復(fù)雜山地頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新與成效
——以昭通國家級頁巖氣示范區(qū)為例

杜建平 葉 熙 史樹有 吳 晨

中國石油浙江油田公司

0 引言

“十三五”期間，中國的頁巖氣勘探開發(fā)工作得到了快速發(fā)展，頁巖氣已成為國內(nèi)天然氣增儲上產(chǎn)的重要力量[1]。據(jù)中華人民共和國自然資源部（原國土資源部）2015年的資源評價(jià)結(jié)果，全國頁巖氣地質(zhì)資源量為121.86×1012m3、可采資源量為21.81×1012m3[2]，其中以中國南方海相頁巖氣成藏的賦存條件最為有利[3]、開采潛力巨大，僅川南、渝東及周邊地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)資源量就達(dá) 9×1012m3[4]。

昭通國家級頁巖氣示范區(qū)（以下簡稱昭通示范區(qū)）位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部區(qū)域——川南低陡褶皺帶南緣帶，是典型的南方山地地塊，具有“構(gòu)造改造強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)過成熟、高演化，保存條件變差，高原丘陵地貌”的自然地質(zhì)特點(diǎn)與工程條件，山地地形地貌、社會人文與交通情況復(fù)雜，走滑構(gòu)造地質(zhì)條件和三軸應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，尤其是水平應(yīng)力差高逾20 MPa，斷層和天然裂縫發(fā)育，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，頁巖氣勘探開發(fā)難度較大[5]。

為了全面深化頁巖氣地質(zhì)工程認(rèn)識、確保優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的鉆遇率和井筒的完整性、提高壓裂改造的復(fù)雜程度、控制頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、降低生產(chǎn)成本，中國石油浙江油田公司針對昭通示范區(qū)獨(dú)特的山地頁巖氣成藏地質(zhì)、工程和地面條件，對頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行國產(chǎn)化、規(guī)?；⑿б婊瘧?yīng)用，積極探索頁巖氣現(xiàn)場工廠化作業(yè)、生產(chǎn)組織管理市場化運(yùn)作模式，建立了復(fù)雜山地頁巖氣勘探多點(diǎn)突破和高效開發(fā)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了昭通示范區(qū)10×108m3/a頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)。

1 研究區(qū)基本地質(zhì)特征

滇黔北昭通示范區(qū)是2014年原國土資源部命名的第一批國家級頁巖氣示范區(qū)?？缭皆啤①F、川三省交界地帶，包括四川省與云南省之間的筠連—威信地區(qū)天然氣（頁巖氣）勘查區(qū)、云南省與貴州省之間的鎮(zhèn)雄—畢節(jié)地區(qū)天然氣（頁巖氣）勘查區(qū)兩個(gè)區(qū)塊。本次研究的區(qū)域主體上位于上揚(yáng)子構(gòu)造區(qū)西南緣的滇黔北坳陷威信凹陷，北鄰四川盆地川南低陡褶皺帶，南與滇東—黔中隆起相接（圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃圖

研究區(qū)頁巖氣目的層為五峰組—龍馬溪組，為深水陸棚相沉積環(huán)境，暗色頁巖層有機(jī)質(zhì)含量高（TOC介于 1.18%～4.90%），有機(jī)質(zhì)熱演化程度高（Ro介于2.26%～3.81%），具有較好的孔滲條件（孔隙度主要分布在2%～5%），含氣量平均約為3.8 m3/t，頁巖脆性礦物含量較高，石英含量平均為44%，脆性指數(shù)超過50%，三軸應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，最小水平主應(yīng)力介于 5～50 MPa，水平主應(yīng)力差介于 20～28 MPa，天然微裂縫發(fā)育。

滇黔北地區(qū)作為四川盆地至黔中古隆起的過渡區(qū)域，較之于盆內(nèi)，經(jīng)歷了廣西（加里東）、印支等多期構(gòu)造運(yùn)動的疊加改造，地層強(qiáng)烈褶皺形變、抬升、剝蝕，構(gòu)造形態(tài)更為復(fù)雜[6-7]，五峰組—龍馬溪組沉積水體偏淺，頁巖氣目標(biāo)層段厚度偏薄，僅局限于區(qū)內(nèi)北部，受沉積相帶的控制，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度從彝良—鎮(zhèn)雄—畢節(jié)一線向北逐漸增厚，區(qū)內(nèi)主要介于0 ～60 m，向北至沉積中心，厚度可超過60 m[8]，殘留分布面積約9 000 km2，呈中間厚兩側(cè)薄，中部暗色泥巖厚度介于200～350 m，發(fā)育連續(xù)厚度超過30 m優(yōu)質(zhì)頁巖段的有利勘區(qū)內(nèi)域面積為3 800 km2，頁巖層埋深介于1 000～4 000 m的勘探有利賦存區(qū)分布總面積約為5 500 km2（圖2）。

圖2 昭通示范區(qū)龍馬溪組頁巖氣綜合評價(jià)圖與南北向地震時(shí)間解釋剖面圖

2 頁巖氣儲層評價(jià)與甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)

由于滇黔北坳陷古生界海相頁巖氣具有高演化過成熟及多期次強(qiáng)烈構(gòu)造改造的特殊性，與北美穩(wěn)定地臺上“弱構(gòu)造形變、適中熱演化程度”的頁巖氣地質(zhì)條件，以及川渝地區(qū)四川盆地內(nèi)長寧—威遠(yuǎn)、涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)構(gòu)造相對簡單、連續(xù)性好的頁巖氣藏存在著明顯的差異，頁巖氣賦存區(qū)連片面積小、分布分散、水平應(yīng)力差大。因此，以昭通示范區(qū)為代表的山地海相頁巖氣儲層甜點(diǎn)評價(jià)就不能簡單照搬北美和川渝頁巖氣評價(jià)參數(shù)和有利賦存區(qū)優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)，其保存條件、孔隙壓力是尤為重要的評價(jià)指標(biāo)[9-10]。根據(jù)昭通示范區(qū)頁巖氣勘探的實(shí)際，創(chuàng)新性地提出了山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論及甜點(diǎn)綜合評價(jià)技術(shù)，通過開展高密度高精度地震采集、疊前同步 AVO 反演、螞蟻體追蹤等技術(shù)，優(yōu)選出了黃金壩、紫金壩、太陽大寨等3個(gè)山地頁巖氣建產(chǎn)區(qū)。

2.1 山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論及甜點(diǎn)綜合評價(jià)技術(shù)

通過對研究區(qū)沉積期巖相、改造期構(gòu)造及頁巖氣成藏期保存等因素的綜合分析，創(chuàng)新性提出了復(fù)雜山地頁巖氣“沉積成巖控儲、保存條件控藏、優(yōu)質(zhì)儲層控產(chǎn)”的“三元控藏”富集理論，針對研究區(qū)頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)段評價(jià)難點(diǎn)，通過研究得到了以下認(rèn)識：①深水強(qiáng)還原環(huán)境下有機(jī)質(zhì)豐富且遠(yuǎn)離物源，發(fā)育“TOC＞3%、黏土含量小于30%、石英含量超過40%”的“富碳低黏高硅”優(yōu)質(zhì)儲層；②區(qū)域蓋層剝露缺失區(qū)、通天斷層發(fā)育帶和水文地質(zhì)淡化帶頁巖氣藏往往遭受破壞而變成無氣賦存區(qū)或無氣賦存帶，而整體封閉能力保存完好的斜坡帶則頁巖氣保存條件較好；③儲層的品質(zhì)、厚度和連續(xù)性決定了頁巖氣井是否高產(chǎn)。

由此建立了包含儲層連續(xù)厚度、壓力系數(shù)、埋藏深度、測試產(chǎn)量等參數(shù)在內(nèi)的評層選區(qū)指標(biāo)體系[5]，確立了研究區(qū)中北部五峰組—龍馬溪組下段1小層頁巖地層傾角變化大（2°～40°），背斜和向斜核部產(chǎn)狀一般小于10°，以發(fā)育三、四級斷層為主，優(yōu)質(zhì)頁巖段具有厚度大（30～40 m）、有機(jī)質(zhì)豐度高（TOC介于2.58%～3.21%）、熱演化程度高（Ro介于1.99%～3.08%）、含氣性好（含氣量介于3.30～5.51 m3/t）、儲集性能好（孔隙度介于3.98%～5.41%）、脆性礦物含量高（51%～75%）和目的層超壓（壓力系數(shù)介于1.25～2.00）等特征，是有利的頁巖氣開發(fā)層系的認(rèn)識。采用多因素疊合優(yōu)選的龍馬溪組Ⅰ類有利區(qū)面積為1 791.5 km2，頁巖氣資源量為3 354×108m3[11]（圖 3）。

圖3 研究區(qū)龍馬溪組下段頁巖氣資源量計(jì)算單元分布圖

2.2 山地頁巖氣高密度、高精度地震勘探配套技術(shù)

研究區(qū)內(nèi)所存在的地表?xiàng)l件復(fù)雜，溝壑縱橫，高差變化大，表層巖性變化大，斷裂發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜，地震資料處理解釋存在資料信噪比低，準(zhǔn)確成像難度較大，地震資料頻率特征差異大等問題，嚴(yán)重制約了后續(xù)頁巖氣甜點(diǎn)預(yù)測的精度。

針對以上難題，創(chuàng)新采用了以基于儲層各向異性的天然裂縫、疊前AVO同步彈性參數(shù)預(yù)測為核心的地震反演技術(shù)，通過精細(xì)速度分析與分頻剩余靜校正迭代、有針對性的疊前高能去噪以及高分辨OVT各向異性偏移成像等配套處理技術(shù)[12-13]，使目的層主頻從30 Hz提高到40～45 Hz，有效降低了各向異性對地震成像的影響，提高了橫向分辨率及成像精度，斷裂刻畫更加清晰，為后續(xù)甜點(diǎn)預(yù)測提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)體（圖4）。

圖4 常規(guī)疊前時(shí)間偏移與OVT域疊前時(shí)間偏移處理結(jié)果對比圖

為了破解“深度預(yù)測不準(zhǔn)、微細(xì)斷層和微構(gòu)造預(yù)測可靠性不高、儲層表征精度不夠”等解釋難題，形成了基于地震＋測井的頁巖氣甜點(diǎn)預(yù)測的一體化地質(zhì)建模技術(shù)[14]，建立了千萬網(wǎng)格級別的全氣田、高分辨率構(gòu)造、地質(zhì)、屬性和多尺度天然裂縫的地質(zhì)力學(xué)模型，滿足了從全區(qū)到單井的不同應(yīng)用對尺度和精度的要求，遞進(jìn)式深化了開發(fā)區(qū)頁巖氣地質(zhì)工程認(rèn)識，優(yōu)化了井位部署，充分應(yīng)用于斷裂及裂縫帶的力學(xué)穩(wěn)定性評價(jià)、實(shí)時(shí)鉆井管理、壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化以及壓裂后綜合評估等工作[15]，三維斷裂預(yù)測符合率由65%提升至82%，垂向分辨率由初始地球物理模型的20～30 m提升至一體化地質(zhì)模型的5～10 m，儲層預(yù)測符合率超過90%，綜合鉆井深度預(yù)測誤差由1%降低至0.3%，有效地支撐了水平井設(shè)計(jì)、地質(zhì)導(dǎo)向及有利區(qū)優(yōu)選。

2.3 有利區(qū)優(yōu)選

通過不斷深化山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論認(rèn)識、完善地震勘探配套技術(shù)，建立了適合昭通示范區(qū)“強(qiáng)改造、過成熟、高演化、雜應(yīng)力”特點(diǎn)的中國南方復(fù)雜山地海相頁巖氣的評層選取指標(biāo)體系，優(yōu)選出埋深3 500 m以淺黃金壩、紫金壩、太陽大寨等有利區(qū)。上述有利區(qū)合計(jì)面積達(dá)1 546 km2，合計(jì)頁巖氣地質(zhì)資源量約4 986×108m3（圖5）。

圖5 研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣綜合評價(jià)圖

3 水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

昭通示范區(qū)頁巖氣層上部中二疊統(tǒng)茅口組—棲霞組井漏頻發(fā)，龍馬溪組頁巖失穩(wěn)垮塌嚴(yán)重，下志留統(tǒng)石牛欄組存在致密砂巖夾層，故障復(fù)雜時(shí)效高達(dá)15%，水平井平均鉆井周期長達(dá)150 d；構(gòu)造復(fù)雜，軌跡控制難度大，Ⅰ 類儲層鉆遇率低，平均僅為76.1%。采用油基鉆井液的條件下，固井水泥漿污染問題突出，施工難度大，部分井固井泵壓高出預(yù)測值10～15 MPa。針對上述問題，開展了頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)攻關(guān)。

3.1 頁巖氣水平井鉆井系統(tǒng)優(yōu)化配套提速技術(shù)

針對不同地區(qū)的地層可鉆性和井段，探索出適用該區(qū)塊的PDC鉆頭，采用不同的鉆具組合進(jìn)行提速[16]。直井段使用長壽命螺桿＋高效PDC鉆頭提速技術(shù)，如果地層有增斜趨勢，采用MWD＋彎螺桿提速技術(shù)來提高機(jī)械鉆速。對于定向段和儲層水平段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向＋高效PDC鉆頭來提速，尤其是三維水平井在定向段推薦使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向提速技術(shù)；對于含有大段研磨性砂巖地層的石牛欄組，常規(guī)PDC鉆頭＋螺桿復(fù)合鉆進(jìn)提速效果不理想，故采用氣體鉆井提速。根據(jù)不同地層的可鉆性，優(yōu)選不同鉆頭、多種鉆井方式進(jìn)行提速，優(yōu)選配套方案如表1所示。

表1 紫金壩和太陽大寨地區(qū)鉆井方式和鉆頭優(yōu)選配套方案表

針對淺表層漏失、中深部直井段漏失和水平段漏失的“三段式”井漏特征，開展了孔隙壓力和天然裂縫穩(wěn)定性預(yù)測、水平段低密度鉆井液防漏、可變形凝膠復(fù)合堵漏等技術(shù)措施的攻關(guān)[17]。根據(jù)不同漏失類型，采用了多樣性的綜合井漏治理技術(shù)，主要包括：靜止觀察法、稠漿法、隨鉆堵漏、橋接堵漏、水泥堵漏、高濾失堵漏等一系列傳統(tǒng)井漏治理方法[18]，以及氣體鉆井、膨脹管等新型堵漏技術(shù)[19]。

鉆井提速技術(shù)應(yīng)用初期，水平井平均機(jī)械鉆速為4.0 m/h，鉆井周期為92 d。第一輪應(yīng)用， 14口水平井，平均鉆井周期為76 d，機(jī)械鉆速為5.18 m/h；第二輪應(yīng)用后，平均鉆井周期降為62 d，機(jī)械鉆速為6.8 m/h，提高31.3%。

3.2 滿足后期大型壓裂需求的固井技術(shù)

基于井筒完整性理論研究成果，首次提出密封安全系數(shù)法。依據(jù)緊密堆積理論，開發(fā)了高強(qiáng)度低彈模水泥漿體系，水泥石力學(xué)性能能夠滿足后期壓裂的需求。基于驅(qū)油型沖洗隔離液體系、高強(qiáng)度低彈模水泥漿體系，結(jié)合大壓差固井等技術(shù)，形成了昭通示范區(qū)頁巖氣水平井固井配套技術(shù)[20]和固井施工規(guī)范。

3.3 建立批量化鉆井作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與流程，形成了低成本、短完井周期的鉆井工廠化技術(shù)

根據(jù)山地地貌特征，設(shè)計(jì)了“一字形”和“雙一字型”井口雙鉆機(jī)工廠化作業(yè)井場，優(yōu)化功能區(qū)布局；按照水基鉆井液和油基鉆井液分批次開鉆，實(shí)現(xiàn)了鉆井工序的無縫對接、提高了設(shè)備/鉆井液的利用率。通過鉆機(jī)改造、設(shè)備布局、滑軌配置和鉆機(jī)平移技術(shù)進(jìn)行了配套和試驗(yàn)，形成了適應(yīng)昭通示范區(qū)山地頁巖氣“工廠化”快速平移設(shè)備配套，實(shí)現(xiàn)了水基鉆井液和油基鉆井液在同平臺的重復(fù)利用。

3.4 實(shí)施效果

鉆機(jī)平移時(shí)間小于6 h，YS108H9平臺平均平移時(shí)間僅2.86 h；平均油基鉆井液回收利用率為66%；全井平均機(jī)械鉆速由4.5 m/h提高至6.8 m/h，增幅達(dá)51%，鉆井周期最短僅37 d。新型高性能水基鉆井液體系水平段機(jī)械鉆速較油基鉆井液提高1.7倍以上，平均井徑擴(kuò)大率介于5%～7%，與油基鉆井液基本相當(dāng)。開發(fā)了高效驅(qū)油型沖洗隔離液及高強(qiáng)度低彈模韌性水泥漿體系，固井優(yōu)質(zhì)率為90%，合格率達(dá)到100%，整體套管變形（以下簡稱套變）率為業(yè)內(nèi)最低。

4 復(fù)雜構(gòu)造、高水平應(yīng)力差、強(qiáng)非均質(zhì)性頁巖氣儲層體積壓裂技術(shù)

昭通示范區(qū)處于靠近三江走滑構(gòu)造帶的三角地帶，走滑＋壓扭疊合的應(yīng)力環(huán)境極為復(fù)雜，水平應(yīng)力差值超過20 MPa、小斷層與微裂縫發(fā)育、儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，造成現(xiàn)場壓裂施工壓力高、加砂困難、人工裂縫展布復(fù)雜，并且完井投產(chǎn)工藝和工具主要靠引進(jìn)國外的技術(shù)和裝備，成本很高。為此，探索形成了復(fù)雜山地雜應(yīng)力體積壓裂技術(shù)體系。

4.1 形成“長段轉(zhuǎn)向＋多簇密切割＋石英砂”高雜應(yīng)力頁巖復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂技術(shù)

為了保證壓裂改造效果和井筒完整性，根據(jù)地層特性和井型分類提出了4種壓裂組合模式：①地層天然裂縫不發(fā)育、套變風(fēng)險(xiǎn)低的短上傾水平井采用可鉆橋塞；②長水平井采用可溶橋塞或者可溶橋塞＋可鉆橋塞；③地層天然裂縫極為發(fā)育，或井筒質(zhì)量不好的復(fù)雜水平井采用連續(xù)油管噴砂射孔+砂塞分段[21]；④對于部分上翹長水平井可采用全可溶橋塞方式分段，分段工藝適應(yīng)性好，壓后套變丟段比例小于0.3%。

研發(fā)了以“長段轉(zhuǎn)向＋多簇密切割＋石英砂”為核心的頁巖氣高效低成本體積壓裂技術(shù)，采用長分段使單井平均減少25%壓裂段數(shù)，射孔簇?cái)?shù)提升至5～11簇，簇距縮小至5～10 m，提升了人工裂縫密度、增強(qiáng)了縫網(wǎng)復(fù)雜程度；針對部分壓裂加砂難度大、橋塞下入風(fēng)險(xiǎn)高的水平井，首創(chuàng)了纖維暫堵轉(zhuǎn)向分級壓裂，在前級正常壓裂后，第二級不下入橋塞僅進(jìn)行射孔作業(yè)，第二級主壓裂前注入纖維與陶?；旌弦簳憾律霞壣淇撞糠?，實(shí)施效果明顯；采用大排量、連續(xù)高砂比加砂，全程使用低滑溜水和石英砂代陶粒，單井降低支撐劑成本660萬元?；陧搸r與水作用機(jī)理研究形成了高降阻率、可連續(xù)混配、重復(fù)利用的壓裂液體系，滑溜水體系降阻率超過70%，線性膠體系降阻率超過65%。

4.2 建立井中、淺井國產(chǎn)化微地震聯(lián)合監(jiān)測與可視化實(shí)時(shí)調(diào)整方法

開展井中、淺井、地面相結(jié)合的微地震裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測[22]與可視化實(shí)時(shí)調(diào)整（圖6），結(jié)合三維地質(zhì)建模成果，實(shí)時(shí)調(diào)整壓裂方案，預(yù)判施工風(fēng)險(xiǎn)，提升改造效果。井中微地震監(jiān)測誤差小于10 m，井中監(jiān)測延遲小于15 s，地面監(jiān)測延遲小于30 s，吻合率超過95%。

圖6 微地震監(jiān)測實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)

4.3 形成叢式水平井組壓裂工廠化高效作業(yè)技術(shù)，大幅度提升了射孔壓裂作業(yè)的效率

實(shí)現(xiàn)液體連續(xù)混配，橇裝式大排量膠液連續(xù)混配裝置能夠滿足滑溜水16 m3/min的連續(xù)混配的要求；創(chuàng)新雙機(jī)組壓裂作業(yè)模式，單井場布置8萬馬力（1馬力≈735 W），同時(shí)進(jìn)行2口井壓裂施工，單日完成最高8級壓裂。

5 結(jié)論

針對昭通示范區(qū)“強(qiáng)構(gòu)造改造、巖相變化大、過成熟演化、高雜地應(yīng)力、山地密集人文”等地質(zhì)工程與自然人文交通特征，通過10年的勘探開發(fā)技術(shù)探索，建立了適用南方海相頁巖氣的地質(zhì)工程三大技術(shù)體系8項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，為昭通示范區(qū)從無到有高效綠色建成18×108m3/a頁巖氣產(chǎn)能規(guī)模提供了科技助力。

1）創(chuàng)新性地提出山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論，通過開展高密度高精度地震采集、疊前同步 AVO 反演、螞蟻體追蹤等技術(shù)，建立了強(qiáng)改造高演化頁巖儲層評價(jià)技術(shù)體系，優(yōu)選了黃金壩、紫金壩、太陽大寨3個(gè)山地頁巖氣建產(chǎn)區(qū)。

2）圍繞昭通示范區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)過程中存在的表層井漏、部分地層鉆速慢、鉆井周期長、作業(yè)成本高等技術(shù)難題，開展鉆井提速技術(shù)攻關(guān)，鉆井液、水泥漿現(xiàn)場試驗(yàn)，形成了山地頁巖氣優(yōu)快鉆完井及工廠化作業(yè)示范技術(shù)，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，提高了鉆井質(zhì)量，保障了井筒完整性，為該區(qū)頁巖氣安全、環(huán)保的規(guī)模效益開發(fā)提供了技術(shù)保障。

3）開展水平井頁巖氣“一井一藏、一級一策”儲層壓裂工藝優(yōu)化，形成了基于提高有效改造體積的壓裂組合、水平井分段多級改造工藝、液體體系、微地震裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測與工廠化增產(chǎn)改造技術(shù)系列，提升了該區(qū)頁巖氣壓裂施工的效率和體積壓裂的效果。