川南自貢區(qū)塊頁巖儲層最佳靶體優(yōu)選

張成林，楊學(xué)鋒，趙圣賢，張 鑒，2，鄧飛涌，何沅翰，張德良，王高翔，鐘光海

（1.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川成都 610051；2.頁巖氣評價與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610213；3.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000）

川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣已在威遠(yuǎn)、長寧、昭通等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)，并逐步向新區(qū)拓展[1-5]。自貢區(qū)塊作為近期中國石油開展頁巖氣產(chǎn)能評價的新區(qū)，區(qū)塊內(nèi)已實(shí)施的8 口水平井，各井間平面距離小于2 km，工程技術(shù)條件相近，測試產(chǎn)量介于（7.64～40.31）×104m3/d、平均為21.2×104m3/d，單井產(chǎn)能差異較大；同時，各井軌跡方位相同、水平段長相近，但水平井穿行層位存在差異。因此，分析目的層段的鉆遇情況對單井產(chǎn)能的影響，從而確定最優(yōu)靶體的縱向分布，是該區(qū)提高單井產(chǎn)量的研究重點(diǎn)。

北美頁巖地層厚度大、儲層品質(zhì)優(yōu)，學(xué)者們在優(yōu)選最佳靶體時更加重視儲層工程參數(shù)的評價[6]。國內(nèi)頁巖氣主要開發(fā)層位為四川盆地五峰組—龍馬溪組，儲層縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，在靶體優(yōu)選時側(cè)重于地質(zhì)參數(shù)評價[7-8]；在不同區(qū)塊優(yōu)質(zhì)靶體的縱向分布層段與厚度差異大，例如在中國石油的長寧、瀘州、威遠(yuǎn)[3,5,9]和中國石化的威榮、焦石壩[7,10]等區(qū)塊最佳靶體的厚度介于3.5～20 m。總體而言，目前的頁巖儲層最佳靶體優(yōu)選普遍存在以下問題：一是優(yōu)選的靶體縱向跨度大，水平鉆井偏差率大、未聚焦到最優(yōu)勢位置；二是頁巖儲層評價側(cè)重于地質(zhì)參數(shù)評價，往往缺少反映頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)的工程參數(shù)，而巖石力學(xué)性質(zhì)是影響頁巖儲層壓裂改造難易程度的重要因素；三是偏重于儲層靜態(tài)參數(shù)的評價，缺乏產(chǎn)氣剖面等生產(chǎn)動態(tài)資料的佐證。

綜合運(yùn)用鉆井、錄井、測井及分析化驗(yàn)等資料，在地層小層劃分基礎(chǔ)上，對自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段頁巖開展儲層精細(xì)描述并分類評價，同時結(jié)合產(chǎn)氣剖面資料分析，優(yōu)選最優(yōu)靶體層段，為優(yōu)化該區(qū)塊水平井鉆井軌跡參數(shù)設(shè)計(jì)、提高水平井單井產(chǎn)量提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

川南自貢區(qū)塊構(gòu)造位置位于四川盆地威遠(yuǎn)斜坡南翼，整體為一北西—南東向的單斜坡構(gòu)造[11]，五峰組—龍馬溪組僅發(fā)育少量北西—南東向Ⅳ級斷層（斷距20～40 m）[12]；五峰組底埋深介于3 200～4 700 m，自北向南逐漸增大（圖1）。目的層地層壓力系數(shù)1.70～1.84，保存條件好。

1.2 地層與巖性特征

針對四川盆地頁巖氣最有利目的層段[5]，中國石油（五峰組—龍一1亞段）[4]與中國石化（①—⑨號層）[7]在地層小層劃分與命名上存在差異，但總體具有良好對應(yīng)關(guān)系（圖2）。按中國石油的小層劃分方案，根據(jù)巖性特征、測井電性特征和古生物發(fā)育特征，將五峰組—龍一1亞段劃分為五峰組、小層（1 小層）、小層（2 小層）、小層（3 小層）和小層（4 小層）。5 個小層整體呈“三分性”，即五峰組厚度為6.5～7.5 m，巖性自下往上由灰質(zhì)頁巖向頁巖過渡，具有低伽馬、中密度、中聲波時差電性特征，發(fā)育異性正常筆石（五峰組典型筆石），頂部發(fā)育薄層介殼灰?guī)r（觀音橋?qū)有印永塾?jì)厚度8.6～11.8 m，巖性為黑色硅質(zhì)頁巖，電性特征呈中—高伽馬、中—低密度、中—高聲波時差，發(fā)育耙筆石、葉筆石、囊筆石、雕刻筆石等標(biāo)準(zhǔn)筆石；層厚度為13.2～19.2 m，巖性自下而上由黏土質(zhì)頁巖向粉砂質(zhì)頁巖過渡，具有低伽馬、高密度、低聲波時差電性特征，偶見單筆石、耙筆石等標(biāo)準(zhǔn)筆石，筆石個體較小、體型保存不完整[4,11]。

圖2 川南自貢區(qū)塊典型井五峰組—龍一1亞段綜合柱狀圖（筆石分層及照片據(jù)文獻(xiàn)[11]）Fig.2 Comprehensive column of shale reservoir in O3w to S1l1-1, typical well of Zigong Block of southern Sichuan（Layers division and photos of graptolites are modified from reference [11]）

2 儲層精細(xì)評價

2.1 儲層特征

選取了研究區(qū)及鄰區(qū)3口取心井，井位置見圖1，五峰組—龍一1亞段巖心分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述頁巖儲層地質(zhì)參數(shù)特征（表1），結(jié)果表明儲層縱向非均質(zhì)性強(qiáng)。其中小層脆性礦物含量（即石英、長石和碳酸鹽礦物含量之和[4]）平均為81.2 %，總有機(jī)碳含量（TOC）平均為6.0%，孔隙度平均為6.9%，總含氣量平均為6.0 m3/t，含氣飽和度平均為82.4%，單項(xiàng)儲層參數(shù)整體為各小層最高，是地質(zhì)最優(yōu)“甜點(diǎn)”層段。

圖1 川南自貢區(qū)塊五峰組底界埋深Fig.1 Burying depth for O3w bottom,Zigong Block of southern Sichuan

表1 川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段儲層參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Experimental data of reservoirs in O3w-S1l1-1,Zigong Block of southern Sichuan

頁巖儲層的可壓性受本身脆性特征、地應(yīng)力場等要素的影響[13]。巖心分析和測井解釋表明，自貢區(qū)塊小層頁巖泊—楊脆性指數(shù)48 %～62 %，泊松比0.18～0.24、楊氏模量介于（3.1～4.4）×104MPa，最小水平主應(yīng)力79～88 MPa，巖石破裂壓力85～104 MPa（表2）；相較于其余各小層，總體呈“高脆性指數(shù)、低泊松比、高楊氏模量、低最小水平主應(yīng)力、低巖石破裂壓力”的工程特征，更有利于水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)[14]。

表2 川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段儲層工程參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Engineering parameters of reservoirs in O3w-S1l1-1,Zigong Block of southern Sichuan

2.2 儲層分類評價

頁巖儲層評價目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4,7,9]。中國石油根據(jù)生氣潛力、儲集物性、可壓裂性和含氣性4個方面，選取TOC、孔隙度、泊—楊脆性指數(shù)、含氣量4項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)作為頁巖儲層分類評價標(biāo)準(zhǔn)，將頁巖儲層劃分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類，其中Ⅰ類儲層需同時滿足“TOC大于等于3.0 %、孔隙度大于等于5 %、泊—楊脆性指數(shù)不低于55%、含氣量不低于3 m3/t”[4]。馬新華等[9]針對臨近本次研究區(qū)的威遠(yuǎn)頁巖氣田100余口水平井，將Ⅰ類儲層中更優(yōu)的、滿足“四高”特點(diǎn)（即TOC不低于4.0%、孔隙度大于等于6%、含氣飽和度不低于70 %、脆性礦物含量不低于75 %）的儲層定義為Ⅰa類儲層，其余為Ⅰb類儲層，結(jié)果表明：Ⅰa類儲層在靶體設(shè)計(jì)中有很好的適應(yīng)性。研究借鑒以上標(biāo)準(zhǔn)，綜合地質(zhì)、工程參數(shù)建立本研究區(qū)儲層精細(xì)分類評價標(biāo)準(zhǔn)（表3），并對自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段頁巖儲層進(jìn)行了精細(xì)分類評價（圖2），除龍小層局部和五峰組底部發(fā)育Ⅲ類儲層外，Ⅰ+Ⅱ類儲層主要分布于五峰組中上部—小層上部，其中Ⅰb類儲層分布于小層上部和小層底部，Ⅰa類儲層穩(wěn)定分布于小層下部。

表3 川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段頁巖儲層精細(xì)分類評價Table 3 Fine classification and evaluation of shale reservoir in O3w-S1l1-1,Zigong Block of southern Sichuan

2.3 儲層發(fā)育主控因素

頁巖儲層發(fā)育受沉積和構(gòu)造作用的雙重影響，其中沉積環(huán)境是儲層形成的基礎(chǔ)；構(gòu)造作用控制了儲層的后期改造，主要體現(xiàn)在對天然裂縫發(fā)育程度的影響[15]。

從晚奧陶世開始，四川盆地逐漸由淺水的碳酸鹽巖臺地（臨湘組）轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚（五峰組下部），巖性以灰質(zhì)頁巖為主；而后在五峰組上部頁巖沉積時期，水體逐漸變深，頁巖中硅質(zhì)含量逐漸增加；晚奧陶世末期，受氣溫驟降影響全球海平面迅速降低，沉積了一套薄層的含生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r（觀音橋段）。進(jìn)入早志留世，隨著氣溫升高海平面快速上升，四川盆地普遍沉積了一套富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖（圖3a—圖3c）；而后沉積水體逐漸變淺，沉積環(huán)境由深水陸棚向淺水陸棚演化，巖性亦由黏土質(zhì)頁巖變?yōu)榉凵百|(zhì)頁巖（圖3d）。微量元素U/Th 比值（鈾/釷）能有效指示古沉積水體氧化還原條件，比值越大，還原性越強(qiáng)[16]。研究區(qū)頁巖TOC與U/Th呈較好正相關(guān)關(guān)系（圖4），表明欠補(bǔ)償、低能、缺氧的深水陸棚是發(fā)育富有機(jī)質(zhì)頁巖的最佳沉積環(huán)境。從圖2可以看出，研究區(qū)小層下部U/Th 值介于5.4～7.1，為沉積環(huán)境最優(yōu)的層段。

圖3 川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段典型薄片F(xiàn)ig.3 Typical thin sections in O3w-S1l1-1,Zigong Block of southern Sichuan

圖4 川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段TOC與U/Th的關(guān)系Fig.4 Correlation of TOC and U/Th in O3w-S1l1-1,Zigong Block of southern Sichuan

構(gòu)造作用對頁巖儲層的影響主要反映在天然裂縫的發(fā)育特征[15]。川南地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，形成了不同規(guī)模的斷層和天然裂縫。天然裂縫按尺度可分為微裂縫和大尺度裂縫，其中微裂縫能有效增大頁巖儲集空間和滲流能力，并能與人工裂縫進(jìn)行溝通并延伸形成復(fù)雜縫網(wǎng)，從而對頁巖氣富集和產(chǎn)出有重要作用；而大尺度裂縫的發(fā)育會造成頁巖中氣體運(yùn)移和逸散[18-19]。巖心裂縫觀測表明，研究區(qū)各層段中龍小層下部微裂縫最為發(fā)育（圖5），這與小層下部頁巖硅質(zhì)含量最高、脆性最強(qiáng)等特征密切相關(guān)。

圖5 川南自貢區(qū)塊巖心裂縫觀測Fig.5 Core fracture observation,Zigong Block of southern Sichuan

3 產(chǎn)氣剖面分析

分析水平井鉆遇靶體的優(yōu)劣不僅需要地質(zhì)、工程靜態(tài)參數(shù)的表征，還需要結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)特征評價。對水平井鉆遇的各小層產(chǎn)能貢獻(xiàn)的分析主要運(yùn)用產(chǎn)氣剖面資料，如生產(chǎn)測井、示蹤劑、分布式光纖監(jiān)測等技術(shù)[10,20]。以區(qū)塊內(nèi)鉆遇層下部的A 井為例（圖6），該井產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果表明：各壓裂段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率不均一；各小層中龍一11小層下部具有最高的單位長度產(chǎn)氣貢獻(xiàn)（182.3 m3/m），其余依次為小層上部（120.8 m3/m）、小層（85.3 m3/m）和小層（25.9 m3/m）。此外，開展了區(qū)塊內(nèi)8口氣井測試產(chǎn)量與單井各小層鉆遇長度、鉆遇率的多元線性回歸擬合分別為：素錄井、隨鉆測井有效開展了水平井地質(zhì)導(dǎo)向工作（圖8）。

圖6 川南自貢區(qū)塊A井各射孔段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)分布Fig.6 Contribution distribution of each perforation section to gas production,Well-A of Zigong Block of southern Sichuan

圖7 川南自貢區(qū)塊8口水平井?dāng)M合測試產(chǎn)量與實(shí)際測試產(chǎn)量的關(guān)系Fig.7 Relation between fitted test production and actual test production of eight horizontal wells,Zigong Block of southern Sichuan

圖8 川南自貢區(qū)塊ZH4-5井小層鉆遇情況測井—元素錄井綜合分析Fig.8 Comprehensive analysis of well logging and element logging for drilling degrees of layers in O3w-S1l1-1,Well-ZH4-5 of Zigong Block of southern Sichuan

式中：Y為測試產(chǎn)量，104m3/d；L1為五峰組鉆遇長度，m；L2為小層下部鉆遇長度，m；L3為小層上部鉆遇長度，m；L4為小層鉆遇長度，m；R1為五峰組鉆遇率，%；R2為小層下部鉆遇率，%；R3為小層上部鉆遇率，%；R4為小層鉆遇率，%。

擬合的測試產(chǎn)量與實(shí)際測試產(chǎn)量吻合度高（圖7），在測試產(chǎn)量關(guān)于小層鉆遇長度和鉆遇率的擬合公式中，小層下部的鉆遇長度、鉆遇率均體現(xiàn)了最大的正向貢獻(xiàn)，即一口氣井在水平段長一定的情況下，小層下部鉆遇長度越長（即鉆遇率越高），其預(yù)測測試產(chǎn)量越高。該結(jié)果從生產(chǎn)動態(tài)特征的角度佐證了小層下部為自貢區(qū)塊最佳靶體的觀點(diǎn)，表明小層下部頁巖有效壓裂段長是區(qū)塊內(nèi)影響氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

優(yōu)選最佳靶體并提高鉆遇長度是頁巖氣水平井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，所以不僅要選擇最佳靶體，還要確保鉆井能有效地質(zhì)導(dǎo)向。頁巖氣水平井鉆進(jìn)中呈現(xiàn)微幅構(gòu)造發(fā)育、縱向靶窗小、靶點(diǎn)精準(zhǔn)預(yù)測難度大的特點(diǎn)，存在脫靶和出層的風(fēng)險(xiǎn)[21]。水平井在目的層中呈蛇形鉆進(jìn)，鉆遇小層變化頻繁、多次重復(fù)，單純依靠隨鉆測井劃分小層易產(chǎn)生多解性[22]。元素錄井在頁巖氣水平井鉆井地質(zhì)導(dǎo)向、隨鉆評價、復(fù)雜地層分層卡層等方面具有重要作用，尤以其穩(wěn)定、準(zhǔn)確、多樣的元素參數(shù)（其中Si、Ca、Fe、Al 等4 種元素的穩(wěn)定性最好，與頁巖組成礦物存在一定相關(guān)關(guān)系）為小層劃分提供了豐富的地層對比參數(shù)，與元素測井（目前最常用為元素俘獲測井ECS，主要用于直井）參數(shù)有良好可對比性[23-25]?；谇笆龇治龅凝埿酉虏俊案逽i、低Al”的元素特征，依據(jù)沉積地層不可逆原則和鉆井旋回的連續(xù)性[22]，綜合運(yùn)用元

隨著最佳靶體的確定和元素錄井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的運(yùn)用，研究區(qū)水平井1小層下部的鉆遇率取得了明顯提升，由早期的5.2 %上升至近期的89.1 %，單井測試產(chǎn)量由7.64×104m3/d提高至40.31×104m3/d。有效支撐了自貢區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能評價工作，為該區(qū)塊實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1）以地質(zhì)（脆性礦物含量、TOC、孔隙度、含氣飽和度、總含氣量）和工程（泊—楊脆性指數(shù)、最小水平主應(yīng)力、巖石破裂壓力）關(guān)鍵參數(shù)作為儲層分類指標(biāo)，將川南自貢區(qū)塊五峰組—龍一1亞段頁巖儲層劃分為Ⅰa類、Ⅰb類、Ⅱ類和Ⅲ類4 類。受沉積和構(gòu)造作用的雙重影響，小層下部為“地質(zhì)—工程”最優(yōu)“甜點(diǎn)”，穩(wěn)定發(fā)育Ⅰa類儲層；產(chǎn)氣剖面資料表明，自貢區(qū)塊小層下部的單位長度產(chǎn)氣貢獻(xiàn)最高。

2）運(yùn)用儲層精細(xì)評價與產(chǎn)氣剖面分析相結(jié)合的方法將自貢區(qū)塊最佳靶體鎖定到小層下部，厚度精確到1～2 m，小層下部的有效壓裂段長是影響該區(qū)塊氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。