武隆向斜五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖特征及水平井靶窗優(yōu)選

高全芳.

(中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京 210011)

中國擁有著豐富的頁巖氣資源。近年來中國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)展迅速，主要集中在四川盆地內(nèi)焦石壩、威遠(yuǎn)、富順—永川、長寧—昭通、威榮等地區(qū)[1-2]，并成為繼美國、加拿大之后第三個實現(xiàn)商業(yè)化頁巖氣開發(fā)的國家。我國前期重點對盆內(nèi)超壓氣藏開展大量技術(shù)攻關(guān)[3-6]，目前視角也逐步擴(kuò)展到四川盆地周緣及盆外的常壓頁巖氣區(qū)塊上[7-9]。武隆向斜位于四川盆地東南緣利川—武隆復(fù)向斜內(nèi)，五峰組—龍馬溪組地層壓力系數(shù)為1～1.2[10]，屬于典型的常壓頁巖氣區(qū)。為落實武隆的向斜頁巖氣資源潛力，實現(xiàn)常壓頁巖氣勘探突破，中石化華東油氣分公司分別于2015年和2017年在武隆向斜部署實施了LY1井和LY2井，在導(dǎo)眼井于目的層獲取良好顯示的情況下，實施水平井，分段壓裂試氣效果好，其中LY1HF井初期產(chǎn)量為4.6×104m3，已生產(chǎn)2.5 a，目前日產(chǎn)氣(2.2～2.8)×104m3；LY2HF井20 mm油嘴測試日產(chǎn)氣9.22×104m3，揭示了武隆向斜具備良好的常壓頁巖氣勘探潛力。本文以LY1井、LY2井單井資料為基礎(chǔ)，對該地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖展布特征、有機(jī)地球化學(xué)特征、儲集特征、含氣性及巖石可壓性開展系統(tǒng)研究，明確水平井穿行最優(yōu)靶窗，為該區(qū)頁巖氣的進(jìn)一步勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

武隆向斜構(gòu)造上處于川東南—湘鄂西“槽—擋”過渡帶[11-12]，該地區(qū)在燕山早期受到北西向擠壓應(yīng)力作用，形成北東向白沙斷裂、平安斷裂及北東向褶皺，武隆向斜、老廠坪背斜形成，呈現(xiàn)隆凹相間的構(gòu)造格局。燕山中晚期受到南北向壓扭走滑，形成南北向胡家園斷裂、茶園斷裂，將武隆向斜分割成團(tuán)堡次洼和火爐次洼。

研究區(qū)地層發(fā)育較全，核部出露侏羅系地層，兩翼依次為三疊系及二疊系(圖1)，核部平緩而開闊，兩翼地層傾角變陡，約為15°～30°，北西翼傾角略陡于東南翼，呈不對稱向斜，軸面傾向北西。

武隆向斜所在的上揚(yáng)子地區(qū)在奧陶紀(jì)晚期到志留紀(jì)早期經(jīng)歷了2個較為完整的全球性海進(jìn)—海退事件，在五峰組—龍馬溪組早期沉積了一套半深水—深水陸棚相暗色頁巖[13]，具備頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 武隆地區(qū)及周邊地表地層分布Fig.1 The distribution of surface stratigraphic in Wulong and peripheral areas

2 優(yōu)質(zhì)頁巖展布特征

武隆向斜五峰組—龍馬溪組根據(jù)巖性、電性、沉積等特征從下到上可劃分為3段(表1)：下部龍一段巖性為黑色—灰黑色頁巖、硅質(zhì)頁巖，化石豐富，為深水—半深水陸棚沉積，伽馬值較高，電阻率中等；中部龍二段巖性普遍為灰色粉砂質(zhì)泥巖，淺水陸棚沉積，伽馬值降低，電阻率中等；上部龍三段巖性為灰色泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，淺水陸棚沉積，伽馬值中等，電阻率中等。下部龍一段可進(jìn)一步細(xì)分為9個小層，底部①～⑤小層巖心為黑色富含筆石頁巖，其中①小層巖心破碎，高角度裂縫發(fā)育，②～⑤小層巖心完整，層理縫發(fā)育。①～⑤小層處于深水陸棚相沉積環(huán)境，為優(yōu)質(zhì)頁巖段，是生氣的主力層段，也是本文研究的目的層段。由于頁巖氣藏具備“自生自儲”的特性[14]，一定的優(yōu)質(zhì)頁巖厚度是形成頁巖氣富集的基本條件，因為優(yōu)質(zhì)頁巖只有具備一定的厚度及連續(xù)分布面積，才能為成烴提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)以及為頁巖氣的儲存提供儲集空間[15]。一般情況下，優(yōu)質(zhì)頁巖越厚，對氣藏的形成越有利。武隆向斜與盆地內(nèi)部的焦石壩地區(qū)同處于深水陸棚相沉積中心，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大，厚32～40 m，是形成頁巖氣富集的基本條件。向斜內(nèi)部的LY1井、LY2井實鉆優(yōu)質(zhì)頁巖厚度分別為32 m、35.3 m，向斜北部的YC4井鉆遇優(yōu)質(zhì)頁巖40 m，向斜南部的黃鶯鄉(xiāng)露頭⑤小層頂部受到剝蝕，優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度大于32.7 m(圖2)，武隆向斜優(yōu)質(zhì)頁巖平面上呈現(xiàn)出自西向東、由南往北減薄的變化規(guī)律。

表1 武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層劃分Table 1 Stratigraphic subdivision of Wufeng formation- Longmaxi formation in Wulong area

注：伽馬——范圍值/平均值；電阻率——范圍值/平均值。

圖2 黃鶯鄉(xiāng)露頭-LY1-LY2-YC4優(yōu)質(zhì)頁巖段連井對比Fig.2 Contrast of high-quality shale between Huangyingxiang outcrop- LY1 well- LY2 well- YC4 well

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

在泥頁巖中，表征烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征的重要指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)熱演化程度。

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

TOC是表征泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度的重要評價指標(biāo)，TOC越大，生烴能力越強(qiáng)。對LY1、LY2井優(yōu)質(zhì)頁巖段 95個巖心樣品進(jìn)行TOC測試分析(表2)，自上而下TOC呈增大趨勢，且較礁石壩地區(qū)JY1井優(yōu)質(zhì)頁巖TOC高，武隆地區(qū)處于生烴中心地帶。其中，LY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段TOC在0.65%～6.21%范圍內(nèi)，平均為3.91%；LY2井TOC在1.18%～5.73%范圍內(nèi)，平均為4.2%。超過90%的樣品TOC大于2%，遠(yuǎn)超過國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的有機(jī)碳含量1.0%的下限值[16-17]。通過小層間對比分析，②、③小層TOC更高，平均可達(dá)5.1%，是最優(yōu)層段。

表2 武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段TOC統(tǒng)計Table 2 Statistics of TOC in high-quality shale in Wulong area

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型對頁巖的生氣能力、含氣性等都有一定程度的影響。武隆地區(qū)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅰ型，少量Ⅱ1型，干酪根顯微組分以腐泥組為主，占85%～99%，含少量殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組，不含惰質(zhì)組，具有較大的生烴潛力。

3.3 有機(jī)質(zhì)熱演化程度

有機(jī)質(zhì)熱演化程度不但影響頁巖氣的生氣量，也影響頁巖氣的賦存狀態(tài)、聚集場所等[18]，通常用鏡質(zhì)體反射率Ro來評價。但由于川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組處于海相沉積環(huán)境，整體缺乏高等植物的輸入，無法直接測量鏡質(zhì)體反射率來表征熱演化程度[19-21]，因此采用瀝青質(zhì)反射率Rb，通過經(jīng)驗公式Ro=0.656 9Rb+0.336 4[22]換算成Ro值。LY2井4塊五峰組—龍馬溪組頁巖樣品的Rb為2.85%～3.01%，經(jīng)過上述公式換算，Ro為2.21%～2.31%。根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)有機(jī)質(zhì)處于過成熟階段，以生干氣為主，有利于頁巖氣的生成。

4 儲集特征

LY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段32塊巖心樣品實測孔隙度平均為4.74%，最高為5.87%；LY2井優(yōu)質(zhì)頁巖段31塊巖心樣品實測孔隙度平均為4.83%，最高為6.45%，孔隙度高值多集中于②～③小層，且孔隙度大小與TOC成較好的對應(yīng)關(guān)系(圖3)。整體來說，武隆向斜北翼優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度略高于南翼。

圖3 武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與TOC關(guān)系Fig.3 Diagram between porosity and TOC of high-quality shale in Wulong area

武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組儲集空間類型有裂縫、無機(jī)孔隙、有機(jī)孔隙等，由于該地區(qū)處于生烴中心，TOC高，因此有機(jī)孔隙為優(yōu)質(zhì)頁巖段最主要的儲集類型(圖4)，孔徑一般分布在100～300 nm范圍內(nèi)，且連通性較好。

圖4 LY2井優(yōu)質(zhì)頁巖段樣品電鏡掃描Fig.4 SEM of samples in high-quality shale of LY2 well

5 含氣性

采用氣測錄井、現(xiàn)場測試與測井解釋定性—定量相結(jié)合的方式明確武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段的含氣特點。

錄井氣測顯示武隆向斜優(yōu)質(zhì)頁巖段出現(xiàn)明顯的氣測異?，F(xiàn)象，LY1井氣測全烴值從⑤小層開始明顯升高，龍一段泥漿密度為1.36 g/cm3，優(yōu)質(zhì)頁巖段全烴均值為6.25%，最高為12.44%，⑥～⑨小層全烴值平均僅0.92%，表明優(yōu)質(zhì)頁巖段具有更好的含氣性；LY2井也顯示出相同的趨勢，在泥漿密度為1.30 g/cm3的情況下，LY2井優(yōu)質(zhì)頁巖段全烴均值為3.61%，⑥～⑨小層全烴均值為0.50%。

選取該區(qū)兩口取芯井優(yōu)質(zhì)頁巖段共計68塊巖心樣品進(jìn)行現(xiàn)場解吸試驗，測試結(jié)果為：LY1總含氣在1.17～3.5 m3/t范圍內(nèi)，平均為2.36 m3/t；LY2總含氣量在1.36～5.04 m3/t范圍內(nèi)，平均為3.2 m3/t，表明該地區(qū)達(dá)到頁巖氣開發(fā)含氣量下限值，具備工業(yè)開發(fā)價值[23]?，F(xiàn)場浸水試驗同樣揭示出優(yōu)質(zhì)頁巖含氣性較好，優(yōu)質(zhì)頁巖段巖心樣品浸入水中后氣泡豐富，直徑為0.2～2 mm，沿層理面、孔隙等呈管狀連續(xù)逸出，似“噴泉”，逸出速度快，伴有呼呼聲、鳴叫聲。另外，通過對比浸水試驗龍一段各小層巖心單位長度氣泡溢出點數(shù)量(圖5)也可以定性地表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣性更好，因為在其他外界條件一致的情況下(壓力、溫度等)，溢出點數(shù)量多意味著頁巖原始含氣量高，基質(zhì)孔隙、裂縫發(fā)育。從浸水試驗結(jié)果來看，整體上溢出點數(shù)量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢，巖心在入水后0.5～2 h內(nèi)溢出點達(dá)到高值，隨后氣泡數(shù)減少，溢出速度也逐漸變得緩慢，這是頁巖中吸附氣逐步解吸、釋放的結(jié)果。

圖5 LY2井龍一段各小層巖心浸水試驗溢出點數(shù)對比Fig.5 Comparison of core samples’ spill points in water treament test between different subzone in the first section of Wufeng formation- Longmaxi formation of LY2 well

由于巖心樣品從地下鉆取出后會經(jīng)歷一個泄壓的過程，氣體會有一定程度的逸散，影響現(xiàn)場測試含氣量的結(jié)果，因此采用測井解釋作為含氣性評價的輔助手段。斯倫貝謝測井解釋結(jié)果顯示，武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量為1.3～8.3 m3/t，平均為5.58 m3/t，其中①～③小層總含氣量平均為6.54 m3/t，表明優(yōu)質(zhì)頁巖段尤其是①～③小層泥頁巖含氣性好。另外，吸附氣含量總體在0.6～4.2 m3/t范圍內(nèi)，占總含氣量的40%～60%，體現(xiàn)出常壓頁巖氣吸附氣含量高的特點。

6 巖石可壓性

頁巖氣藏為人工氣藏，需經(jīng)過大規(guī)模的壓裂改造才能夠獲得商業(yè)產(chǎn)能[24-25]，而泥頁巖的可壓性是影響后期壓裂改造的關(guān)鍵因素，脆性礦物含量、地應(yīng)力、泊松比等能在一定程度上反映可壓性的好壞[26]。

武隆向斜優(yōu)質(zhì)頁巖段礦物組成以石英為主(圖6)，石英含量平均為56.6%，黏土含量平均為25.8%，黃鐵礦含量平均為3.5%，脆性礦物含量高，可壓性好，壓后裂縫易轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜網(wǎng)縫[27]。武隆地區(qū)受構(gòu)造擠壓作用和抬升影響，導(dǎo)致最大、最小主應(yīng)力較小而差異較大，優(yōu)質(zhì)頁巖段水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.26～0.27，高于礁石壩地區(qū)(水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.11)，形成復(fù)雜網(wǎng)縫相對困難[28]；但優(yōu)質(zhì)頁巖段中的②～③小層具有泊松比較小(泊松比平均為0.21)、楊氏模量較高(楊氏模量平均為41.3 GPa)的特點，在LY1、LY2井實際壓裂過程中顯示出了施工壓力、破裂壓力、停泵壓力低和砂比高的“三低一高”特征，壓裂效果較好。

7 水平井靶窗優(yōu)選

實踐證明，頁巖氣井產(chǎn)氣量與水平段穿行效果有關(guān)，相同條件下，在最優(yōu)靶窗內(nèi)穿行的距離越長，產(chǎn)氣量效果越好；反之，產(chǎn)氣效果越差。例如，礁石壩地區(qū)JY14-3HF井，實鉆水平段為1 540 m，最優(yōu)靶窗鉆遇率達(dá)93.6%，平均無阻流量達(dá)到103.24×104m3/d，取得較好的效果[29]；彭水常壓區(qū)的PYHF-1井水平段基本未穿行在最優(yōu)靶窗內(nèi)，影響產(chǎn)氣效果，最高日產(chǎn)氣僅為2.52×104m3。

圖6 武隆地區(qū)龍一段泥頁巖礦物組成縱向分布Fig.6 Longitudinal distribution of mineral composition in the first section of Wufeng formation- Longmaxi formation of Wulong area

綜合地質(zhì)與工程因素(表3)，認(rèn)為武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段各項指標(biāo)較好，其中②～③小層指標(biāo)更為優(yōu)越，體現(xiàn)在高TOC(5.05%～5.4%)、高孔隙度(4.39%～5.04%)、含氣性更好(6.9%～7.04%)，并具有良好的可壓性(石英含量大于46%，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.26，泊松比為0.21)，可作為該地區(qū)水平井穿行的最優(yōu)靶窗。

LY2HF井水平段長1 800 m，主要在③底部～②小層3 m的靶窗內(nèi)穿行，其中③小層穿行率達(dá)78.61%，②小層穿行率為18.39%，測試獲日產(chǎn)氣9.22×104m3，實現(xiàn)了常壓頁巖氣試氣高產(chǎn)的效果，證實了水平井靶窗選取的正確性。

表3 武隆向斜優(yōu)質(zhì)頁巖段評價參數(shù)匯總Table 3 Summary of evaluation parameters of high-quality shale in Wulong syncline

8 結(jié)論

(1)武隆向斜五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚32～40 m，整體呈現(xiàn)自西向東、由南往北減薄的趨勢，TOC較高(平均為3.91%～4.2%)，有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅰ型，處于過成熟階段(Ro為2.21%～2.31%)，具備較大的生烴潛力，有利于頁巖氣的生成；向斜北翼優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度(平均為4.83%)略高于南翼(平均為4.74%)，且有機(jī)孔隙是該區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段最主要的儲集類型；氣測錄井、現(xiàn)場測試與測井解釋均顯示出該區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣性較好(含氣量為1.3～8.3 m3/t)；該地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段巖石可壓性較好(石英含量為56.6%、泊松比為0.21、楊氏模量平均為41.3 GPa)，有利于后期壓裂改造。

(2)結(jié)合地質(zhì)—工程因素，優(yōu)選出②～③小層作為武隆向斜水平井穿行的最優(yōu)靶窗，為該區(qū)的進(jìn)一步高效勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。