四川盆地東部頁巖氣水平井裂縫識(shí)別方法及應(yīng)用

彭勇民,董世雄,邊瑞康,杜 偉,喬 輝,劉曾勤

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206;2.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;3.頁巖油氣富集機(jī)理與高效開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206

我國頁巖氣具有資源量大、開采潛力大的特點(diǎn),在四川盆地威遠(yuǎn)—長寧、涪陵、南川區(qū)塊已實(shí)現(xiàn)五峰組—龍馬溪組頁巖氣的商業(yè)開采,其中涪陵區(qū)塊2020年產(chǎn)氣74.6億立方米。頁巖裂縫發(fā)育導(dǎo)致水平井產(chǎn)量和壓裂工藝效果差異很大,頁巖層段裂縫的識(shí)別,對(duì)頁巖氣開發(fā)具有非常重要的意義。

頁巖層段的天然裂縫識(shí)別方法多樣,包括巖心與成像測井識(shí)別[1]、測井評(píng)價(jià)[2]、地震預(yù)測3]等。在地質(zhì)法識(shí)別裂縫中,王海方[4]通過巖心觀察以及同位素測量,識(shí)別出蘇北盆地阜寧組不同類型裂縫并劃分出不同期次;徐敬領(lǐng)等[5]通過聲波時(shí)差和電阻率曲線制作裂縫響應(yīng)圖版,結(jié)合自然伽馬曲線識(shí)別的裂縫將圖版上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行初次分離和二次分離,得到裂縫發(fā)育段和非發(fā)育段的最終響應(yīng)圖版。在測井法識(shí)別裂縫中,黃繼新等[6]通過成像測井資料,識(shí)別出準(zhǔn)噶爾盆地二疊系地層中不同類型裂縫以及裂縫參數(shù)定量計(jì)算;唐曉明等[7]對(duì)四川焦石壩水平井進(jìn)行四分量偶極聲波測井處理,通過橫波以及波速進(jìn)行反射體成像獲得裂縫發(fā)育信息;車世琦[8]通過成像測井的裂縫信息和常規(guī)測井信息進(jìn)行擬合,構(gòu)建出涪陵頁巖氣井裂縫定量計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)頁巖裂縫的定量識(shí)別;羅利等[9]通過聲波時(shí)差測井、地層元素測井等計(jì)算地層巖石體積壓縮系數(shù)、巖石理論壓縮系數(shù)等6個(gè)參數(shù),結(jié)合具體公式得到裂縫發(fā)育指數(shù)FI,從而預(yù)測頁巖裂縫發(fā)育段;姚東華等[10]對(duì)裂縫敏感測井曲線進(jìn)行多尺度小波變換,提取出頁巖裂縫的評(píng)價(jià)參數(shù),構(gòu)建頁巖裂縫綜合評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)陸相頁巖裂縫的識(shí)別;類似的研究還有賴富強(qiáng)等[11]。在地震預(yù)測中,王飛等[12]采用疊后地震資料的相干體、螞蟻?zhàn)詣?dòng)追蹤等屬性分析技術(shù),預(yù)測出渝東南地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層天然裂縫;董清源等[13]將疊后地震資料進(jìn)行分頻處理,通過不同頻率地震子波正演而獲得最佳主頻數(shù)據(jù)體,再通過計(jì)算獲得最大曲率值,識(shí)別出裂縫的平面分布特征;陸亞秋等[14]采用曲率表示裂縫發(fā)育程度,并將其作為頁巖氣開發(fā)選區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。地震資料在預(yù)測大尺度斷裂時(shí)具有較大優(yōu)勢,但對(duì)單井巖心小型裂縫并不能較好的體現(xiàn)。

無論是地質(zhì)法、測井法還是地震法,裂縫識(shí)別主要依賴于測井或地震資料,然而,在頁巖油氣勘探階段或開發(fā)早期階段,測井、地震資料少之又少;尤其是當(dāng)前水平井大多除隨井GR測井、且一個(gè)平臺(tái)僅一口井開展測井外,絕大多數(shù)井因成本高而不進(jìn)行測井和取心,這無疑限制或約束了測井、地震方法的應(yīng)用。本文旨在從地質(zhì)角度上探討水平井裂縫的識(shí)別,以期為壓裂、增產(chǎn)提供依據(jù)。

1 取心直井頁巖裂縫發(fā)育模式

裂縫對(duì)頁巖氣成藏、產(chǎn)量影響明顯。裂縫發(fā)育有助于頁巖層中游離態(tài)天然氣體積的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸和總含氣量的增加[15]。研究認(rèn)為儲(chǔ)層中裂縫的密度與走向的分散性,或者說開啟的、相互垂直的多套天然裂縫能增加頁巖氣的產(chǎn)量。例如,美國東部Appalachian盆地頁巖氣富集區(qū)帶Big Sandy氣田泥盆系頁巖氣高產(chǎn)井多沿北東方向分布,與高角度多組裂縫發(fā)育緊密相關(guān)[16],裂縫不發(fā)育地區(qū)往往低產(chǎn)。因此,裂縫識(shí)別具有重要的實(shí)際意義。

在條件具備的情況下,單個(gè)直井裂縫識(shí)別可通過巖心和成像測井來實(shí)現(xiàn)。通過取心井的巖心觀測,川東南川—武隆地區(qū)JY5井五峰組—龍馬溪組下部的含氣頁巖段③、④號(hào)小層分別可見14條高角度裂縫與10條順層發(fā)育、方解石充填的剪切縫,①小層發(fā)現(xiàn)二處18條小型高角度縫網(wǎng),縫長最大達(dá)40 cm(圖1a),地層產(chǎn)狀變陡(傾角約30°)。JY8井裂縫相對(duì)更發(fā)育,上部⑦—⑨小層可見6條高角度裂縫,特別是在2 740～2 758 m,高角度縫較為集中;中部④—⑥小層發(fā)育7條高角度裂縫,其中深度2 782～2 792 m發(fā)育5條高角度裂縫,縫長大于0.3 m;下部①—③小層高角度裂縫主要發(fā)育在①小層;另外,在臨湘組瘤狀灰?guī)r中也可見1條大型高角度裂縫,縫長達(dá)80 cm。SY3井地層傾角變化大,在③小層處鉆遇斷層,導(dǎo)致①—③小層重復(fù)和斷層派生的大量裂縫發(fā)育;從巖心上來看,⑥—⑨小層可見高角度裂縫93條,主要分布在2 669～2 689 m之間,裂縫開度小且密集(圖1b)。從SY3井成像測井(FMI)來看,⑦小層發(fā)育大量高阻縫和高導(dǎo)縫(圖1c),⑥小層底部裂縫相對(duì)較少,①—⑤小層以及重復(fù)的①—③小層裂縫大量發(fā)育,下部①—③小層在巖心上觀測到超過100條的高角度裂縫,呈縫網(wǎng)狀,集中出現(xiàn)在2 967～2 980 m和2 987～2 991 m井段。

圖1 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)不同鉆井五峰組—龍馬溪組下部巖心裂縫觀察與成像測井裂縫特征

根據(jù)巖心裂縫發(fā)育與全烴、TOC縱向上的變化,從地質(zhì)上建立起頁巖裂縫識(shí)別模式,按照裂縫發(fā)育部位可分為下部發(fā)育型(即①—⑤小層)、中部發(fā)育型和上部發(fā)育型(圖2)。值得一提的是,幾口鉆井在100 m厚的含氣頁巖層段的工程參數(shù)如泥漿密度(1.35～1.55 g/cm3)基本無差別,鉆時(shí)(50～16 min/m)與黏度(50～80 mPa·s)有所差別,但同一口井則相差無幾。并且,通過全烴的均一化處理,消除了上述差異影響,這意味著全烴的異常主要是由于TOC、天然裂縫等地質(zhì)因素造成的。

圖2 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)不同鉆井五峰組—龍馬溪組下部頁巖裂縫發(fā)育模式

JY5井屬于下部發(fā)育型,具有高值的TOC頁巖段(圖2a)。在下部頁巖段中,TOC值高且相對(duì)穩(wěn)定,變化小;而氣測全烴突變?cè)龈叩募夥宸謩e出現(xiàn)在①小層、③小層下部、③小層頂與④小層底之間,其他層段比較光滑,這是由裂縫發(fā)育造成的。JY5井⑧—⑨小層TOC平均為1.33%,與低值的TOC對(duì)應(yīng)的全烴值平均為0.09%,全烴無明顯異常,因此該段裂縫不發(fā)育;⑤—⑥小層TOC平均2.0%,分布平穩(wěn),全烴值在0.06%～2.32%之間波動(dòng),且全烴隨著TOC的增高而增高,呈正相關(guān)關(guān)系,因此⑤—⑥小層無全烴異常,也無裂縫發(fā)育;④小層底部TOC平均為2.7%,全烴出現(xiàn)較為明顯的突變?cè)龈?此處判斷為裂縫發(fā)育段;另外,在①—②小層中,TOC平均值為3.4%,全烴值由1.56%突然增高至13.01%,表現(xiàn)出全烴異常高值,因此①—②小層判斷為裂縫發(fā)育段。上述裂縫發(fā)育處與巖心觀察的地層變陡、順層剪切縫(相當(dāng)于中角度裂縫)相吻合。

JY8井屬于中部發(fā)育型,具有中等值的TOC頁巖段(圖2b)。在中部頁巖段中,⑥—⑦小層的TOC值平穩(wěn)變化、無異常;但從全烴數(shù)據(jù)來看,JY8井在④小層頂部—⑦小層的全烴響應(yīng)呈現(xiàn)出突變?cè)龈叩募夥逄攸c(diǎn),這些尖峰處反映了高角度裂縫發(fā)育段,對(duì)應(yīng)巖心觀察的裂縫發(fā)育部位。值得一提的是,JY8井在臨湘組瘤狀灰?guī)r中的全烴值也呈現(xiàn)出異常峰值,對(duì)應(yīng)著裂縫發(fā)育段,這與巖心觀察的高角度裂縫發(fā)育情況相符合。一般來說,灰?guī)r是不生烴的,這么高的全烴值應(yīng)來自于上覆的①小層等,正是裂縫溝通了上覆地層而導(dǎo)致頁巖氣向下運(yùn)移至灰?guī)r之中。

SY3井屬于上部發(fā)育型,具有低值的TOC頁巖段(圖2c)。SY3井①—⑨小層氣測全烴波動(dòng)較為明顯,因此整體而言,SY3井裂縫比JY5井更為發(fā)育。在SY3井上部頁巖段中,⑧—⑨小層的TOC值最低且平穩(wěn)變化,不過,上部⑧—⑨小層的全烴值最高,并具有異常高的尖峰;⑨小層頂部TOC平均為0.6%,全烴值呈現(xiàn)一定的波動(dòng),從0.86%突然增加至8.32%,呈尖峰,為巖心裂縫發(fā)育段;⑨小層底部以及⑧小層頂部TOC平均為0.83%,全烴值在0.83%～4.79%之間無異常波動(dòng),因此裂縫相對(duì)不發(fā)育;⑧小層底部以及⑥—⑦小層平均TOC為0.93%,而全烴值呈現(xiàn)出異常陡增、尖峰,由1.21%突然增加至11.28%,為裂縫發(fā)育段。當(dāng)然,④—⑦小層也出現(xiàn)異常高的全烴值與尖峰,這與該井巖心、成像測井所觀察或識(shí)別的裂縫整體非常發(fā)育相吻合。③—④小層TOC平均為1.99%,TOC由上至下略微增加,而全烴值由2.03%增加至21.63%,全烴值明顯異常,因此③—④小層為裂縫發(fā)育段;重復(fù)的①—③小層中,①—②小層全烴值從2.41%增加至8.43%,明顯增加,這些均是巖心裂縫發(fā)育段。

綜上所述,巖心高角度裂縫的發(fā)育與全烴異常高值、尖峰較為吻合,頁巖裂縫發(fā)育段對(duì)應(yīng)氣測全烴異常高值。這是由于頁巖中高角度裂縫的存在,溝通疏導(dǎo)了附近頁巖層段的頁巖氣,導(dǎo)致頁巖氣垂向運(yùn)移而發(fā)生竄層的現(xiàn)象,頁巖氣運(yùn)移的距離取決于裂縫的長度。

2 無取心直井頁巖裂縫定性識(shí)別

在我國大多數(shù)鉆井尤其是頁巖氣水平井沒有取心、成像測井,但是,只要鉆井必定有氣測錄井資料,氣測全烴是現(xiàn)場錄井必須錄取的客觀數(shù)據(jù)之一。氣測錄井比高成本的井壁取心、普通測井、成像測井、三維地震等資料容易獲取,這為無取心直井尤其是水平井的裂縫識(shí)別提供了必要條件。

在無取心、成像測井情況下,可結(jié)合裂縫發(fā)育模式,根據(jù)氣測信息可定性、有效地識(shí)別直井頁巖裂縫發(fā)育層段(圖3),這比常規(guī)油氣中的巖心觀察—同位素測量法[4]、聲波時(shí)差—電阻率圖版法[5]要簡單、快速,成本更低;也比測井小型儀器更省錢。例如,橫波遠(yuǎn)探測對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層中的裂縫探測十分有效,且常用滑移界面理論來表征裂縫的影響[17];頁巖儲(chǔ)層裂縫的存在使得深淺側(cè)向測井曲線存在差異,深側(cè)向明顯大于淺側(cè)向,由此確定高角度或近垂直裂縫[18]。

圖3 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)不同鉆井五峰組—龍馬溪組下部頁巖裂縫定性識(shí)別

JY10-10井屬于上部、下部發(fā)育裂縫型(圖3a)。⑨小層頂部在2 627～2 635 m井段的全烴平均為3.14%,出現(xiàn)明顯異常與尖峰,與其對(duì)應(yīng)的測井TOC平均為0.9%,即全烴含量異常高但測井TOC低,這說明⑨小層頂部裂縫發(fā)育。不過,⑨小層中部和底部與其對(duì)應(yīng)的全烴無明顯異常。③—⑧小層的全烴值在0.31%～5.82%之間波動(dòng),平均值3.25%,與其對(duì)應(yīng)的測井TOC平均1.98%;其中,在2 675、2 690、2 747 m三處的全烴有異常變化與尖峰,指示存在裂縫。①—②小層的全烴值從2.33%增加至13.56%,存在突變、尖峰,但測井TOC平均值為3.63%,且變化平穩(wěn),判斷該段為裂縫發(fā)育段。

PY1井屬于下部發(fā)育裂縫型(圖3b)。⑤—⑨小層的氣測全烴波動(dòng)不太明顯,整體而言測井TOC變幅與對(duì)應(yīng)的全烴值變化幅度協(xié)調(diào)一致,TOC平均為1.65%,與其對(duì)應(yīng)的全烴值為2.15%,這說明裂縫欠發(fā)育。①—④小層的測井TOC平均為3.11%,變化較為平穩(wěn)且測井TOC曲線較光滑,全烴值在0.16%～22.56%之間,波動(dòng)非常大,存在突變、尖峰等,因此判斷①、③、④小層發(fā)育裂縫段。

因此,在氣測全烴異常增高、尖峰,而TOC高且變化幅度不大或較低的層段,可圈定為裂縫發(fā)育段。這是由于裂縫一方面連通臨近地層,使得頁巖氣發(fā)生竄層;另一方面裂縫也可作為頁巖氣富集場所。因此,當(dāng)鉆遇裂縫,特別是高角度裂縫之后,氣測會(huì)呈現(xiàn)出與TOC不匹配的高異?，F(xiàn)象。

3 水平井裂縫定量識(shí)別

在直井裂縫識(shí)別的基礎(chǔ)上,水平井裂縫定量識(shí)別可通過以下步驟實(shí)現(xiàn)。

首先,由于各井的全烴百分比差別較大,在合并分析不同井位全烴數(shù)據(jù)之前,需要將各井的全烴數(shù)據(jù)按下列公式歸一化:

其次,根據(jù)圖2等多口井的取心井資料,統(tǒng)計(jì)出異常全烴值、TOC值以及深度、巖性等信息,并通過鉆井的深度,統(tǒng)計(jì)全烴異常值與對(duì)應(yīng)同一深度的TOC值(如表1所示)。例如,某A井在2 779.6～2 782.4 m深度的巖性為粉砂質(zhì)頁巖,TOC含量較低且分別為1.06%和1.63%,對(duì)應(yīng)的氣測全烴分別為4.99%和5.33%;結(jié)合這些鉆井的巖心與成像測井資料,從定性角度判斷2779.6～2782.4m為裂縫發(fā)育段。類似地,分別統(tǒng)計(jì)某B井井深2074.2m、井段2 753.1～2 769.8 m裂縫的全烴值、TOC值,進(jìn)而獲得多口井的大量全烴值對(duì)應(yīng)的TOC值數(shù)據(jù)。同時(shí),對(duì)表1所有鉆井的全烴進(jìn)行歸一化。

表1 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)多口井五峰組—龍馬溪組下部異常全烴值與巖心TOC含量統(tǒng)計(jì)示意

最后,將歸一化的全烴數(shù)據(jù)和TOC繪制成散點(diǎn)圖(圖4),建立裂縫識(shí)別模型。在圖4中,隨著TOC的逐漸增高,正常的歸一化全烴數(shù)據(jù)集中在0.4以下,這也表明4口井的全烴值不超過最大值的30%即為正常值。但是,超過0.4則為異常值,圈定為裂縫發(fā)育段。如圖4中的黑色虛線,即歸一化全烴值大于等于0.4、ω(TOC)≥0.5%所限定的中上和右上部的范圍或區(qū)域,反映了突然、尖峰段的異常高全烴值與正常而平滑段的全烴值發(fā)生了中斷。因此,將0.4作為歸一化全烴的異常值分界線,作為判斷裂縫發(fā)育的界線。以此為標(biāo)準(zhǔn),將JY5井歸一化全烴值還原為對(duì)應(yīng)的氣測全烴值為3.96%、JY8井全烴值為5.72%、SY1井全烴值為3.97%、SY3井全烴值為6.8%,并定量判斷不同鉆井裂縫發(fā)育部位,發(fā)現(xiàn)JY5井、JY8井等井采用定量識(shí)別方法獲得的裂縫發(fā)育段與巖心或成像測井觀察的裂縫吻合得相當(dāng)好,這說明該定量方法的可靠性。

圖4 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)多口鉆井五峰組—龍馬溪組下部頁巖TOC與全烴散點(diǎn)圖或圖版

圖5由圖版法所識(shí)別出的裂縫段主要見到12處井段,深度分別為3352.30～3354.77、3361.82～3 368.88、3 375.23～3 381.58、3 392.87～3 410.86、3 412.98～3 417.21、3 422.50～3 427.44、3 430.97～3 438.02、3 439.79～3 442.96、3 444.36～3 446.83、3 450.37～3 454.96、3 462.01～3 464.13、3 470.13～3 472.24 m,這些裂縫段與巖心觀察到的順層剪切裂縫與高角度裂縫是相互吻合的。尤其在第⑨小層中部、⑧小層底部、⑦小層底部的裂縫段,導(dǎo)致全烴值出現(xiàn)大段的異常高、尖峰等突增現(xiàn)象與對(duì)應(yīng)的低值TOC(0.8%～1.66%,而①～③小層的高值TOC為2.70%～7.06%),形成“高與低”的明顯不匹配,這三個(gè)部位裂縫最為發(fā)育。因此,基于氣測信息與TOC的關(guān)系圖版法,開展定量識(shí)別裂縫是有效而可行的。

圖5 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)SY1井定量識(shí)別五峰組—龍馬溪組下部頁巖裂縫柱狀圖

4 方法的推廣應(yīng)用

由于頁巖氣水平井基本上未開展巖心、成像測井工作,因此,上述方法可發(fā)揮重要作用。該方法也可應(yīng)用到常壓區(qū)、超壓區(qū)的水平井之中。由圖6可見,識(shí)別出LY1HF井鉆遇的高角度縫占比多(15.9%)、返排率高(19.22%)、試氣產(chǎn)量低(5.7×104m3/d),這與LY1HF井產(chǎn)氣剖面吻合比較好。同時(shí),識(shí)別出JY194-3HF井鉆遇的高角度縫占比少(10.8%)、返排率低(2.36%),壓裂效果好,試氣產(chǎn)量高(32.8×104m3/d)。

圖6 四川盆地東部南川—武隆地區(qū)水平井五峰組—龍馬溪組下部頁巖裂縫識(shí)別

因此,從地質(zhì)—工程一體化角度,重視裂縫關(guān)鍵地質(zhì)因素,以天然裂縫約束壓裂設(shè)計(jì);建議壓裂時(shí)盡量避開高角度縫發(fā)育段,或者增加壓裂段長、減少射孔族數(shù)等工藝。

5 結(jié)論

(1)本文所述方法基于氣測信息或氣測數(shù)據(jù),可快速、低成本、定性地識(shí)別出水平井裂縫發(fā)育層段。

(2)在裂縫發(fā)育段中會(huì)出現(xiàn)全烴值突增的現(xiàn)象,利用TOC—?dú)w一化全烴的圖版法能定量識(shí)別裂縫段,圈定的區(qū)域作為無取心、無成像測井資料的直井與水平井的裂縫發(fā)育段。

(3)基于識(shí)別出的天然裂縫段,水平井可提前避開或注意這些密集發(fā)育的大型或巨型裂縫,從而提高單井產(chǎn)量。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

董世雄參與圖表制作和資料收集;彭勇民、邊瑞康、杜偉、喬輝、劉曾勤參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

DONG Shixiong participated in chart preparation and data acquisition. PENG Yongmin, BIAN Ruikang, DU Wei, QIAO Hui, and LIU Zengqin participated in the writing and revision of the paper. All authors have read and agree to the submission of the final manuscript.