瀘州區(qū)塊深層頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素

楊洪志 趙圣賢,2 劉 勇 吳 偉,2 夏自強,2吳天鵬,2 羅 超,2 凡田友,3 余林瑤

1. 中國石油西南油氣田公司 2. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院3. 中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦 4. 四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司

0 引言

自2012年先后在四川盆地及其周緣設(shè)立長寧—威遠、涪陵和昭通三個國家級頁巖氣示范區(qū)以來，我國在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組中淺層（埋深小于3 500 m）范圍內(nèi)實現(xiàn)了頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)[1-3]，截至2019年10月，頁巖氣累計探明地質(zhì)儲量超過17 000×108m3，累計產(chǎn)氣量超過300×108m3。隨著中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱中國石油）在四川盆地南部（以下簡稱川南地區(qū)）勘探開發(fā)的不斷深入，逐漸明確了深層頁巖氣的資源潛力，根據(jù)最新一輪的頁巖氣資源評價，川南地區(qū)埋深介于3 500～4 500 m的頁巖氣有利區(qū)面積為13 000 km2，資源量為83 000×108m3，占埋深4 500 m以淺資源總量的80%以上，可以看出川南地區(qū)深層頁巖氣是下一步頁巖氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。

瀘州區(qū)塊位于川南地區(qū)低陡構(gòu)造帶，龍馬溪組底界埋深普遍介于3 500～4 500 m，并且由北往南逐漸變深[4]。2009年，中國石油與荷蘭皇家殼牌公司簽訂了富順—永川區(qū)塊聯(lián)合評價協(xié)議，拉開了瀘州區(qū)塊深層頁巖氣勘探開發(fā)的序幕，截至2016年殼牌公司退出中國市場，在這8年期間該公司累計投產(chǎn)井為23口，獲得了以Y01井（測試產(chǎn)氣量為43×104m3/d）為代表的深層頁巖氣井。自中國石油自營開發(fā)瀘州區(qū)塊后，在其深層部署了一批評價井，評價工作取得了重大突破，自2018年以來更是捷報頻傳。2018年6月渝西區(qū)塊垂深為3 960 m的ZU02-H1井測試產(chǎn)氣量為45.67×104m3/d，2019年3月瀘州區(qū)塊垂深為3 890 m的瀘203井測試產(chǎn)氣量達138×104m3/d，成為國內(nèi)首口測試日產(chǎn)氣量超過百萬立方米的深層頁巖氣標桿井，顯示出以瀘州為中心的川南地區(qū)3 500 m以深頁巖氣勘探開發(fā)的巨大潛力。為了實現(xiàn)深層頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)，明確其高產(chǎn)富集主控因素至關(guān)重要。為此，筆者以川南地區(qū)瀘州區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖為研究對象，基于地震、鉆井、測井及巖心分析化驗資料，深入研究該頁巖氣區(qū)塊的構(gòu)造特征、沉積特征、儲層特征及可壓性，并結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)分析頁巖氣井高產(chǎn)的主控因素，以期為深層頁巖氣的勘探開發(fā)提供借鑒。

1 基本地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造特征

瀘州區(qū)塊位于川中古隆起南斜坡和川東南拗褶帶之間的川南低褶帶，由北往南發(fā)育雁行排列的梳狀背斜構(gòu)造，東北部靠近構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，褶皺強度較強，發(fā)育多個低陡背斜帶，向斜構(gòu)造較寬緩，向斜—斜坡所占面積是背斜所占面積的20倍以上。在瀘203井所在的福集寬緩向斜附近不發(fā)育一級斷裂（斷距大于300 m），二級斷裂僅發(fā)育在背斜高部位，向斜—斜坡主要發(fā)育規(guī)模更小的三、四級層間小斷裂（斷距介于10～50 m），對頁巖氣藏無大的破壞作用。

1.2 沉積特征

從晚奧陶世沉積時期開始，受持續(xù)上升的樂山—龍女寺古隆起和黔中古陸的影響，四川盆地所在的上揚子克拉通盆地范圍進一步縮小，使得早—中奧陶世從具有廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟陕A一坳”的局限海域，沉積基底為東南高西北低的特征，海域自川東南向瀘州一帶逐漸變深[5-8]。到早志留世龍馬溪期，黔中隆起進一步擴大，以西與康滇古陸相連，以東的雪峰水下古隆起雛形初現(xiàn)，加之川中水下古隆起進一步隆升，使得瀘州區(qū)塊沉積水體進一步加深，處于局限陸表海（陸棚）環(huán)境中心，五峰組—龍馬溪組沉積厚度普遍介于500～650 m，遠高于長寧、威遠區(qū)塊五峰組—龍馬溪組沉積厚度（介于190～450 m）。在深水（水體深度大于120 m）強還原條件下，以生物成因為主的硅質(zhì)頁巖廣泛發(fā)育，主要有骨針、放射蟲等[9]。通過選取指示沉積古環(huán)境的無機微量元素（U、Th、V、Cr、Mo、Sr等）組合來進一步明確五峰組—龍馬溪組龍一1亞段沉積環(huán)境及水體變化，U/Th比值介于1.5～2.0，表明沉積處于強還原厭氧環(huán)境；V/Cr比值介于4.5～10.7、Re/Mo比值介于（0.10～0.63）×103，表明具有遠離陸源的深水沉積特征，Sr/Ba比值介于2.4～3.8，表明該水體所屬沉積相為淺海相。

為進一步明確優(yōu)質(zhì)頁巖段各小層沉積中心的變化，結(jié)合長寧、威遠地區(qū)地質(zhì)特征，通過U/Th比值大于1.5區(qū)域范圍的變化來明確沉積中心的遷移（圖1）。結(jié)果表明，受區(qū)域沉積背景影響，龍一11-3小層的沉積中心在長寧—瀘州區(qū)塊，由南往北水體變深，強還原條件下深水沉積厚度介于10～25 m，龍一41小層沉積中心位于威遠東—瀘州區(qū)塊，強還原條件下深水沉積厚度介于20～45 m，為川南最厚，表明從龍一11小層開始，各小層沉積中心始終位于瀘州區(qū)塊[10-12]。

1.3 儲層特征

圖1 川南地區(qū)龍馬溪組龍一1亞段各小層U/Th等值線分布圖

瀘州區(qū)塊位于深水陸棚沉積中心，龍馬溪組底部富含生物硅質(zhì)礦物[13-14]，其含量介于60%～70%，與長寧區(qū)塊相當、高于威遠區(qū)塊；頁巖TOC含量介于2.8%～6.0%，平均為3.9%，與長寧、威遠區(qū)塊相當；孔隙度介于4.0%～6.5%，平均為5.1%，微觀有機孔和無機孔隙均發(fā)育，面孔率介于5%～12%，面孔率是長寧、威遠區(qū)塊的2倍以上；含氣飽和度介于50%～70%，平均為65%，遠高于長寧、威遠區(qū)塊；現(xiàn)場測試的總含氣量介于5.0～7.5 m3/t，平均為6.3 m3/t，為川南最高。

根據(jù)長寧、威遠區(qū)塊儲層分類評價標準，將龍馬溪組頁巖儲層劃分為3類，其中Ⅰ類儲層（TOC大于3%、孔隙度大于5%、總含氣量大于3 m3/t、脆性礦物含量大于55%）為最優(yōu)質(zhì)儲層，均位于深水強還原沉積條件（U/Th大于1.5）的范圍內(nèi)。根據(jù)區(qū)內(nèi)典型井實驗分析及測井解釋結(jié)果，五峰組—龍馬溪組龍一1亞段縱向上分布兩套連續(xù)穩(wěn)定的Ⅰ類儲層，底部的龍一11-3小層均為Ⅰ類儲層，厚度介于10～20 m，且越靠近瀘州南部，厚度越大（圖2），與長寧頁巖氣田同層位的Ⅰ類儲層厚度相當，較威遠頁巖氣田厚；頂部的龍一14小層在區(qū)內(nèi)局部區(qū)域高伽馬段發(fā)育一套?、耦悆?，厚度介于3～10 m，受龍一14小層沉積中心控制，該套儲層在瀘縣境內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定分布，為川南最厚；兩套Ⅰ類儲層的縱向距離介于35～60 m，平均為45 m，在現(xiàn)有的壓裂工藝條件下，縱向上具備雙層立體開發(fā)的條件。

圖2 川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一1亞段Ⅰ類儲層厚度等值線圖

1.4 可壓性

從印支期開始，瀘州區(qū)塊受多期構(gòu)造運動影響，現(xiàn)今地應力方向呈現(xiàn)疊加的復合類型，總體表現(xiàn)為在構(gòu)造高部位最大水平主應力方向基本與構(gòu)造軸向垂直，如位于陽高寺構(gòu)造的Y01井應力方向為NWW 310°，構(gòu)造走向為NNE—SWW，向斜及斜坡部位應力方向基本一致，近似為東西方向，如福集向斜內(nèi)瀘203井、GU02井應力方向為NEE 70°～80°，基于全球擠壓脈動理論預測應變強度，如圖3所示，越靠近構(gòu)造低部位，應變強度越小，構(gòu)造高部位的應變強度大，說明地層受擠壓作用大。

圖3 川南地區(qū)福集向斜最大水平主應力方向及應變強度分布圖

瀘州區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖段水平應力差介于10～19 MPa，平均為15 MPa，地層壓力介于64～72 MPa，平均為68 MPa，楊氏模量介于35～45 MPa，平均為42 MPa，泊松比介于0.21～0.31，平均為0.25，脆性指數(shù)介于52%～75%，平均為67%，顯示出具有較好的可壓性，有利于人工壓裂后形成復雜縫網(wǎng)。

2 頁巖氣井高產(chǎn)主控因素

瀘州區(qū)塊頁巖氣層位于川南低陡構(gòu)造帶，無破壞性“通天斷裂”，且強還原深水沉積厚度大，具有高脆性礦物含量、高含氣性及高含氣飽和度的“三高”特征[15-19]，而在該地質(zhì)背景下鉆獲的以瀘203井為代表的一批氣井均獲得高產(chǎn)，為明確形成氣井高產(chǎn)的主控因素，在對瀘州區(qū)塊頁巖氣精細描述的基礎(chǔ)上，對深層頁巖氣井高產(chǎn)的主控因素及頁巖氣的高產(chǎn)富集模式進行分析。

2.1 Ⅰ類儲層厚度大、品質(zhì)優(yōu)

前述認為，瀘203井區(qū)為瀘州區(qū)塊深水陸棚相的“深水區(qū)”，強還原條件下深水（古水體深度大于150 m）沉積厚度大于6 m，通過對川南地區(qū)中淺層與深層典型井的儲層進行評價，認為瀘州區(qū)塊Ⅰ類儲層厚度與強還原條件下深水沉積厚度相關(guān)性好，說明受沉積中心控制[20-22]，瀘州區(qū)塊Ⅰ類儲層展布規(guī)律與深層“深水區(qū)”重合，Ⅰ類儲層普遍介于10～20 m，為川南最優(yōu)，而從整個川南沉積格局來看，靠近樂山—龍女寺古隆起的威遠和大足以北地區(qū)，古水體深度變小，Ⅰ類儲層厚度變薄，最薄僅3 m，距離剝蝕線4 km。

選取長寧、威遠頁巖氣田近兩年的投產(chǎn)井100余口、瀘州區(qū)塊老井及新投產(chǎn)水平井10余口開展產(chǎn)能主控因素分析，認為在相似的工程施工參數(shù)條件下，水平井的測試產(chǎn)量不僅與Ⅰ類儲層厚度有關(guān)，還與水平井軌跡在Ⅰ類儲層內(nèi)鉆遇的長度有關(guān)（圖4）。當Ⅰ類儲層厚度越大、Ⅰ類儲層鉆遇長度越長，氣井初期產(chǎn)量也越高；當Ⅰ類儲層厚度達10 m，水平井鉆遇Ⅰ類儲層的長度超過1 km，氣井測試產(chǎn)量能夠達到20×104m3/d。在Ⅰ類儲層鉆遇長度相同的情況下，由于瀘州區(qū)塊Ⅰ類儲層厚度最大，氣井的測試產(chǎn)量較長寧、威遠區(qū)塊高出10%～25%，可見，Ⅰ類儲層厚度大、品質(zhì)優(yōu)是中國首口測試產(chǎn)氣量破百萬立方米的瀘203井能獲得高產(chǎn)并且保持相對穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。

通過前人對長寧頁巖氣田大量生產(chǎn)井生產(chǎn)特征的分析[23]，認為雖然長寧區(qū)塊龍一11-3小層均為Ⅰ類儲層，且厚度介于6～15 m，但單井測試產(chǎn)量明顯受到水平井靶體位置的影響，水平井靶體位置越靠近龍一11小層底部，頁巖氣井的測試產(chǎn)量越高，水平井靶體位置越靠近上部龍一14小層高伽馬段，頁巖氣井的測試產(chǎn)量越低。而瀘州區(qū)塊尚未步入大規(guī)模效益開發(fā)，通過對已有十余口老井的生產(chǎn)測井解釋結(jié)果進行分析，認為與長寧頁巖氣田相類似，龍一11-3小層也全部為Ⅰ類儲層，厚度介于8～15 m，水平井靶體位置越靠近龍一11小層底部，氣井的測試產(chǎn)量越高，靶體位置距離龍一11小層底界5 m以內(nèi)的水平井，每米水平段長的平均產(chǎn)氣量介于280～450 m3。通過前述對瀘州區(qū)塊沉積特征和儲層特征的研究，認為頂部的龍一14小層在區(qū)內(nèi)局部區(qū)域高伽馬段發(fā)育一套薄Ⅰ類儲層，厚度介于3～10 m，通過對生產(chǎn)測井解釋結(jié)果進行分析，認為鉆遇該套儲層的水平井每米水平段采出氣量介于170～280 m3，僅次于靶體距離龍一11小層底界5 m以內(nèi)的水平井，說明可以通過部署雙層水平井實現(xiàn)縱向上兩層資源的有效動用。以瀘203井區(qū)儲層地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立立體開發(fā)數(shù)值模擬模型，若部署井僅打開下部單層，生產(chǎn)20年該井區(qū)的采出程度為23.3%，若部署井同時打開兩層，生產(chǎn)20年該井區(qū)的采出程度為34.1%，較只采單層提高10.8%。

圖4 川南地區(qū)典型頁巖氣井測試產(chǎn)氣量與Ⅰ類儲層相關(guān)性對比圖

2.2 地層壓力系數(shù)高、微觀孔隙保存完整、總含氣量高

由于瀘州區(qū)塊龍馬溪組頁巖埋藏深度大，且多為低陡多褶皺構(gòu)造類型，無深大斷裂發(fā)育，距離地層剝蝕線較遠；如表1所示，地層壓力系數(shù)介于1.8～2.3，而瀘203井區(qū)均超過2.0，對比已經(jīng)進行商業(yè)開發(fā)的長寧、威遠頁巖氣田，壓力系數(shù)僅在開發(fā)主體區(qū)超過1.8?？偟目磥?，瀘州區(qū)塊頁巖氣保存條件良好。通過統(tǒng)計川南地區(qū)典型直井測試產(chǎn)量與實測壓力系數(shù)，可知氣井初期產(chǎn)量隨著地層壓力系數(shù)的增加而增大，深層頁巖儲層的含氣性更好，更有利于頁巖氣的富集保存，典型井的實測含氣量結(jié)果顯示瀘州區(qū)塊深層頁巖氣井的總含氣量分別是長寧、威遠區(qū)塊頁巖氣井總含氣量的1.3～2.0倍以上。同時，隨著埋深增大，地層溫度逐漸升高，在某一特定壓力下頁巖儲層吸附甲烷的能力降低，在總含氣量增加的同時，孔隙中游離氣含量增大，從而使得深層頁巖氣井在生產(chǎn)初期可以獲得較高的產(chǎn)氣量。

同時，高壓力系數(shù)導致高含氣量的另一個原因，是異常高壓對高硅質(zhì)含量頁巖儲層的有機孔隙和無機孔隙均具有保護作用，而受后期壓實作用和成巖作用的影響則相對較小，從而使原生有機和無機孔隙得到了有效保留。在高分辨率掃描電鏡下微觀孔隙呈圓狀、次圓狀，儲集能力更強。通過對龍一11小層面孔率進行統(tǒng)計，認為在瀘州區(qū)塊，總面孔率介于4%～10%，且有機孔和無機孔比例相當，均較長寧、威遠區(qū)塊更發(fā)育（圖5）。

表1 川南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣井地層壓力系數(shù)統(tǒng)計表

2.3 天然裂縫發(fā)育

瀘州區(qū)塊由北往南發(fā)育雁行排列的梳狀背斜構(gòu)造，褶皺強度由強變?nèi)?，發(fā)育多個“塹壘”相間的低陡背斜，構(gòu)造高部位埋深相對較淺，向斜內(nèi)部埋深普遍超過3 800 m，老井生產(chǎn)動態(tài)表明在不同構(gòu)造位置、不同埋藏深度均鉆獲工業(yè)氣井，獲氣與否與構(gòu)造位置和埋深的關(guān)系不明顯，而與井周圍發(fā)育的不同尺度天然裂縫有關(guān)，統(tǒng)計結(jié)果表明，在瀘州區(qū)塊獲得的測試產(chǎn)氣量大于30×104m3/d的氣井，其中有80%的氣井鉆遇天然裂縫發(fā)育的儲層，說明在低陡構(gòu)造和高壓條件下，天然裂縫的發(fā)育有利于深層高含量游離氣的聚集，在適當?shù)墓こ淌┕l件下，氣井將獲得高產(chǎn)[24-26]。

圖5 川南地區(qū)頁巖儲層含氣性及微觀孔隙面孔率直方圖

通過開展瀘州、長寧、威遠區(qū)塊單井巖心裂縫描述，可以看出研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育水平層理縫和高角度縫，裂縫密度分布表現(xiàn)為由北東往南西逐漸降低，水平層理縫發(fā)育在五峰組—龍馬溪組龍一12小層底部、龍一13小層中上部—龍一14小層中部，縫內(nèi)主要充填黃鐵礦、方解石及細粉砂，而高角度縫分布較少，在研究區(qū)北部主要分布在五峰組，少量發(fā)育于龍一11-2小層，縫內(nèi)絕大多數(shù)全充填方解石。在瀘203井區(qū)的單井，五峰組—龍馬溪組龍一13小層下部均發(fā)育有水平層理縫，縫密度介于2～15條/0.5 m，且高角度方解石充填縫相對較發(fā)育，縫密度介于3～10條/0.5 m，可見，高角度方解石充填縫發(fā)育在一定程度上有利于氣井獲得高產(chǎn)。長寧區(qū)塊五峰組—龍馬溪組龍一13小層的層理縫較瀘州區(qū)塊發(fā)育，但高角度縫在瀘州區(qū)塊最發(fā)育，若在該區(qū)塊開展雙層立體開發(fā)試驗，通過適當?shù)膲毫咽┕な谷斯ち芽p縱向延伸，可以極大提高優(yōu)質(zhì)資源的動用程度，獲得氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

采用多屬性定量化地球物理方法，預測得到瀘203井區(qū)天然裂縫發(fā)育強度的分布情況，可以看出該井區(qū)下部儲層（五峰組—龍馬溪組龍一13小層）的天然裂縫更發(fā)育（圖6）；在平面上，瀘203井鉆遇的儲層天然裂縫相對發(fā)育，裂縫呈網(wǎng)絡狀交錯分布，基于測井解釋及微地震解釋結(jié)果，認為水平井筒附近有4～9處不同級別的天然裂縫響應，說明該井高產(chǎn)不僅與其所鉆遇的Ⅰ類儲層厚有關(guān)，還與其鉆遇的天然裂縫發(fā)育有關(guān)。

圖6 瀘州區(qū)塊瀘203井區(qū)天然裂縫發(fā)育強度分布圖

綜上所述，瀘州區(qū)塊深層頁巖氣井在異常高壓的低陡強褶皺構(gòu)造背景下，由于天然裂縫發(fā)育使得游離態(tài)天然氣易于聚集，且硅質(zhì)礦物含量高使得人工壓裂易于形成新的復雜縫網(wǎng)，從而使該區(qū)塊深層頁巖氣井能夠獲得高產(chǎn)。

3 結(jié)論

1）瀘州區(qū)塊龍一1亞段在縱向上存在兩套Ⅰ類儲層，一套為儲層厚度介于10～20 m的龍一11-3小層，另一套為儲層厚度介于3～10 m的龍一14小層，且該區(qū)塊五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖儲層含氣飽和度高（介于50%～70%）、總含氣量高（介于5.0～7.5 m3/t）、脆性礦物含量高。

2）Ⅰ類儲層厚度越大、水平井段鉆遇Ⅰ類儲層的長度越長，氣井初期產(chǎn)氣量也越高，在Ⅰ類儲層鉆遇長度相同的情況下，由于瀘州區(qū)塊Ⅰ類儲層厚度最大，該區(qū)塊氣井的測試產(chǎn)量較長寧、威遠區(qū)塊高出10%～25%。

3）深水陸棚沉積中心控制了瀘州區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖的展布，在低陡構(gòu)造及異常高壓背景下，高角度天然裂縫發(fā)育有利于游離氣的聚集，且該區(qū)塊脆性礦物含量高，人工壓裂后易形成復雜縫網(wǎng)，從而使該區(qū)塊頁巖氣井易獲得高產(chǎn)。