源—儲(chǔ)分類新方法在川東地區(qū)頁(yè)巖氣井產(chǎn)量分析中的應(yīng)用

劉雨林，范凌霄，房大志，彭勇民，曾聯(lián)波，馮動(dòng)軍

（1.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院有限公司，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國(guó)石化頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.中國(guó)石化重慶頁(yè)巖氣有限公司，重慶 408400）

頁(yè)巖具有一套獨(dú)立的生儲(chǔ)系統(tǒng)，其“源”“儲(chǔ)”兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)[1-2]使其在埋藏?zé)嵫莼^(guò)程中即可作為源巖，同時(shí)又可以作為儲(chǔ)層。

頁(yè)巖作為源巖，其有機(jī)質(zhì)類型、總有機(jī)碳含量（TOC）、熱演化程度（Ro）決定著頁(yè)巖的生烴潛力[3]，也是資源評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[4-6]，其中浮游藻類（Ⅰ類有機(jī)質(zhì)）和底棲藻類（Ⅱ1類有機(jī)質(zhì)）在高成熟—過(guò)成熟階段生氣能力最強(qiáng)[7]。頁(yè)巖同時(shí)作為儲(chǔ)集體，其礦物組分、孔隙度、孔隙類型、孔徑分布、比表面積等微觀特征是影響儲(chǔ)集性能的重要參數(shù)[8-10]。頁(yè)巖中的各類有機(jī)質(zhì)、礦物顆粒以及各類孔隙在成巖演化過(guò)程中，通過(guò)不同的排列方式、空間配置，形成了不同的儲(chǔ)集空間類型，也導(dǎo)致了微觀結(jié)構(gòu)在縱、橫向上的非均質(zhì)性[11-12]，同時(shí)使得水平井靶窗以及井軌跡的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)苛[13-14]?？傮w而言，TOC（源）與孔隙度（儲(chǔ)）分別決定了頁(yè)巖的生烴潛力和儲(chǔ)集性能，是頁(yè)巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]，同時(shí)也影響著水平井產(chǎn)量高低。

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)層系[16]，其中南川區(qū)塊處于復(fù)雜構(gòu)造帶，單井產(chǎn)量差異明顯，頁(yè)巖氣井高低產(chǎn)的原因有待探討。采用源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)新方法，在川東海相頁(yè)巖水平井中開展源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)，從而解剖單井的高低產(chǎn)原因。

1 地質(zhì)背景與勘探開發(fā)現(xiàn)狀

川東地區(qū)構(gòu)造上屬于川東高陡構(gòu)造帶，東西緊靠華鎣山、齊岳山，北接大巴山，其內(nèi)發(fā)育北東向隔檔式平行背斜。研究區(qū)南川區(qū)塊位于川東高陡構(gòu)造帶萬(wàn)縣復(fù)向斜，是川東南—湘鄂西“槽—擋”過(guò)渡區(qū)，構(gòu)造上主要包括平橋背斜、東勝背斜以及陽(yáng)春溝向斜（圖1）。受印支期、燕山—喜山期等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)主要發(fā)育龍濟(jì)橋斷層、袁家溝斷層、平橋西斷層、平橋東斷層等北東向斷層[17]，西部斷層斷面平緩，以逆沖滑脫為主，東面斷層斷面較陡，以沖斷為主。

圖1 南川地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of Nanchuan Block

從沉積環(huán)境來(lái)看，晚奧陶世—早志留世時(shí)期，四川盆地及其周緣“東南西三面環(huán)山”，南川區(qū)塊遠(yuǎn)離陸架坡折帶，處于深水陸棚沉積。具體表現(xiàn)為五峰組下部為海侵體系域，主要沉積一套5～10 m的炭質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖，上部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶惑w系域[18]，沉積一套幾十厘米的淺水陸棚淺灰色介殼灰?guī)r；到早志留世時(shí)期，冰川消融導(dǎo)致海平面持續(xù)上升，研究區(qū)再次進(jìn)入海侵體系域階段，龍馬溪組底部沉積一套深水陸棚炭質(zhì)頁(yè)巖，向上水體變淺，巖性以淺灰色泥頁(yè)巖為主，發(fā)育粉砂質(zhì)條帶。

南川區(qū)塊以五峰組—龍馬溪組底部為主要開發(fā)層系，使平橋—東勝南斜坡JY10 井、SY1 井相繼突破，其中平橋南背斜完成了6.5×108m3產(chǎn)能建設(shè)。五峰組—龍馬溪組底部巖性以硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖為主，具有石英與黏土含量高、TOC與熱演化程度高[19]、含氣量好等特點(diǎn)。平橋南背斜JY10-10 井1—3 小層石英含量平均49.3 %，黏土礦物含量平均30.7%，TOC平均2.83%，Ro值平均3.04%，孔隙度平均3.6 %，含氣量平均5.21 cm3/g，日產(chǎn)氣量約為3×104m3；JY194-3 井1—3 小層石英含量平均56.2 %，黏土礦物含量平均26.4 %，TOC平均達(dá)4.09 %，孔隙度平均3.8%，含氣量平均4.60 cm3/g，日產(chǎn)氣量約6×104m3。

2 頁(yè)巖源—儲(chǔ)分類方法

2.1 源—儲(chǔ)耦合機(jī)理與方法定義

頁(yè)巖的“源”“儲(chǔ)”并非孤立存在，一方面，有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成熟度，礦物組分的不同影響孔隙的發(fā)育以及結(jié)構(gòu)特征[9,20]；另一方面，顆粒骨架間的各類孔隙是有機(jī)質(zhì)保存的有效場(chǎng)所，有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的天然氣以吸附或游離態(tài)的形式賦存在納米孔內(nèi)[21-22]。有機(jī)質(zhì)孔比表面積大，有機(jī)質(zhì)越發(fā)育的地方有機(jī)質(zhì)孔往往越發(fā)育，孔隙越連通，越有利于頁(yè)巖氣的富集，是相互作用最強(qiáng)的一類源—儲(chǔ)體系；無(wú)機(jī)質(zhì)孔主要包括晶間孔以及粒內(nèi)溶蝕孔隙，與有機(jī)質(zhì)（源）直接或間接接觸，例如草莓狀黃鐵礦，其微晶之間的孔隙可被有機(jī)質(zhì)充填而發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，未被充填的粒間孔也是頁(yè)巖氣賦存的重要場(chǎng)所；黏土礦物塑性強(qiáng)，在剛性礦物或內(nèi)部超壓環(huán)境的支撐下形成狹縫狀的黏土礦物間孔，內(nèi)部充填有機(jī)質(zhì)，可為吸附氣或游離氣提供賦存場(chǎng)所[23]；微裂縫在頁(yè)巖中有較大的儲(chǔ)集空間，常常被有機(jī)質(zhì)充填。微裂縫是頁(yè)巖中的優(yōu)勢(shì)滲濾通道[24]，同時(shí)也溝通孤立孔隙并形成孔—縫網(wǎng)絡(luò)，在源—儲(chǔ)體系起到疏通頁(yè)巖氣的作用。綜上，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)與儲(chǔ)集空間緊密相連，互相依存，使二者之間形成復(fù)雜的源—儲(chǔ)耦合關(guān)系。

將有機(jī)質(zhì)含量（TOC）與孔隙度分別作為生烴能力和儲(chǔ)集性能的核心指標(biāo)，并依照國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層以及頁(yè)巖氣資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將源—儲(chǔ)配置類別分為富碳高孔、中碳中孔、低碳低孔等12 類（表1），對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層源—儲(chǔ)相互關(guān)系進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)。

表1 頁(yè)巖源—儲(chǔ)配置類型Table 1 Source-reservoir configuration types of shale

將源—儲(chǔ)耦合系數(shù)定義為頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)與孔隙度相互影響的大小[25]，公式定義為：

式中：K為源—儲(chǔ)耦合系數(shù)；ωTOC為有機(jī)質(zhì)含量，%；φ為孔隙度，%。

頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)與儲(chǔ)集空間的耦合關(guān)系多變，在縱向和橫向相非均質(zhì)都非常強(qiáng)，較好的有機(jī)質(zhì)豐度并不代表有較高的孔隙度來(lái)賦存頁(yè)巖氣，“源”和“儲(chǔ)”兩者缺一不可。源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)方法正是利用這一點(diǎn)，定量的表征源和儲(chǔ)之間相互耦合的強(qiáng)弱，突顯出頁(yè)巖氣富集條件較優(yōu)的有利層段。

2.2 源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定

研究區(qū)南川區(qū)塊處于四川盆地邊緣，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜、地層壓力系數(shù)較低、源—儲(chǔ)耦合機(jī)制復(fù)雜。目的層位為五峰組—龍馬溪組下段（1—3 號(hào)小層）有機(jī)質(zhì)豐富，TOC介于0.4%～7.7%，平均3.9%，孔隙度介于2.17%～5.65%，平均3.47%，整體屬于高碳中孔的源—儲(chǔ)配置類別。

頁(yè)巖總含氣量可作為頁(yè)巖氣富集程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[26]。源—儲(chǔ)耦合系數(shù)與總含氣量之間有著密切的相關(guān)性，耦合系數(shù)越大，頁(yè)巖氣富集條件優(yōu)。因此，可以利用耦合系數(shù)和總含氣量之間的相關(guān)性制定儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以研究區(qū)不同井位的總含氣量數(shù)據(jù)、TOC以及孔隙度數(shù)據(jù)制作散點(diǎn)圖（圖2），根據(jù)主力產(chǎn)層、次要產(chǎn)層與非產(chǎn)層的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)來(lái)確定Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類儲(chǔ)層的分界線。根據(jù)圖2可以看出，南川區(qū)塊主力產(chǎn)層（1—3號(hào)小層）散點(diǎn)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)大致以總含氣量4 m3/t為界，次要產(chǎn)層與非產(chǎn)層的散點(diǎn)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)以總含氣量2 m3/t為界，其分別所對(duì)應(yīng)的源—儲(chǔ)耦合系數(shù)分級(jí)界線為15.0、7.5。也就是說(shuō)耦合系數(shù)大于15.0 的頁(yè)巖儲(chǔ)層，其含氣量是最高的，頁(yè)巖氣富集條件是最優(yōu)良的。綜上所述，以源—儲(chǔ)耦合系數(shù)（≥15.0、15.0～7.5、＜7.5）為界，劃分出研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類儲(chǔ)層。

圖2 南川區(qū)塊源儲(chǔ)耦合系數(shù)與總含氣量關(guān)系Fig.2 Relation between source-reservoir coupling coefficient and total gas content in Nanchuan Block

3 典型井實(shí)例分析

3.1 高產(chǎn)井JY-AHF源儲(chǔ)配置分析

南川區(qū)塊JY-AHF 井五峰組—龍馬溪組Ⅰ段1—5 號(hào)小層TOC介于0.82%～6.67%，平均2.98%，孔隙度介于3.31%～4.55%，平均3.75%。其中1 號(hào)和3 號(hào)小層分為富碳高孔、高碳高孔源—儲(chǔ)類型，4 號(hào)小層次之，屬于中碳中孔源—儲(chǔ)類型（圖3）。由源—儲(chǔ)耦合公式計(jì)算表明，JY-AHF 井直井段五峰組—龍馬溪組底部的源儲(chǔ)耦合系數(shù)明顯高于上部，也就是說(shuō)下部頁(yè)巖層段，特別是2 697.8～2 685.9 m層段是源儲(chǔ)耦合最為有利的層位。按照研究區(qū)源—儲(chǔ)分類的判別標(biāo)準(zhǔn)，1—3號(hào)小層主要為Ⅰ、Ⅱ類源儲(chǔ)配置層段，2 號(hào)小層附近夾有厚度幾十厘米的Ⅲ類源—儲(chǔ)層段。4—5 號(hào)小層源—儲(chǔ)指標(biāo)逐漸變差，主要以Ⅲ類源儲(chǔ)配置層為主。

圖3 南川區(qū)塊JY-AHF直井段源儲(chǔ)耦合評(píng)價(jià)Fig.3 Evaluation of source-reservoir coupling of vertical section in Well-JY-AHF in Nanchuan Block

JY-AHF井水平段長(zhǎng)1 538 m，于2017年1月12日進(jìn)行壓裂返排，加液量36 904.05 m3，加砂量1 348.6 m3，12 mm 油嘴試氣產(chǎn)量為32×104m3/d，返排率2.36 %。該井靶窗位于1—3號(hào)小層內(nèi)，AB靶間水平段穿行在1—3號(hào)小層內(nèi)部（圖4），測(cè)井TOC平均3.9%，源—儲(chǔ)耦合較好。根據(jù)源—儲(chǔ)耦合系數(shù)的計(jì)算，AB段的源—儲(chǔ)耦合系數(shù)介于0.04～40.2，平均值23，Ⅰ類源—儲(chǔ)配置層占到96.7 %，僅在3 308 m 有長(zhǎng)度為20.6 m 的Ⅲ類源儲(chǔ)配置層段。綜合而言，JY-AHF 井1-3 號(hào)小層屬于高碳中孔源儲(chǔ)耦合類型，靶窗位于Ⅰ—Ⅱ類源儲(chǔ)配置層段，整個(gè)水平井段主要穿行于Ⅰ類源儲(chǔ)配置層段中，頁(yè)巖氣富集條件較好，這也是壓裂試氣產(chǎn)量較高的原因。

圖4 南川區(qū)塊JY-AHF水平井段源儲(chǔ)耦合評(píng)價(jià)Fig.4 Evaluation of source-reservoir coupling of horizontal section in Well-JY-AHF in Nanchuan Block

3.2 中產(chǎn)井JY-BHF井源儲(chǔ)配置分析

JY-BHF 井水平段長(zhǎng)1 500 m，水平段在1—3 號(hào)中穿行，鉆遇率為100 %（圖5）。1—3 號(hào)小層高鉆遇率和測(cè)試產(chǎn)量并不匹配，12 mm 油嘴測(cè)試產(chǎn)量16×104m3/d左右，加液量41 156.4 m3，加砂量1 430.4 m3，返排率2.34%。偏低的測(cè)試產(chǎn)量一方面反映了儲(chǔ)層中頁(yè)巖氣富集的復(fù)雜性，另一方面也說(shuō)明并不能簡(jiǎn)單的依據(jù)主力產(chǎn)層鉆遇率來(lái)解釋頁(yè)巖氣高低產(chǎn)的原因。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組一段平均孔隙度3.32 %，平均滲透率0.047 8×10-3μm2，孔隙度高、滲透率較低，使得頁(yè)巖氣就地保存而沒(méi)有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的運(yùn)移?？紤]到頁(yè)巖儲(chǔ)層源—儲(chǔ)耦合的復(fù)雜性，采用“源—儲(chǔ)分類”方法表征儲(chǔ)層TOC和孔隙度之間的耦合強(qiáng)度，突出顯示頁(yè)巖氣富集條件最優(yōu)的層段。根據(jù)表2 以及圖6 可以發(fā)現(xiàn)，JY-BHF 井主力產(chǎn)層鉆遇率高，源—儲(chǔ)配置評(píng)價(jià)Ⅰ類儲(chǔ)層占79.1%，Ⅱ類占比4.4%，Ⅲ類占比16.5%，Ⅲ類源—儲(chǔ)配置層段以?shī)A層的形式頻繁出現(xiàn)在水平段中，相較于JY-AHF 井而言，源—儲(chǔ)耦合關(guān)系相對(duì)較弱，壓裂試氣產(chǎn)量受到了Ⅲ類源—儲(chǔ)層段的影響而降低。綜上所述，雖然五峰組—龍馬溪組底部（1—3號(hào)小層）深水陸棚炭質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)碳含量整體較高，但從源—儲(chǔ)配置評(píng)價(jià)來(lái)看，Ⅰ類源—儲(chǔ)層的占比小，Ⅲ類源—儲(chǔ)夾層過(guò)多是試氣產(chǎn)量偏低的原因。

圖5 南川區(qū)塊JY-BHF水平井源儲(chǔ)耦合評(píng)價(jià)Fig.5 Evaluation of source-reservoir coupling of horizontal section in Well-JY-BHF in Nanchuan Block

3.3 源—儲(chǔ)耦合系數(shù)與試氣產(chǎn)量相關(guān)性

頁(yè)巖氣試氣產(chǎn)量影響因素較多，涵蓋地質(zhì)因素和工程因素，選取區(qū)內(nèi)開采工藝類似的水平井，從源—儲(chǔ)耦合地質(zhì)角度分析試氣產(chǎn)量波動(dòng)較大的原因。選井的水平井距介于390～450 m、水平段長(zhǎng)1 400～1 538 m、壓裂18～20 段、加砂量1 072.7～1 485.1 m3、加液量34 155.5～42 099.9 m3、返排率介于2.34%～7.38%。根據(jù)源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)來(lái)看，研究區(qū)開采工藝相似的8 口水平井鉆遇Ⅰ類儲(chǔ)層占比介于79.10%～96.96%（表2），其12 mm 油嘴壓裂試氣產(chǎn)量為（15～32）×104m3/d。總體來(lái)看，研究區(qū)鉆遇Ⅰ類儲(chǔ)層的占比越大，壓裂試氣產(chǎn)量越高，兩者之間呈明顯的正相關(guān)性（圖6a）；而1-3 號(hào)小層鉆遇率基本保持在90%以上，1—3 號(hào)小層鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量之間無(wú)明顯相關(guān)性。

表2 南川區(qū)塊源儲(chǔ)配置評(píng)價(jià)Ⅰ及Ⅱ類占比Table 2 Proportion of type Ⅰand type Ⅱsource and reserve allocation evaluation in Nanchuan Block

研究區(qū)南川區(qū)塊五峰組頂部埋深介于2 700～4 000 m，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層（1—3 號(hào)小層）鉆遇率普遍大于90%，從研究區(qū)開采工藝相似的水平井1—3 號(hào)小層鉆遇率和壓裂試氣散點(diǎn)圖來(lái)看，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率即使達(dá)到100%，其壓裂試氣產(chǎn)量也會(huì)在（14～31）×104m3/d波動(dòng)（圖6b），表明鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量并不成匹配關(guān)系。利用源—儲(chǔ)分類方法評(píng)價(jià)出的Ⅰ類儲(chǔ)層占比越高，其壓裂試氣產(chǎn)量越高，綜合而言，在壓裂試氣產(chǎn)量的分析上，雙變量的源—儲(chǔ)分類方法優(yōu)于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率法。

圖6 Ⅰ類儲(chǔ)層占比、1—3小層鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量相關(guān)性Fig.6 Correlation between the proportion of type Ⅰreservoir,layer 1 to layer 3 drilling encounter rate and fracturing gas production

4 結(jié)論

1）頁(yè)巖儲(chǔ)層中“源”“儲(chǔ)”互相耦合，共同制約著頁(yè)巖氣的富集。川東地區(qū)南川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組底部源—儲(chǔ)配置最優(yōu)。以JY-AHF 直井段為例，1—3 號(hào)小層源—儲(chǔ)配置分別為富碳高孔、高碳高孔源—儲(chǔ)配置類型，4號(hào)小層次之，屬于高碳中孔源—儲(chǔ)配置類型。

2）JY-AHF井、JY-BHF井水平段Ⅰ類源—儲(chǔ)配置層段分別占比96.96%、79.10%，前者試氣產(chǎn)量高、后者試氣產(chǎn)量相對(duì)偏低，Ⅰ類源—儲(chǔ)配置層段占比與各自的壓裂試氣產(chǎn)量相匹配。再根據(jù)研究區(qū)開采工藝類似的8口水平井源—儲(chǔ)分類評(píng)價(jià)，證實(shí)此方法在解釋分析壓裂試氣產(chǎn)量的實(shí)用性。

3）通過(guò)對(duì)研究區(qū)部分水平井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖源—儲(chǔ)耦合系數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：Ⅰ類儲(chǔ)層的占比越大，頁(yè)巖源—儲(chǔ)耦合越佳，壓裂試氣產(chǎn)量越高。綜合表明雙變量的“源—儲(chǔ)分類”法在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣井的高、低產(chǎn)方面要優(yōu)于優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率法。