巖礦掃描錄井技術(shù)在威遠Z 207井的應(yīng)用研究

殷 黎 明

(中國石團長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

川西南地區(qū)上奧陶系五峰組和下志留系龍馬溪組黑色頁巖，作為中國古生界海相頁巖的代表，具有熱成熟度大、有機質(zhì)豐度高、含氣性好的特征，是中國南方頁巖氣勘探開發(fā)的熱點層位，目前已經(jīng)建立了威遠、昭通、長寧、礁石壩等多個國家級頁巖氣示范區(qū)[1-3]，實現(xiàn)了我國頁巖氣的地質(zhì)工程一體化開發(fā)。

四川盆地處于揚子準地臺偏西北一側(cè)，包括川東南坳褶區(qū)、川中隆起區(qū)和川西北坳陷區(qū)[4]。威遠構(gòu)造位于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶。Z 207井區(qū)位于其東南部，構(gòu)造整體上呈北東向展布大背斜，北翼緩南翼陡，呈一隆三凹構(gòu)造格局。該工區(qū)西北部、東北部地層傾角較小，一般在1°～5°之間，東南部地層傾角較大，在5°～30°之間，埋深一般大于3 500 m。工區(qū)東南部發(fā)育多條北東走向逆斷層，延伸長度2～18 km，斷距20～200 m，可能對頁巖氣保存條件影響較大。構(gòu)造方面的原因?qū)е聟^(qū)內(nèi)頁巖氣開發(fā)起步較晚，相關(guān)地質(zhì)資料較為匱乏，對該區(qū)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層認識程度不高，無法對該區(qū)的頁巖氣資源進行規(guī)?；_發(fā)。為了合理、高效開發(fā)Z 207井區(qū)的頁巖氣資源，在工區(qū)東南部部署了一口評價井，并進行了鉆井取心。本次通過巖礦掃描錄井技術(shù)，取樣分析了Z 207井巖心樣品，對龍馬溪組龍一1亞段儲層的礦物組成特征、巖石結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特征進行了有效評價，落實了Z 207井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度等儲層參數(shù)，并給出了水平井施工建議箱體。通過本次研究，提高了對該井區(qū)的甜點認識程度，為該區(qū)下一步大規(guī)模部署水平井、開發(fā)井提供了技術(shù)支撐。

1 巖礦掃描錄井技術(shù)

巖礦掃描錄井技術(shù)是一種自動化礦物巖石學(xué)檢測技術(shù)，通過掃描電鏡和能譜儀的結(jié)合，對巖石樣品(巖屑或巖心)進行全自動面掃分析，定量獲取組成巖石的元素、礦物、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)，進而獲取巖石脆性以及巖石力學(xué)等參數(shù)的一項分析技術(shù)，主要應(yīng)用于巖石屬性識別、非常規(guī)儲層甜點識別與評價、水平井地質(zhì)導(dǎo)向、壓裂方案優(yōu)化等領(lǐng)域。

分析樣品為威遠地區(qū)Z 207井巖心，層位涵蓋志留系龍馬溪組龍一1亞段至寶塔組，主要針對龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖。進行了礦物分析、物性分析、巖石力學(xué)分析，共計分析樣品107樣次。本次分析采用某公司研發(fā)的巖礦掃描錄井儀(圖1),整個分析過程儀器運行性能穩(wěn)定，獲取數(shù)據(jù)真實可靠。

圖1 巖礦掃描錄井儀

2 儲層評價

從礦物、物性、巖石力學(xué)性質(zhì)3個方面對四川威遠地區(qū)Z 207井的優(yōu)質(zhì)頁巖進行綜合評價，獲取了各個層位的礦物組分、有機質(zhì)，及孔隙結(jié)構(gòu)特征。通過礦物及孔隙數(shù)據(jù)，結(jié)合模型參數(shù)，建立了該井的巖石物理模型，進而得到了相關(guān)層位的巖石彈性力學(xué)參數(shù)，如圖2所示。結(jié)合脆性礦物含量、有機質(zhì)、孔隙度，及力學(xué)參數(shù)對龍馬溪組各小層進行了分析對比，優(yōu)選出Z 207井區(qū)的水平井施工的最優(yōu)巷道。

圖2 Z 207井巖礦掃描錄井綜合圖

2.1 礦物特征評價

龍一1亞段至寶塔組的主要礦物的相對體積百分含量數(shù)據(jù)如表1所示。通過頁巖礦物成分分類三角圖板(圖3)對各個小層投點，可以劃分為黏土質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相和硅質(zhì)頁巖相三類，再根據(jù)巖相類型對各個小層的礦物特征進行簡單闡述。

表1 龍一1亞段至寶塔組主要礦物含量數(shù)據(jù) %

龍一14小層上部為黏土質(zhì)頁巖相，伊利石及伊蒙混層較發(fā)育，下部過渡為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，石英含量有所上升，與少量方解石礦物成條帶狀分布，在礦物假色圖上較為清晰地呈現(xiàn)出來(圖4中棕色、綠色為黏土礦物，粉色、黃色為石英，藍色為碳酸鹽巖)，硅質(zhì)成分明顯且呈現(xiàn)定向排列的特征，揭示其巖石層理較發(fā)育，且證實了該區(qū)域龍一14小層下部與龍一13小層的石英來源于陸源碎屑這一觀點[5-6]。

圖3 頁巖礦物成分分類三角圖板

圖4 龍一14小層下部3 665 m礦物假色圖

龍一13小層為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，石英含量與龍一14小層相比變化不明顯，黏土礦物為伊利石和伊蒙混層，石英和方解石呈條帶狀定向排列。龍一12小層巖相為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，部分井段為黏土質(zhì)頁巖相，石英含量進一步升高，最高可達38.38%。

龍一11小層為該井硅質(zhì)含量最高的層位，根據(jù)巖相可劃分為上、中、下三個部分，如圖5所示。

圖5 龍一11小層礦物分布綜合圖

龍一11小層上部為黏土質(zhì)頁巖，斜長石含量為本井最高，黏土含量相對下降但仍處于較高的水平，石英含量平均為16.77%。井深3 684 m之后，能譜伽馬(含放射性鈾元素)與無鈾伽馬的差值逐漸上升，反映出有機質(zhì)含量的升高，有機質(zhì)指示礦物黃鐵礦出現(xiàn)本井中的峰值，在背散射圖上可以看到條帶狀及團塊狀黃鐵礦零散狀分布于黏土礦物中(圖6a)，而二次電子成像則顯示出黃鐵礦主要以立方體的形態(tài)產(chǎn)于伊蒙混層周圍(圖6b)，說明黃鐵礦形成時期地層中的硫元素富集，在有機質(zhì)的強還原作用下，硫元素進一步與活性鐵反應(yīng)，形成一系列鐵的單硫化物，并最終形成黃鐵礦而保存于沉積物中[7]。因此，黃鐵礦可以作為富有機質(zhì)沉積的一個重要指征[8]，從側(cè)面反映出該井龍一11小層為富有機質(zhì)頁巖。

圖6 龍一11小層上部

龍一11小層中部為硅質(zhì)頁巖，石英含量為該井最高，可見大量自生石英(圖7a)，多為生物成因，最高可達72.35%，黏土礦物和碳酸鹽巖含量較低；有機質(zhì)富集，呈星點狀及條帶狀分布(圖7b)，多與草莓狀黃鐵礦共生(圖7c)；見大量放射蟲微化石，證實了石英為生物成因[9]，礦物假色圖上顯示出其硅質(zhì)外殼已被方解石(藍色)交代(圖7d)。

圖7 龍一11小層中部

龍一11小層下部為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，硅質(zhì)含量急劇下降，黏土含量上升，碳酸鹽含量略有提高，有機質(zhì)含量呈逐漸下降的趨勢。

通過對比龍一1亞段四個小層礦物特征，可以看出龍一11小層具有高石英、低黏土，及低碳酸鹽巖的特征，脆性礦物含量也高于其他小層，為該井的優(yōu)勢儲層。其中龍一11小層中部井段3 684.5～3 686.0 m石英含量最高、有機質(zhì)最發(fā)育，為最優(yōu)巖相。因此，得出該井礦物甜點井段為：3 684.5～3 686.0 m。

2.2 物性特征評價

由于五峰組及寶塔組地層并非本次的研究重點，因此其孔隙特征在此不做贅述。本次主要研究對象龍一1亞段各個小層的孔隙結(jié)構(gòu)特征如表2所示。

表2 龍一1亞段各小層孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

通過對龍一1亞段各小層孔隙數(shù)據(jù)對比,結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)分布綜合圖(圖8)后得出如下結(jié)論：龍一14小層高黏土段的層狀黏土礦物發(fā)育，故裂縫發(fā)育亦較好，該小層底部有機質(zhì)發(fā)育，造成孔隙度較高；有機質(zhì)較高的井段，如龍一14小層中下部，孔隙以小于10 μm的小孔為主，而有機質(zhì)低的部位，如龍一14小層中上部，孔隙以大于200 μm的大孔為主；龍一11小層孔隙最發(fā)育，其中部高石英段孔隙度最高，孔隙以納米級別的有機質(zhì)孔為主[10]，物性最好。因此，該井物性甜點井段為：3 684.5～3 686.0 m。

通過掃描電鏡高分辨率二次電子成像觀察，龍一11小層的納米級孔隙主要分為氣孔[11](圖7a)、鑄膜孔(圖7c)、瀝青球?？譡12](圖9a)，以及層狀黏土片間縫(圖9b)。其中，氣孔和瀝青球?？自邶堃?1小層樣品中出現(xiàn)頻率極高，反映該小層有機質(zhì)發(fā)育程度較高，同時二者對孔隙度的貢獻最大。

圖8 Z 207井孔隙結(jié)構(gòu)分布綜合圖

圖9 龍一11小層SE圖

2.3 巖石力學(xué)特征評價

本次巖石力學(xué)參數(shù)的獲取方法來源于四川盆地上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)泥巖彈性性質(zhì)的巖石物理模型[13]，本模型所用算法基于顆粒介質(zhì)接觸理論(Digby, 1981;Mavko， 2009;Mindlin, 1949)，通過上述計算方法的參數(shù)包括密度、橫波時差、縱波時差、楊氏模量和泊松比，并在此基礎(chǔ)上計算獲取了儲層的脆性及薄弱性指數(shù)，如圖10所示。

通過模型計算，龍一11小層中部高石英段(井段3 684.5～3 686.0 m)巖石力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，具有低密度、中高時差、高楊氏模量和低泊松比的特征，同時擁有較高的脆性及薄弱性(表3)，這些巖石力學(xué)特征將在水力壓裂中響應(yīng)良好，有利于進行壓裂改造。因此，該井力學(xué)(工程)甜點井段為：3 684.5～3 686.0 m。

2.4 優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價

在礦物、物性及巖石力學(xué)評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合高溫地化數(shù)據(jù)及含氣量數(shù)據(jù)，根據(jù)四川盆地威遠地區(qū)的優(yōu)質(zhì)頁巖評價標準(表4)，對Z 207井龍一11小層中部高石英段進行了優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價，結(jié)果顯示：龍一11小層中部的井段3 684.5～3 686.0 m，TOC含量均值為2.32%，孔隙度均值為3.74%，符合Ⅱ類儲層標準；而含氣量均值為4.34 m3/t，脆性礦物含量均值為80.8%，楊氏模量均值為59.8 GPa，泊松比均值為0.14，遠超Ⅰ類儲層標準。據(jù)此綜合評價龍一11小層中部高石英段為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層。

2.5 縱向巷道優(yōu)選

綜上所述，通過優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價，認為龍一11小層中部脆性礦物含量較高，具有良好的含氣性、物性及彈性力學(xué)特征，為地質(zhì)和工程雙甜點。因此，建議以3 684.5～3 686.0 m井段作為水平井施工最優(yōu)巷道，厚度為1.5 m。

圖10 Z 07井巖石力學(xué)特征綜合圖

表3 龍一11小層中部巖石力學(xué)數(shù)據(jù)

表4 四川盆地威遠地區(qū)頁巖氣儲層評價標準

3 應(yīng)用效果

通過Z 207井巖礦掃描錄井分析結(jié)果以及測井數(shù)據(jù)，綜合判定龍一11小層中部為本井甜點，并在此基礎(chǔ)上進行了直改平施工。該井于2021年9月20日順利完鉆，完鉆井深5 970 m，水平段長2 100 m，龍一11小層箱體鉆遇率93.5%，其中優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率85.3%。隨后對井段3870～5 930 m分26段進行了壓裂施工，平均排量14.25 m3/min，平均泵壓95.92 MPa,于2022年1月21日完成壓裂作業(yè)。經(jīng)燜井后試氣求產(chǎn)，最終獲穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)氣流，最高產(chǎn)量9.68×104m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)量7.84×104m3/d，截至2022年2月底，該井已累產(chǎn)天然氣90.37×104m3。

4 結(jié) 論

本次采用巖礦掃描錄井技術(shù)，重點對四川威遠地區(qū)Z 207井龍一11小層進行了研究，得出結(jié)論如下：

(1)龍一11小層中部發(fā)育硅質(zhì)頁巖，石英為生物成因，具有高石英、低黏土、低碳酸鹽的特征。

(2)龍一11小層中部有機質(zhì)含量高，納米級孔隙發(fā)育，氣孔和瀝青球粒孔多見，是造成高孔隙度的直接原因。

(3)龍一11小層中部力學(xué)性質(zhì)最好，有利于完井壓裂施工。

(4)綜合評價龍一11小層中部為Z 207井優(yōu)質(zhì)烴源巖，是地質(zhì)和工程的雙甜點，井段3 684.5～3 686.0 m作為水平井施工最優(yōu)巷道，為該平臺下一步水平井的部署及開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。