頁巖氣儲層錄井配套技術應用新進展

鄭馬嘉 唐洪明 瞿子易 劉雪梅 賈昭清肖 平 羅 鑫 龐江平 王 柯

1.西南石油大學地球科學與技術學院 2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣勘探開發(fā)部3.中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發(fā)研究院 4.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司5.中國石油西南油田公司開發(fā)事業(yè)部 6.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司

0 引言

四川盆地是中國頁巖氣資源最豐富、開發(fā)最現(xiàn)實的盆地，其下古生界發(fā)育的下寒武統(tǒng)筇竹寺組和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套海相黑色頁巖均具備頁巖氣富集氣藏的基本地質條件，具有巨大的勘探開發(fā)潛力，是該盆地天然氣大發(fā)展的最重要領域[1]。歷經10余年勘探實踐，四川盆地五峰組—龍馬溪組3 500 m以淺海相頁巖從最初的評層選區(qū)到目前的規(guī)模開發(fā)，取得了重大進展：落實了持續(xù)發(fā)展的資源基礎，掌握了有效開發(fā)的技術手段，邁入了商業(yè)化開采快速發(fā)展新階段，已成為中國天然氣開發(fā)的重要接替領域和天然氣產量跨越增長的主力[2]。

川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣水平井鉆井廣泛采用PDC鉆頭+螺桿、旋轉導向等新技術，但上述技術在巖性識別、儲層評價、水平井地質導向等方面也給頁巖氣錄井技術帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。頁巖氣錄井面臨的難點主要包括：①常規(guī)錄井技術在及時卡準底部黑灰色和黑色優(yōu)質頁巖取心層位存在較大難度；②如何準確輔助頁巖氣水平井地質導向；③如何利用錄井資料定量評價頁巖氣儲層。針對上述難題，在傳統(tǒng)地質錄井、綜合錄井的基礎上，集成配套了地球化學、元素分析、自然伽馬能譜和核磁共振等特色錄井技術，較好地解決了頁巖氣錄井工作中的難題，并在生產實踐中得到了廣泛驗證，效果顯著，具有廣闊的推廣應用前景[4-5]。

1 頁巖氣儲層錄井配套技術

為了解決鉆井技術和工藝給地層對比劃分、儲層識別和儲層評價等方面帶來的難題，滿足頁巖氣地質評價、工程施工和儲量計算的需求，提升鉆井時效，同時提高優(yōu)質頁巖鉆遇率，經過長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)100余口井實踐，結合現(xiàn)有成熟的錄井技術，綜合考慮烴源巖巖性、地球化學特征、物性、含氣性、脆性礦物含量等特征參數(shù)，科學評價頁巖氣儲層，提出壓裂層段建議，優(yōu)選出綜合錄井+特色錄井相結合的錄井配套技術，保證在各種復雜條件下及時、準確地劃分小層，識別頁巖氣儲層，有效地實現(xiàn)頁巖氣儲層錄井定量解釋。

1.1 頁巖氣儲層錄井響應特征

1.1.1 地層與儲層劃分

龍馬溪組自下而上分為龍一段與龍二段，龍一段自下而上分為龍一1亞段與龍一2亞段，其中龍一1亞段自下而上又可細分為4個小層。龍二段巖性變化明顯，以灰質頁巖、砂質頁巖或泥巖為主，底部一般為深灰色頁巖或灰色頁巖，為多個短期旋回的垂向疊加；龍一2亞段以黑色頁巖、灰色粉砂質頁巖為主，部分井見少量泥質灰?guī)r；龍一1亞段以灰黑色頁巖為主，其底部為富含筆石化石黑色頁巖；龍馬溪組底與五峰組地層整合接觸，五峰組頂部的觀音橋段巖性為泥質灰?guī)r，下部硅質頁巖[6-9]（圖1）。

頁巖氣儲層發(fā)育段主要為五峰組—龍一1亞段。依據(jù)區(qū)內巖心資料，通過對巖性、電性特征及儲層參數(shù)將五峰組—龍一1亞段優(yōu)質頁巖儲層由下至上依次劃分為五峰組（含觀音橋段）、龍一11、龍一12、龍一13、龍一14等5個小層（圖1）。

1.1.2 優(yōu)質儲層錄井響應特征

龍一1亞段的錄井特征為：巖屑顏色較深，氣測值和總有機碳含量（TOC）逐漸高；在自然伽馬能譜錄井曲線上的特征是鉀（K）和釷（Th）含量低而鈾（U）含量高，具高自然伽馬（GR）、高U、低K、低Th的“兩高兩低”特征；元素錄井剖面上，富含有機碳的頁巖氣儲層硫元素呈現(xiàn)五峰組和龍一13小層兩段高值，自上而下（龍一14—龍一11小層）呈現(xiàn)鈣（Ca）含量逐漸升高、鋁（Al）和鐵（Fe）含量逐漸降低的趨勢（圖1）。

1）龍一14小層。為灰質—粉砂質泥棚沉積，巖性以灰黑色粉砂質頁巖、灰黑色鈣質頁巖為主，碳酸鹽巖含量降低，黏土礦物含量較高。底部以灰黑色粉砂質鈣質泥頁巖與龍一13小層頂部黑色碳質頁巖分界，厚度大，自然伽馬為低平的箱形；Th、K含量較高；元素錄井表現(xiàn)為高Al、高Fe、低Ca特征；TOC表現(xiàn)為低平箱形特征[10]。

2）龍一13小層。為碳質泥棚沉積，為全區(qū)輔助標志層之一，區(qū)域對比性好、分布穩(wěn)定，巖性以黑色碳質筆石頁巖為主，含大量黃鐵礦紋層、方解石條帶，厚度較薄。與上下小層差別主要表現(xiàn)為：自然伽馬能譜錄井表現(xiàn)為GR高和U含量高；元素錄井表現(xiàn)為Al、Fe、Si逐漸降低、Ca逐漸升高；TOC表現(xiàn)為凸狀高值特征。

3）龍一12小層。位于龍一11、龍一13兩個標志層之間，沉積特征為相對海平面降低的碳質泥棚沉積，巖性特征與龍一11、龍一13小層區(qū)別不大，以黑色碳質頁巖為主，筆石豐富，含黃鐵礦及方解石結核[11]。厚度相對穩(wěn)定，GR中值，U含量較高，K、Th含量較低；元素錄井表現(xiàn)為低Al、低Fe、高Si、高Ca特征；TOC相對較高特征。

圖1 N203井五峰組—龍馬溪組小層劃分及地層特征圖

4）龍一11小層。作為全區(qū)重要標志層，具有區(qū)域對比性好、分布穩(wěn)定等特征。龍一11小層為碳質泥質沉積，以黑色碳質筆石頁巖為主，含大量黃鐵礦紋層、方解石條帶，與龍一12小層巖性分界特征不明顯。GR及U含量均為高值；元素錄井表現(xiàn)為低Al、低Fe、高Ca、高Si特征；TOC為高值特征。

5）五峰組。該地層為一套碳質頁巖，頂部為薄層觀音橋石灰?guī)r，含大量生物，巖性上與龍一11小層容易區(qū)分。五峰組厚度變化大，GR及U含量由高值逐漸減低，Th、K含量較高；元素錄井表現(xiàn)為Al、Fe含量較高，Si含量先降后升，Ca含量先升后降；TOC呈由高值逐漸降低的特征。

對五峰組—龍馬溪組優(yōu)質頁巖錄井響應特征分析發(fā)現(xiàn)，各小層的總放射性和放射性元素U和主要Al、Si、Ca、Fe等元素含量不同，這種礦物成分和放射性的差別導致其在錄井曲線上響應特征有差異（表1）。因此，根據(jù)其自然能譜伽馬和元素錄井中測得的放射性和各元素的變化情況及曲線形態(tài)特征可進行小層劃分，確定了元素錄井+自然伽馬能譜錄井的頁巖氣小層劃分錄井技術組合。

表1 N203井優(yōu)質頁巖各小層自然伽馬能譜、元素含量統(tǒng)計表

1.2 儲層評價技術

頁巖氣儲層品質對氣井產量有重要影響，開展頁巖氣儲層品質評價十分重要。頁巖氣儲層評價至少應包括烴源巖評價、儲層評價和工程參數(shù)評價等3方面內容，在沉積背景、構造特征相似的地區(qū)，頁巖氣儲層差異主要體現(xiàn)在生氣潛力、儲集物性、可壓裂性和含氣性等4方面[11]，利用儲層總有機碳含量、礦物組分、孔隙度、飽和度、含氣量等4項靜態(tài)評價參數(shù)，結合頁巖氣水平井生產效果，將頁巖氣儲層由好到差依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，不同類型的儲層在錄井上存在不同的響應特征。

各項常規(guī)錄井技術從不同側面反映地層、儲層的信息，均有其自身的特點和優(yōu)勢。根據(jù)頁巖氣儲層評價參數(shù)與對應隨鉆參數(shù)的相關性研究[12-13]，選用隨鉆伽馬、鉆時、氣體全烴等錄井參數(shù)作為錄井解釋的主要參數(shù)，建立了TOC、脆性礦物含量、含氣量的錄井計算模型，但方法的準確性不高，這是因為常規(guī)錄井參數(shù)只能定性判斷儲層，其定量化解釋精度還不高，隨鉆評價儲層難度較大。針對頁巖氣評價儲層關鍵評價指標，對各項錄井技術的適用性進行了分析評價，并將選取的各項錄井技術進行現(xiàn)場試驗，對其解釋成果進行了驗證，最終確定了以氣體錄井+核磁共振錄井+自然伽馬能譜+元素錄井相結合的頁巖氣儲層評價的錄井配套技術[14]（表2）。

表2 頁巖氣錄井儲層評價配套技術

1.2.1 總有機碳含量

TOC可通過傳統(tǒng)的殘余碳分析來獲取，但在PDC鉆頭和油基鉆井液條件下巖屑呈糊狀，選樣和清洗難度較大，分析時間較長加之受熱解溫度和時間的影響，其結果與實驗室分析數(shù)據(jù)誤差較大。TOC也可以通過隨鉆自然伽馬進行計算，但計算結果與實際偏差較大。利用自然伽馬能譜錄井計算TOC的原理是在還原環(huán)境下，當頁巖中含有機碳和硫化物時，黏土顆粒對U離子的吸附力增強，黏土礦物中的U含量明顯增高。筆者采用U含量與TOC關系回歸法計算頁巖氣儲層TOC，較之于巖石地球化學熱解殘余碳錄井技術，其分析與計算過程更快捷。

式中TOC表示總有機碳含量；U表示巖樣中鈾元素含量，μg/g；a、b表示地區(qū)經驗系數(shù)，取值以實驗分析TOC與錄井U進行校正。

1.2.2 儲層物性

錄井獲取孔隙度數(shù)據(jù)比較準確的方法是采用核磁共振法進行直接測量。其理論基礎是：當巖樣孔隙內充滿流體時，流體體積與孔隙度體積相等，儲層中油、氣和水中富含的氫原子核是核磁共振錄井主要研究對象。宏觀磁化矢量是一個可被儀器檢測的物理量，與自旋數(shù)量成正比，也就是與樣品中油、氣、水的氫核含量成正比，這是核磁共振錄井測量巖石樣品中流體含量獲得孔隙度等參數(shù)的基本原理。納米孔隙核磁共振分析儀可以定量檢測到孔徑超過2 nm的孔隙的大小、分布和類型等孔隙結構信息（圖2）。該方法目前只能對粒徑超過2 mm的巖屑進行測量，對小于2 mm的細碎巖屑檢測誤差較大。

圖2 L201井龍馬溪組—五峰組核磁共振錄井成果圖

1.2.3 礦物成分

礦物學特征是頁巖氣藏儲層評價一項非常重要的內容，尤其是黏度礦物對儲層敏感性直接決定鉆井、壓裂液類型和壓裂參數(shù)的選擇。頁巖礦物含量實驗室采用全巖分析和黏土礦物進行測定。

對于礦物成分相對復雜的頁巖氣儲層，利用元素錄井資料，采用多元線性回歸擬合、化學式推導、氧化閉合物模型等多種方法計算。其計算公式經巖心實驗分析結果進行標定，并具有較好的一致性（圖3）。計算公式的通用表達式為：

式 中 PMg、PAl、PSi、PK、PCa、PFe表 示 巖 樣 中 Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 元素含量。

四川盆地川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖各種礦物成分計算式為：

1.2.4 含氣量

頁巖含氣量是指每噸巖石中所含天然氣折算到標準條件下（壓強101.325 kPa，溫度25℃）的天然氣總量，包括游離氣、吸附氣和微量溶解氣。游離氣含量多少主要取決于儲層孔隙度、含水飽和度以及天然裂縫的數(shù)量；吸附氣的評價一般采用等溫吸附曲線來評價其最大吸附能力。含氣量測定較為精確的方法是采用密閉取心，然后將巖心迅速送實驗室進行分析，此種方法成本高，不適用于現(xiàn)場大規(guī)模評價頁巖氣含氣量，而且過程緩慢，對開發(fā)井實時評價存在較大的局限性。

現(xiàn)場較為常用的方法是利用氣體錄井資料進行檢測計算含氣量，但含氣量計算必須同時獲取5個相關參數(shù)進行校正計算才可以獲得含氣量校正值。5個相關參數(shù)分別是單位時間所脫鉆井液量、氣體檢測設備單位時間進樣量、單位時間破碎的巖石量、單位時間鉆井液排量和脫氣效率，建立地面含氣量與脫氣量、進氣量、脫氣效率、鉆時等工程參數(shù)的關系，即

圖3 Z201井龍馬溪組—五峰組元素錄井成果圖

式中Tg校表示校正后的測點巖石含氣量，即測點巖石的實際含氣量，m3；k表示校正系數(shù)，無量綱；T表示鉆時，min/m；Q表示鉆井液泵排量，m3/min；Tg表示實測全烴值，m3；d表示井眼直徑或鉆頭直徑，m。

2 應用效果評價

2.1 判別優(yōu)質頁巖氣儲層

通過優(yōu)化頁巖氣儲層特殊錄井技術，有效解決了優(yōu)質頁巖儲層精準識別 和優(yōu)質頁巖的頂板和底板取心難題，在N213等20余口頁巖氣評價井推廣應用，取心層段卡準率達到了100%。

N213井在井段2 480.00～2 585.85 m取心鉆進中，井深2 535.00 m巖屑顏色由灰黑色變?yōu)楹谏?，氣測全烴值升高，自然伽馬能譜錄井中GR和U含量升高，K、Th含量逐漸降低，元素錄井中S和Si含量升高、Al和Fe含量下降、Ca含量先降低后升高，TOC含量升高，綜合各類錄井資參數(shù)判斷該段鉆井進入龍一1亞段，錄井解釋井段2 535.00～2 579.50 m為本井優(yōu)質頁巖氣儲層段，測井解釋井段2 535.30～2 580.30 m為優(yōu)質頁巖氣儲層段，與測井解釋成果較吻合（圖4）。

2.2 精確劃分小層

通過建立圖版，結合曲線形態(tài)、曲線疊合等特征，對優(yōu)質頁巖儲層段小層進行準確識別和精細劃分，實現(xiàn)了水平段巷道精準定位和導向，解決了水平段靶體儲層鉆遇率低的難題，在長寧—威遠國家級示范區(qū)應用30余口井，其Ⅰ類頁巖氣儲層鉆遇率超過90%。

圖4 N213井龍馬溪組特殊錄井綜合圖

CNH24-8井龍一14小層為灰黑色頁巖，自然伽馬錄井曲線為低平的箱型，Th、K含量較高；元素錄井表現(xiàn)為高Al、高Fe、低Ca特征；龍一13小層為黑色頁巖，自然伽馬錄井曲線GR、U含量相比上下小層為高值，Th、K含量開始下降；元素錄井表現(xiàn)為Al、Fe降低、Ca升高的特征；龍一12小層為黑灰色頁巖，自然伽馬錄井曲線GR、U含量、Th含量、K含量相對穩(wěn)定；元素錄井表現(xiàn)為低Al、低Fe、高Si、高Ca特征。龍一11小層為黑色頁巖，自然伽馬錄井曲線GR、U含量升高至最大值；元素錄井表現(xiàn)為低Al、低Fe、低Ca、高Si特征；五峰組頂部為觀音橋石灰?guī)r，自然伽馬錄井曲線GR、U含量低，元素錄井表現(xiàn)為高Ca特征；上部為黑色頁巖，灰質含量較重，自然伽馬錄井曲線GR、U含量相對較高，元素錄井表現(xiàn)為Ca較高。根據(jù)以上特征，在水平井鉆井過程中對小層的及時識別，有效地指導現(xiàn)場小層劃分，輔助地質導向及時調整軌跡，保障了靶體鉆遇率，其小層劃分方案與測井具較好的一致性，整體誤差小于4 m（圖5）。

圖5 CNH24-8井水平段元素及自然伽馬能譜錄井圖

2.3 評價頁巖氣儲層

利用直井建立模型，根據(jù)元素、自然伽馬能譜、地球化學、核磁共振等錄井技術得到的關鍵參數(shù)對儲層進行快速綜合評價，實現(xiàn)了對水平段頁巖氣儲層的快速解釋和評價，其結果與巖心分析、測井解釋成果吻合度高。

利用Z201井導眼井段建立地質模型，分段解釋了Z201直改平水平段儲層TOC、總含氣量、脆性礦物含量等關鍵參數(shù)，并按頁巖氣儲層定量評價標準對頁巖氣儲層進行了儲層品質分級[15]，得到Z201井直改平的各類儲層的厚度（表3），其解釋成果與測井解釋成果誤差小于3%，水平井段儲層鉆遇率高、品質好，其中鉆遇Ⅰ類儲層850 m（占65.4%）、Ⅱ類儲層621 m（占34.6%）。

根據(jù)錄井和測井的儲層解釋成果，結合井身結構、套管管串、固井質量等工程參數(shù)[15-16]，提出試氣地質方案建議，優(yōu)化水平井射孔位置及壓裂段長，該井壓裂后測試獲得日產氣量18.6×104m3?，F(xiàn)場錄井儲層評價應用效果顯著，與生產測井對比，符合率達86.5%。

表3 Z201井直改平水平段儲層品質分類解釋成果對比表

3 結論

1）以元素錄井+自然伽馬能譜錄井的頁巖氣小層劃分錄井配套技術，可有效輔助地質導向，確保頁巖氣水平井入靶成功率及水平段井眼軌跡的適時調整。

2）自然伽馬能譜+元素錄井+核磁共振錄井+氣體錄井的頁巖氣錄井配套技術，可實現(xiàn)頁巖氣儲層的劃分，定量評價頁巖氣儲層。

3）頁巖氣錄井配套技術在N213、CNH24-8、Z201等井的現(xiàn)場應用與測井解釋成果對比吻合度高，應用效果顯著。