加，但是开发试验井不能作为类比井，一般采用确定性方法评估EUR，在统计期和成熟期时井网密度大，使用统计法评估EUR，效果更好［4-12］。EUR评估方法中的确定性方法主要包括容积法、类比法、经验法、现代产量递减计算法及模拟预测法等。经验法分析对象的主要气井量常用Arps递减法、Duong法、修正Duong法、Fetkovish法、Blasingame法、NPI法、A-G法、Wattenbarger图版法及流动物质平衡法（FMB）等［13-14］。概率法通过量化储量参数的不确定性，更好表征地质储量计算的不确定性，使得结果更为客观真实。SPE将概率法定义为采用已知地质、工程和经济数据产生的一系列估算值及其概率的可能性［15-17］。概率法将储量视为在一定范围内变化的随机变量，以概率分布曲线（或累计概率曲线）表示，并按一定概率值表征EUR ：低估值（P90）、最佳估值（P50）与高估值（P10）。

四川盆地威远地区页岩气从2012年开始投入开发，目前已经投入生产井422口，项目开发进入成熟阶段，实现气田稳产和进一步提高采收率是该地区面临的迫切问题。国内外非常规油气开发经验证实，提高采收率中最为有效的途径之一就是钻加密井。对于成熟开发区块的新钻加密井，由于地质条件较为清楚，现有成熟技术可以推广使用，采用概率统计法进行加密井可采储量分析的可靠性可以得到保障。威远区块探明储量主要采用确定性法进行估算［1］，本文评估依据SPE《石油资源管理系统（PRMS）应用指南》及SPEE专论3《非常规油气区带未开发储量评估实践指南》［2-3］，首次在国内开发成熟区块利用概率统计分析软件采用概率法对规划加密井的EUR进行预测和风险评估，取得了较为满意的评价效果，评价结果和方法可以为其他成熟区加密井和气田EUR评价提供借鉴。

1 威远区块基本概况

威远页岩气田位于四川盆地西南部，面积约为6 500 km2，威远区块内五峰组—龙马溪组为深水陆棚相沉积，是页岩气勘探开发的主要层系。受加里东期乐山—龙女寺古隆起影响，地层由北西向南东厚度和埋深逐渐增大，页岩厚度为180~600 m，埋深为2 000~4 000 m，龙马溪组底部富含有机质，威远区块储层连续稳定分布，五峰组—龙一1亚段各小层TOC、孔隙度、脆性矿物含量和含气量较高，TOC值为2.1%~8.1%，平均为3.2%；孔隙度为2.1%~9.6%，平均为5.9%；脆性矿物含量为60%~82%，平均为74%；含气量为3.3~8.5 m3/t，平均为5.5 m3/t［18］。截至2020年底威远区块已经投入开发井422口，本文选取威远页岩气区带中2个作业区块W202和W204作为评估实例，如图1所示，区块内现有在产水平井422口，页岩气钻完井技术已经成熟和定型，已经在威远区块内进行大规模复制，页岩气产量也快速增长。

图1

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图1   威远区块页岩气生产井及规划加密井分布特征

Fig.1   Illustration of shale gas production wells and planned infilling wells in Weiyuan block


为进一步提高页岩气储量动用，规划将来1年在现有区块内，部署48口井，其中W204区块26口，W202区块22口，现需要对48口规划井进行EUR预测和风险评估，以减少项目的不确定性。

2 井间可采储量评价流程

概率法是一种普遍使用的不确定性评价方法。本文参考前人［18-21］研究成果，在对生产井EUR评价的基础上，探讨了威远区块的单井EUR已经具有明显的可重复性特征，该地区可以开展生产井EUR的概率类比分布，预测规划区的单井EUR。方法流程如下：先对区块内的每一口生产井EUR进行预测，然后对比各井页岩含气量、总有机碳（TOC）等地质要素和水平段长、压裂液量、砂量等工程参数，判断区内井是否具有相似地质和工艺条件，据此建立生产井EUR概率分布对加密井进行蒙特卡洛模拟，统计P10、P50和P90可采储量概率分布，得到加密井的EUR（图2），最后对加密井可采储量进行风险分析。

图2

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图2   加密井可采储量概率法评估流程

Fig.2   Evaluation process of EUR of infilling wells by probability method


3 生产井的EUR概率分布

3.1　生产井EUR评价

页岩气水平井各种EUR预测方法有其适用条件，一般气井EUR 预测需要先进行流态和开采条件分析，然后确定其适用的EUR预测分类评价方法（表1）。威远页岩气井主要采用变压方式产气，其中少部分井压降未达到边界流动状态，采用Blasingame图版法、解析法开展评价；对达到边界控制流的气井采用 FMB曲线法、解析法等评价方法。经过分类评价获得威远区块422口的单井EUR结果（图3），呈现对数正态分布，EUR分布P90为0.39×108 m3、P50为0.81×108 m3、P10为1.47×108 m3。

表1   页岩气水平井EUR预测方法及适用条件

Table 1  EUR prediction method and operating conditions for shale gas horizontal wells

分类EUR预测方法适用流态适用条件
经验法Arps递减法边界控制流定压生产［22-23］
扩展指数递减法线性流、边界控制流定压生产［22-23］
Duong法线性流定压生产［22］
修正的Duong法线性流、边界控制流定压生产
幂指数递减法线性流、边界控制流定压生产［22］
现代产量递减法流动物质平衡法边界控制流变压力、变产量
Faktovish法边界控制流定压生产［22-23］
Blasingame法不稳定流、边界控制流变压力、变产量［22-23］
NPI图版法不稳定流、边界控制流变压力、变产量［21］
A-G图版法不稳定流、边界控制流变压力、变产量［22-23］
Wattenbarger法不稳定流、边界控制流变压力、变产量［21］
模拟预测法解析法所有流态变压力、变产量［22-23］
数值模拟法所有流态变压力、变产量［22-23］

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图3

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图3   威远区块全部井单井EUR分布（N=422）

Fig.3   EUR distribution of all existing wells in Weiyuan block （N = 422）


3.2　生产井地质条件和工艺情况

威远区块中W202区块和W204区块地质条件相似，位于同一构造斜坡带上。五峰组—龙一1亚段是开发主力层段，埋深为1 500~4 000 m，有机碳含量为3.1%，孔隙度为5.6%，含气饱和度为62.2%，含气量为4.3 m3/t，脆性矿物含量为69.8%；I类+II类页岩厚度为37 m，分布稳定，页岩气地质资源基础十分雄厚。

威远区块采用的主体工艺技术基本相似，水平井部署、靶体位置、水平段长、钻井工艺和压裂工艺基本相同。主体采用常规双排、单排丛式井组部署水平井，轨迹方位垂直于最大水平主应力方向，靶体位置位于五峰组—龙一1亚段，水平巷道间距为300 m，水平段长度为1 500~1 800 m。钻机选用配备顶驱ZJ50D型钻机，井身采用Ф 508 mm×Ф 339.7 mm×Ф 244.5 mm× Ф139.7mm 4层套管结构，轨迹设计与控制采用“双二维”剖面，水平段采用旋转导向+随钻地质导向（LWD）监控，龙马溪组采用油基钻井液，试验高性能水基钻井液，固井工艺采用韧性防气窜水泥浆体系、双胶塞固井、预应力固井，钻井周期70 d。完井方式采用Ф 139.7 mm×12.7 mm Q125气密封扣套管完井，压裂采用分簇射孔+桥塞封隔分段压裂工艺，3簇/段，簇间距20~25 m，压裂液体采用低黏滑溜水，支撑剂采用70/140目石英砂+40/70目陶粒，单段液量为1 600~1 800 m3、支撑剂量不低于90 t、施工排量12~14 m3/min。单井首年配产（9.5~10.5）×104 m3/d，采用控压限产方式生产。因此，W202区块205口生产井、W204区块217口生产井同属于二级地质构造单元——威远斜坡，钻井长度、压裂参数、开采工艺等方面基本相似，符合类比要求。

3.3　项目开发阶段分析

生产井EUR建立概率分布确定的具体步骤是根据P10/P90值确定开发阶段，建立分区类别井，拟合获得EUR概率分布。根据P10/P90值分为早期（比值<1）、中期（比值1~3）、统计期（比值3~6）和成熟期（比值>6）［3，24］。类比井是指所处的地质构造单元、钻完井工艺、水平井井网部署参数具有相似特征的井，并在分组基础上进行统计分析，最小样本井数量根据P10/P90值结果来确定（表2），中间值可以采用内插法获得。P10/P90值反映了储层地质属性的差异性、井间开发特征的差异性，P10/P90值越大，开发项目的不确定性越大。

表2   SPEE推荐的概率法最小样本量[3,24]

Table 2  Minimum sample size recommended for probability method by SPEE[3,24]

P10/P90推荐最小样本量/口备注
215少见非均质性较弱
335正常非均质性逐渐增强
460正常
575正常
6100正常
8130正常
10170不正常*非均质性极强
15290不正常*
20420不正常*
30670不正常*

注：*数据质量/模拟可能存在问题

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对区块内统计到的所有井开展初产和EUR的概率分布规律研究，发现符合对数正态分布，结果如图4、图5所示。W202区块根据EUR概率分布结果得到P10/P90值为3.49，根据表1采用内插法获得对应W202区块最少井数为50，计算类比井数与最少井数比值为205/50=4.1，说明区块目前处于开发成熟期，属于统计期，使用概率法是合理的。根据表1采用内插法获得对应W204区块P10/P90值为4.29，对应表2中W204区块最小样本量可取值65，因此类比生产井井数与推荐的最小样本量的比值为217/65=3.34，说明区块目前处于开发成熟期，属于统计期，使用概率法是合理的。

图4

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图4   W202井区生产井EUR概率拟合图（N=205）

Fig.4   Fitting diagram of EUR probability distribution of production wells in W202 well block （N=205）


图5

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图5   W204井区生产井EUR概率拟合图（N=217）

Fig.5   Fitting diagram of EUR probability distribution of production wells in W204 well block （N=217）


3.4　加密井EUR分布的概率分布确定

影响威远区块单井EUR的主要因素包括地质因素和工程因素。地质因素主要包括TOC、含气量、岩石矿物组成、孔隙度及渗透率等；工程因素主要包括水平段长、压裂液量、加砂量、施工压力等参数。上述参数分布形态均呈现不确定性，上述参数最终体现在单井EUR的不确定性，本文重点分析单井EUR分布的不确定性。根据威远页岩气区带的统计学特征，422口生产井有46口在2015年投产，另外30口在2016年投产，19口井在2017年投产，在2018年有61口井投产，这4年单井EUR非常相似（图6）。2019年投产的98口井、2020年投产的91口井和2021年投产的77口井比较相似，后3年投产的井均EUR明显比前4年增加，原因在于钻井和压裂技术的进步，水平井段更长，2019—2021年水平井段长度平均值比前3年增加（图7），随着技术进步，单井EUR呈现提高趋势，2019年、2020年和2021年单井EUR没有明显变化，呈现稳定趋势，同时根据规划方案2022年46口规划加密井地质位置与前3年一致，地质储层条件基本类似，规划水平井施工参数、压裂施工参数采用2019—2021年的成熟工艺。因此，采用2019—2021年投产的266口井的概率分布推断2022年的46口规划加密井EUR分布是基本可行的，266口井概率分布能够代表加密井EUR分布特征，可以作为加密井EUR预测模型。

图6

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图6   威远区块不同年份的EUR概率分布

Fig.6   EUR probability distribution of different years in Weiyuan block


图7

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图7   威远区块压裂水平段长度年度增长情况

Fig.7   Horizontal fracture length annal increasement in Weiyuan block


3.5　加密井蒙特卡洛模拟和EUR评估

在W202区块规划加密井22口，W204区块规划加密井26口（图8），对48口规划加密井使用上文建立的EUR分布模型，分别进行100 000次随机模拟，得到规划井EUR预测值结果见表3，所有井EUR总体概率分布与2019—2021年266口井的概率分布相似，可见影响单井EUR大小的主要因素为单井含气量、TOC、孔隙度、渗透率、压裂段长及压裂液量等。

图8

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图8   威远页岩储层有效厚度及计划加密井位置分布

Fig.8   Illustration of shale effective thickness and planned infilling wells in Weiyuan block


表3   威远页岩气区块规划加密井EUR概率法评估结果

Table 3  Evaluation results of EUR probability method for planned infilling wells in Weiyuan block

W202区块W204区块
井号EUR/（108 m3）井号EUR/（108 m3）
W202H14-80.85W204H33-51.11
W202H15-10.96W204H34-10.53
W202H15-20.68W204H34-20.53
W202H16-10.97W204H34-71.31
W202H16-21.94W204H34-80.7
W202H16-31.03W204H37-30.52
W202H16-41.25W204H37-41.43
W202H16-51.2W204H37-50.68
W202H18-30.94W204H38-11.14
…………
W202H18-50.93W204H38-31.17

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4 加密井风险和可靠性评估

4.1　规划单井的目标产量风险

采用概率法可以得到不同风险条件的期望目标值，进而比较风险高低与目标值实现的可能性。在经过蒙特卡洛模拟得到W202区块单井加密井EUR概率分布，结合项目内部收益率12%的基本要求，将W202区块EUR的目标值确定为1.20×108 m3，由图9可知目标值在累积概率图上对应的概率（左侧Y轴）为38，即规划单井采出1.2×108 m3页岩气目标的可能性为38%。同样，W204区块每口井至少采出1.1×108 m3页岩气的目标概率40%（图10）。即在同样的风险下，W202井区规划单井产出的气量更大一些。

图9

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图9   W202区块规划井单井EUR概率及累计概率分布

Fig.9   EUR probability and cumulative probability distribution of planned wells in W202 well block


图10

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图10   W204区块规划井的单井EUR概率及累计概率分布

Fig.10   EUR probability and cumulative probability distribution of planned wells in W204 well block


4.2　规划井EUR不确定性风险

在同样的开发技术下，钻井数量增加会降低加密井EUR的不确定性。由W204区块、W202区块蒙特卡洛模拟单井EUR概率分布结果统计见表4，可以看出W202区块P50值为0.98，W204区块P50值为0.93，非常接近，W202区块的P10值大于W204区块的P10值，W204区块的P90值小于W202区块的P90值。W202区块P10/P90值为3.26，大于W204区块的3.02，W204区块已钻井数量略多，风险小于W202区块。

表4   不同区块的单井加密井EUR评估及风险统计

Table 4  EUR evaluation and risk statistics of single well infill wells in different block

区块规划井EUR/（108 m3）P10/P90相对风险程度
P10P50P90
W2021.630.980.503.26高
W2041.570.930.523.02低

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4.3　区块风险开发风险

分别对W202区块和W204区块规划井的概率法EUR预测值求和获得区块加密井EUR总量，统计出2个区块内的加密井EUR（表5）。可以看出，W202区块和W204区块的P50值接近，相差不到1%；对于P90值，W204区块的大于W202区块；对于P10值，W204区块的小于W202区块；而对于P10/P90值，W202区块的大于W204区块。因此，在权益内投资相同的情况下，W202区块的风险大，而W204区块的风险小，W204区块更有优势。

表5   威远区块加密井EUR总量评估统计

Table 5  EUR total evaluation of infilling wells in Weiyuan block

区块规划井数/口规划EUR/（108 m3）P10/P90
P10P50P90
W2022225.4122.6019.931.27
W2042629.0026.0222.381.30

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4.4　概率法可靠性评价

确定性法储量更多从地质条件考虑储量的可靠性，而概率法偏重于数理统计考虑储量的可靠性。为比较确定性法与概率法储量评价结果，首先采用类比法获得加密井区块储量。依据SPE-PRMS和SPEE专论3关于页岩气规划井储量分级规则对区内储量分级，开发井1.5倍井距范围内为1P（包括证实已开发正生产储量PDP和证实未开发储量PUD），2.5倍井距范围内为2P储量，3.5倍井距范围内为3P储量。

经过分析表明，32口规划井储量级别属于证实未开发储量PUD，13口规划井储量级别属于概算储量（P2），3口属于可能储量（P3）。然后依据威远区块422口单井平均EUR值为1.12×108 m3，平均压裂段长为1 662 m，计算获得平均百米EUR值为611.6×104 m3，规划部署井水平段长为1 800 m，类比法计算获得各个级别单井EUR，把32口PUD储量加和获得PUD储量为35.21×108 m3，13口规划井求和获得概算储量（P2）为13.04×108 m3，3口规划井求和获得可能储量（P3）为2.99×108 m3，这样最终获得1P储量为35.21×108 m3、2P储量为48.25×108 m3和3P储量为51.24×108 m3，见表6。然后采用蒙特卡洛法对威远所有规划加密井EUR进行预测（图11），将P10、P50和P90统计在表6，从结果看确定性法2P储量和概率法P50结果十分接近，说明2种方法对规划加密井EUR估值是一致的。

表6   不同方法加密井EUR评估结果统计

Table 6  EUR evaluation results of infilling wells using different methods

确定性法EUR/（108 m3）概率法EUR/（108 m3）
1P2P3PP90P50P10
35.2148.2551.2444.8448.6652.73

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图11

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图11   威远区块规划加密井储量分布概率

Fig.11   Distribution of EUR probability for all planned wells in Weiyuan block


5 结论

（1） 建立概率法单井EUR评价流程可以快速实现对未开发井的EUR评价。该方法首先需要对每一口生产井EUR进行预测，然后确认区块内容井组是否具有可以类比的地质和工程工艺特征，再建立生产井EUR概率分布进行蒙特卡洛模拟得到加密井的EUR，最后对加密井的可采储量进行风险分析。

（2） 威远区块EUR的概率统计规律中P10/P90值为3.49~4.29，威远页岩气区块已经进入开发成熟期，项目具有生产井较多、开采技术成熟、储层条件相对稳定的特点，据此建立的概率法类比规划加密井的EUR是非常可靠的。

（3） 从W202区块和W204区块EUR概率法评估结果看，生产井数越多，加密井EUR的不确定性越小，可以降低加密井EUR目标产量风险、EUR实现风险和区块开发风险。在页岩气开发成熟阶段使用概率法评价EUR更加有效和可靠，可以为井位优选和投资决策提供参考。

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