武恒志 熊 亮 葛忠偉 史洪亮 王 同 樊 莉

1.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司 2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司

0 引言

中國石油化工股份有限公司威遠(yuǎn)頁巖氣勘查區(qū)塊位于四川盆地川中低褶構(gòu)造帶北部，構(gòu)造位置位于威遠(yuǎn)古隆起與自流井背斜所夾持的白馬鎮(zhèn)向斜，整體為一個向斜構(gòu)造。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段沉積了一套埋深介于3 500～3 800 m、厚度介于80～85 m的深水陸棚相暗色富有機(jī)質(zhì)頁巖，頁巖品質(zhì)優(yōu)良。近年來相繼鉆獲了一批工業(yè)氣井，揭示該區(qū)頁巖氣具有良好的開發(fā)前景。

研究表明，五峰組—龍一段富有機(jī)質(zhì)頁巖段縱向儲層品質(zhì)存在一定的差異，鄰區(qū)水平井鉆井也揭示優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率是確保獲得高產(chǎn)的重要地質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。因此，對目標(biāo)層系開展儲層精細(xì)刻畫與評價，尋找頁巖優(yōu)質(zhì)儲層段，摸清縱橫向分布規(guī)律，是指導(dǎo)該區(qū)頁巖氣水平井鉆井和提高單井產(chǎn)能的關(guān)鍵。

表1 威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段小層劃分表

1 小層劃分

根據(jù)巖性特征、測井曲線特征以及古生物發(fā)育情況，將五峰組—龍一段劃分出9個層。9個層整體上具有“三分性”，即①～④號層巖性為黑色碳質(zhì)頁巖、具有低DEN電性特征，發(fā)育五峰組典型化石異形正常筆石以及龍馬溪組雕刻筆石、囊筆石、葉筆石、耙筆石、喇叭筆石等典型化石；⑤～⑥號層巖性為淺灰色含碳頁巖，具有中—低DEN電性特征，發(fā)育具刺筆石等典型化石；⑦～⑨號層巖性為淺灰色粉砂質(zhì)泥巖，具有中—高DEN電性特征，偶見筆石化石。

以龍馬溪組底部3個穩(wěn)定發(fā)育的自然伽馬峰為標(biāo)志，①～④號層又進(jìn)一步細(xì)分為7個小層，即11、12、2、31、32、33、4小層，各小層對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

地球物理合成記錄標(biāo)定顯示①號層底、32頂、4頂及⑥號層頂、⑨號層頂?shù)戎饕犹卣髑逦?，具有明顯的強(qiáng)振幅特征（圖1）。1—32頂：為上部強(qiáng)波谷，下部強(qiáng)波峰，低阻抗；32—4頂：為中部弱波峰，底為下部強(qiáng)波谷，相對高阻抗；⑤～⑥號層頂：為上部弱波谷，底為中部弱波峰，相對低阻抗。各小層橫向井間阻抗特征清晰，區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定展布（圖1）。

巖心精細(xì)描述表明，縱向上7個小層發(fā)育不同礦物組分、不同組合形態(tài)的紋層。組成紋層的礦物類型包含有機(jī)質(zhì)、黏土、碳酸鹽、硅酸鹽、黃鐵礦等，有些以單一礦物出現(xiàn)，有些以多種礦物組合的樣式出現(xiàn)。巖心紋層刻畫的方法主要是根據(jù)單塊巖心剖面上紋層的發(fā)育情況（有/無紋層），將紋層特征相似（組成紋層的淺色礦物的富集程度）、紋層間距相當(dāng)?shù)臄?shù)條紋層合并為一個紋層組。紋層組歸納為3類，即粗紋層型、細(xì)紋層型、微紋層型。粗紋層型為層理面清晰、淺色礦物含量高，富集厚度較大，紋層間距介于3～7 mm；細(xì)紋層型為層理面較清晰、淺色礦物含量較低，富集厚度較小，紋層間距介于1～12 mm；微紋層型為層理不發(fā)育、淺色礦物少見。

A井①～③號層17.4 m長的巖心精細(xì)刻畫共劃分出了425層紋層組，單層厚度介于0.40～19.00 cm，平均3.49 cm。其中，粗紋層型和微紋層型紋層組主要分布在GRⅡ號峰—五峰組，細(xì)紋層型紋層組分布在④號層—GRⅡ號峰（圖2）。不同類型的紋層縱向上交替出現(xiàn)，反映沉積環(huán)境變化和儲層品質(zhì)的微觀差異。

圖1 威遠(yuǎn)地區(qū)波阻抗反演對比圖

2 頁巖儲層“甜點(diǎn)”研究

2.1 沉積微相識別與劃分

2.1.1 硅質(zhì)礦物與黏土礦物成因分析

威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段為深水陸棚亞相沉積。X射線衍射全巖礦物分析表明，頁巖以脆性礦物（石英、長石、方解石、白云石等）和黏土礦物（伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層）為主。巖石薄片觀察，威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段底部見大量放射蟲及海綿骨針（圖3），其中放射蟲具有大量原生孔隙，呈多孔結(jié)構(gòu)，為頁巖儲層提供了重要的儲集空間。國外相關(guān)研究表明：海水中有充足溶解態(tài)硅的存在是放射蟲等硅質(zhì)生物繁盛的基本條件，同時也是其他生物繁盛的重要條件，放射蟲富集的環(huán)境代表的是一種極有利于浮游藻類繁盛的環(huán)境。放射蟲是當(dāng)時海洋高有機(jī)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者之一。

圖2 A井龍馬溪組底部高伽馬段紋層分布圖

圖3 顯微鏡下生物碎屑照片

能譜分析揭示，放射蟲等生物無論結(jié)構(gòu)內(nèi)部還是外部均主要由Si和O組成（圖4），表明硅質(zhì)礦物主要為生物成因。

研究區(qū)五峰組—龍一段TOC與Si交匯表明，兩者具有較高的相關(guān)性，尤其是TOC＞2%的井段，相關(guān)性更高，進(jìn)一步表明五峰組—龍一段底部黑色頁巖段硅質(zhì)成因與生物有關(guān)。

圖4 A井五峰組（3 850.46 m）放射蟲能譜特征圖

定量表征生物成因頁巖的方法可通過電子探針測量主量元素來分析。生物成因頁巖具有“高SiO2、低Al2O3”的特征，F(xiàn)e、Mn元素的富集與熱水成因有關(guān)，而Al元素的富集與陸源碎屑相關(guān)[4]，據(jù)此可以判定五峰組—龍一段縱向上生物成因頁巖與陸源成因頁巖的分布范圍。據(jù)F井電子探針測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明（表2）：五峰組—龍一段取心井段SiO2含量介于20.67%～98.68%，平均為51.66%；Al2O3含量介于0.07%～36.60%，平均為17.06%，具有“高SiO2、低Al2O3”的特征。Fe元素含量平均值為6.21%，Mn元素含量平均值為0.06%，含量較低。

此外，利用 Al/（Fe+Al+Mn）以及 Si/（Fe+Si+Al）之間的比值關(guān)系，也可以判定頁巖成因類型，前者純生物成因比值一般大于0.6，后者純生物成因比值一般大于0.9。F井電子探針數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，從上往下，Al/（Fe+Al+Mn）和Si/（Fe+Si+Al）比值逐漸升高，優(yōu)質(zhì)頁巖段Al/（Fe+Al+Mn）比值均大于0.6，在Al—Fe—Mn圖解上落于生物成因區(qū)（圖5）。底部優(yōu)質(zhì)儲層段Si/（Fe+Si+Al）比值達(dá)到0.9，頁巖生物成因特征明顯。另外，通過計(jì)算高于正常碎屑沉積環(huán)境下的SiO2含量也可以確定生物硅的百分含量。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)井五峰組—龍一段②層及③層下部高伽馬段生物硅含量介于15.85%～95.48%，平均為55.98%。較高的生物成因硅質(zhì)含量利于形成天然裂縫，有利于壓裂改造。

表2 F井五峰組—龍一段電子探針主要元素含量表

圖5 F井優(yōu)質(zhì)頁巖段Al—Fe—Mn三角圖

黏土礦物形成方式有3種：風(fēng)化作用、熱液和溫泉水作用、沉積和成巖作用[5-7]。研究區(qū)五峰組—龍一段深水陸棚亞相沉積物中普遍含黏土礦物，含量介于17%～57%，平均為33.77%；黏土類型以伊利石、伊/蒙混層為主，少量綠泥石和高嶺石。目的層頁巖所處的下古生代地層中缺失分散狀蒙皂石，說明古老頁巖中的原生蒙皂石和高齡石早已成巖轉(zhuǎn)化為伊利石和綠泥石。其次目的層埋深大，介于3 500～3 800 m，實(shí)測地層溫度為134.97 ℃、地層壓力介于68.69～76.95 MPa，為高溫高壓地層，這為蒙脫石—伊/蒙混層—伊利石的轉(zhuǎn)變提供了必要條件，表明研究區(qū)黏土礦物的形成主要由成巖作用提供。

2.1.2 沉積微相劃分

根據(jù)礦物組分含量、礦物成因類型將五峰組—龍一段深水陸棚亞相細(xì)分為6類沉積微相（表3）。由上至下，依次為富黏土頁巖深水陸棚微相、含鈣富黏土頁巖深水陸棚微相、鈣質(zhì)黏土頁巖深水陸棚微相、硅質(zhì)黏土頁巖深水陸棚微相、富硅生物頁巖深水陸棚微相、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相（圖6）。其中，2—31小層生物硅質(zhì)含量高、以粗紋層和微紋層型紋層組為主，水體相對安靜，TOC含量高，沉積了一套富有機(jī)質(zhì)的頁巖，是儲集性能最有利的沉積相帶。

表3 研究區(qū)五峰組—龍一段沉積微相劃分表

2.2 儲層評價

2.2.1 測井評價

中子—密度交匯表明，五峰組—龍一段的9個小層具有明顯的“三分性”：①～④號層具有“低密度、低中子”特征；⑤～⑥號層具有“中—高密度、中—高中子”的特征；⑦～⑨號層具有“高密度、高中子”的特征。其中，龍一段底部富硅生物頁巖段2—31小層具有“三高、三低”（高自然伽馬、高鈾、高電阻率、低TH/U、低密度、低中子）特征，含氣性最優(yōu)。

圖6 A井五峰組—龍一段沉積相綜合柱狀圖

2.2.2 儲層類型劃分

測井儲層四性關(guān)系分析表明，五峰組—龍一段儲層各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)差異大。其中，2—31小層TOC高于5%、含氣量大于5 m3/t、孔隙度大于6%，儲層評價各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)最高，達(dá)到頁巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類儲層級別；五峰組、32、33、4等幾個小層，儲層評價參數(shù)指標(biāo)較2—31小層略低，TOC介于3%～5%、含氣量介于3～5 m3/t、孔隙度介于5%～6%，達(dá)到Ⅱ類儲層的級別；而⑤～⑥號層TOC介于2%～3%、含氣量介于2～3 m3/t、孔隙度介于4%～5%，儲層整體品質(zhì)良好，達(dá)到Ⅲ類儲層的標(biāo)準(zhǔn)；頂部的⑦～⑨號層，TOC普遍低于1%，孔隙度小于4%、含氣量低于2 m3/t，儲層品質(zhì)整體較差。

以TOC、含氣量、孔隙度評價參數(shù)為主，結(jié)合脆性礦物含量、黏土礦物含量、裂縫發(fā)育情況、脆性指數(shù)、水平地應(yīng)力差異系數(shù)等8個“地質(zhì)+工程”關(guān)鍵參數(shù)作為頁巖儲層劃分指標(biāo)，制定了儲層類型劃分標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

由此，威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段縱向上四類儲層疊置（圖7）。其中，2—31小層具有“五高兩低”的儲層特征，即高TOC（5.03%）、高有效孔隙率（7.18%）、高含氣量（6.20 m3/t）、高脆性礦物含量（大于60%）、高裂縫密度（裂縫極發(fā)育）、低黏土（15.7%）、低地應(yīng)力差異系數(shù)（小于0.1），表明為優(yōu)質(zhì)儲層，五峰組及32—4小層為較好儲層，⑤～⑥號層位為一般儲層，⑦～⑨號層為差儲層。

表4 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層劃分參數(shù)表

圖7 威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段儲層對比圖

2.3 “甜點(diǎn)”預(yù)測

以儲層地質(zhì)特征為指導(dǎo)，測井解釋和巖石物理分析為依據(jù)，開展疊前AVO反演，獲取頁巖儲層段密度這一關(guān)鍵參數(shù)，基于密度數(shù)據(jù)反演頁巖儲層的TOC、孔隙度和含氣量參數(shù)。儲層預(yù)測表明：優(yōu)質(zhì)儲層+較好儲層（①～④號層）厚25～39 m，孔隙度介于4.9%～5.6%，TOC介于2.6%～3.5%，含氣量介于6.25～8.0 m3/t，脆性指數(shù)高（大于50%）、壓力系數(shù)高（1.9～2.1）、地應(yīng)力差異系數(shù)低（0.12～0.17），與實(shí)鉆結(jié)果一致（圖8）。

3 水平井靶窗優(yōu)選及軌跡設(shè)計(jì)

為了提高單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)，優(yōu)選優(yōu)質(zhì)的開發(fā)層段和水平井穿行靶窗尤為重要。五峰組—龍馬溪組底部儲層精細(xì)刻畫表明“四性”特征縱向差異大，不同級別的儲層縱向疊置，非均質(zhì)性強(qiáng)，水平井靶窗位置的選擇對單井產(chǎn)能影響較大[8-11]。綜合分析認(rèn)為：優(yōu)質(zhì)開發(fā)層段的選擇包含“地質(zhì)＋工程”雙因素，即首先要考慮有機(jī)質(zhì)含量均值超過4.0%、含氣性高于4 m3/t、有效孔隙度大于6.0%，其次，巖石泊松比小于0.25、脆性礦物含量大于50%、水平主應(yīng)力差異系數(shù)相對較小、厚度在30 m左右的連續(xù)優(yōu)質(zhì)頁巖層段內(nèi)。

儲層精細(xì)劃分與評價表明，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部高自然伽馬段頁巖儲層明顯具有不同的地質(zhì)和工程特性，層間差異性大，儲層各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)間相互耦合，儲層地質(zhì)屬性直接影響到工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣。龍馬溪組底部2—31小層儲層地質(zhì)、工程特征最優(yōu)，具有“高伽馬、高AC、較高中子、高TOC、高孔隙度、高含氣量、高硅質(zhì)、高脆性、低DEN、低黏土、低水平主應(yīng)力差異系數(shù)”的“八高三低”參數(shù)特征，為“地質(zhì)＋工程”雙甜點(diǎn)層。因此，水平井靶窗應(yīng)選擇在2—31小層優(yōu)質(zhì)儲層段內(nèi)，水平井軌跡要設(shè)計(jì)在優(yōu)質(zhì)儲層的中間基線上（圖9），垂直位移為±2 m，水平位移為±20 m，以便提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，確保獲得高產(chǎn)。

圖8 威遠(yuǎn)地區(qū)儲層甜點(diǎn)預(yù)測圖

4 水平井靶窗對產(chǎn)能的影響

影響頁巖氣水平井單井產(chǎn)能的地質(zhì)因素包括水平井軌跡的穿行位置、優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率、水平井長度；工程因素包括精準(zhǔn)的水平井軌跡控制技術(shù)、優(yōu)質(zhì)的水平井井筒條件、有效的壓裂改造措施，良好的地質(zhì)條件為后期壓裂改造的有效實(shí)施起到了關(guān)鍵作用[12-18]。而歸根結(jié)底，靶窗的選擇是影響地質(zhì)和工程因素的根本。

中石化威遠(yuǎn)地區(qū)已完鉆測試的6口井，水平井軌跡均在龍馬溪組底部3.5～7.6 m厚的2—31小層內(nèi)部穿行，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率為100%，為后續(xù)壓裂施工提供了良好的地質(zhì)條件。水平井軌跡穿行在脆性最高的優(yōu)質(zhì)儲層中，為大液量、大排量、高井口壓力施工、最大限度提高裂縫導(dǎo)流能力和有效改造體積提供了良好的工程條件。為提高縫內(nèi)凈壓力，增加裂縫的復(fù)雜性，排量一般大于15 m3/min；為提高加砂規(guī)模和砂液比，利于提高裂縫導(dǎo)流能力，確保壓裂縫的有效性，單段砂量一般大于65 m3。此外，通過大液量、大排量，低砂比連續(xù)加砂，確保加砂規(guī)模，增大改造體積，單段液量一般大于1 900 m3。以A井為例，該井20段45簇壓裂，最高排量為20 m3/min，總液量為48 020 m3，總砂量為1 428.15 m3，折算單段液量為2 401 m3，單段砂量為71 m3。微地震監(jiān)測表明壓裂有效改造體積約6 570×104m3，改造效果顯著，測試無阻流量在30×104m3/d以上。

圖9 威遠(yuǎn)地區(qū)A井水平井靶窗位置圖

5 結(jié)論

1）威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍一段沉積了一套深水陸棚相富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖，縱向上劃分出9個層、7個開發(fā)小層和3類紋層組；沉積微相具有明顯的差異，底部生物成因頁巖發(fā)育，為優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育提供了基礎(chǔ)。

2）儲層綜合評價表明：五峰組—龍一段儲層“三分性”特征明顯，以TOC、含氣量、孔隙度、脆性“地質(zhì)+工程”關(guān)鍵參數(shù)作為頁巖儲層劃分指標(biāo)，將儲層劃分出了優(yōu)質(zhì)儲層、較好儲層、一般儲層、差儲層等4類，其中底部生物成因頁巖為優(yōu)質(zhì)儲層和較好儲層段，是當(dāng)前該區(qū)頁巖氣開發(fā)的主力儲層段。

3）水平井靶窗位置的選擇對單井產(chǎn)能影響較大，優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率是確保獲得頁巖氣高產(chǎn)的地質(zhì)基礎(chǔ)。威遠(yuǎn)地區(qū)水平井靶窗均選擇在龍馬溪組底部2—31小層優(yōu)質(zhì)儲層段內(nèi)，鉆井效果良好。