深層海相頁巖儲(chǔ)層精準(zhǔn)評價(jià)與開發(fā)選層的評價(jià)體系問題評述

趙迪斐，郭英海，朱炎銘，趙圣賢，陳振宏，焦偉偉，張志平，華柑霖，曾秋楠，張海杰

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116；2. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008； 3. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4. 中國石油西南油氣田分公司 頁巖氣研究院，成都 610051；5. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 6. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401120；7. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120；8. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；9. 中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083； 10. 重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國中淺層頁巖氣資源的深度開發(fā)，非常規(guī)能源領(lǐng)域迅速向深層頁巖發(fā)展，深層頁巖已經(jīng)成為我國頁巖氣資源利用領(lǐng)域能否順利實(shí)現(xiàn)有序接替的關(guān)鍵[1-5]。深層頁巖主要指3 500 m以深的頁巖地層。我國深層含氣頁巖地層，僅在四川盆地就發(fā)育有陡山沱組、筇竹寺組、五峰組和龍馬溪組等多套地層，目前主要針對四川盆地的五峰組—龍馬溪組深層海相頁巖地層進(jìn)行深層頁巖氣資源的勘探開發(fā)，并已在川南、渝西大足區(qū)塊、綦江區(qū)塊等取得了階段成效，顯示了良好的開發(fā)前景[5-7]。但目前的勘探開發(fā)成效顯示，深層頁巖儲(chǔ)層閉合應(yīng)力高，流體流動(dòng)性相對較差，兩向應(yīng)力差異更為顯著，巖石塑性增強(qiáng)，在限制工程開發(fā)效果的同時(shí)，對具有適應(yīng)深層頁巖開發(fā)優(yōu)質(zhì)層段精準(zhǔn)預(yù)測選層帶來了新需求[8-9]。深層頁巖勘探開發(fā)成本高，容錯(cuò)率低，要實(shí)現(xiàn)深層優(yōu)質(zhì)層段的精準(zhǔn)預(yù)測與選層，需要深入了解深層頁巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的地質(zhì)特征以及控制影響因素，將其納入與中淺層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)指標(biāo)體系之外的重要影響因素，有針對性的形成評價(jià)參數(shù)新體系，適應(yīng)可能的深層頁巖新工程開發(fā)技術(shù)。

1 深層頁巖儲(chǔ)層精準(zhǔn)評價(jià)與選層新問題

我國深層頁巖氣資源豐富, 四川盆地內(nèi)大部分該層系頁巖均屬于深層頁巖, 勘探開發(fā)潛力巨大, 其中五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣資源及分布如圖1所示[4]。我國深層頁巖的規(guī)模研究起步于2015—2016年，主要研究內(nèi)容包括儲(chǔ)層特征和力學(xué)特征等，主要研究對象為四川盆地內(nèi)的深層頁巖，研究進(jìn)展時(shí)間切片圖如圖2所示。我國深層頁巖(氣)研究圍繞工程痛點(diǎn)(如壓裂，包含水力壓裂、分段壓裂、體積壓裂等技術(shù)工藝關(guān)鍵詞以及水平井井壁穩(wěn)定、交替注液、改造體積等相關(guān)關(guān)鍵詞)、地質(zhì)痛點(diǎn)(如勘探前景、各向異性、主控因素、成藏機(jī)理、富集條件、儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理、地質(zhì)工程一體化等)、研究對象(如四川盆地、龍馬溪組、五峰組—龍馬溪組、深層-超深層、榮威頁巖氣田等)及特點(diǎn)等展開，深層頁巖研究的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。從前人研究成果來看，得益于良好的保存條件，川南研究區(qū)深層頁巖孔隙性較好，川南深層區(qū)頁巖孔隙發(fā)育程度與焦石壩區(qū)塊相似乃至更好，孔隙類型與結(jié)構(gòu)存在一定差異，含氣性參數(shù)的分布與有機(jī)質(zhì)分布特征相似，但試采壓降快，產(chǎn)量下降速度快，壓裂造縫擴(kuò)展延伸相對較差，區(qū)塊內(nèi)水平井最佳靶窗不盡相同，需要精細(xì)儲(chǔ)層解釋和預(yù)測[6]。

圖1 四川盆地五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣資源及分布(據(jù)文獻(xiàn)[4])Fig.1 Deep shale gas resources and distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin(According to literature[4])

圖2 我國深層頁巖研究進(jìn)展時(shí)間切片F(xiàn)ig.2 Time slice of research progress of deep shale in China

圖3 我國深層頁巖研究的關(guān)鍵詞知識(shí)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Knowledge network of deep shale research in China

深層頁巖地質(zhì)評價(jià)的信息來源與中淺層相似，主要來源于巖心及對應(yīng)測試、測井?dāng)?shù)據(jù)以及其他勘探方法，因此，中淺層頁巖的評價(jià)指標(biāo)體系易于在深層頁巖勘探中建立。但深層頁巖地層條件相對極端，對于精準(zhǔn)評價(jià)的需求與中淺層存在差異，因此中淺層頁巖評價(jià)指標(biāo)顯然不適用于深層頁巖[10]。深層條件下，頁巖巖石物理性質(zhì)塑性更強(qiáng)，地層演化過程對孔隙系統(tǒng)及其連通性的影響更為顯著。研究表明，深層頁巖勘探預(yù)測不僅需要考慮基礎(chǔ)的有機(jī)質(zhì)含量、孔隙發(fā)育程度等常規(guī)指標(biāo)，還需要考慮孔隙保護(hù)機(jī)制[11]以及影響孔隙系統(tǒng)連通性和有效性的因素[12]。此外，由于工程開發(fā)條件的極端性，深層頁巖勘探還必須考慮與工程開發(fā)方式的配合，針對優(yōu)化開發(fā)方式選取有利于工程因素的地質(zhì)特征納入評價(jià)體系，增強(qiáng)地質(zhì)評價(jià)與工程開發(fā)的關(guān)聯(lián)。

2 更新深層頁巖儲(chǔ)層特征與控制因素認(rèn)知

基于對中淺層頁巖儲(chǔ)層的認(rèn)知，學(xué)界及工業(yè)界總結(jié)了多套評價(jià)方案，或基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、或基于理論分析，形成了對復(fù)雜控制因素的階段認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為頁巖儲(chǔ)層的重要特征包括有機(jī)質(zhì)特征(含量、類型、熱成熟度及分布規(guī)律)、礦物組分特征、物性參數(shù)(孔隙性、巖石脆性和滲透性)等。深層頁巖地質(zhì)環(huán)境更為特殊，儲(chǔ)層特征中影響勘探預(yù)測以及開發(fā)的控制因素可能發(fā)生變化，需要更新相關(guān)認(rèn)知。對渝西大足地區(qū)深層頁巖的宏觀觀測表明，深層頁巖樣品的宏觀非均質(zhì)性相對較弱，巖心致密，比重大，黃鐵礦晶體較為發(fā)育，在宏觀尺度上觀測巖石結(jié)構(gòu)存在困難，如圖4a和圖4b所示。微觀下，深層頁巖仍然顯示了極強(qiáng)的微觀非均質(zhì)性，儲(chǔ)層力學(xué)特征具有特殊性[9]，如圖4c和圖4d所示。極高的垂向壓力也導(dǎo)致兩向應(yīng)力差異更顯著，巖石結(jié)構(gòu)造成的“層控”特征(如富筆石水平層理、粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層等對物性、含氣性的兩向差異特性)更為顯著，如何在評價(jià)體系中反映不同巖石結(jié)構(gòu)的“層控”特性仍有待進(jìn)一步研究。加強(qiáng)對深層頁巖小尺度沉積構(gòu)造及其對儲(chǔ)層物性的影響研究，對認(rèn)知儲(chǔ)層非均質(zhì)性及其影響具有特殊意義，是完善預(yù)測深層儲(chǔ)層“可壓性”的一項(xiàng)補(bǔ)充指標(biāo)[13]。開展深層頁巖力學(xué)薄弱面體系的表征，有助于體積壓裂等技術(shù)的高效應(yīng)用。

圖4 深層頁巖儲(chǔ)層樣品外觀形貌及微觀特征Fig.4 Morphology and microscopic characteristics of deep shale reservoir samples

深層頁巖儲(chǔ)層在物質(zhì)組分、孔隙特征、巖石結(jié)構(gòu)上與中淺層頁巖存在差異，這些特征在地質(zhì)過程中的演化，進(jìn)一步控制了儲(chǔ)層物性與含氣特征的特殊性。對渝西地區(qū)深層頁巖儲(chǔ)層的初步研究表明，深層頁巖經(jīng)歷的儲(chǔ)層成巖改造對孔隙系統(tǒng)和物性的塑造更強(qiáng)，在富生物源硅質(zhì)來源層段，經(jīng)由過量硅、有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的協(xié)同演化，可以形成由超高含量石英+固體瀝青為主的有機(jī)質(zhì)顯微物相組合，形成脆性骨架組合高有機(jī)質(zhì)含量的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，在有機(jī)質(zhì)生烴熱演化、力學(xué)薄弱面脫接觸、溶蝕作用等孔隙建設(shè)作用儲(chǔ)層成巖作用之外，這樣的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層層段還具有孔隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的力學(xué)保護(hù)機(jī)制[10-11]，構(gòu)成深層頁巖勘探精準(zhǔn)評價(jià)的另外一項(xiàng)補(bǔ)充依據(jù)。對儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)特征及其演化機(jī)理也應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化，尤其是與儲(chǔ)層其他物質(zhì)組分、孔隙系統(tǒng)的保存與演化相結(jié)合，對于富有機(jī)質(zhì)頁巖的評價(jià)歸根結(jié)底還是對細(xì)粒沉積物中“有機(jī)特性”(有機(jī)質(zhì)及其演化產(chǎn)物)的評價(jià)。沉積環(huán)境與沉積條件對有機(jī)質(zhì)等原始物質(zhì)組分的控制，有機(jī)質(zhì)的聚集與保存機(jī)制，生物硅的形成及其在儲(chǔ)層演化中的作用，有機(jī)質(zhì)與礦物組分的耦合演化及其對儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)的影響等，都需要從細(xì)粒沉積物的角度進(jìn)一步研究認(rèn)識(shí)[14]。隨著對深層頁巖地質(zhì)特征特殊性的認(rèn)識(shí)不斷深入，深層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)體系內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)及其權(quán)重還將進(jìn)一步變化、完善。

3 深層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)參數(shù)指標(biāo)建設(shè)

在中淺層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)中，核心評價(jià)指標(biāo)除構(gòu)造條件、巖層厚度、展布、埋深等宏觀參數(shù)外，主要是反映儲(chǔ)層物質(zhì)組分及孔隙性、物性的相關(guān)指標(biāo)，如有機(jī)質(zhì)類型、含量及熱演化程度、脆性礦物含量、力學(xué)指標(biāo)、儲(chǔ)層物性參數(shù)等[15]，這些參數(shù)的遴選主要是基于可采集數(shù)據(jù)及其相關(guān)性，選取的核心要素更傾向于數(shù)據(jù)的可獲得性而非邏輯關(guān)聯(lián)。深層頁巖勘探風(fēng)險(xiǎn)上升，對于儲(chǔ)層評價(jià)參數(shù)的選取與指標(biāo)體系的建立，僅僅依靠可獲得參數(shù)的相關(guān)性風(fēng)險(xiǎn)較高，需要在地質(zhì)過程研究的基礎(chǔ)上，建立對深層頁巖優(yōu)質(zhì)物性層段及其特殊性成因的深入認(rèn)識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到特殊性、差異性、非均質(zhì)性對于深層頁巖選層的重要性[16]，配合深層工程獲取的實(shí)踐參數(shù)，才能科學(xué)地建立針對深層頁巖儲(chǔ)層的評價(jià)參數(shù)指標(biāo)體系。中淺層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)體系擴(kuò)展性與可應(yīng)用性的受限，也反映了經(jīng)驗(yàn)評價(jià)方法的局限性，通過目前的地質(zhì)積累，建立多元地質(zhì)因素?cái)?shù)據(jù)集，基于智能化數(shù)據(jù)處理方法(如深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)等)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)各因素間的層級(jí)歸類以及權(quán)重判斷。隨著數(shù)據(jù)與樣本的積累，逐漸形成對儲(chǔ)層重要性質(zhì)影響因素的全面認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上建立的評價(jià)體系具有因素間的邏輯關(guān)聯(lián)，因而具有更好的適用性。頁巖儲(chǔ)層評價(jià)參數(shù)指標(biāo)的邏輯性、體系性和動(dòng)態(tài)性，將是進(jìn)一步開展儲(chǔ)層精細(xì)、精準(zhǔn)評價(jià)預(yù)測的基礎(chǔ)，將沉積構(gòu)造、孔隙保護(hù)機(jī)制、多因素耦合及非均質(zhì)性等指標(biāo)納入評價(jià)參數(shù)體系，有助于深層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)的可應(yīng)用性與適應(yīng)性，科學(xué)地指導(dǎo)儲(chǔ)層核心優(yōu)質(zhì)靶體段層的遴選。對于這些因素的參數(shù)量化方式、權(quán)重與體系化，以及參數(shù)納入評價(jià)指標(biāo)體系的合理性，還有待開展進(jìn)一步研究。

4 適應(yīng)潛在新開發(fā)方式的深層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)

深層頁巖氣勘探的另一個(gè)重要問題是工程開發(fā)效果有限。由于深層受高溫高壓、高摩阻、三向應(yīng)力變化劇烈、地層閉合應(yīng)力大及塑性增強(qiáng)等因素影響，工程開發(fā)成本顯著增高，風(fēng)險(xiǎn)增大，亟待研究適應(yīng)深層地質(zhì)條件的新工程措施或開發(fā)技術(shù)[17]。針對深層頁巖儲(chǔ)層勘探開發(fā)的痛點(diǎn)和難題，一系列新技術(shù)、新工藝得到了初步應(yīng)用，如體積壓裂結(jié)合分段壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂、交叉壓裂和改進(jìn)拉鏈?zhǔn)綁毫训裙に?；同時(shí)，一系列完全不同于中淺層頁巖壓裂技術(shù)的工程工藝方法正在進(jìn)行針對性攻關(guān)，如大排量壓裂、分段燃爆壓裂等。針對深層頁巖儲(chǔ)層精細(xì)表征、評價(jià)、預(yù)測、選層的技術(shù)工藝也應(yīng)充分考慮如何適應(yīng)潛在的新開發(fā)方式。

5 結(jié)語

深層頁巖的精準(zhǔn)預(yù)測評價(jià)需要基于對深層頁巖地質(zhì)演化的過程認(rèn)知，需要建立針對性的指標(biāo)參數(shù)體系，有針對性地將深層可壓性指標(biāo)、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理、深層條件孔隙保存機(jī)制納入指標(biāo)，充分考慮地質(zhì)特征的特殊性及其成因，完善指標(biāo)體系建設(shè)，增強(qiáng)儲(chǔ)層評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)參數(shù)及評價(jià)方法的適用性。隨著深層頁巖勘探開發(fā)技術(shù)工藝的發(fā)展，適應(yīng)潛在新開發(fā)方式的深層頁巖儲(chǔ)層評價(jià)也必將成為新的研究熱點(diǎn)。深層頁巖氣資源勘探開發(fā)成效是我國頁巖氣資源持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，但也面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)和工程開發(fā)條件，需要針對性地開展對深層頁巖的精細(xì)認(rèn)知，以更好地指導(dǎo)深層頁巖的精細(xì)評價(jià)與精準(zhǔn)選層，服務(wù)開發(fā)生產(chǎn)。