湘西北HY1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層可壓性評價

姜生玲，周慶華，蔣禮宏，姬安召，楊日麗，朱秀蘭，李彥舉

(1.隴東學院 能源工程學院， 甘肅 慶陽 745000；2.中國華電集團清潔能源有限公司 勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100160)

0 引 言

我國南方地區(qū)下古生界海相頁巖氣勘探取得重大突破，主要集中在上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組[1]，與五峰-龍馬溪組頁巖相比，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有分布面積廣、厚度大、有機碳含量高、熱演化程度高的特點[2-4]，是中上揚子地區(qū)頁巖氣勘探的重點層系之一。

由于湘西北地區(qū)所在的湘鄂西褶沖帶構(gòu)造復雜、后期改造強烈[3]，前人對湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣的研究主要表現(xiàn)在聚集條件[5-7]、含氣性[8-9]、主控因素[10-12]、資源潛力[13-14]及勘探前景[15-17]等多方面，涉及和頁巖可壓性評價相關(guān)的脆性礦物含量、儲集物性、巖石力學性質(zhì)等參數(shù)是在重點探討頁巖氣聚集條件、主控因素及資源潛力過程中進行了初步評價。通過大量文獻調(diào)研，針對湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖可壓性評價的研究相對較少，陳江湛等[18]通過可壓裂性評價數(shù)學模型的建立，以野外露頭實驗測試結(jié)果為基礎(chǔ)，探討了湘西北地區(qū)牛蹄塘組中下部黑色硅質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖可壓裂性；吳晶晶等[19]通過對湘西北地區(qū)牛蹄塘組野外露頭樣品的測試分析，對頁巖儲層可壓裂性的影響因素進行了評價；以實鉆參數(shù)井為依托，巖心描述、巖心樣品測試數(shù)據(jù)結(jié)合測井計算綜合評價湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖可壓裂性的研究鮮少涉及。

因此，本文以位于桑植-石門復向斜西南緣叭巖向斜的HY1井為例，通過密集取心采樣、實驗測試分析、測井綜合解釋等多種方法，在對HY1井牛塘組頁巖儲層有機地化特征、儲集物性、裂縫發(fā)育特征、脆性礦物組成、巖石力學性質(zhì)等進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，綜合評價了牛蹄塘組頁巖儲層可壓裂性，并對湘西北地區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖后期的壓裂提出了改造建議。

1 地質(zhì)背景

湘鄂西褶沖帶大地構(gòu)造位置位于揚子板塊中部，西與四川盆地毗鄰，北靠秦嶺-大別造山帶，東接江南-雪峰推覆隆起帶(圖1)，是由北東-北東東向的齊岳山和慈利-保靖深大斷裂聯(lián)合控制的向西北凸出的弧形構(gòu)造帶[20]。根據(jù)褶皺組合樣式可進一步劃分為桑植-石門復向斜、宜都-鶴峰復背斜帶、花果坪復向斜帶、中央復背斜帶、利川復向斜帶等次級構(gòu)造單元[12,21]。

圖1 湘鄂西區(qū)域構(gòu)造單元劃分[12,21]及HY1井位置圖

HY1井位于桑植-石門復向斜西南緣的叭巖向斜，完鉆井深2 645 m，自下而上鉆遇上震旦統(tǒng)燈影組,下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、杷榔組、清虛洞組，中寒武統(tǒng)敖溪組,上寒武統(tǒng)婁山關(guān)組和下奧陶統(tǒng)桐梓組。其中，在深度2 320～2 595 m鉆遇下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，厚275 m，巖性主要以灰黑色泥巖為主，多見黃鐵礦，中上部夾薄層灰-深灰色泥質(zhì)粉砂巖，中下部夾薄層深灰色泥質(zhì)灰?guī)r。

2 儲層地質(zhì)特征

2.1 有機地球化學特征

HY1井牛蹄塘組94塊樣品測試結(jié)果表明，有機碳含量介于0.25%～13.3%之間，平均2.91%，其中，42.6%的樣品有機碳含量大于2.0%，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖主要分布在牛蹄塘組下部2 530～2 595 m深度范圍內(nèi)，厚約65 m(圖2)。牛蹄塘組熱演化程度較高，2塊有效樣品測試結(jié)果顯示鏡質(zhì)體反射率Ro分別為3.02%和3.33%，表明牛蹄塘組有機質(zhì)熱演化處于高-過成熟生干氣階段。HY1井14塊巖心樣品干酪根顯微組分鑒定結(jié)果顯示，牛蹄塘組干酪根以殼質(zhì)組為主，含量為68%～88%，平均77.1%；其次為腐泥組，含量介于8%～26%之間，平均17.4%；含少量鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，干酪根類型指數(shù)TI介于40.75～62.5之間(圖2)，綜合判斷干酪根類型為II1型。綜合分析認為HY1井牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖具備生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 HY1井牛蹄塘組巖性及有機地化指標綜合柱狀圖

2.2 儲集物性

HY1井牛蹄塘組頁巖儲層微觀結(jié)構(gòu)主要以泥?？诪橹?，部分樣品見晶間縫，偶見順層裂隙、層間裂隙和鑄?？?圖3)，孔徑分布在3.831～4.602 nm之間，平均4.009 nm，主要為納米級孔隙。

圖3 HY1井牛蹄塘組頁巖孔縫發(fā)育分布圖

33塊樣品采用脈沖衰減法測試孔隙度和滲透率，結(jié)果顯示孔隙度介于0.008 4%～1.944 9%之間(圖2)，平均值0.427%，大于1.0%的樣品僅占12.1%。滲透率介于0.159 1×10-6～4.011 8×10-6μm2之間，平均0.812 2×10-6μm2，總體上牛蹄塘組屬于特低孔特低滲儲層類型。頁巖在擁有一定規(guī)模儲集空間和孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時還需具備較高滲透能力[22-24]，否則，特低孔特低滲的頁巖儲層必須通過壓裂改造才有可能獲得頁巖氣產(chǎn)能[25]。

2.3 裂縫發(fā)育特征

頁巖氣藏產(chǎn)量高低直接與泥頁巖內(nèi)部天然裂縫、微裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)，裂縫、微裂縫的存在提高了水力壓裂效應(yīng)的有效性，從而極大改善了泥頁巖的滲流能力，為頁巖氣從基巖孔隙進入井孔提供了運移通道[22,24,26-27]。

HY1井主要發(fā)育構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫兩種類型，其中構(gòu)造縫主要表現(xiàn)為高角度/垂直充填縫、高角度/垂直未充填縫、低角度/水平充填縫、低角度/水平未充填縫4種類型，HY1井牛蹄塘組主要以高角度/垂直縫略占優(yōu)(表1)，占到總統(tǒng)計裂縫數(shù)的52%，且多為充填縫，深灰色泥灰?guī)r，顏色均勻，巖性硬且脆，見寬0.5～4 mm，被方解石充填為垂直中縫(圖4(a))，灰黑色泥頁巖中可見近垂直的開啟縫(圖4(b))。低角度/水平縫數(shù)量略少，充填縫和開啟縫數(shù)量相當(表1)，深灰色泥灰?guī)r-灰質(zhì)泥巖見方解石充填水平縫(圖4(e))；含少量炭質(zhì)的灰黑色頁巖見方解石條帶并發(fā)育水平開啟縫(圖4(f))?？傮w上，泥巖、灰質(zhì)泥巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層的灰?guī)r段和夾黑灰色硅質(zhì)巖的硅質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫最為發(fā)育，對應(yīng)的井段分別為2 498.5～2 516.7 m和2 595.0～2 599.2 m，裂縫密度分別為2.36和8.23，而灰黑色泥頁巖段構(gòu)造縫相對不發(fā)育，裂縫密度相對較低(表1)。

表1 HY1井牛蹄塘組裂縫發(fā)育情況分類統(tǒng)計

非構(gòu)造縫主要以頁理縫為主，主要發(fā)育于灰黑色含炭泥頁巖中，巖性硬且脆，可塑性較差，大量發(fā)育頁理縫(圖4(g))，一般開度小于0.1 mm的微裂縫，肉眼難以分辨，放大可見，用力即開，較為破碎。此外，還發(fā)育少量縫合線型裂縫，主要發(fā)育于深灰色泥質(zhì)灰?guī)r中，常見垂直縫合線(圖5(i))和水平縫合線(圖5(j))兩種類型。

圖4 HY1井牛蹄塘組裂縫發(fā)育特征

3 儲層巖石學特征

3.1 礦物脆性指數(shù)

脆性礦物對頁巖后期壓裂改造能否產(chǎn)生大量裂縫系統(tǒng)，從而形成頁巖氣聚集的有效儲層具有重要影響[28-29]。脆性礦物含量越高，巖石骨架對孔隙支撐作用越強，越容易在外力作用下形成裂縫[24]。結(jié)合頁巖氣勘探實踐，脆性礦物含量宜大于40%[30]。X衍射全巖礦物實驗結(jié)果表明，HY1井牛蹄塘組頁巖礦物組分主要以脆性礦物為主(圖5)，石英+長石含量介于21%～87%之間，平均60.3%；其次為黏土礦物，含量介于4.0%～35.0%之間，平均20.1%；碳酸鹽巖類礦物含量(方解石+白云石)為4.0%～71.0%，平均18.0%；此外含有少量黃鐵礦和硬石膏。

圖5 HY1井牛蹄塘組巖石礦物組分分布圖

對于礦物組成復雜的頁巖，脆性礦物含量還可以通過礦物脆性指數(shù)來表示，不同學者對有效脆性礦物的定義不同，張曼婷等[31]將石英、長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦一同定義為脆性礦物；何翔等[32]將石英和黏土礦物作為脆性礦物和非脆性礦物的代表性礦物組分，統(tǒng)計研究其他礦物組分與石英和黏土礦物的從屬關(guān)系，再確定有效脆性礦物；賴富強等[33]在分析研究貴州岑鞏地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲層脆性指數(shù)時，將石英、長石和黃鐵礦作為有效脆性礦物綜合考慮。考慮到石英彈性模量高、泊松比低和韌性低的特點，是頁巖脆性評價的重要礦物組成，論文按照Jarvie[34]定義的礦物脆性指數(shù)公式來計算：

(1)

式中： BRIT為礦物脆性指數(shù)， 無量綱；V石英、V碳酸鹽巖、V黏土為石英、碳酸鹽巖礦物、黏土礦物的質(zhì)量百分比，無量綱。

通過計算，HY1井牛蹄塘組頁巖礦物脆性指數(shù)介于17.7%～86.4%之間，平均55.9%，75%的樣品礦物脆性指數(shù)大于50%，部分樣品在70%以上，最高可達86.4%。通過聲波時差和密度測井計算所得脆性指數(shù)主要分布范圍為58%～86%，和實驗測試結(jié)果基本相當，均揭示脆性礦物指數(shù)高，可壓性較好。

3.2 巖石力學特征

巖石力學參數(shù)為地層壓裂設(shè)計提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐，是壓裂選層的重要依據(jù)。巖石楊氏模量越高、泊松比越小，脆性越好，一般認為楊氏模量大于20 GPa、泊松比小于0.25的巖石是脆性比較理想的[35-37]。利用聲波時差和密度測井曲線可計算動態(tài)泊松比、動態(tài)楊氏模量、內(nèi)摩擦系數(shù)，并將動態(tài)楊氏模量和泊松比轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)斯倫貝謝解釋軟件處理結(jié)果，牛蹄塘組靜態(tài)楊氏模量主要分布范圍為37～62 GPa(圖6(a))，靜態(tài)泊松比主要分布范圍為0.14～0.26(圖6(b))，單軸抗壓強度主要分布范圍為61～115 MPa(圖6(c))，內(nèi)摩擦系數(shù)主要分布在0.82～0.95之間(圖6(d))。表明牛蹄塘組泥頁巖脆性好，巖石強度較大。

圖6 HY1井牛蹄塘組巖石力學參數(shù)分布直方圖

3.3 水平兩相應(yīng)力差

水平兩向應(yīng)力差值越小，越有利于體積改造[38-40]。水平兩相地應(yīng)力差異系數(shù)定量表示：

(2)

式中，Kh為水平兩相地應(yīng)力差異系數(shù)；σy為水平最大主應(yīng)力，MPa；σx為水平最小主應(yīng)力，MPa。

牛蹄塘組水平兩向應(yīng)力差值較大，差異系數(shù)在0.39～0.53之間(表2)，均大于0.25，壓裂易形成雙翼縫為主體的人工裂縫，且裂縫方向和最大主應(yīng)力方向基本一致，對于在空間上形成有效擴展的復雜裂縫是不利的。

表2 HY1井頁巖儲層兩相水平兩向應(yīng)力差統(tǒng)計表

4 儲層可壓性綜合評價

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖在湘鄂西褶沖帶乃至整個南方地區(qū)大面積分布，厚度大，通過對HY1井牛蹄塘組頁巖儲層有機地球化學特征、儲集物性、裂縫發(fā)育情況、巖石礦物脆性指數(shù)、巖石力學參數(shù)以及水平兩相應(yīng)力差系統(tǒng)分析，認為：

首先，牛蹄塘組泥頁巖有機碳含量高，富有機質(zhì)頁巖位于牛蹄塘組下部，厚約65 m，屬于特低孔特低滲頁巖儲層類型，牛蹄塘組灰質(zhì)和硅質(zhì)巖夾層段構(gòu)造縫較發(fā)育，開啟縫一定程度上能提高局部滲透率，充填縫在壓裂時亦可以開啟活力；但位于牛蹄塘組下部的富有機質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫密度較低，頁理縫發(fā)育，大量頁理縫的存在增加裂縫復雜度的同時，一方面會增加濾失，減少裂縫延伸；另一方面裂縫在層理間可能出現(xiàn)滑移，導致錯位，從而引起錯位和滑移的裂縫寬度極小且有大角度轉(zhuǎn)向，支撐劑不能有效通過，從而限制裂縫高度和長度的延伸，對壓裂縫產(chǎn)生不利影響。

其次，牛蹄塘組泥頁巖礦物組成主要以脆性礦物為主，石英含量最大值可達83%，75%的樣品礦物脆性指數(shù)大于50%，同時，平均脆性礦物指數(shù)為55.9%，均揭示脆性礦物指數(shù)高，可壓性較好。

最后，牛蹄塘組靜態(tài)楊氏模量為37～62 GPa，靜態(tài)泊松比介于0.14～0.26之間，牛蹄塘組泥頁巖脆性好，巖石強度較大，有利于壓裂。同時，由于兩向水平應(yīng)力差大，易形成雙翼縫。所以被壓裂改造的裂縫形態(tài)是以雙翼裂縫為主體，局部和天然裂縫溝通的形態(tài)模式。因此，壓裂設(shè)計時要綜合考慮頁理縫可能造成的漏失和對裂縫高度及長度延伸的影響。

5 結(jié) 論

(1)HY1井牛蹄塘組主要以灰黑色泥巖為主，厚275 m，有機質(zhì)類型為II1型，熱演化程度高，處于高-過成熟生干氣階段，有機碳含量較高，平均2.91%，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖發(fā)育于牛蹄塘組下部，厚約65 m。

(2)HY1井牛蹄塘組灰質(zhì)和硅質(zhì)巖夾層段構(gòu)造縫發(fā)育，裂縫密度分別為2.36和8.23，富有機質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫密度較低，頁理縫發(fā)育，大量頁理縫的存在增加裂縫復雜度的同時，對壓裂縫產(chǎn)生一定不利影響。

(3)HY1井牛蹄塘組礦物脆性指數(shù)平均為55.9%、靜態(tài)楊氏模量大于20 GPa、靜態(tài)泊松比介于0.14～0.26之間，脆性好，巖石強度大，有利于壓裂，但兩相水平壓力差較大，易形成雙翼縫。