湘西北頁巖氣勘探慈頁1井地質(zhì)背景及鉆探效果

肖擁軍，雷隆賢，楊　仙，2，鄧　敏

（1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201）

湘西北頁巖氣勘探慈頁1井地質(zhì)背景及鉆探效果

肖擁軍*1，2，雷隆賢1，楊仙1，2，鄧敏1

（1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201）

頁巖氣是一種非常規(guī)氣藏，湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖有機(jī)碳含量和熱演化程度高，具有良好的頁巖氣形成條件。牛蹄塘組泥頁巖的孔隙度相對(duì)較低，滲透率度相對(duì)較低，具有較強(qiáng)的氣體吸附能力。慈頁1井是一口頁巖氣預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深2 810 m，目的層位為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，完鉆井深達(dá)3008米，根據(jù)慈頁1井鉆探工程地質(zhì)日?qǐng)?bào)分析了實(shí)際鉆進(jìn)地層及井身結(jié)構(gòu)，共劃分了15個(gè)儲(chǔ)層，發(fā)現(xiàn)52米的富有機(jī)質(zhì)頁巖。論文對(duì)后期頁巖氣勘探水平井及壓裂技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，還指出國(guó)際油價(jià)的走低對(duì)頁巖氣開采帶了較大的壓力。

湘西北；慈頁1井；頁巖氣；地質(zhì)背景；鉆探效果

頁巖氣是從頁巖層或泥巖層中開采出來的天然氣，是一種非常規(guī)氣藏，全世界范圍內(nèi)泥、頁巖約占全部沉積巖的60%，頁巖氣資源前景巨大。近十幾年來，美國(guó)、加拿大等國(guó)家在水平井與水力壓裂等技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，頁巖氣藏的勘探開發(fā)獲得了巨大的成功，2013年，美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量接近3000×108m3。2011年12月，國(guó)土資源部發(fā)布新發(fā)現(xiàn)礦種公告，將頁巖氣作為獨(dú)立礦種加強(qiáng)管理。據(jù)2011年全國(guó)頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)初步預(yù)算，湖南頁巖氣資源量達(dá)9.2×1012m3左右，可開采量在1.5～2×1012m3左右，主要分布在湘西北、湘中和湘東南，其中湘西北地區(qū)為優(yōu)先開發(fā)區(qū)塊，近期已在湘西北、湘中、湘東南等地開展了勘探鉆井工作并成功探獲頁巖氣。

1　湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏地質(zhì)條件

頁巖氣藏是典型的自生自儲(chǔ)型氣藏，因此評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層除與常規(guī)儲(chǔ)層有相同的巖石學(xué)、物性等儲(chǔ)層基本特征外，還應(yīng)考慮頁巖氣藏形成的含氣性及能否被開采條件，其中影響頁巖氣的地質(zhì)因素包括有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、頁巖厚度、埋深、孔隙度和裂隙率、脆性等［1］。湘西北地區(qū)寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組以黑色炭質(zhì)頁巖為主夾細(xì)砂巖及粉砂質(zhì)頁巖，底部為黑色薄層硅質(zhì)巖、“石煤”層及磷礦層，區(qū)內(nèi)各地巖性變異不大，僅古生物有所不同，厚度257～1119m。湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖分布面積廣、厚度大且厚度分布受沉積相帶控制、有機(jī)碳含量和熱演化程度高，已達(dá)高－過成熟階段，黑色頁巖屬Ⅰ型干酪根，具有良好的頁巖氣形成條件［2-4］。

湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖中礦物以石英和粘土礦物為主，硅質(zhì)含量較高、脆性礦物含量豐富，粘土礦物中主要以伊利石和伊/蒙混層為主，利于后期壓裂改造和吸附氣的大量富集。發(fā)育的構(gòu)造裂縫、有機(jī)質(zhì)微孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕孔是頁巖基質(zhì)孔裂隙的主要組成部分。牛蹄塘組泥頁巖中蜂窩狀的有機(jī)質(zhì)豐富，其內(nèi)部納米級(jí)孔隙發(fā)育。測(cè)試分析表明湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖的孔隙度相對(duì)較低，為0.6%～11.7%，平均4.6%，滲透率度相對(duì)較低，為0.002～0.06mD，平均0.014mD。頁巖的吸附氣含量達(dá)0.45～1.30cm3/g，具有較強(qiáng)的氣體吸附能力［5-7］。

2　慈頁1井鉆探效果

“慈頁1井”是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在湖南地區(qū)部署的第一口頁巖氣預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深2810m，目的層位為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，設(shè)計(jì)完鉆層位為上震旦統(tǒng)燈影組。奧陶系及寒武系上部為近2000m灰?guī)r段，地層古老，巖石致密堅(jiān)硬，采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，頁巖層井段采用PDC鉆頭，以達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。在牛蹄塘組中設(shè)計(jì)取芯進(jìn)尺100m，取芯段采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低排量的鉆進(jìn)規(guī)程保證巖芯采取率。

慈頁1井于2013年12月26日開鉆，至2014年6月3日完鉆井深3008m，鉆時(shí)136d。根據(jù)慈頁1井鉆探工程地質(zhì)日?qǐng)?bào)分析該井自上而下依次鉆遇下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖和臨湘組瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r，中奧陶統(tǒng)灰?guī)r，下奧陶統(tǒng)大灣組灰?guī)r、紅花園組生物灰?guī)r、桐梓組云質(zhì)灰?guī)r，上寒武統(tǒng)婁山關(guān)群灰質(zhì)白云巖，中寒武統(tǒng)探溪組泥質(zhì)灰?guī)r、下寒武統(tǒng)清虛洞組云灰?guī)r和牛蹄塘組頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r（745m）、震旦系燈影組含灰硅質(zhì)白云巖等地層。一開采用?444.5mm鉆頭鉆進(jìn)了158.2m，下入?339.7mm套管，二開采用?311.1mm鉆頭鉆進(jìn)到2926m，下入?244.5mm套管，三開采用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)到3008m，下入?139.7mm套管。通過測(cè)井資料解釋，在2260～2760m井段內(nèi)，共劃分了15個(gè)儲(chǔ)層（總厚度248.7m）。其中在2697～2749m牛蹄塘組井段（圖1），發(fā)現(xiàn)52m的富有機(jī)質(zhì)頁巖，本段氣測(cè)全烴值最高可達(dá)3.6%，且甲烷含量占98%；該段儲(chǔ)層孔隙度大于2%，TOC達(dá)到6%以上，為物性較好且有機(jī)質(zhì)豐度高的儲(chǔ)層，預(yù)測(cè)該層段頁巖氣可達(dá)2.6m3/t［8］。

圖1　慈頁1井2706.02～2715.26m牛蹄塘組頁巖巖芯（據(jù)慈頁1井鉆探工程地質(zhì)日?qǐng)?bào)）

3　頁巖氣勘探水平井及壓裂技術(shù)

近十幾年來，美國(guó)、加拿大等國(guó)家在水平井與水力壓裂等技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下（圖2），把頁巖氣藏作為勘探開發(fā)的重要目標(biāo)，并獲得了巨大的成功。國(guó)內(nèi)彭頁HF-1頁巖氣水平井鉆井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)和油基鉆井液是頁巖氣水平井施工成功的關(guān)鍵［9］。湘頁1井采用清水代替滑溜水進(jìn)行壓裂，施工用液1520m3，累計(jì)加82m3，壓后最高產(chǎn)氣量2700m3/d［10］。也有研究認(rèn)為埋深1500m以淺的有利儲(chǔ)層或勘探淺井可采用氮?dú)馀菽瓑毫眩裆钤?500～3000m的井可采用清水壓裂，埋深超過3000m的儲(chǔ)層暫不考慮開發(fā)［11-12］。

圖2　頁巖氣勘探水平井及水力壓裂示意圖

頁巖儲(chǔ)集層薄直井單井產(chǎn)量低，與直井相比水平井在頁巖氣開發(fā)中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。水平井成本為直井的1.5～2.5倍，但初始開采速度、控制儲(chǔ)量和最終評(píng)價(jià)可采儲(chǔ)量卻是直井的3～4倍；水平井與頁巖層中裂縫（主要為垂直裂縫）相交機(jī)會(huì)大，可明顯改善儲(chǔ)層流體的流動(dòng)狀況，另外水平井減少了地面設(shè)施，開采延伸范圍大，能夠避免地面不利條件的干擾。水平井鉆井所涉及的技術(shù)包括井位與井眼的方位選擇、井身設(shè)計(jì)等。水平井井位與井眼方位一般應(yīng)選在有機(jī)質(zhì)與硅質(zhì)富集、裂縫發(fā)育程度高的頁巖區(qū)及層位，水平井的方位角及進(jìn)尺對(duì)頁巖氣產(chǎn)量產(chǎn)生重要的影響。理論上，鉆井的方向應(yīng)與最大水平應(yīng)力方向垂直，使井筒穿過盡可能多的地層，與更多的裂縫接觸，使氣體更容易流入井筒，提高采收率。

頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但頁巖氣儲(chǔ)集層滲透率低，開采難度較大，所有的井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采出來。水力壓裂是改善儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)，增加滲流通道的最有效方法，頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)根據(jù)工藝差別分為多級(jí)壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂。

4　討論

頁巖氣的成功來自于地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)的創(chuàng)新和先進(jìn)的鉆完井技術(shù)的完美結(jié)合。湘西北地區(qū)寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組具有良好的頁巖氣形成條件。近期已在湘西北等地開展了勘探鉆井工作并成功探獲頁巖氣。后期商業(yè)開采過程需要采用水平井及壓裂技術(shù)，需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立適用我國(guó)頁巖地層情況的鉆井壓裂技術(shù)。另一方面美國(guó)頁巖氣開發(fā)成功從供求兩個(gè)方面影響國(guó)際原油市場(chǎng)，從2014年6月的每桶100多美元到2015年1月跌破50美元，國(guó)際油價(jià)的狂跌使美國(guó)頁巖油勘探和生產(chǎn)企業(yè)造成致命打擊。美國(guó)WBH Energy頁巖油開采公司成為美國(guó)本土第一家破產(chǎn)的頁巖油公司。由于國(guó)內(nèi)頁巖氣開發(fā)技術(shù)不成熟，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每口井的勘探成本遠(yuǎn)高于美國(guó)，國(guó)際油價(jià)下跌也會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)帶來較大壓力。

［1］蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)［J］.天然氣工業(yè)，2010（10）：7-12，113-114.

［2］鄧翼，楊榮豐，肖正輝，等.張家界地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組沉積特征與頁巖氣成藏研究［J］.西部探礦工程，2013（12）：119-124.

［3］曹有金，陳新躍，楊榮豐，等.湘西北寒武系黑色頁巖地質(zhì)演化及頁巖氣成藏靶區(qū)分析［J］.西部探礦工程，2013（9）：159-162.

［4］肖正輝，楊榮豐，馮濤，等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及其勘探潛力分析［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，27（1）：50-54.

［5］肖正輝，王朝暉，楊榮豐，等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲(chǔ)集條件研究［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)2013，87（10）：1612-1623.

［6］周慶華，宋寧，王成章，等.湖南花垣頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)評(píng)價(jià)與勘探展望［J］..天然氣地球科學(xué)，2014，25（1）：130-140.

［7］王陽，朱炎銘，陳尚斌，等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣形成條件分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42（4）：586-594.

［8］王瓊杰，曾麗，王文彬.“氣化湖南”逐夢(mèng)人—湖南第一口頁巖氣預(yù)探井“慈頁1井”勘查紀(jì)實(shí)［N］.中國(guó)礦業(yè)報(bào)，2014.7.31.

［9］姜政華，童勝寶，丁錦鶴.彭頁HF－1頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：28-31.

［10］賴建林，劉紅磊，朱賢清.湘頁1井大型清水壓裂工藝技術(shù)研究［J］.油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā)，2013，3（1）：75-78.

［11］唐穎，唐玄，王廣源，張琴.頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述［J］.地質(zhì)通報(bào)，2011，30（2-3）：393-399.

［12］唐穎，張金川，張琴，龍鵬宇.頁巖氣井水力壓裂技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］.開發(fā)工程，30（10）：33-38.

TE1

B

1004-5716（2016）03-0070-03

2015-03-16

2015-03-17

湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（13C309）；頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（E21428）。

肖擁軍（1974-），男（漢族），湖南祁東人，博士，副教授，研究方向：地質(zhì)工程。