保靖頁巖氣區(qū)塊儲層可壓性評價
——以龍馬溪組頁巖為例

于 鵬，劉福義，王延忠，馬俯波

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102211)

頁巖氣儲層具有自生自儲、低孔、超低滲等特征[1-4]，需要經(jīng)過壓裂改造才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)[5-7]。頁巖能夠被有效壓裂從而獲得增產(chǎn)能力的性質(zhì)被稱為可壓性[8]。與常規(guī)儲層壓裂不同，頁巖氣儲層的壓裂要進(jìn)行體積壓裂。在頁巖氣開發(fā)過程中，確定優(yōu)質(zhì)頁巖儲層分布區(qū)域之后，需要對其開發(fā)效果進(jìn)行評價。目前，國外通用的頁巖儲層可壓性評價主要采用脆性指數(shù)，即通過巖心脆性礦物成分比例、彈性模量和泊松比、抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比等來評價頁巖儲層的塑脆性。此方法實(shí)質(zhì)上是將儲層視為均質(zhì)無裂縫的介質(zhì)，沒有對基質(zhì)和裂縫的影響加以區(qū)分，對裂縫的影響考慮不足[9-11]。國內(nèi)對可壓裂性的研究沿襲國外學(xué)者的思路，結(jié)合天然裂縫、地應(yīng)力等數(shù)據(jù)，提出了適用于中國的可壓裂性分析方法[12-14]。

為了合理評價儲層可壓性，本文在保靖海相頁巖氣儲層壓裂研究過程中，結(jié)合鉆井實(shí)際壓裂效果，將裂縫作為一個獨(dú)立影響因素，同時考慮基質(zhì)脆性和成縫能力進(jìn)行可壓性評價，兼顧天然裂縫發(fā)育程度、裂縫摩擦強(qiáng)度、構(gòu)造應(yīng)力、地層構(gòu)造等因素，評價了該地區(qū)頁巖氣儲層的可壓性，為以后該地區(qū)頁巖氣儲層壓裂提供了參考。

1 區(qū)塊及壓裂概況

1.1 區(qū)塊地質(zhì)背景

保靖區(qū)塊主體為一向斜構(gòu)造，位于典型的隔槽式褶皺帶中，自早寒武世以來經(jīng)歷了加里東運(yùn)動、華力西運(yùn)動、印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動及喜馬拉雅運(yùn)動等多期構(gòu)造運(yùn)動，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，區(qū)內(nèi)由西向東分別由八面山向斜、隆頭鎮(zhèn)背斜、馬蹄寨—野竹坪向斜組成，東南部發(fā)育保靖—慈利斷裂帶。區(qū)塊內(nèi)斷裂帶由多條近平行、不同級別和規(guī)模、不同構(gòu)造期次的斷層組成，呈北北東—北東向展布，橫貫全區(qū)。

下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖是該區(qū)主要頁巖氣勘探層系之一。向斜核部龍馬溪組頁巖埋深3 500～

4 000 m，兩翼剝蝕缺失。

區(qū)塊內(nèi)共實(shí)施探井4口——By1井、By3井、Bc1井、Bc2井全部針對龍馬溪組頁巖層系，其中By1井完成壓裂試氣工作(圖1)。

圖1 保靖頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)及勘探工作部署Fig.1 Geology and exploration work of Baojing shale gas block

1.2 By1井壓裂施工參數(shù)

By1井為本區(qū)內(nèi)第一口預(yù)探井，鉆遇龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度約12 m，射孔壓裂層位深度2 708～2 766 m。該深度頁巖總有機(jī)碳含量(TOC)平均為2.34%，滲透率(Ro)平均為3.36%，含氣量最高為2.02 m3/t。采用三簇射孔方式，其中2 733～2 766 m井段為主要壓裂目的層段，兼顧2 708～2 733 m井段(表1)。

表1 By1井壓裂施工主要參數(shù)Table 1 Main parameters of fracturing construction

1.3 By1井壓后分析

By1井分別進(jìn)行測試壓裂與主壓裂，施工數(shù)據(jù)表明整個壓裂過程中平均壓力、最高壓力及地層破裂壓力偏高(圖2)。根據(jù)壓裂曲線分析，地層多次破裂，形成多裂縫體系，人工主裂縫空間上延伸性較差，近井筒附近形成復(fù)雜裂縫，未形成主導(dǎo)縫，增加了裂縫迂曲度，支撐劑鋪置在近井筒區(qū)域，導(dǎo)致炮眼和近井地帶摩阻高、加砂困難，使得壓裂平均排量、最高排量、最高砂比、總砂量較設(shè)計(jì)低。特別是主壓裂后期，縫內(nèi)加砂阻力大，無法加入大粒徑支撐劑，難以將支撐劑輸送至裂縫深部和小裂縫內(nèi)部，裂縫與儲層接觸程度不足，導(dǎo)致頁巖氣單井產(chǎn)量偏低。By1井現(xiàn)場壓裂排液12 h后見氣，點(diǎn)火成功，但日產(chǎn)量未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖2 By1井測試壓裂(左)與主壓裂(右)施工曲線對比Fig.2 Comparison between test fracturing and main fracturing

2 儲層可壓性評價

脆性指數(shù)是評價頁巖儲層可壓性的重要參數(shù)[15-16]，但保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖脆性礦物含量差異不大，而不同井、不同層位應(yīng)力敏感性系數(shù)、地質(zhì)應(yīng)力、縫面摩擦系數(shù)、天然裂縫發(fā)育程度等條件差異較大。通過By1井壓裂施工，結(jié)合鉆井巖心分析，除脆性礦物含量外，保靖地區(qū)龍馬溪組地層原生裂縫及誘導(dǎo)縫成縫能力對儲層的可壓性也具有決定作用，同時裂縫摩擦、構(gòu)造應(yīng)力、地層層理構(gòu)造等因素對儲層可壓性也有較大影響。

2.1 脆性指數(shù)

對區(qū)塊內(nèi)By1、By3、Bc1、Bc2井共4口井的23個巖心樣品進(jìn)行X線衍射分析，結(jié)果表明，總體上本區(qū)龍馬溪組頁巖段的巖石脆性礦物含量為54.98%～67.60%，屬較高水平(圖3)，所有鉆井樣品均高于行業(yè)壓裂標(biāo)準(zhǔn)，利于壓裂改造。

圖3 保靖區(qū)塊礦物含量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical of mineral content

儲層巖心X線衍射分析表明，本區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段脆性礦物含量以石英為主(圖4)，且4口井的礦物組分基本相近，脆性礦物含量By3井最高，Bc1井相對最低。保靖區(qū)塊頁巖樣品的黏土礦物、石英長石類礦物、碳酸鹽巖礦物組分，與其西部的彭水、焦石壩地區(qū)頁巖的礦物組分基本一致(圖5)。

圖4 保靖區(qū)塊龍馬溪組目的層礦物組分分布Fig.4 Mineral component distribution of Longmaxi formation in Baojing block

圖5 保靖區(qū)塊與焦頁1井龍馬溪組頁巖礦物組分三元圖Fig.5 Mineral component ternary diagram of Longmaxi formation in Baojing block and well Jiaoye-1

根據(jù)Rickman理論，結(jié)合測井解釋資料和室內(nèi)試驗(yàn)的方法，進(jìn)行志留系龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)評價試驗(yàn)，4口井的脆性指數(shù)均值依次為35.2、47.2、41.9、44.2，By3井、Bc2井、Bc1井、By1井脆性指數(shù)依次減小，其中By1井儲層段脆性指數(shù)遠(yuǎn)小于其他3口井(圖6)。

圖6 不同井各層位巖心脆性實(shí)驗(yàn)室測試系數(shù)Fig.6 Brittleness coefficient of different depth

2.2 應(yīng)力敏感性系數(shù)

氬離子拋光掃描電鏡分析結(jié)果表明，在微觀尺度下，保靖地區(qū)龍馬溪組儲層發(fā)育有不同尺度的裂縫系統(tǒng)，多以微裂縫形式存在，縫寬在幾十納米到幾百納米(圖7)。

圖7 保靖區(qū)塊鉆井巖心樣品SEM成像及鑄體薄片圖Fig.7 SEM image and cast slice of drilling core sample in Baojing block

頁巖的應(yīng)力敏感性系數(shù)是頁巖內(nèi)部天然裂隙以及軟物質(zhì)等對應(yīng)力的響應(yīng)，應(yīng)力敏感性系數(shù)越高，頁巖成縫能力越強(qiáng)[14]。本次試驗(yàn)測試了3口井的18樣次應(yīng)力敏感性，根據(jù)NIA有效介質(zhì)理論，通過記錄波速計(jì)算應(yīng)力敏感性系數(shù)，獲得天然裂隙發(fā)育程度的參數(shù)。結(jié)果表明，不同井、不同層位的應(yīng)力敏感性系數(shù)差異較大，裂隙發(fā)育程度存在較大的各向異性，但整體較低(圖8)。其中By1井表現(xiàn)出“中間低，兩頭高”的特征，2 740～2 752 m井段的應(yīng)力敏感性系數(shù)較低，壓裂射孔段天然裂隙不發(fā)育。

圖8 By1、By3、Bc1井儲層應(yīng)力敏感性系數(shù)Fig.8 Stress sensitivity coefficient of reservoir

2.3 巖石摩擦特性

采用巖石微摩擦儀分別測試了By1井2 740 m處和By3井974.82 m處的頁巖儲層，同時對比測試了普通砂巖、魯家坪組、五峰組、重慶黔江龍馬溪組和延長組頁巖儲層。結(jié)果表明，保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖摩擦強(qiáng)度中等偏高(圖9)，各區(qū)塊巖心測試由強(qiáng)至弱的順序?yàn)椋荷皫r、保靖龍馬溪組、魯家坪組、黔江龍馬溪組、延長組。保靖龍馬溪組頁巖摩擦強(qiáng)度隨正應(yīng)力的減少而降低(圖10)。

圖9 頁巖儲層摩擦強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.9 Results of friction strength test of shale reservoir

圖10 摩擦強(qiáng)度隨正應(yīng)力變化關(guān)系Fig.10 The friction strength varies with the positive stress

為研究壓裂液對縫面摩擦的影響，采用本區(qū)By1井2 740 m處和By3井975 m處巖心，測定了在烘干、浸潤蒸餾水和浸潤滑溜水3種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)，By1井巖心3種狀態(tài)下的峰值摩擦系數(shù)分別為：0.72、0.70、0.68；By3井依次為：0.67、0.66、0.64(圖11)，表明滑溜水對降低縫面摩擦系數(shù)具有較大的作用，降低了啟滑條件，促進(jìn)剪切滑移的發(fā)生。

圖11 By1、By3井峰值摩擦系數(shù)Fig.11 The peak friction coefficient diagram of well By1 and well By3

2.4 其他地質(zhì)因素

保靖區(qū)塊經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動，地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致儲層在不同構(gòu)造位置的埋深、地應(yīng)力等條件差異明顯，對地層可鉆性[17]及可壓性產(chǎn)生影響。By1井區(qū)處于向斜核部，埋深大，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)，導(dǎo)致壓裂施工壓力偏高，壓裂改造很難形成有效連通裂縫。By3井的破裂壓力與By1井相比，破裂壓力小。

利用偶極橫波測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算By1井的2 751～2 766 m優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段的最小水平主應(yīng)力為45～50 MPa，中值在48 MPa，優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段上覆地層2 680～2 708 m井段，最小水平主應(yīng)力在55 MPa左右；計(jì)算By3井在優(yōu)質(zhì)儲層的破裂壓力為33～42 MPa，最小主應(yīng)力為22～27 MPa，最大主應(yīng)力為23～29 MPa(圖12)。

保靖地區(qū)龍馬溪組儲層厚度普遍不大，構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致層理縫隙發(fā)育(圖13)，層間含硬夾層，造成裂縫縱向延伸困難，在水力裂縫擴(kuò)展至天然層理面時，難以穿過層理面縱向擴(kuò)展，增大裂縫擴(kuò)展難度，增加裂縫迂曲度。

2.5 可壓性評價

結(jié)合脆性指數(shù)、應(yīng)力敏感性系數(shù)、巖石摩擦特性及其他地質(zhì)因素，將保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖根據(jù)可壓性總體分為3類(圖14)。Ⅲ類頁巖位于向斜核部，以By1井區(qū)為代表，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)，天然裂縫不發(fā)育，成縫能力弱，可壓性指數(shù)小。Ⅰ類頁巖位于向斜西翼，以By3、Bc2井區(qū)為代表，脆性指數(shù)高，可壓性指數(shù)高，構(gòu)造應(yīng)力相對較弱，成縫能力指數(shù)較大，有形成復(fù)雜縫網(wǎng)的潛力，易于增強(qiáng)儲層改造效果，形成體積壓裂，增大儲層改造體積。Ⅱ類頁巖位于向斜東部，以Bc1井區(qū)為代表，成縫能力及可壓性一般，受保靖斷裂帶構(gòu)造影響大，順層裂縫發(fā)育，造成壓裂縫縱向延伸困難。

圖12 By1井(左)與By3井(右)儲層段巖石力學(xué)參數(shù)Fig.12 Reservoir rock mechanics parameters of well By1 (left) and well By3 (right)

圖13 鉆井巖心層理縫隙Fig.13 Drill core with clear bedding

3 結(jié)論

保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖儲層的脆性指數(shù)適中，天然裂縫發(fā)育程度較差，巖石摩擦系數(shù)中等偏高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，壓裂改造難度總體較大，縫網(wǎng)形成能力低，儲層可壓性較差。

保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖層理縫隙發(fā)育，裂縫縱向擴(kuò)展能力差。實(shí)施頁巖氣儲層壓裂須優(yōu)化壓裂液體系，選擇合適的支撐劑，避免液體嚴(yán)重濾失，以便更好地壓開主裂縫，封堵微裂縫。

圖14 保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖可壓性分布Fig.14 The distribution of Longmaxi formation shale fracability in Baojing block

保靖區(qū)塊龍馬溪組頁巖壓裂應(yīng)結(jié)合其他地質(zhì)條件，驗(yàn)證施工參數(shù)，優(yōu)化壓裂工程設(shè)計(jì)，做出有針對性的壓裂施工方案。