四川盆地涪陵頁巖氣田單井可壓性地質因素研究

胡德高，劉 超

(1．中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2．中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

據(jù)美國能源情報署估計，全球頁巖氣地質儲量達623×1012m3,可采儲量達163×1012m3,中國頁巖氣可采儲量達36×1012m3，具有廣闊的開發(fā)前景[1-5]。涪陵頁巖氣田位于重慶涪陵， 屬川東高陡褶皺帶萬縣復向斜焦石壩構造帶，截至2016年底,探明儲量3 805.98×108m3，含氣面積383.54 km2，已建成70億方產(chǎn)能,為全球除北美之外最大的頁巖氣田[6]。

由于頁巖氣儲層致密，屬于低孔—超低滲儲層，為實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)必須進行壓裂增產(chǎn)作業(yè)[7-9]。前期研究者主要通過對頁巖的脆性礦物含量、脆性指數(shù)、水平應力差異系數(shù)等方面開展頁巖可壓性地質因素評價，基本形成了一套頁巖可壓性地質評價的思路[10-15]。但是對于脆性礦物含量、脆性指數(shù)、應力差系數(shù)等基本相似的區(qū)塊，則不能開展有效評價。本文根據(jù)涪陵頁巖氣田大量已壓裂測試井相關數(shù)據(jù)及資料，選取不同區(qū)域及構造位置具有代表性的水平井，從埋深、構造形態(tài)、裂縫發(fā)育特征等方面出發(fā)，開展頁巖氣單井可壓性地質因素研究及評價，以期為涪陵頁巖氣田水平井提供壓裂設計依據(jù)及優(yōu)化思路。

1 脆性及應力特征

目前涪陵頁巖氣田相關資料表明，不同直井之間五峰—龍馬溪組一段的同小層脆性礦物含量差異較小(圖1)，其中①～⑦小層脆性礦物含量較高，均大于50%，依據(jù)脆性礦物評價標準，評價為Ⅰ類，表明研究區(qū)頁巖儲層具備較好的壓裂改造條件。

彈性模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學參數(shù)，頁巖彈性模量高、泊松比低，表示儲層脆性高。根據(jù)楊氏模量、泊松比計算出各直井各小層脆性指數(shù)(圖2)，可以看到與脆性礦物含量類似，各直井同小層的脆性指數(shù)差異較小，其中①～⑦小層的脆性指數(shù)較高，基本大于50%，⑧、⑨小層則略低，在40%～50%。依據(jù)脆性指數(shù)與裂縫形態(tài)關系圖，涪陵頁巖氣田頁巖儲層具備形成復雜裂縫系統(tǒng)的條件。

當最大與最小水平主應力差異較小時，壓裂改造易形成復雜的方向性較差的裂縫系統(tǒng)。水平應力差異系數(shù)是復雜縫網(wǎng)能否實現(xiàn)的關鍵因素，是描述水平應力差異大小的重要指標。當水平應力差異系數(shù)小于0.1時，易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫；當水平應力差異系數(shù)大于0.25時難形成網(wǎng)狀裂縫[16]。涪陵頁巖氣田不同直井五峰—龍馬溪組一段主力氣層段①～⑤小層的水平應力差異系數(shù)僅H井略高于0.2外，其余10口直井均小于0.2(圖3)，表明研究區(qū)頁巖儲層基本具備形成網(wǎng)狀裂縫的條件。

圖1 四川盆地涪陵頁巖氣田不同直井五峰組—龍馬溪組一段①～⑨小層脆性礦物含量對比

圖2 四川盆地涪陵頁巖氣田不同直井五峰組—龍馬溪組一段①～⑨小層脆性指數(shù)對比

圖3 四川盆地涪陵頁巖氣田不同直井五峰組—龍馬溪組一段①～⑤小層水平應力差異系數(shù)對比

綜合上述分析，涪陵頁巖氣田單井在脆性礦物含量、脆性指數(shù)和水平應力差異系數(shù)等方面差異性較小，不能有效評價涪陵頁巖氣田單井頁巖儲層可壓性。

2 可壓性影響因素分析

2.1 儲層埋藏深度

儲層埋藏深度增加，會導致地應力、閉合應力等增加，且地層的塑性會出現(xiàn)增大的趨勢，因此，使得壓裂過程中儲層有效改造體積受限，導致壓裂改造難度增加，影響壓后效果。

2.1.1 埋深對壓裂施工的影響

選擇涪陵頁巖氣田不同區(qū)塊、不同埋深的8口已試氣井進行統(tǒng)計(表1)，表明隨著埋深的增大，單井上覆巖層壓力存在逐漸增大的趨勢，壓實作用增強，導致停泵壓力升高，壓裂施工難度增加；且壓裂造縫后的閉合壓力也較大，導致人造縫網(wǎng)閉合過快，影響壓后效果。

表1 四川盆地涪陵頁巖氣田典型水平井埋深與上覆巖層壓力、平均停泵壓力關系

2.1.2 埋深對脆性指數(shù)的影響

前人研究表明[17]：泥頁巖的脆性向塑性轉化主要受到溫度、圍壓等因素影響。隨著溫度的增加，泥頁巖解理面光滑程度降低，當溫度大于100 ℃時，解理面開始粗糙化，出現(xiàn)刻痕等現(xiàn)象，局部呈現(xiàn)河流狀、波浪狀等不規(guī)則的形狀,表明泥頁巖發(fā)生了塑性變形。

涪陵頁巖氣田已試氣井實測資料表明，氣層中部溫度隨埋深增大逐漸增加，當埋深大于3 000 m，地層溫度大于100 ℃(圖4)，表明涪陵頁巖氣田目的層頁巖可能出現(xiàn)塑性變形，導致脆性指數(shù)降低，影響壓裂改造效果。

2.1.3 埋深與單井產(chǎn)量關系

優(yōu)選涪陵頁巖氣田已試氣中水平段①～③小層穿行率大于70%，且含氣性較好區(qū)塊(焦石壩區(qū)塊主體區(qū)、西區(qū)及江東區(qū)塊)開展統(tǒng)計分析(圖5)，當水平段埋深小于2 800 m時，埋深的大小與一點法無阻流量呈散點狀，無明顯相關關系，表明在埋深小于2 800 m時，壓裂工程工藝能有效改造地層；當埋深大于2 800 m后，試氣產(chǎn)量與埋深呈較為負相關關系；當埋深越大，測試產(chǎn)量越低，表明隨埋深增大，壓裂改造能力降低，影響了單井產(chǎn)量。

圖4 四川盆地涪陵頁巖氣田目的層頁巖溫度與氣層中深關系

圖5 四川盆地涪陵頁巖氣田單井產(chǎn)量與埋深關系

2.2 構造形態(tài)

構造形態(tài)的差異也會對壓裂工程造成影響。正向構造主要表現(xiàn)為張應力，地應力相對較??；負向構造以壓應力為主，疊加上構造應力后，地應力往往較大，壓裂施工難度會明顯高于正向構造。

通過對涪陵頁巖氣田不同構造形態(tài)下試氣井壓裂效果分析證實，在埋深大于2 800 m區(qū)域，構造形態(tài)會對壓裂產(chǎn)生較為明顯的影響。焦頁A井和焦頁B井兩口水平井埋深基本相當，均在3 200～3 300 m。其中焦頁A井位于石門向斜，屬負向構造區(qū)；焦頁B井位于平橋斷背斜東翼斜坡，屬正向構造區(qū)。對比各壓裂段施工壓力參數(shù)(表2)，焦頁B井最大施工壓力均小于84 MPa，最小施工壓力基本小于50 MPa；而焦頁A井除第1段施工壓力略低外，其余壓裂段最大施工壓力均高于84 MPa，最小施工壓力基本高于60 MPa，明顯高于焦頁B井，表明構造形態(tài)對單井壓裂施工有一定影響。

對于同一口水平井，不同微幅構造形態(tài)的壓裂參數(shù)也會有細微差異。焦頁C井水平段埋深在3 160～3 170 m，埋深較淺，且差異較小。其中，第3～6壓裂段位于微幅正向構造，第9～12段位于微幅負向構造。對比不同微幅構造形態(tài)段的壓裂參數(shù)(表3)，第3～6段無論是破裂壓力、施工壓力，還是平均砂比，均好于第9～12段。

綜合上述分析認為，構造形態(tài)會對壓裂施工產(chǎn)生影響，導致單井測試產(chǎn)量出現(xiàn)差異，是影響單井可壓性及測試效果的地質因素之一。

表2 四川盆地涪陵頁巖氣田焦頁A和焦頁B井施工壓力參數(shù)

表3 四川盆地涪陵頁巖氣田焦頁C井水平段不同微幅構造壓裂參數(shù)

2.3 裂縫發(fā)育特征

頁巖氣水平井壓裂改造的目的就是為了制造復雜縫網(wǎng)，復雜縫網(wǎng)越多，表明壓裂效果越好，單井產(chǎn)量越高。前人研究認為儲層天然裂縫的發(fā)育特征會對壓裂改造和復雜縫網(wǎng)的形成有一定的影響。目前表征裂縫發(fā)育特征主要有曲率、方差體、螞蟻體等方法。在涪陵頁巖氣田，利用曲率能夠較好地表征頁巖儲層天然裂縫的平面發(fā)育特征。

2.3.1 曲率發(fā)育非均質性對壓裂改造的影響

涪陵頁巖氣田構造較為復雜，受構造及斷裂影響，平面多發(fā)育斑點狀和條帶狀曲率。通過分析水平井曲率特征與微地震監(jiān)測匹配關系，可以看到若水平段周緣曲率發(fā)育非均質性較弱，井筒兩側微地震反映的壓裂改造范圍大致相當(圖6a)；若水平段兩側曲率發(fā)育非均質性較強，則井筒兩側微地震反映的改造范圍會受到條帶狀曲率的影響(圖6b)。表明井筒周緣曲率發(fā)育的非均質性對壓裂改造效果產(chǎn)生一定影響。

圖6 四川盆地涪陵頁巖氣田水平井曲率發(fā)育特征與微地震監(jiān)測匹配圖

2.3.2 深層區(qū)曲率發(fā)育程度對壓裂改造的影響

受埋深較大的影響，水平井壓裂難度大，縫網(wǎng)形成能力較差，若水平段穿行所處區(qū)域曲率相對發(fā)育，壓裂過程中有利于形成縫網(wǎng)，可能會提高單井產(chǎn)量。

圖7 四川盆地涪陵頁巖氣田焦頁C-1井和焦頁C-2井曲率匹配圖

選取位于同一平臺的焦頁C-1井(后2段)和焦頁C-2井(前7段)，這兩口井所選取壓裂段埋深(均在3 700～3 750 m)接近，脆性礦物含量(大于50%)評價均為Ⅰ類。但井筒周緣曲率發(fā)育程度表現(xiàn)出明顯的差異性(圖7)，其中焦頁C-1井水平段兩側曲率相對發(fā)育，表明目的層裂縫發(fā)育程度可能高于焦頁C-2井水平段的前7段(曲率不發(fā)育)。兩口井在壓裂過程中加砂情況差異較大，其中焦頁C井后2段加砂較為順暢，平均砂比較高(8.38%)；焦頁C-2井則加砂較為困難，平均砂比較低(5.23%)。綜合曲率發(fā)育程度和壓裂加砂情況揭示出曲率發(fā)育程度是影響水平井縫網(wǎng)改造效果的主要地質因素。

3 結論

根據(jù)目前涪陵頁巖氣田開發(fā)實踐，影響單井可壓性的主要地質因素包括埋深、構造形態(tài)和曲率發(fā)育特征。

(1)埋深增加會導致地應力、閉合應力增加，頁巖脆性降低，塑性增強，導致壓裂施工難度增大，影響壓后效果，是影響單井可壓性的最重要的地質因素。

(2)受構造擠壓應力的影響，位于負向構造的水平井的單井可壓性相對正向構造較差。

(3)水平井井筒周緣曲率非均質性越弱，則井筒兩側改造范圍大致相當，在壓裂可改造能力范圍內，壓后效果較好。若曲率非均質性較強，壓裂縫網(wǎng)延伸可能受限，影響單井可壓性，導致改造效果變差，降低單井產(chǎn)能。在深層區(qū)域，位于曲率較發(fā)育區(qū)的單井，可壓性較好。

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