頁巖氣水平井穿行層位優(yōu)選

趙培榮

(中國石化 油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

自2009年啟動頁巖氣實質(zhì)性勘探以來[1]，經(jīng)過11年勘探開發(fā)實踐，我國已在四川盆地及其周緣奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組實現(xiàn)了頁巖氣商業(yè)開發(fā)[1-8]，先后發(fā)現(xiàn)涪陵、威遠、長寧、昭通、威榮、永川等6個頁巖氣田。同時在多個層系取得新突破，針對寒武系海相頁巖，已在井研—犍為、威遠、宜昌地區(qū)取得新發(fā)現(xiàn)；針對侏羅系陸相頁巖，近期在涪陵北部復(fù)興地區(qū)自流井組東岳廟段壓裂測試獲產(chǎn)油氣。截止2019年底，我國已經(jīng)累計探明頁巖氣地質(zhì)儲量近1.8×1012m3，年產(chǎn)量達153.8×108m3，成為全球第三個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家[3]。通過多年的勘探開發(fā)實踐，地質(zhì)家們認(rèn)識到頁巖氣藏屬于“人工氣藏”[2,9]，準(zhǔn)確識別“甜點層”、優(yōu)選確定水平井穿行層位，是頁巖氣獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。本文結(jié)合近年來涪陵頁巖氣田頁巖氣勘探開發(fā)實踐，對優(yōu)選水平井穿行層位進行研究，旨為頁巖氣高效開發(fā)提供參考。

1 頁巖氣“人工氣藏”高產(chǎn)控制因素

1.1 頁巖氣“人工氣藏”開采特征

頁巖儲層具有低孔—特低滲特征，與常規(guī)天然氣儲層相比，頁巖氣主要賦存在納米級別孔隙內(nèi)，比常規(guī)砂巖儲層孔隙直徑要小1 000倍。以涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例，頁巖儲層以微孔和中孔為主，孔徑多集中在20 nm以下，巖心分析孔隙度2.78%～7.08%，平均4.8%，脈沖法滲透率(0.002～0.25)×10-3μm2，平均0.038×10-3μm2。頁巖基質(zhì)滲透率極低，通常情況下，頁巖氣無法自行流動，不能形成自然產(chǎn)能，須經(jīng)過大型水力壓裂等增產(chǎn)改造措施釋放產(chǎn)能。在涪陵頁巖氣田11號平臺曾經(jīng)開展相關(guān)對比試驗：焦頁11-4井采用直井完鉆，未壓裂，直接射孔測試獲日產(chǎn)氣40～93 m3；同一平臺焦頁11-2HF井，采用水平井分段壓裂方式進行壓裂改造，1 385 m水平段分14段進行壓裂，測試獲日產(chǎn)氣45×104m3。

研究表明[10-13]，頁巖氣以3種方式賦存于頁巖儲層中：一是以游離氣占據(jù)納米孔隙、微裂縫中；二是以吸附氣形式吸附在干酪根及黏土礦物表面；三是以溶解氣形式分布在瀝青、干酪根內(nèi)部中。采用水平井分段水力壓裂，可使壓裂液體系在高壓下注入地層，在頁巖致密儲層中形成復(fù)雜人工誘導(dǎo)裂縫系統(tǒng)，溝通頁巖儲層中納米孔隙、微裂縫等儲集空間，同時依靠支撐劑使裂縫系統(tǒng)得到有效支撐，形成高速滲流通道。在壓差驅(qū)動下，頁巖儲層中游離氣通過裂縫進入井筒；隨著壓力的持續(xù)降低，吸附氣、溶解氣發(fā)生解析和擴散，成為游離氣。因此，頁巖氣藏的氣體產(chǎn)出是游離氣、吸附氣、壓裂液在微觀孔喉、微裂縫、宏觀裂縫以及水力形成的人工裂縫等滲流通道中發(fā)生一系列氣液耦合作用的結(jié)果。

1.2 頁巖氣“人工氣藏”高產(chǎn)控制因素

頁巖氣藏屬于“人工氣藏”，需通過水平井分段壓裂才能獲得效益開發(fā)。頁巖氣藏高產(chǎn)是由地質(zhì)和工程兩類因素共同控制，地質(zhì)因素決定頁巖氣是否富集，工程因素則是決定頁巖氣是否高產(chǎn)的關(guān)鍵[14-19]。

頁巖氣儲層含氣性是影響頁巖氣高產(chǎn)的先決條件，在涪陵頁巖氣田中頁巖有機碳含量(TOC)、孔隙度、儲層氣測顯示值及地層壓力等評價參數(shù)與單井產(chǎn)能具有明顯的正相關(guān)性。在我國受多期構(gòu)造改造背景下，頁巖氣含氣性受頁巖儲層早期沉積環(huán)境和晚期保存條件雙重因素控制[2,20]。

工程因素是影響頁巖氣高產(chǎn)的另一重要條件。在相同地質(zhì)條件下，壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)的體積規(guī)模決定了頁巖氣單井產(chǎn)能的高低[21-22]。在涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊2口地質(zhì)特征相同的頁巖井，一口井由于壓裂段數(shù)少、總液量、總砂量低、加砂強度低、改造規(guī)模小，單井測試的無阻流量相比另一口井降低35%。實踐證實，涪陵頁巖氣田已完成的壓裂井，水平井軌跡穿行層位對壓裂改造效果有直接影響，導(dǎo)致單井測試產(chǎn)量有明顯差異。因此，頁巖氣地質(zhì)甜點和工程甜點預(yù)測是頁巖氣井位部署、進而獲得商業(yè)性開發(fā)的基礎(chǔ)。

2 水平井穿行層位優(yōu)選實例

2.1 涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)簡況

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵區(qū)東部，構(gòu)造位置為四川盆地川東南構(gòu)造區(qū)川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜包鸞—焦石壩背斜帶，構(gòu)造呈北東向展布(圖1)。

2012年11月28日，涪陵地區(qū)焦石壩構(gòu)造焦頁1HF井完成15段大型水力加砂壓裂，測試獲日產(chǎn)氣20.3×104m3，發(fā)現(xiàn)涪陵頁巖氣田。2013年9月，國家能源局正式批準(zhǔn)設(shè)立涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)。2014年6月，原國土資源部批準(zhǔn)設(shè)立重慶涪陵頁巖氣勘查開發(fā)示范基地。2015年底建成50×108m3產(chǎn)能；2017年累計建成100×108m3產(chǎn)能。

圖1 四川盆地涪陵頁巖氣田構(gòu)造位置Fig.1 Regional structure and location of Fuling Shale Gas Field, Sichuan Basin

涪陵頁巖氣田一、二期產(chǎn)能建設(shè)開發(fā)層系為五峰組—龍馬溪組龍一段；平面上已建成焦石壩、江東、平橋3個產(chǎn)建區(qū)，白馬、白濤、鳳來3個評價區(qū)。截至2020年6月底，已累計探明地質(zhì)儲量6 008×108m3，氣田累計投產(chǎn)近500口井，日產(chǎn)氣約1 876.9×104m3。

2.2 五峰組—龍馬溪組目的層段頁巖儲層特征

五峰組—龍馬溪組為涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)目的層段。五峰組厚度較薄，一般為4～7 m；龍馬溪組厚度一般在250～280 m，結(jié)合巖性、電性特征，縱向上可劃分為3個巖性段。其中，五峰組—龍馬溪組下段厚80～100 m，筆石和放射蟲的含量明顯高于龍馬溪組中上部，錄井油氣顯示主要集中在該層段，是勘探開發(fā)的主要氣層；該氣層進一步可細(xì)分為①～⑨等9個小層(圖2)。

①小層(厚5.7 m)：灰黑色黏土硅質(zhì)頁巖，其間見24層灰綠色凝灰?guī)r薄夾層，黃鐵礦極發(fā)育，巖石中筆石化石自下而上由欠發(fā)育到極發(fā)育，以雙列式筆石化石為主；TOC平均3.97%，孔隙度平均為6.54%，總含氣量3.84 m3/t。①小層硅質(zhì)含量較高，石英含量31%～73.8%，平均為58.04%，脆性指數(shù)平均為76%。測井具有高伽馬、高鈾、低密度的特征，自然伽馬值平均可達165.70 API；電阻率齒化低值，均值為33.98 Ω·m，密度均值為2.53 g/cm3；Th/U小于2，平均為1.47。其中，①小層頂部0.46 m為區(qū)域標(biāo)志層觀音橋段[23-24]，巖性為深灰—灰黑色含生屑硅質(zhì)云巖及泥質(zhì)灰?guī)r，電性上表現(xiàn)為高伽馬(196.61 API)、高 U(21.99%)、低TH/U比(0.42)、高密度(2.58 g/cm3)的特征；在應(yīng)力剖面中為高應(yīng)力層(圖2)。

②小層(厚1.0 m)：灰黑色黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖，古生物極發(fā)育，以雙列式筆石為主，黃鐵礦極發(fā)育，發(fā)育水平細(xì)紋層；TOC平均值為5.65%，孔隙度均值為7.8%，石英含量均值為57.00%，總含氣量為2.68 m3/t，脆性指數(shù)均值為65.14%。②小層是五峰組—龍馬溪組測井標(biāo)志層，測井曲線具有明顯的高伽馬、高含U、低電阻、低密度及低Th/U特征；自然伽馬呈尖峰狀，平均可達297.08 API，電阻率齒化低值，均值為33.75，密度均值為2.51 g/cm3，本段Th/U最小，平均僅為0.43。

③小層(厚13.3 m)：灰黑色黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖，古生物發(fā)育，下部以雙列式筆石為主，其上以單列式筆石為主，黃鐵礦極發(fā)育，水平細(xì)紋層發(fā)育，紋層細(xì)而密，紋層厚0.04～0.16 mm，密度5～10 條/cm；TOC平均值為3.42%，孔隙度均值為4.92%，石英含量平均值為50.23%，黏土礦物含量約占25%，碳酸鹽礦物含量約占10%；總含氣量為3.25 m3/t，脆性指數(shù)均值為70%；測井具有高伽馬、高含U、相對低電阻、低密度及低Th/U特征；自然伽馬和電阻率呈箱狀中值，伽馬平均值為96.93 API，深感應(yīng)電阻率平均值為49.73 Ω·m，密度較低，平均值為2.55 g/cm3，呈向上逐漸增大的趨勢，Th/U均小于2，平均值0.84。

④小層(厚9.8 m)：灰黑色含鈣黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，古生物和黃鐵礦總體表現(xiàn)為頂?shù)装l(fā)育，中部5 m鈣質(zhì)偏高，局部含量20%，古生物、黃鐵礦不發(fā)育。紋層發(fā)育，細(xì)而密，紋層厚度在0.01～0.12 mm，密度5～10 條/cm；TOC平均值為2.54%，孔隙度平均值為3.94%，石英含量均值為42.69%；總含氣量為3.40 m3/t，脆性指數(shù)均值為49.47%；測井具有高伽馬、中高密度及低Th/U比的特征，伽馬平均值187.83 API，密度平均值可達2.61 g/cm3，Th/U均小于2，平均值1.48，自然伽馬和電阻率曲線上齒化似峰狀。

⑤小層(厚10.5 m)：灰黑色黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，黃鐵礦較發(fā)育，呈團塊狀、星散狀；薄片中見碳質(zhì)浸染現(xiàn)象，巖石紋層發(fā)育，細(xì)而密，紋層厚度0.04～0.12 mm，密度8～13條/cm；TOC均值為2.66%，孔隙度均值為3.93%，石英含量均值為39.82%；總含氣量為4.09 m3/t，脆性指數(shù)均值為46.23%；測井曲線中，變化較明顯的是Th/U及密度值自下至上逐漸增大，局部Th/U值大于2，密度由2.56 g/cm3增大至2.65 g/cm3，平均值為2.60 g/cm3；自然伽馬似箱狀相對低值，伽馬平均值169.72 API，對應(yīng)的電阻率為相對高值。

⑥小層(厚9.4 m)：灰黑色含鈣黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，巖心中粉砂質(zhì)紋層發(fā)育，與富泥碳質(zhì)紋層形成明暗相間的紋層構(gòu)造，古生物、黃鐵礦均欠發(fā)育；富粉砂紋層厚度0.01～0.25 mm，密度7～14 條/cm；TOC均值為1.31%，孔隙度均值為3.38%，石英含量均值為34.71%，碳酸鹽含量10%；總含氣量為1.69 m3/t，脆性指數(shù)均值為42.25%；測井為相對低伽馬、相對高電阻的特征，電阻率齒化高值。本段伽馬平均值為166.68API，密度均大于2.6g/cm3，平均值為2.64 g/cm3，Th/U大部分大于2，平均值為2.65。

⑦小層(厚12 m)：灰黑色含鈣黏土質(zhì)粉砂質(zhì)混合頁巖，與⑥小層相比黏土含量增加，TOC均值為1.47%、孔隙度平均值為3.53%、石英含量均值為36.58%、黏土礦物含量38.4%，總含氣量為1.67 m3/t；脆性指數(shù)均值為43.01%。測井特征為相對低伽馬，電阻率呈箱狀中值，Th/U及密度變化不大。

⑧小層(厚17.5 m)：灰黑色含鈣粉砂質(zhì)黏土質(zhì)混合頁巖，筆石化石發(fā)育，黃鐵礦發(fā)育，水平層理發(fā)育；TOC平均值1.74%，孔隙度平均值4.88%，石英含量均值為33.28%，黏土礦物含量約占45%，碳酸鹽含量10%，局部達到25%；總含氣量為2.15 m3/t，脆性指數(shù)均值為38.24%。該小層為深水陸棚沉積環(huán)境，較為安靜的深水、還原性沉積環(huán)境總體有利于富有機質(zhì)的生成。測井曲線具有高伽馬、高密度、低電阻的特征，自然伽馬和電阻率曲線上齒化似峰狀，伽馬平均值為184.37 API，深感應(yīng)電阻率平均值30.49 Ω·m，Th/U平均2.71。

⑨小層(厚19.5 m)：灰黑色粉砂質(zhì)黏土頁巖，筆石化石、黃鐵礦不發(fā)育，泥屑發(fā)育且呈拉長狀，定向分布形成紋層構(gòu)造，粉砂呈不連續(xù)分布；TOC平均值為0.77%，孔隙度平均值為3.71%，石英平均含量為34.62%，黏土礦物含量50%～55%；總含氣量為1.10 m3/t，脆性指數(shù)均值為38.66%；測井以自然伽馬似箱狀高值、低電阻、高密度、高Th/U為特征，伽馬平均值167.17 API，密度平均可達2.68 g/cm3，Th/U大部分大于2，平均值為3.85。

依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頁巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范：NB/T 14001—2015》的評價標(biāo)準(zhǔn)，①～⑤小層主要為I類含氣層，平均TOC 3.13%；層間縫發(fā)育程度為極發(fā)育—發(fā)育，平均孔隙度5.02%，平均含氣量5.96 m3/t，脆性礦物含量68%，資源豐度達6.19×108m3/km2，是涪陵頁巖氣田早期開發(fā)主要目的層系，稱為下部氣層。⑥～⑨小層中，⑥～⑧小層為Ⅱ類氣層，⑨小層為Ⅲ類氣層，平均TOC為1.61%，層間縫發(fā)育程度較下部氣層低，為欠發(fā)育—較發(fā)育，平均孔隙度3.98%，平均含氣量3.94 m3/t，資源豐度達5.62×108m3/km2，稱為上部氣層，是近期焦石壩地區(qū)立體開發(fā)調(diào)整的新層系。

2.3 下部氣層(①～⑤小層)水平井穿行層位優(yōu)選

2.3.1 地質(zhì)甜點優(yōu)選

下部氣層具有自下而上TOC、孔隙度、基質(zhì)孔徑含量逐漸減少的趨勢。①～③小層的TOC平均為3.69%，④～⑤小層的TOC平均值2.58%；①～③小層實測孔隙度普遍大于5%，明顯高于④～⑤小層。從含氣飽和度來看，③小層的實測含氣飽和度大于70%，①、④、⑤平均值介于60%～70%。 根據(jù)巖性、有機碳、孔隙度、含氣量等相關(guān)指標(biāo)可以確定，①小層下部、②、③小層具有高TOC、高孔隙度和高硅質(zhì)礦物、高含氣量的特征，為下部氣層的地質(zhì)甜點。

2.3.2 工程甜點優(yōu)選

在下部氣層①～③小層地質(zhì)甜點層中，可壓裂性存在明顯差異。

①小層下部長英質(zhì)礦物含量平均為68.68%，碳酸鹽礦物平均含量5.9%，黏土礦物含量28%，脆性指數(shù)76。巖石中發(fā)育硅質(zhì)骨骼類生物化石，薄片下可鑒別出大量的放射蟲等硅質(zhì)骨骼類生物化石，掃描電鏡下可觀察到自形晶體的硅質(zhì)，薄片鑒定結(jié)果證實自生硅質(zhì)可占到硅質(zhì)總量的70%。構(gòu)造裂縫發(fā)育，構(gòu)造縫密度為2.63條/m，以高角度裂縫及網(wǎng)狀縫為主。①小層頂部為五峰組觀音橋段灰?guī)r、灰黑色介殼灰?guī)r，具有高碳酸鹽含量、低TOC、低孔隙度特征，在應(yīng)力剖面中為高應(yīng)力層。①小層在壓裂過程中施工壓力高于③小層，施工中砂比敏感性很強，砂比提升時出現(xiàn)壓力快速爬升現(xiàn)象，主要原因是由于五峰組天然縫網(wǎng)發(fā)育，導(dǎo)致壓裂液濾失量大，加砂困難。受觀音橋段灰?guī)r高應(yīng)力層的影響，①小層人工形成縫高有限，具裂縫橫向擴展明顯的特征。

②小層巖性為灰黑色黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖，長英質(zhì)礦物含量平均為65%，碳酸鹽礦物平均含量24.85%，黏土含量25.9%，脆性指數(shù)65%。與①、③小層相比，②小層為低應(yīng)力層，并緊鄰觀音橋灰?guī)r高應(yīng)力層(圖2)。②號小層在壓裂施工中難度最大，施工壓力波動大，砂比提升受限，多數(shù)井段砂比達到或接近10%時，施工壓力大幅爬升，無法繼續(xù)提高砂比；增加液量，施工壓力也會爬升。

③小層長英質(zhì)礦物含量平均為57%，碳酸鹽礦物平均含量24.85%，黏土礦物含量25.9%，脆性指數(shù)70%，與①小層類似，具有高TOC、高孔隙度和高硅質(zhì)礦物含量的特征；生物化石發(fā)育，見筆石、角石和珊瑚，薄片下觀察到極細(xì)水平粉砂質(zhì)紋層。與①、②小層相比，③小層壓裂時破裂壓力較低，砂比較高、提升順暢，加砂難度小。①～③小層地質(zhì)甜點層中，③小層壓裂難度小，①小層次之，②小層壓裂難度最大，在水平井鉆進過程中需要避開②小層。

2.3.3 水平井穿行層位優(yōu)選

對焦石壩地區(qū)前期9口先導(dǎo)試驗井統(tǒng)計，水平段主要穿行層位為③、④、⑤、①小層；對每口井水平段穿行小層長度、比例與單井產(chǎn)量的關(guān)系進行統(tǒng)計分析(表1，圖3)表明，①、③小層穿行長度越高、單井測試產(chǎn)量越高。因此確定①、③小層作為下部氣層穿行層位。①小層具有含氣性最好，巖石硬度高，裂縫相對發(fā)育，水平井鉆進難度較高，壓裂難度較大，壓裂改造后，單井產(chǎn)量高的特點；③小層含氣性僅次于①小層，具有鉆進難度小、容易壓裂改造的優(yōu)勢。因此早期施工水平較低的隊伍，往往將③小層中下部作為水平井穿行層位。

對焦石壩地區(qū)已試氣的201口井進行統(tǒng)計表明(圖4)，實際單井主要穿行層位為①～③小層，其中：①～③小層合計穿行百分比為81.1%，④～⑤小層穿行百分比為15.1%。在同一分區(qū)內(nèi)，水平井段穿行位置在①小層、③小層下部所占比例越大的頁巖氣井產(chǎn)能越高。

2.4 上部氣層(⑥～⑨小層)水平井穿行層位優(yōu)選

焦石壩區(qū)塊完成一期50×108m3產(chǎn)能建設(shè)后，通過微地震監(jiān)測、動態(tài)分析、壓后反演、數(shù)值模擬等多種技術(shù)相結(jié)合，以壓裂縫高度和縫長為核心，明確了焦石壩區(qū)塊縱向儲量動用狀況。微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，早期下部氣層井網(wǎng)壓裂裂縫延伸主要在下部①～⑤小層，上部氣層⑥～⑨小層波及較少；壓后模擬反演數(shù)據(jù)表明，焦石壩區(qū)塊單井裂縫向上主要延伸到⑤小層以內(nèi)，僅局部延伸到⑥、⑦小層。地?！獢?shù)模一體化結(jié)果表明，天然裂縫不發(fā)育區(qū)，上部氣層(⑥～⑨)儲量基本未動用；天然裂縫發(fā)育區(qū)，上部氣層儲量部分動用。綜合評價表明，焦石壩區(qū)塊縱向儲量⑥～⑨小層上部氣層現(xiàn)有井網(wǎng)條件下(裂縫不發(fā)育區(qū))儲量基本未動用[25]。為進一步提高五峰組—龍馬溪組儲量動用率，針對上部氣層部署8口評價井開展攻關(guān)試驗，特別是部署焦頁B井疊置在下部氣層焦頁A井之上(圖5)，垂向距離42～53 m。該井鉆井、壓裂、試氣表明，上部氣層開發(fā)對下部氣層無影響。通過8口上部氣層先導(dǎo)試驗井實施，取得了較好效果，明確焦石壩區(qū)塊采用兩層立體開發(fā)調(diào)整具有可行性。

2.4.1 地質(zhì)甜點優(yōu)選

上部氣層⑥～⑧小層為Ⅱ類頁巖層段，厚38.9m，⑨小層為Ⅲ類頁巖段。上部氣層⑥～⑨小層的TOC最小0.50%，最大2.41%，平均1.33%，其中⑧小層TOC實測值大于⑥、⑦、⑨小層，相對較高?？紫抖确矫?，上部氣層具備“一高兩低”三分性特征，即⑧小層平均孔隙度4.77%，高于⑥～⑦小層和⑨小層。含氣量方面，⑥～⑧小層實測含氣量普遍大于⑨小層，⑥～⑧小層中，⑧小層實測含氣量(平均2.15 m3/t)略高于⑥～⑦小層(平均1.82 m3/t)。根據(jù)地質(zhì)靜態(tài)評價指標(biāo)，上部氣層 ⑧小層含氣性最優(yōu)，為首選的地質(zhì)甜點層。

表1 四川盆地焦石壩地區(qū)頁巖氣開發(fā)試驗井穿行小層與單井測試產(chǎn)量Table 1 Statistics table of target layers and test production of shale gas wells in Jiaoshiba area, Sichuan Basin

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組①、③小層穿行長度比例與單位長度無阻流量的關(guān)系Fig.3 Relationship between drilling length of ① & ③ members of Wufeng-Longmaxi formations and openflow capacity per lateral length in Jiaoshiba area, Fuling Shale Gas Field, Sichuan Basin

圖4 四川盆地焦石壩一期產(chǎn)建區(qū)水平段穿行位置與單井無阻流量關(guān)系(201口井)Fig.4 Relationship between target layer location and open flow capacity of 201 wells in Jiaoshiba area, Sichuan Basin

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁A井與焦頁B井空間關(guān)系Fig.5 Relative location of wells JYA and JYBin Jiaoshiba area, Sichuan Basin

2.4.2 工程甜點優(yōu)選

鑒于上部氣層中⑥～⑧為Ⅱ類頁巖層段，地質(zhì)靜態(tài)指標(biāo)評價⑧小層為地質(zhì)甜點層，可壓裂性評價主要圍繞⑦、⑧小層開展優(yōu)選。

⑦小層為黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，石英含量均值為36.58%，黏土礦物含量38.4%，脆性指數(shù)均值為43.01%。在應(yīng)力剖面中，⑥、⑦小層為高應(yīng)力層(圖6)。⑧小層為灰黑色含碳、含粉砂、含灰泥頁巖，石英含量均值為33.28%， 黏土礦物含量約占45%，碳酸鹽礦物含量10%，局部達到25%，脆性指數(shù)均值為38.24%。在應(yīng)力剖面上，與⑦、⑨小層相比，⑧小層屬于低應(yīng)力層(圖6)。根據(jù)脆性指數(shù)、應(yīng)力特征變化，⑦小層與⑧小層相比，脆性高，壓裂過程中更容易向上突破，可壓裂性更好。因此，⑦小層屬工程甜點。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)水平段穿⑦、⑧小層時壓裂改造體積示意Fig.6 Diagram of stimulated reservoir volume when selecting ⑦ & ⑧ membersof Wufeng-Longmaxi formations as targets, Jiaoshiba area, Sichuan Basin

2.4.3 水平井穿行層位優(yōu)選

早期針對上部氣層開展先導(dǎo)試驗時，分別優(yōu)選⑧小層下部、⑦小層上部作為水平井穿行軌跡開展試驗。壓裂過程中，通過微地震等相關(guān)壓裂監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)穿行⑧小層下部，壓裂施工難度大，⑧小層破裂壓力和停泵壓力明顯高于⑦小層。由于⑧小層下部為低應(yīng)力層，向⑦、⑨高應(yīng)力層壓裂延伸困難,主要動用⑧小層和⑦中上部儲量，動用儲量有限。穿行⑦小層水平井有利于壓裂改造，壓裂縫從高應(yīng)力層向上、下延伸容易,可實現(xiàn)⑥、⑦、⑧小層儲量有效動用(圖6)。焦頁A井組上部氣層井穿行⑦小層平均測試日產(chǎn)量14.5×104m3，與穿行⑧小層下水平井平均測試日產(chǎn)量9.7×104m3相比，測試產(chǎn)量和壓力大幅提升。最終確定⑦小層上部(⑦頂之下4 m)為上部氣層井最優(yōu)穿行層位。

3 認(rèn)識與體會

3.1 精細(xì)研究是優(yōu)選水平井穿行層位的基礎(chǔ)

為了準(zhǔn)確識別水平井穿行層位，需在對前期頁巖取心進行精細(xì)分層描述研究的基礎(chǔ)上，明確每一小層地質(zhì)、工程特征；同時與地質(zhì)、測井相結(jié)合，系統(tǒng)建立小層測井標(biāo)志，指導(dǎo)水平井軌跡穿行、層位識別，并開展精細(xì)的小層壓裂效果等基礎(chǔ)研究工作。以涪陵頁巖氣田為例，早期焦頁1井通過直井開展系統(tǒng)取心和測錄井分析研究，明確五峰組—龍馬溪組下段(①～⑨小層)89 m為頁巖氣層，認(rèn)為五峰組—龍馬溪組一段下亞段(①～⑤小層)38 m為優(yōu)質(zhì)頁巖氣層，確定針對38 m優(yōu)質(zhì)頁巖氣層側(cè)鉆水平井，壓裂后獲日產(chǎn)氣20.3×104m3。焦頁1HF井突破后，在焦頁1HF井區(qū)啟動開發(fā)試驗井組，探索不同水平段長度和方位、不同壓裂參數(shù)措施改造等試驗，評價落實頁巖氣開發(fā)技術(shù)政策。在開發(fā)井組試驗期間，研究人員在層序劃分及縱向非均質(zhì)性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合化驗分析資料、測井、地震響應(yīng)特征等，將89 m頁巖氣層段細(xì)分為9個小層。同時地質(zhì)、地球物理結(jié)合建立了各小層的地質(zhì)、測井、地震識別標(biāo)志，為水平井軌跡控制以及后期水平井壓裂效果分析打下了堅實的基礎(chǔ)。通過測井資料標(biāo)志層對比分析，準(zhǔn)確劃分出開發(fā)試驗井組每一口井水平段穿行的小層位置。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果，按照小層開展壓裂實施效果對比分析，最終確定①小層下部、③小層中下部為水平井穿行層位。

3.2 地質(zhì)工程一體化是優(yōu)選水平井穿行層位的關(guān)鍵

水平井穿行層位應(yīng)按照以下程序開展優(yōu)選：一是根據(jù)TOC、孔隙度、含氣性、油氣顯示等靜態(tài)地質(zhì)評價指標(biāo)，優(yōu)選出富含氣的地質(zhì)甜點層段；二是圍繞如何充分壓裂改造地質(zhì)甜點層，結(jié)合巖石礦物組分、裂縫、層理縫發(fā)育特征、巖石物理屬性、巖石地層應(yīng)力剖面等工程評價參數(shù)，開展可壓裂性評價，優(yōu)選出工程甜點；三是地質(zhì)、工程研究人員要緊密結(jié)合，綜合優(yōu)選出“地質(zhì)+工程”甜點，結(jié)合鉆井、壓裂實施難度與試氣效果，最終確定水平井穿行最佳軌跡。這一優(yōu)選過程往往不是一次就能夠形成的，涪陵地區(qū)上部氣層水平井穿行層位的優(yōu)選就是很好的例子。在前期試驗水平井穿行在地質(zhì)甜點層⑧小層下部，但單井產(chǎn)量不如人意，最終地質(zhì)、工程進一步結(jié)合，優(yōu)選⑦小層開展試驗，確定⑦小層上部(⑦頂之下4 m)為上部氣層水平井穿行層位。

3.3 因地制宜是優(yōu)選水平井穿行層位的核心

每一個新區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖都有獨特的地質(zhì)、工程改造條件，因此要根據(jù)實際情況，地質(zhì)、工程結(jié)合優(yōu)選水平井穿行層位，決不能生搬硬套成熟地區(qū)的水平井穿行層位經(jīng)驗。以五峰龍—馬溪組頁巖氣為例，涪陵二期江東區(qū)塊位于焦石壩箱狀背斜北翼，與焦石壩區(qū)塊相比，地層產(chǎn)狀變陡，平均埋深增加700 m，①小層五峰組構(gòu)造裂縫更為發(fā)育。當(dāng)水平井軌跡穿行在①小層下部，壓裂時極易與下部澗草溝組溝通，影響壓裂改造效果，因此，江東區(qū)塊水平井要求穿行在③小層下部，避免穿行①小層。在中揚子宜昌地區(qū)，由于受沉積時期“宜昌水下隆起”的影響，五峰組—龍馬溪組沉積厚度明顯減薄，通過系統(tǒng)取心對比發(fā)現(xiàn)，①～⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖段為19.6 m，其中I類含氣層①～③小層厚度8.6 m，①小層五峰組厚5.1 m，觀音橋段泥灰?guī)r厚20 cm，龍馬溪組②～③小層厚度僅為3.3 m，為確保壓裂改造效果，確定水平井穿行層位為①小層五峰組中下部。

4 結(jié)論

(1)頁巖氣氣藏屬于“人工氣藏”，需通過水平井多段壓裂才能獲得效益開發(fā)。頁巖氣藏高產(chǎn)是由地質(zhì)和工程因素共同控制，在相同地質(zhì)條件下，壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)體積規(guī)模決定了頁巖氣單井產(chǎn)能的高低。涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)實踐表明，水平井軌跡穿行層位對壓裂改造效果有直接影響，是導(dǎo)致單井產(chǎn)量差異的重要因素。

(2)優(yōu)選水平井穿行層位有3個步驟：一是根據(jù)地質(zhì)評價指標(biāo)，優(yōu)選出富含頁巖氣的地質(zhì)甜點層；二是圍繞如何充分壓裂改造地質(zhì)甜點層，開展可壓裂性評價，優(yōu)選出工程甜點；三是地質(zhì)、工程緊密結(jié)合，綜合優(yōu)選“地質(zhì)+工程”甜點，結(jié)合工程實施難度與試氣效果，確定水平井穿行最佳軌跡。

(3)準(zhǔn)確優(yōu)選水平井穿行層位不是一次就能夠形成的，需要經(jīng)過多輪實踐才能最終確定。在一個地區(qū)優(yōu)選頁巖氣水平井穿行層位，要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地質(zhì)情況，在精細(xì)地質(zhì)工程研究的基礎(chǔ)上，地質(zhì)、工程一體化結(jié)合，才能準(zhǔn)確優(yōu)選出水平井穿行層位。

致謝：論文在寫作過程中得到鄭愛維、舒志國、李繼慶、高波、孫川翔的大力支持與協(xié)助，在此表示衷心感謝！