高陡復(fù)雜構(gòu)造帶頁巖氣水平井方位優(yōu)選
——以永川頁巖氣區(qū)塊五峰—龍馬溪組為例

葛忠偉，歐陽嘉穗，蔡文軒，楊 建，周 靜

(中石化西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

永川頁巖氣區(qū)塊位于川南帚狀構(gòu)造帶，為川東高陡構(gòu)造帶往川南延伸的傾末端，構(gòu)造較為復(fù)雜。龍馬溪組表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的構(gòu)造格局特征，即區(qū)塊中部為新店子背斜隆起區(qū)，西北和東南分別為石盤鋪和來蘇向斜的局部，斷裂發(fā)育，構(gòu)造長軸北東—南西向。

近年來該區(qū)頁巖氣水平井方位以南北向部署為主，單井測試產(chǎn)量偏低，而鄰區(qū)鉆井以北東—南西向為主，且測試產(chǎn)量較高。研究表明，單井產(chǎn)能除受優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率影響外，水平井軌跡方位也是影響產(chǎn)能的主要因素，而水平井方位的確定主要以與地應(yīng)力方位的相互關(guān)系來判定，當水平井方位與最大水平主應(yīng)力方位垂直時，水力壓裂易于造縫，進而溝通井筒附近一定范圍內(nèi)有機孔隙中的天然氣，單井產(chǎn)能往往較高。然而，永川頁巖氣區(qū)塊前期基于測井資料分析井間地應(yīng)力方位為30°～95°，井間差異較大，給該區(qū)水平井部署帶來困難。

前人針對地應(yīng)力的研究方法較多[1]，但多從理論角度來闡釋，結(jié)合具體勘探開發(fā)實踐較少。該研究在系統(tǒng)地歸納總結(jié)現(xiàn)有地應(yīng)力研究方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)有資料情況下的地應(yīng)力方位判定結(jié)果，提出以提高水平井優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率為核心的水平井方位部署方案，支撐該區(qū)頁巖氣開發(fā)建產(chǎn)。

1 研究區(qū)地應(yīng)力方位特征

1.1 地應(yīng)力方位的判定方法

地應(yīng)力產(chǎn)生的原因較多，主要有板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地殼非均勻擴容等。根據(jù)地應(yīng)力的方向及相互關(guān)系，可以分為垂向地應(yīng)力(σv)和水平地應(yīng)力，而水平地應(yīng)力又可分為最大水平地應(yīng)力(σH)和最小水平地應(yīng)力(σh)。根據(jù)三者間相互關(guān)系，地應(yīng)力類型又可劃分為正常(拉張)地應(yīng)力(σv>σH>σh)、走滑地應(yīng)力(σH>σv>σh)、反轉(zhuǎn)(擠壓)地應(yīng)力(σH>σh>σv)[2]。在不同地應(yīng)力類型的情況下，水平井方位與最大(或最小)水平地應(yīng)力方向之間的夾角關(guān)系決定了井壁的穩(wěn)定性，同時，對大型水力壓裂改造效果也起到了至關(guān)重要的作用。

目前，地應(yīng)力研究的方法較多[3]，包括巖石實驗、測井響應(yīng)計算、地球物理反演、數(shù)值模擬以及鉆井工程實驗等。其中，基于測井資料計算地應(yīng)力大小及方位的成像測井、聲波測井及地層傾角測井常用于石油天然氣行業(yè)。成像測井判定地應(yīng)力方向主要是通過“井眼崩落”和“鉆井誘導(dǎo)縫”法，而快橫波的方位指示最大應(yīng)力方向[4]。地層傾角測井根據(jù)井徑曲線和極板方位角的特征確定井壁崩落段，然后根據(jù)井徑曲線的相對大小和極板方位角判斷最小水平主應(yīng)力方位，最后統(tǒng)計并確定最小水平主應(yīng)力的優(yōu)勢方位。

此外，地球物理預(yù)測地應(yīng)力的方法主要有基于反射系數(shù)反演、物模多波和各向異性性質(zhì)反演、曲率和楊氏模量屬性、巖石物理模型等地應(yīng)力預(yù)測方法等。

1.2 地應(yīng)力方位

研究區(qū)基于成像測井、偶極聲波識別的應(yīng)力方向變化快。區(qū)塊南部和北部向斜區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向均在45°以上，Y1井最大水平主應(yīng)力方向為80°，Y2井50°，Y3-1井95°。中部新店子背斜區(qū)最大水平主應(yīng)力方向30°～45°。但是，通過井眼崩落法識別的地應(yīng)力方向均是在非主要目的層段的龍二段、寶塔組、龍一段中上部，例如Y2井全井段偶極聲波各向異性比較微弱，且方位不穩(wěn)定，縱向地應(yīng)力方向介于30°～170°；Y7井非目的層段井壁崩落明顯，但縱向變化也大(30°～170°)，如圖1所示。因此，通過井壁崩落及偶極聲波各向異性方法進行識別可能受到共軛剪切裂縫影響，可靠性較差。

圖1 永川區(qū)塊地應(yīng)力測井方位判別圖

基于地震預(yù)測的地應(yīng)力方位表明，平面上研究區(qū)最大水平主應(yīng)力方向整體近東西向，局部受斷層影響存在一定角度偏轉(zhuǎn)(70°～120°)，Y1井區(qū)地應(yīng)力方向為近東西向(70o～80o)，Y2井區(qū)為北東—南西向(50o～60o)，Y3井區(qū)為近東西向(90o～100o)，Y6井區(qū)為北東—南西向(40o～50o)，Y7井區(qū)為北東—南西向(30o～40o)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)地應(yīng)力預(yù)測圖

1.3 斷裂對地應(yīng)力方位的影響

影響地應(yīng)力的因素較多，包括巖層自重、地形地貌、構(gòu)造運動、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、流體溫度等，其中構(gòu)造運動形成的斷層對地應(yīng)力的影響在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)表現(xiàn)明顯。永川區(qū)塊中部為受多條北東—南西向展布的逆沖斷層控制的長軸背斜，斷裂十分發(fā)育，對地應(yīng)力方位的偏轉(zhuǎn)影響顯著。

1.3.1 斷層影響地應(yīng)力方向的表現(xiàn)形式

研究表明[5]，在構(gòu)造形態(tài)單一，斷層欠發(fā)育的區(qū)域，地應(yīng)力方位與區(qū)域主應(yīng)力方向一致。斷裂發(fā)育區(qū)受斷層的影響，地應(yīng)力方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)機理包括斷層規(guī)模、斷層走向與地應(yīng)力方位之間的夾角，以及斷層幾何形態(tài)等幾個方面。

地應(yīng)力在斷層尖滅端偏離較為嚴重，最大水平主應(yīng)力朝斷層走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[6]；在單一斷層區(qū)域，近斷層端部的地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向為沿著斷層走向往斷層端部發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在多條斷層發(fā)育的區(qū)域，斷層附近地應(yīng)力方位與斷層走向區(qū)域一致的方向[7]。

同時，隨著地應(yīng)力方向與斷層走向之間夾角的逐漸增大，地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)幅度也越大[8]，由此表明，對于同一條斷層，由于其在不同部位斷層面可能發(fā)生一定程度的擾曲，因而導(dǎo)致在斷層走向方向上的地應(yīng)力也是在不斷發(fā)生變化的[9]。此外，斷層幾何形態(tài)多樣，主要以直線型和弧線型兩種常見，但弧狀斷層周圍的地應(yīng)力變化波及的方位和幅度相較直線型斷層更顯著[10]。

1.3.2 斷層附近地應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)的巖石力學(xué)機理

斷層的規(guī)模、與最大水平主應(yīng)力方向的夾角、幾何形態(tài)所引起的地應(yīng)力方向變化只是表象，深層次的機理為斷層本身和兩側(cè)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)(變形模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等)的影響[11]。

研究區(qū)巖石力學(xué)與地應(yīng)力參數(shù)見表1。研究區(qū)不同構(gòu)造部位鉆井實測巖石力學(xué)性質(zhì)表明，位于斷裂區(qū)的YY6和YY7井，巖石彈性模量較高，地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)幅度越大；不同斷塊間的彈性模量差異越大，相互之間受斷層影響地應(yīng)力方向的變化幅度也越大。

表1 研究區(qū)巖石力學(xué)與地應(yīng)力參數(shù)表

綜上所述，研究區(qū)受斷層的分割，不同構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力方向發(fā)生了明顯的區(qū)別于區(qū)域地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向及幅度與斷層的規(guī)模及性質(zhì)密切相關(guān)。永川區(qū)塊中部背斜區(qū)以斷距大于50 m，延伸長度大于2 km的Ⅰ-Ⅱ級大斷層為主；南部及北部向斜區(qū)以斷距小于50 m，延伸長度小于2 km的Ⅲ級及以下中小規(guī)模斷層為主，且發(fā)育相當數(shù)量的斷距小于20 m的層內(nèi)裂縫。斷層規(guī)模越大，斷層附近地應(yīng)力場的擾動范圍及強度也越明顯，在斷層端部地應(yīng)力集中程度也增加明顯，并且地應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)方向也更為明顯，在多條大斷裂加持的斷塊區(qū)，地應(yīng)力方向表現(xiàn)為與斷裂走向趨于一致的特征，因此，背斜區(qū)鉆探的Y6井、Y7井最大水平地應(yīng)力方向為30°～45°，基本平行于斷層走向。而遠離大斷裂的南北向斜區(qū)，雖然也發(fā)育相當數(shù)量的斷層，但斷層規(guī)模較小，對趨于地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)幅度不大，整體表現(xiàn)出近東西向的地應(yīng)力方位特征，Y1井、Y3-1井最大水平地應(yīng)力方向分別為80°和95°。

2 水平井方位對產(chǎn)能的影響

近年來，通過勘探開發(fā)不斷探索實踐，四川盆地志留系龍馬溪組頁巖氣水平井靶窗位置取得一致認識，即龍馬溪組底部具有高伽瑪、低密度、高電阻特征的儲層段，區(qū)域厚度為5.4～7.4 m，各油氣企業(yè)針對該套儲層開展了精細刻畫與評價，并對儲層類型賦予了不同的含義。中石化頁巖氣評價標準中將該套儲層定義為I類儲層，即對應(yīng)儲層品質(zhì)為TOC大于4%，含氣量大于4 m3/t，孔隙度大于6%，脆性礦物含量大于50%，層理縫發(fā)育。水平井在該套儲層中穿行可以確保后期壓裂改造獲得更好的施工效果，形成更大規(guī)模的人工裂縫系統(tǒng)，取得更高的氣井初期產(chǎn)能。

研究區(qū)試采分析表明，產(chǎn)能主要受優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率、裂縫發(fā)育程度、壓裂改造效果及埋深影響，各構(gòu)造區(qū)之間略有差異[12]。以南部向斜區(qū)為例，中小規(guī)模斷層走向呈北東—南西向展布，產(chǎn)能除與總液量、砂量呈正相關(guān)關(guān)系外，鉆遇I類儲層水平段長及鉆遇率與產(chǎn)能相關(guān)性明顯[13]。圖3所示為I類儲層鉆遇率及鉆遇長度對產(chǎn)能的影響關(guān)系。例如，Y5-1HF南北向布井，鉆遇3條V級斷層，I類儲層鉆遇率15.3%，無阻流量11.7×104m3/d；Y1-3HF近南北向布井，鉆遇1條IV級斷層，I類儲層鉆遇率2%，無阻流量8.5×104m3/d；而Y1-4HF北東—南西向布井，與最大主應(yīng)力方向夾角約60°，雖然鉆遇了1條IV級斷層，但I類儲層鉆遇率達77.28%，無阻流量26.45×104m3/d。因此，鉆井時間證實，在斷裂發(fā)育的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，I類儲層鉆遇率及鉆遇長度對單井產(chǎn)能的貢獻明顯強于地應(yīng)力方位的影響。

圖3 I類儲層鉆遇率及鉆遇長度對產(chǎn)能的影響關(guān)系圖

同理，對于背斜區(qū)，雖然地應(yīng)力方向與斷裂走向趨于一致，理論上最佳布井方位應(yīng)垂直于最大水平地應(yīng)力方向，即水平井方位應(yīng)垂直于斷層[14-17]。但從Y6HF井實施效果來看，該井水平段垂直于斷層，由于鉆遇多條不同規(guī)模的斷層，導(dǎo)致I類儲層鉆遇率僅17%，無阻流量僅8.1×104m3/d。Y7HF井雖順斷裂走向布井，同樣鉆遇多條斷層，導(dǎo)致Ⅰ類儲層鉆遇率僅24.5%，無阻流量也僅8×104m3/d。因此，對于復(fù)雜斷塊區(qū)水平井單井產(chǎn)能，I類優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，而水平井方位的選擇優(yōu)先以提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率為標準。

3 水平井方位優(yōu)選

巖石力學(xué)實驗及裂縫監(jiān)測表明，水平井方位與最大水平地應(yīng)力方位相互垂直時，巖石最易起裂進而形成裂縫系統(tǒng)，然而受限于四川沉積盆地特有的復(fù)雜構(gòu)造特征，受到多期次構(gòu)造運動及地應(yīng)力的疊加，同時為了資源最大化利用，難以嚴格按照兩者相互垂直的方位來部署井位。從目前四川盆地已規(guī)模開發(fā)區(qū)塊的探索實踐也表明，尋找合適的地應(yīng)力方位與水平井方位之間的關(guān)系是實現(xiàn)頁巖氣資源有效動用的關(guān)鍵。例如，涪陵頁巖氣田一期產(chǎn)建區(qū)最大主應(yīng)力方向為近東西向，實施井軌跡方向與最小主應(yīng)力方向<40°，氣井測試產(chǎn)量較高；其焦頁10井區(qū)最大主應(yīng)力方向為北西—南東向，實施井軌跡方向與最小主應(yīng)力方向<30°，破裂壓力低，利于改造。中石油渝西區(qū)塊實施氣井井軌跡方向與最小主應(yīng)力夾角<30°，測試效果也較好。

因此，根據(jù)以上分析，為提高I類優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，同時避免套管變形，獲得較高的單井產(chǎn)能，水平井部署在兼顧軌跡方位與現(xiàn)有地應(yīng)力方位認識結(jié)果保持一定的夾角，確保利于壓裂的基礎(chǔ)上，盡量避開不同尺度的斷層。

以永川區(qū)塊南部向斜區(qū)為例，建立了適合于該區(qū)的水平井方位優(yōu)選標準，即水平井方位為北東向、順斷層部署，研究區(qū)水平井部署井網(wǎng)如圖4所示。井軌跡盡量與最大水平主應(yīng)力夾角大于60°，各平臺之間根據(jù)斷層的走向適度調(diào)整水平井方位，盡量避開較大規(guī)模的斷層，以提高I類優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇長度。近期實施的Y5-2井按照優(yōu)選的方位壓裂測試獲日產(chǎn)20萬 m3高產(chǎn)氣流，證實了在高陡復(fù)雜構(gòu)造帶根據(jù)地質(zhì)特征開展針對性的水平井方位部署的重要性。

圖4 研究區(qū)水平井部署井網(wǎng)圖

4 結(jié)論

1)永川區(qū)塊地應(yīng)力方位差異較大，介于30°～95°，整體呈北東—南西及近東西向，表現(xiàn)出斷裂帶兩側(cè)與區(qū)域最大地應(yīng)力方位較大差異的特征。受斷層的影響，地應(yīng)力方向在斷層區(qū)域發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的幅度與斷層規(guī)模、斷層及附近巖體巖石彈性模量密切相關(guān)。

2)在斷裂發(fā)育區(qū)域，地應(yīng)力方位對產(chǎn)能高低的影響顯著低于I類儲層鉆遇率或鉆遇長度的影響，水平井方位的選擇在兼顧軌跡方位與最大水平主應(yīng)力方向保持大于60°夾角的前提下，以順斷裂走向部署為主，劈開鉆遇斷裂后導(dǎo)致軌跡在非優(yōu)質(zhì)儲層中穿行。

3)通過開展高陡復(fù)雜構(gòu)造帶水平井方位的優(yōu)選，水平井產(chǎn)量顯著提高到20萬 m3以上，為復(fù)雜構(gòu)造帶開展針對性的水平井部署提供了重要的指導(dǎo)作用。