紅星地區(qū)建南區(qū)塊吳家坪組優(yōu)質(zhì)頁巖特征及水平井靶窗優(yōu)選

肖 雄，何 柳，黃明立

(中國石化江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430070)

隨著中國碳達峰、碳中和目標的實施，油氣行業(yè)也在加快轉(zhuǎn)型升級步伐，國內(nèi)油田企業(yè)積極推進穩(wěn)油增氣戰(zhàn)略，綠色清潔的頁巖氣資源已逐漸成為中國天然氣產(chǎn)業(yè)的核心增長點[1-2]。近年來，四川盆地志留系探明涪陵、威遠、長寧等多個整裝頁巖氣田，新增探明地質(zhì)儲量超萬億方[3-5]。為實現(xiàn)中國頁巖氣資源接替和增儲，對新區(qū)、新層系的油氣地質(zhì)勘探研究工作顯得尤為重要。根據(jù)前期研究表明，四川盆地周緣及盆外二疊系吳家坪組富有機質(zhì)頁巖分布面積廣、原生品質(zhì)好、埋藏深度適中，是未來頁巖氣實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的有利層系[6-11]。為探查鄂西渝東地區(qū)二疊系頁巖氣資源前景，中石化江漢油田分公司在紅星地區(qū)建南區(qū)塊實施了HY1、HY2等鉆井，現(xiàn)場含氣量測試證實吳家坪組頁巖含氣性良好；針對吳家坪組二段實施水平井，其中HY1井壓裂測試獲得日產(chǎn)8.9×104m3的工業(yè)氣流，取得鄂西渝東新層系頁巖氣的重要突破，顯示出紅星地區(qū)吳家坪組具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

本文以HY1、HY2等鉆井資料為基礎，對該地區(qū)吳家坪組優(yōu)質(zhì)頁巖的展布特征、原生品質(zhì)、含氣性及可壓性開展系統(tǒng)性評價研究，并結(jié)合實鉆效果分析，尋找優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段，明確水平井穿行靶窗，為提高該區(qū)水平井鉆井及壓裂改造成功率提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

紅星地區(qū)位于四川盆地川東高陡斷褶帶石柱復向斜帶，夾持于呈NE走向的齊岳山復背斜和方斗山復背斜之間(圖1)。石柱復向斜自南向北發(fā)育有右行斜列的茶園坪—鹽井、建南、龍駒壩等次級構(gòu)造[12]。建南區(qū)塊位于石柱復向斜帶中部，發(fā)育一保存較完整的寬緩箱狀背斜，構(gòu)造變形幅度較弱，兩翼傾角為8°～14°，北西翼較陡，南東翼較緩。

圖1 區(qū)域構(gòu)造簡圖

四川盆地在二疊紀處于古新特提斯轉(zhuǎn)化期[13]，發(fā)生了一系列重大地質(zhì)事件。隨著東吳運動結(jié)束后區(qū)域上再次發(fā)生裂陷活動，川東—鄂西地區(qū)自南西向北東水體呈逐漸加深趨勢，迅速由濱岸沼澤相沉積演化到斜坡淺水陸棚相及深水陸棚相沉積(圖2-a)。根據(jù)沉積相及巖性特征可將吳家坪組劃分為上下兩段(圖2-b)，吳家坪組一段(簡稱吳一段)為濱岸沼澤相—淺水陸棚相沉積，總體水體較淺，底部巖性為鋁土巖，下部巖性為炭質(zhì)泥巖夾煤層，上部巖性為灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r；吳家坪組二段(簡稱吳二段)水體逐漸加深，為斜坡淺水陸棚相—深水陸棚相沉積，巖性為硅質(zhì)頁巖夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r。吳二段深水陸棚相暗色富有機質(zhì)頁巖具備頁巖氣形成的物質(zhì)基礎[14-15]。

圖2 紅星地區(qū)吳二段沉積相圖及地層綜合柱狀圖

2 優(yōu)質(zhì)頁巖分布特征

結(jié)合巖性、沉積相及測井曲線特征，吳二段自下至上可進一步細分為5個小層(表1)，其中：①小層巖性為灰黑色硅質(zhì)頁巖，厚2.0～3.0 m，具有高GR(伽馬)、低電阻特征；②小層巖性為灰色泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r，厚1.2～1.5 m，具有低GR、高電阻特征；③小層巖性為灰黑色黏土—硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，厚5.0～8.6 m，具有高GR、低電阻特征；④小層巖性為灰黑色硅質(zhì)頁巖夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r，厚2.9～4.0 m，具有中高GR、中低電阻特征；⑤小層巖性為灰黑色灰質(zhì)頁巖夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r，厚4.1～6.9 m，具有中GR、中高電阻特征。總體上區(qū)內(nèi)吳二段沉積水體經(jīng)歷了兩次由深至淺的變化過程，①—②小層沉積水體由深變淺，進入③小層水體又逐漸變深，并在③小層中部達到最深，之后水體又逐漸變淺，④、⑤小層因水體持續(xù)變淺致泥質(zhì)灰?guī)r夾層增多。

表1 HY1井吳二段地層劃分表

吳二段深水陸棚相區(qū)主要位于紅星地區(qū)中—北部，根據(jù)建南區(qū)塊內(nèi)二疊系專探井及過路井鉆井成果顯示，平面上吳二段地層分布穩(wěn)定，縱向連續(xù)性好，厚度16.0～24.1 m。區(qū)內(nèi)HY1、HY2井實鉆吳二段頁巖厚度分別為19.1 m、17.1 m，③小層厚度最大，分別為6.7 m、6.3 m；北部HY3井實鉆吳二段頁巖厚度為24.1 m，③小層厚度為8.6 m。建南區(qū)塊吳二段優(yōu)質(zhì)頁巖在平面上呈現(xiàn)出由南西向北東逐漸增厚的變化特征(圖3)。

圖3 建南區(qū)塊吳二段連井剖面對比圖

3 頁巖品質(zhì)及含氣性

3.1 有機地球化學特征

有機碳含量(TOC)是表征泥頁巖生烴潛力的重要評價指標。對HY1、HY2井吳二段頁巖段80件巖心樣品進行TOC測試(表2)，數(shù)據(jù)顯示吳二段頁巖有機質(zhì)豐度高，其中HY1井吳二段頁巖TOC為0.36%～28.94%，平均8.77%；HY2井TOC為0.17%～17.85%，平均7.21%。超過82%的樣品(66件)TOC>4%，達到《頁巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范》(NB/T 14001—2015)[16]中I類頁巖氣層指標(TOC≥4%、孔隙度≥4%、含氣量≥2.5 m3/t)。通過小層對比分析，③小層TOC整體較高，平均為8.77%～8.96%。

表2 建南區(qū)塊吳二段頁巖TOC含量(單位：%)

選取HY1井吳二段13件頁巖樣品開展有機巖石學分析。頁巖干酪根顯微組分以層狀藻和藻屑體為主(圖4-a)，見固體瀝青(圖4-b)及少量的鏡質(zhì)體，顯示出具有良好的生烴潛力。定量統(tǒng)計結(jié)果表明顯微組分以腐泥組為主，含量約為15.0%～78.9%，平均值約57.8%；其次為瀝青質(zhì)，含量約為17.5%～76.8%，平均值約37.67%；鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量最低。根據(jù)《透射光—熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法》(SY/T 5125—2014)[17]中干酪根類型指數(shù)算式(干酪根類型指數(shù)=100×腐泥組+50×殼質(zhì)組-75×鏡質(zhì)組-100×惰質(zhì)組)，計算得出吳二段頁巖的類型指數(shù)為 67～75，屬于Ⅱ1型干酪根[18]。干酪根碳同位素測試結(jié)果表明，吳二段頁巖干酪根δ13C介于-28‰～-26‰，在縱向上無明顯的差異，綜合上述分析判斷吳二段頁巖以Ⅱ1型干酪根為主。

圖4 HY1井吳二段頁巖干酪根顯微組分照片

選取HY1井吳二段2件頁巖樣品開展鏡質(zhì)體反射率(Ro)測定，實測瀝青反射率(Rb)平均值為2.56%～2.69%(58個測點)，由公式Ro=0.656 9×Rb+0.336 4轉(zhuǎn)算所得Ro為2.02%～2.10%，指示吳二段頁巖達到過成熟演化階段[18]。

通過上述有機質(zhì)的豐度、類型及成熟度分析評價，認為研究區(qū)內(nèi)吳二段頁巖具有良好的生氣條件。

3.2 儲集特征

選取HY1井吳二段頁巖17塊巖心樣品開展孔隙度測試(氦氣法)，實驗結(jié)果顯示頁巖孔隙度在3.03%～9.88%，平均為5.59%，88%的樣品(15件)孔隙度>4.0%，達到Ⅰ類頁巖氣層評價指標。高孔隙度層段主要分布在③、④小層，孔隙度平均值分別為6.42%和5.35%。

從巖心氬離子拋光掃描電鏡(SEM)圖像(圖5)上，可較為直觀觀察到孔隙發(fā)育特征。由于吳二段頁巖TOC含量高，有機質(zhì)孔為主要的儲集空間類型，有機孔隙具有明顯的非均質(zhì)性，孔隙形態(tài)多樣，不規(guī)則狀(圖5-a)、氣泡狀(圖5-b)、蜂窩狀(圖5-c、5-d)孔隙均有發(fā)育；孔徑一般為50～150 nm，局部由于多個有機質(zhì)孔隙彼此連通，形成形狀不規(guī)則的微米級孔隙。

圖5 HY1井吳二段頁巖有機孔隙SEM照片

3.3 含氣性

錄井氣測顯示建南區(qū)塊吳二段頁巖出現(xiàn)明顯的氣測異常現(xiàn)象。在鉆井液密度為1.3 g/cm3條件下，HY1井氣測全烴從進入⑤小層開始明顯升高，①-⑤小層氣測全烴為1.27%～5.98%，平均為4.21%，其中③、④小層氣測相對更高，平均值分別為4.98%和4.80%。HY2井也顯示出相同的趨勢，在鉆井液密度與HY1井相同條件下，①-⑤小層氣測全烴為0.83%～18.06%，平均為9.84%，其中③、④小層氣測較高，平均值分別為13.80%和10.40%。

選取HY1、HY2井吳二段頁巖33塊巖心樣品開展現(xiàn)場含氣量測試，測試結(jié)果顯示HY1井總含氣量為0.85～6.99 m3/t，平均為3.81 m3/t；HY2井總含氣量為1.20～9.23 m3/t，平均為4.23 m3/t；兩口井③小層總含氣量最高，平均值分別為4.35 m3/t和6.07 m3/t(表3)。其中，76%的樣品(25件)總含氣量>2.50 m3/t，達到Ⅰ類頁巖氣層評價指標，縱向連續(xù)厚度>10 m，表明吳二段頁巖具有優(yōu)越的含氣性條件，具備工業(yè)開發(fā)價值。

表3 建南區(qū)塊吳二段實測含氣量(單位：m3/t)

4 頁巖可壓性

目前國內(nèi)針對頁巖氣藏普遍采用水力壓裂改造獲得工業(yè)氣流[19-20]，頁巖的礦物組分、巖石力學特征及目的層內(nèi)隔夾層發(fā)育情況是影響壓裂改造的重要因素[21]。

4.1 巖石礦物組分及力學特征

吳二段頁巖脆性礦物整體含量高，但縱向上各小層礦物成分存在一定差異。根據(jù)HY1井吳二段地層元素測井(ECS)資料成果(表4)，③小層硅質(zhì)含量高(平均為47.83%)、碳酸鹽巖含量最低(平均為21.78%)、黏土含量較高(平均為23.48%)。

HY1、HY2井偶極聲波測井成果(表5)表明，吳二段頁巖具有高破裂壓力(平均為88.63～97.95 MPa)、高楊氏模量(平均為47.88～49.53 GPa)、較高脆性指數(shù)(平均為57.82%～65.02%)的特征。平面對比顯示，埋深是影響巖石力學特征的因素之一，HY2井水平段埋深較HY1井深400～700 m，各小層破裂壓力相對升高。HY1與HY2井吳二段各小層巖石力學參數(shù)縱向?qū)Ρ?圖6)顯示，③小層破裂壓力、楊氏模量、最小水平主應力最小，可壓性相對最好。

圖6 HY1、HY2井吳二段各小層巖石力學參數(shù)對比圖

表5 HY1和HY2井吳二段巖石力學參數(shù)

4.2 隔夾層和頁理發(fā)育影響

紅星地區(qū)吳二段隔夾層較發(fā)育，夾層巖性主要為泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r。對比HY1和HY2井(圖7)，由南向北夾層發(fā)育程度逐漸減少，夾層厚度逐漸減薄?？v向上，②小層為一套灰?guī)r隔層，厚度為1～1.3 m，平面分布穩(wěn)定；③小層夾層不發(fā)育，均質(zhì)性強；④、⑤小層灰質(zhì)逐漸增加，夾層逐漸增多。由于隔夾層發(fā)育使得吳二段在縱向上表現(xiàn)出較強的力學性質(zhì)差異，應力曲線揭示③、④小層界面處存在較大的應力差異，②小層為泥質(zhì)灰?guī)r隔層(圖7-d～7-f)，應力較高，彈性模量及泊松比高，而③小層頁巖應力非均質(zhì)性弱，泊松比及彈性模量低，更易改造。

圖7 HY1、HY2井吳二段最小主應力對比圖

通過巖心觀察認為HY1、HY2井吳二段頁巖頁理較為發(fā)育，但縱向頁理發(fā)育程度存在明顯差異，其中③小層頁理最發(fā)育(圖7-a～7-c)，①、④、⑤小層頁理相對欠發(fā)育。根據(jù)電成像測井資料開展頁理定量統(tǒng)計，HY1井吳二段頁理合計有149條，其中③小層有87條，占比58.4%，頁理密度為12.9條/m；HY2井也具有相同的發(fā)育特征，吳二段頁理有93條，其中③小層有67條，頁理密度為10.7條/m。頁理發(fā)育程度影響巖石力學參數(shù)，③小層頁理最發(fā)育，破裂壓力、楊氏模量及最小主應力最小，可壓性最好。

5 水平井靶窗優(yōu)選

5.1 儲層評價

基于頁巖平均厚度、TOC、孔隙度、含氣量、硅質(zhì)礦物含量、頁理發(fā)育程度、破裂壓力等7個“地質(zhì)+工程”關(guān)鍵參數(shù)，建立了研究區(qū)頁巖儲層評價標[22-23]。由表6可知，紅星地區(qū)建南區(qū)塊吳二段頁巖各項指標整體較好，其中③小層指標更為優(yōu)越，體現(xiàn)在高TOC(8.87%)、高孔隙度(6.40%)、高含氣量(5.23 m3/t)、較高硅質(zhì)礦物含量(47.83%)、較高頁理密度(11～13條/m)、相對低的破裂壓力(92.4 MPa)，可作為該地區(qū)水平井穿行的最優(yōu)靶窗(圖8)。

表6 建南區(qū)塊吳二段頁巖儲層評價參數(shù)表

圖8 HY1井水平井靶窗位置圖

5.2 靶窗對產(chǎn)能的影響

水平井靶窗是決定優(yōu)質(zhì)頁巖儲層穿行率的先決性因素，也是決定壓裂改造效果及水平井單井產(chǎn)能的重要因素之一[24]。

HY1HF井實鉆水平段長1 650 m，穿行了②、③、④小層，其中③小層6.7 m靶窗的穿行率為76.7%，④小層穿行率為16.1%，②小層穿行率為7.2%。通過水平段小層歸位分析，穿行③小層氣測全烴平均為18.2%，穿行④小層氣測全烴平均為12.5%。水平段測井解釋評價成果表明，穿行③小層1 265 m，測井解釋Ι類氣層1 250 m、Ⅱ類氣層15 m；穿行④小層265 m，測井解釋Ι類氣層170 m、Ⅱ類氣層95 m。水平井氣測全烴及測井解釋綜合證實了③小層具備成為優(yōu)質(zhì)靶窗層段的地質(zhì)品質(zhì)。

實鉆效果表明穿行吳二段③小層優(yōu)質(zhì)靶窗層段為后期壓裂改造奠定了良好地質(zhì)條件。HY1HF井分34段壓裂，壓后試采階段開展產(chǎn)氣剖面測試，結(jié)果顯示③小層產(chǎn)氣貢獻率平均為3.2%，高于平均產(chǎn)氣貢獻率(3.0%)，其中產(chǎn)氣貢獻率>6%的有5段，全部為穿行③小層的井段，也表明③小層為最有利的甜點層段。

6 結(jié)論

(1)紅星地區(qū)建南區(qū)塊吳家坪組吳二段為一套深水陸棚相暗色富有機質(zhì)頁巖，厚度為16.0～24.1 m，縱向上可劃分5個小層，平面上呈現(xiàn)出由南至北增厚的特征。

(2)吳二段頁巖TOC高，有機質(zhì)類型多為Ⅱ1型，處于過成熟階段，具備較好的生烴潛力；頁巖儲層物性好，孔隙類型以納米級的有機質(zhì)孔為主，氣測錄井及現(xiàn)場測試顯示出良好含氣性。

(3)吳二段頁巖脆性礦物含量高，頁理和隔夾層較為發(fā)育，受埋深控制巖石破裂壓力整體偏高，其中③小層非均質(zhì)性最弱，頁理最發(fā)育，可壓性最好。

(4)綜合“地質(zhì)+工程”因素，優(yōu)選吳二段③小層作為水平井穿行的靶窗層段，在實鉆油氣顯示和后期壓裂改造中取得良好效果。