泌陽凹陷陸相頁巖油地質綜合評價技術及應用

賈艷雨，柯 思，霍晗勇，羅 曦，譚靜娟，韓風華

(中國石化河南油田分公司，河南南陽 473132)

泌陽凹陷陸相頁巖油地質綜合評價技術及應用

賈艷雨，柯 思，霍晗勇，羅 曦，譚靜娟，韓風華

(中國石化河南油田分公司，河南南陽 473132)

介紹了對泌陽凹陷陸相頁巖地質綜合研究過程中，形成的巖石學分析、測井儲層評價、錄井儲層評價、地震儲層預測、資源評價、目標區(qū)優(yōu)選評價、水平井優(yōu)化設計及開發(fā)方案優(yōu)化設計八項技術。明確了泌陽凹陷頁巖儲層的巖相類型、儲集空間類型及發(fā)育特征、測錄井響應特征、儲層地震響應特征、裂縫分布特征及頁巖油資源規(guī)模等。利用目標區(qū)優(yōu)選評價技術結合測錄井及地震儲層預測評價結果，優(yōu)選評價了泌陽凹陷頁巖油勘探有利目標區(qū)，通過鉆井證實了泌陽凹陷陸相頁巖油的良好勘探潛力。利用開發(fā)方案優(yōu)化設計技術初步設計了已取得勘探突破的5號頁巖層的開發(fā)井網,為頁巖油的后期開發(fā)提供了保障。

泌陽凹陷；陸相頁巖油；地質評價；有利目標；水平井部署

頁巖油是指賦存于頁巖地層中的原油，是以孔隙+裂縫為主要儲集空間的自生自儲式的連續(xù)型油藏[1-2]。一般頁巖油與頁巖氣為共生關系，當Ro大于1.1%時，以頁巖氣為主，當Ro在0.7%～1.1%，以頁巖油為主。據(jù)國內有關文獻資料，中國東部陸相湖盆發(fā)育分布廣泛的富含有機質頁巖，頁巖油資源量巨大，勘探開發(fā)前景廣闊[3]。本文以南襄盆地陸相富油凹陷——泌陽凹陷為例，闡述了在陸相頁巖油勘探進程中形成的陸相頁巖油地質綜合評價技術及勘探成果，以期為國內其它陸相湖盆頁巖油勘探提供一定的借鑒。

1 地質概況

泌陽凹陷為南襄盆地的一個次級斷陷，面積1 000 km2[3]，自下而上依次沉積古近系玉皇頂組、大倉房組、核桃園組、廖莊組、新近系鳳凰鎮(zhèn)組及第四系平原組地層，其中，核桃園組是泌陽凹陷主要的生油與儲集巖段[5]。泌陽凹陷常規(guī)油氣探明程度高達78%，勘探難度日益增大，自2011年起針對泌陽凹陷開展陸相頁巖油勘探工作，尋求資源接替。前期研究表明，泌陽凹陷核桃園組具備頁巖油形成的有利條件，根據(jù)頁巖油有效層系劃分原則，縱向上將泌陽凹陷頁巖劃分為6套主力頁巖層系，并針對5號主力頁巖層在深凹區(qū)部署了兩口頁巖油水平井——泌頁HF1井與泌頁2HF井，兩口井多級分段壓裂后分別獲得最高日產23.6 m3和28.1 m3工業(yè)油流，使得泌陽凹陷在國內陸相頁巖油勘探中取得實質性突破[6-7]。

2 地質綜合評價技術

地質綜合評價技術是非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的核心技術之一，也是決定非常規(guī)油氣能否高效開發(fā)的重要前提。通過開展泌陽凹陷陸相頁巖油地質綜合研究，形成了適合陸相頁巖油的八項地質評價技術，并成功應用于泌陽凹陷頁巖油勘探實踐。

2.1 巖石學分析技術

研究特低孔、特低滲頁巖儲層的巖石學特征及頁巖油賦存方式，除常規(guī)的薄片分析技術、掃描電鏡技術外，還需要借助氬離子拋光掃描電鏡、定量礦物評價(QENSCAN)、納米CT掃描等更為先進的巖石學分析技術來研究不同尺度的頁巖油賦存空間及頁巖油賦存狀態(tài)。利用常規(guī)薄片結合掃描電鏡技術可觀察頁巖礦物組成，同時可以觀察到頁巖毫米級、微米級孔隙，而對于納米級孔隙的直接觀察主要利用高分辨率環(huán)境掃描電鏡、氬離子拋光掃描電鏡、納米CT掃描等技術。利用幾項技術相結合的形式研究了泌陽凹陷頁巖儲層的巖相類型及特征、儲集空間類型、發(fā)育特征、空間分布及頁巖油賦存狀態(tài)等。研究認為泌陽凹陷頁巖主要發(fā)育塊狀泥巖、粉砂質頁巖、灰質頁巖、黏土質頁巖和白云質頁巖5種巖相，發(fā)育有4種孔隙和3種裂縫，其中孔隙類型包括粒間孔(石英、長石)、晶間孔(黏土礦物、方解石及黃鐵礦)、溶蝕孔(方解石、長石)及有機質相關孔隙；裂縫類型包括構造縫(剪性縫和張性縫)、層間縫和微裂縫(礦物收縮縫、晶間微縫及層間微縫)[8]。泌陽凹陷頁巖儲層中儲集空間大小從微米級到納米級不等，納米級孔隙直徑一般在13～1 000 nm，按照甲烷分子直徑0.34 nm，油分子0.5～3 nm計算，納米級的孔隙直徑遠遠大于油分子直徑，可以作為頁巖油良好的儲集空間，頁巖油以吸附和游離兩種狀態(tài)賦存于各種儲集空間類型中。前期研究認為5種巖相類型中灰質頁巖孔隙最為發(fā)育，其主要發(fā)育方解石溶蝕孔和層間縫，最有利于頁巖油的富集[9]。

2.2 測井儲層評價技術

頁巖儲層測井評價主要是充分利用元素俘獲能譜、微電阻率掃描、核磁、偶極子聲波等測井新技術[10]，結合常規(guī)測井來開展頁巖測井響應特征和巖電關系研究，從而有效進行儲層識別與劃分，建立陸相頁巖儲層測井識別評價標準，評價縱向上甜點層，為水平井優(yōu)選最佳著陸點及分段壓裂選段選簇優(yōu)化工作提供依據(jù)。利用常規(guī)測井及元素俘獲等特殊測井資料，結合巖心實驗分析資料，建立了泌陽凹陷陸相頁巖油甜點層測井綜合解釋評價標準：①連續(xù)含油頁巖層單層厚度大于30 m，且有效厚度大于10 m，夾層厚度小于3 m；②有機碳含量大于2.0%；③脆性礦物含量大于55%；④孔隙度大于4%；⑤電性特征：巖性密度小于2.5 g/cm3、中子大于20 pu、聲波時差大于300 μs/m，中子與聲波交會有一定面積。利用此標準優(yōu)選了泌頁HF1井的甜點層。除此之外，還可以利用測井曲線建模來追蹤不同巖石相類型的平面分布，利用成像測井等觀察頁巖的裂縫發(fā)育情況，最終綜合預測頁巖油富集的甜點區(qū)。

2.3 錄井儲層評價技術

頁巖儲層的錄井評價主要是利用核磁、元素、X衍射錄井等新技術，結合常規(guī)錄井開展評價，進而建立頁巖儲層錄井解釋圖版，實質是進行頁巖巖性識別、儲層劃分及含油氣性的綜合評價。其中核磁錄井可以評價頁巖儲層物性、孔喉結構及可動流體特征，元素及X衍射錄井可以評價頁巖的礦物組成和脆性礦物含量。泌陽凹陷頁巖儲層錄井評價技術首先利用巖屑錄井方法結合巖心錄井觀察描述，開展了頁巖巖性識別，然后利用氣測、地化及核磁等錄井資料開展了頁巖儲層含油氣性及物性特征評價，總結了含油頁巖儲層錄井響應特征規(guī)律。一般現(xiàn)場地化錄井可直接測出有機質豐度，初步表征頁巖儲層的富有機質程度，分析認為泌陽凹陷頁巖油層具有巖屑顏色深、巖石鉆時低、氣測異常明顯、有機質豐度高、核磁為雙峰結構等錄井響應特征。其次，根據(jù)元素、X衍射錄井資料，結合室內化驗分析資料對頁巖儲層脆性礦物成分進行現(xiàn)場快速分析，評價儲層脆性礦物含量及儲層可壓性。再次，利用現(xiàn)場含油氣測試儀器可快速直接評價頁巖油層含油氣性。后期，以頁巖儲層各項錄井參數(shù)為依據(jù)，建立相應的錄井解釋圖版，進一步評價頁巖儲層的含油氣性，利用此方法，建立了泌陽凹陷的烴比值解釋圖版、TOC-S2解釋圖版和甲烷相對含量C2/C3解釋圖版(圖1)，最終認為泌頁HF1井2 390～2 474 m井段為頁巖油相對富集層段。

2.4 地震儲層預測技術

圖1 泌頁HF1井頁巖儲層甲烷相對含量C2/C3解釋圖版

地震儲層預測技術包括對頁巖儲層地震響應特征的研究、對頁巖儲層的分布、裂縫和含油氣性、地層壓力、有機碳含量分布預測等等。泌陽凹陷主要是利用高分辨率三維地震資料，結合測錄井及VSP測井等地質資料進行地震層位標定，研究頁巖儲層地震響應特征，應用時差分析、頻譜分解、屬性分析及地震反演等技術預測頁巖儲層分布特征及展布范圍；利用裂縫預測及含油氣性檢測、地層壓力預測等技術，預測頁巖油平面上的甜點區(qū)，為頁巖油有利目標優(yōu)選提供依據(jù)[11]。研究發(fā)現(xiàn)泌陽凹陷頁巖儲層具有低縱橫波速比、中等泊松比、較強反射振幅、AVO振幅近弱遠強等地震響應特征；針對泌陽凹陷5號頁巖層進行平面追蹤，利用均方根振幅預測，結果表明該層平面上分布穩(wěn)定，沿深湖區(qū)北西-南東向分布，分布面積約80 km2(圖2)；利用AVO屬性反演技術預測泌陽凹陷5號主力頁巖層含油氣情況，發(fā)現(xiàn)安深1井西南部以及泌396井區(qū)附近含油氣性較明顯；利用構造曲率分析技術及Refract裂縫預測軟件預測安深1井區(qū)主力頁巖層裂縫發(fā)育帶，發(fā)現(xiàn)安深1井西南部縫發(fā)育密度較大。結合地質資料綜合分析認為安深1井西南部及泌396井區(qū)有利于頁巖油富集，分別針對兩個地區(qū)部署了頁巖油水平井泌頁HF1井與泌頁2HF井，均獲得較好效果。

圖2 泌陽凹陷5號頁巖層均方根振幅屬性平面圖

2.5 資源評價技術

頁巖油氣的資源評價方法主要有類比法、成因法、統(tǒng)計法、動態(tài)法、體積法等多種方法[12]，根據(jù)不同地區(qū)勘探程度差異，應采用針對性的資源評價方法，對于泌陽凹陷這類高成熟區(qū)，可采用體積法計算頁巖油氣資源量，其中氯仿瀝青“A”法(頁巖油資源量=有效厚度×面積×密度×氯仿瀝青“A”×校正系數(shù))和熱解S1法(熱解S1代替氯仿瀝青“A”)計算成熟探區(qū)的頁巖油資源量應用相對廣泛。這兩種計算方法的關鍵在于有效厚度、面積和校正系數(shù)幾個參數(shù)的求取。一般有效厚度的確定主要采用有機碳關聯(lián)法，其基礎是認為頁巖面積的有效性主要取決于其中有機碳含量的大小，然后據(jù)此對其分布概率進行賦值；面積的求取一般采用相對面積占有法，即從最大厚度中心處(可為單厚度或多厚度中心)開始，依據(jù)不同厚度等值線所占評價單元有效面積的相對多少求取對應的條件概率，也就是說在有效頁巖等厚圖上，不同概率條件下的厚度估計大致可與該厚度等值線所圈定的面積占有效評價面積的多少有關；氯仿瀝青“A”與熱解S1的校正系數(shù)應根據(jù)頁巖儲層的地化特征進行相應的輕烴恢復[13]，以使得計算的資源量值更為準確。利用氯仿瀝青“A”法計算泌陽凹陷核桃園組頁巖油資源量為10.28×108t，其中5套主力頁巖層資源量4.2×108t，資源前景廣闊。

2.6 目標區(qū)優(yōu)選評價技術

目標區(qū)優(yōu)選評價技術主要包括有利區(qū)塊評價、有利區(qū)帶評價及有利目標評價。有利區(qū)塊評價是區(qū)帶評價的基礎，主要采用雙因素評價模型，綜合考慮地質條件與工程技術條件進行區(qū)塊評價；有利區(qū)帶評價主要是以區(qū)域地質條件為基礎，以富含有機質泥頁巖為目標，以構造、沉積、有機地化等資料為依據(jù)，進行區(qū)域頁巖油氣富集條件分析和資源潛力研究，劃分頁巖油氣遠景區(qū)、有利區(qū)及核心區(qū)；有利目標評價是頁巖油氣勘探評價最重要的環(huán)節(jié)，主要為勘探突破與優(yōu)選井位提供依據(jù)，首先考慮有機質豐度、熱演化程度、脆性礦物含量、厚度、物性和原地油氣儲量等油藏因素，其次還要考慮地應力特征、斷層、裂縫、相鄰含水層、儲層敏感性等工程因素[10]。泌陽凹陷為中國典型的富油凹陷，富含有機質的暗色泥頁巖十分發(fā)育，是陸相頁巖油勘探的有利區(qū)塊；深凹區(qū)發(fā)育湖相頁巖，前期評價認為泌陽凹陷深凹區(qū)核桃園地層6套主力頁巖層單層厚度30～80 m，有機碳含量平均2.52%，熱演化程度Ro為0.7%～1.1%，孔隙度4.36%，脆性礦物含量平均60%以上，為陸相頁巖油勘探的有利層系和區(qū)帶。在有利層系和區(qū)帶內開展有利目標評價，縱向上優(yōu)選5號主力頁巖層，平面上優(yōu)選儲層最為發(fā)育、有機質豐度高、熱演化程度適中、儲層儲集物性好、裂縫發(fā)育、脆性礦物含量高、斷層水層不發(fā)育、工程條件相對有利、有利于頁巖油富集與開采的地區(qū)為頁巖油井位部署首選有利目標。最終，優(yōu)選了5號頁巖層內安深1井西南與泌396井區(qū)兩個有利目標，分別部署了泌頁HF1與泌頁2HF井兩口頁巖油水平井(圖3)。

圖3 泌陽凹陷5號頁巖層有利區(qū)BYHF1與BY2HF井部署

2.7 水平井優(yōu)化設計技術

水平井優(yōu)化設計主要包括水平井部署區(qū)的選取、井軌跡方向的優(yōu)化、水平段最佳著陸點選擇等方面。一般水平井平面部署區(qū)優(yōu)選在富含有機質、較高孔滲、脆性礦物富集及裂縫發(fā)育的地區(qū)，即上述優(yōu)選評價的有利目標區(qū)；水平井鉆井軌跡方向一般垂直于最大水平主應力方向，以利于鉆探與后期壓裂改造；水平井最佳著陸點一般選擇在有機質豐度高、脆性礦物含量高、裂縫發(fā)育、物性較好、電性特征明顯、含油氣性好、各項異性弱且?guī)r石穩(wěn)定性較好的頁巖甜點層[14]。泌陽凹陷泌頁HF1井利用此技術開展了水平井的設計優(yōu)化，該井設計垂深2 450 m，斜深3 661 m，水平段長度1 000 m，自北向南鉆進(最大主應力方向近東西向)，優(yōu)選評價頁巖油最為富集的2 399～2 499 m為著陸層。該井于2011年12月5日完鉆，完鉆井深3 722 m，水平段長度1 044 m，采用139.7 mm套管固完井方式完井，完井后優(yōu)選甜點段，甜點層實施15級分段壓裂，獲最高日產油23.6 m3、天然氣1 000 m3工業(yè)油氣流。

2.8 開發(fā)方案優(yōu)化設計技術

開發(fā)方案優(yōu)化主要包括開采層系及井網的優(yōu)化、“井工廠”化開采、水平段長度優(yōu)化、壓裂規(guī)模優(yōu)化及項目的管理優(yōu)化。開發(fā)方案優(yōu)化設計主要是在縱向上優(yōu)選有利層系，優(yōu)先動用最有利目標區(qū)，然后在勘探水平井分段壓裂取得較好效果的前提下，開展先導實驗區(qū)的選取和經濟評價，優(yōu)選有利目標區(qū)進行井組開發(fā)先導試驗，然后采用“井工廠”的開采模式選擇“甜點區(qū)”分區(qū)塊、分層系合理科學部署開發(fā)井網，并實行標準化設計、工廠化作業(yè)、高效化生產、集約化管理、項目化運作的工作模式。在井網部署和“井工廠”開采過程中要注重水平段長度和壓裂規(guī)模的優(yōu)化，最終達到頁巖油井產量和效益的最優(yōu)化效果。目前泌陽凹陷主要是參照北美的頁巖油開發(fā)方案優(yōu)化方式進行初期開發(fā)井網設計部署，計劃優(yōu)先動用5號主力頁巖層綜合評價有利區(qū)，按照部署原則，預計部署水平井36口，井組6～7個，每個井組6～8口井，其中計劃單井進尺4 000 m，水平段長1 000 m，井距400 m，單井控制儲量20×104t。

3 結論與認識

(1)通過開展泌陽凹陷陸相頁巖油地質綜合評價技術研究，建立了包括巖石學分析、測井儲層評價、錄井儲層評價、地震儲層預測、資源評價、目標區(qū)優(yōu)選評價、水平井優(yōu)化設計、開發(fā)方案設計化優(yōu)等八項陸相頁巖油地質評價技術。

(2)利用巖石學分析技術明確了泌陽凹陷儲集空間大小從微米級到納米級不等，納米級孔隙直徑一般在13～1 000 nm，孔隙直徑遠遠大于油分子直徑，可以作為頁巖油良好的儲集空間。

(3)利用陸相頁巖油資源評價技術，計算泌陽凹陷頁巖油資源量10.28×108t，其中5套主力頁巖層頁巖油資源量4.2×108t，表明泌陽凹陷具有良好的陸相頁巖油勘探潛力。

(4)利用陸相頁巖油地質綜合評價技術，開展了泌陽凹陷有利區(qū)帶及目標評價，優(yōu)化部署了泌頁HF1與泌頁2HF兩口頁巖油水平井，兩口井壓裂后均獲得工業(yè)油流，取得了陸相頁巖油的勘探突破。

[1] 翟光明.關于非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的幾點思考[J].天然氣工業(yè)，2008，28(12):1-3

[2] 孫紅軍,劉立群.從深水油氣勘探到頁巖油氣開發(fā)-2009年AAPG年會技術熱點透視[J].石油與天然氣地質,2009,30(5):1-5.

[3] 鄒才能,楊智,崔景偉，等.頁巖油形成機制、地質特征及發(fā)展對策[J].石油勘探與開發(fā),2013，40(1):14-18.

[4] 楊道慶,陸建林.泌陽凹陷新生代構造演化及形成機制[J].石油天然氣學報,2005,27(4):416-419.

[5] 邱永華,李連生，張永華.泌陽凹陷北部斜坡帶油氣富集控制因素與勘探技術[J].石油天然氣學報,2006,28(2):29-31.

[6] 陳祥,嚴永新,章新文,等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖氣形成條件研究[J].石油實驗地質,2011,33(2):27-32.

[7] 陳祥,王敏,嚴永新，等.泌陽凹陷陸相頁巖油氣成藏條件分析[J].石油與天然氣地質,2011,32(4):568-576.

[8] 王敏,陳祥,嚴永新，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖油地質特征與評價[J].古地理學報,2013,15(5):663-671.

[9] 章新文,王優(yōu)先,王根林，等.河南省南襄盆地泌陽凹陷古近系核桃園組湖相頁巖油儲集層特征評價[J].古地理學報,2015,17(1):107-118.

[10] 陳祥,丁連民，劉洪濤，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖儲層壓裂技術研究及應用[J].石油地質與工程，2011,25(3):21-24.

[11] 羅蓉,李青.頁巖氣測井評價及地震預測、監(jiān)測技術探討[J].天然氣工業(yè),2011,31(4):34-39.

[12] 鄒才能,陶士振.非常規(guī)油氣地質[M].北京：地質出版社，2009.

[13] 宋國奇,張林曄,盧雙舫，等.頁巖油資源評價技術方法及應用[J].地學前緣,2013,20(4):222-226.

[14] 方錫賢,王成.河南油田泌陽凹陷頁巖油勘探開發(fā)思考[J].錄井工程,2014,25(1):7-9.

編輯：吳官生

1673-8217(2015)06-0001-04

2015-06-10

賈艷雨，1988年生，2011年畢業(yè)于中國石油大學(華東)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣勘探研究工作。

TE122.2

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