葛忠偉，樊 莉，鐘文俊，周 靜，張南希，王 同.

(1.中石化西南油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都 610041；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，四川成都 610051)

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部廣泛沉積一套黑色頁(yè)巖，該套頁(yè)巖厚度大，展布穩(wěn)定，品質(zhì)優(yōu)良，是當(dāng)前四川盆地海相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主力層系。截至2018年6月，中石化威榮頁(yè)巖氣田完鉆6口直井，黑色優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度35～46 m，目前已提交千億方探明地質(zhì)儲(chǔ)量，儲(chǔ)量豐度高，商業(yè)開(kāi)發(fā)潛力大。其主體為一向斜構(gòu)造，構(gòu)造簡(jiǎn)單，早期整個(gè)工區(qū)儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)為有利區(qū)，后期進(jìn)入開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)階段，隨著鉆井?dāng)?shù)的增多，揭示出工區(qū)東、西區(qū)頁(yè)巖地質(zhì)特征差異大的特點(diǎn)。鉆井模式主要以1臺(tái)3井為主，水平段長(zhǎng)度、井距、合理采氣速度、單井配產(chǎn)等開(kāi)發(fā)技術(shù)政策采用一套方案。在儲(chǔ)層強(qiáng)非均質(zhì)性的情況下，用一個(gè)綜合評(píng)價(jià)級(jí)別和一套開(kāi)發(fā)技術(shù)政策已無(wú)法滿足準(zhǔn)確評(píng)估頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量及建產(chǎn)的需要。因此，強(qiáng)非均質(zhì)性頁(yè)巖儲(chǔ)層需要在儲(chǔ)層精細(xì)刻畫的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)精度，尋找優(yōu)質(zhì)“甜點(diǎn)”，為開(kāi)發(fā)方案編制、鉆井部署以及鉆井生產(chǎn)跟蹤提供支撐。

1 頁(yè)巖高伽瑪段小層精細(xì)劃分

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部黑色頁(yè)巖段根據(jù)電測(cè)曲線組合特征，縱向上劃分了5個(gè)層(②、③、④、⑤、⑥層)，其中②+③層發(fā)育厚度7～14 m的高自然伽瑪頁(yè)巖段，測(cè)井曲線上三個(gè)高伽瑪峰對(duì)應(yīng)一個(gè)最大海泛面和兩個(gè)次級(jí)海泛面，橫向上展布穩(wěn)定。

以高伽瑪3個(gè)高峰為標(biāo)志層，龍馬溪組底部高伽瑪頁(yè)巖段劃分出5個(gè)次一級(jí)小層[1-2](Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ)(圖1)，各小層橫向上由西往東有減薄的趨勢(shì)，西區(qū)厚度13～14 m，東區(qū)7～10 m。電測(cè)曲線的變化體現(xiàn)了儲(chǔ)層各項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)特征的差異，為開(kāi)展儲(chǔ)層非均質(zhì)性精細(xì)研究提供了依據(jù)。

2 頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性

儲(chǔ)層非均質(zhì)性縱向較橫向更為明顯，主要體現(xiàn)在頁(yè)巖巖性、地質(zhì)靜態(tài)特征，以及儲(chǔ)層工程特征的差異性方面。

圖1 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部高伽瑪段小層劃分對(duì)比圖Fig.1 Comparison map of the high-gamma section of the bottom of the the Longmaxi formation in Weiyuan area

2.1 巖性縱向變化

頁(yè)巖礦物成分類型多樣，包括黏土、碎屑顆粒、有機(jī)質(zhì)以及少量重礦物[3-4]。巖心剖面上各種成分的礦物富集堆積，以紋層(層理)的形式顯現(xiàn)(有機(jī)質(zhì)紋層、黏土紋層、碳酸鹽紋層、硅質(zhì)紋層、黃鐵礦紋層)，有些單一出現(xiàn)，有些以組合的樣式出現(xiàn)。薄片鑒定黏土、有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等多成層分布，其中黏土和有機(jī)質(zhì)?；祀s堆積。縱向上不同類型礦物的分層分布及含量變化，使得頁(yè)巖巖性差異明顯。

根據(jù)組成紋層的礦物富集的程度，縱向上劃分出了三類，即粗紋層、細(xì)紋層、微紋層，其中Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ小層以粗紋層和微紋層為主，Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ小層以細(xì)紋層為主(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(chǔ)層品質(zhì)的微觀差異。

不同類型的紋層以及同一類型紋層組在埋深差異的情況下，儲(chǔ)層參數(shù)差異明顯(表1)。以A井含氣量為例，粗紋層含氣量均值為4.87 m3/t，細(xì)紋層含氣量均值為4.69 m3/t，微紋層含氣量為5.62 m3/t；縱向上粗紋層型發(fā)育在不同的井段，含氣量差異較大，例如Ⅰ-Ⅱ小層為3.8 m3/t，Ⅲ為5.2 m3/t，五峰組為5.6 m3/t。

2.2 電性特征差異

電測(cè)曲線反映縱向上電性非均質(zhì)性強(qiáng)，以GR、RD、DEN層間差異較為突出(圖3)。Ⅰ小層具有相對(duì)高GR、低RD、較低DEN、高CNL、高AC的特征；Ⅰ-Ⅱ小層具有相對(duì)低GR、低RD、高DEN、較高CNL、較高AC的特征；Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ等三個(gè)小層具有相對(duì)高GR、高RD、低DEN、低CNL、低AC的特征；五峰組具有低GR、低RD、低DEN、低CNL、低AC的特征。

圖3 A井電測(cè)曲線圖Fig.3 The electrical logging curve of well A

2.3 儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)差異

頁(yè)巖靜態(tài)參數(shù)指標(biāo)主要包含礦物組分、殘余有機(jī)碳含量(TOC)、物性、含氣量等，威遠(yuǎn)地區(qū)黑色頁(yè)巖高伽瑪段各小層地質(zhì)參數(shù)差異大(表1)。

表1 威頁(yè)地區(qū)龍馬溪組底部黑色頁(yè)巖高伽瑪段儲(chǔ)層參數(shù)表Table 1 Reservoir parameters of black shale high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation in Weiyuan area

(1)礦物組分含量。

黑色頁(yè)巖儲(chǔ)層中礦物組分包含碎屑顆粒、黏土、少量重礦物。碎屑顆粒主要為石英，其次為長(zhǎng)石、方解石、白云石等；黏土礦物以伊/蒙混層、伊利石、綠泥石為主；重礦見(jiàn)少量黃鐵礦。礦物組分的差異型主要體現(xiàn)在各礦物組分的含量方面，以硅質(zhì)含量變化最為明顯，特別是Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層硅質(zhì)含量最高，均高于50%。

(2)TOC。

有機(jī)碳含量(TOC)與GR呈一定的正相關(guān)性，在黑色頁(yè)巖高自然伽瑪段的三個(gè)高峰處，TOC值也相應(yīng)較高。從Ⅱ-Ⅲ小層往下，TOC值整體超過(guò)4%，達(dá)到Ⅰ類儲(chǔ)層的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)物性。

縱向上孔隙度值介于4～7%之間，Ⅱ小層以下孔隙度值明顯高于上部小層，孔隙度普遍高于5%，其中以Ⅱ-Ⅲ小層相對(duì)最高。

儲(chǔ)層物性的差異，微觀上表現(xiàn)為孔隙類型(有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔)、孔隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和空間分布非均質(zhì)性。頁(yè)巖孔隙空間類型以脆性礦物內(nèi)微孔隙、黏土礦物層間微孔隙、有機(jī)質(zhì)微孔隙3大類為主，其中有機(jī)質(zhì)孔是決定儲(chǔ)層物性好壞的關(guān)鍵因素。以D井為例，Ⅰ小層～Ⅲ小層巖心氬離子掃描電鏡顯示，該段儲(chǔ)層孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔和黏土孔為主，有機(jī)質(zhì)孔所占比例大，縱向上有機(jī)孔比重及孔徑逐漸減小，黏土孔比例逐漸增加。其中，Ⅱ-Ⅲ小層有機(jī)孔孔徑相對(duì)較大，巖心實(shí)測(cè)孔隙度相對(duì)較高，而三維空間有機(jī)質(zhì)與有機(jī)孔的分布隨機(jī)性強(qiáng)，進(jìn)一步表明物性非均質(zhì)性強(qiáng)(圖4)。

另外，裂縫發(fā)育程度及裂縫的產(chǎn)狀也影響著儲(chǔ)層的非均質(zhì)性?？v向上，以Ⅱ小層及Ⅱ-Ⅲ小層裂縫相對(duì)更為發(fā)育，裂縫條數(shù)幾十～上百不等，裂縫密度達(dá)3.0～5.5條/米。實(shí)驗(yàn)分析表明，垂向和縱向滲透率差異明顯，F(xiàn)井水平滲透率均值0.08 md，垂直滲透率均值0.006 2 md。裂縫類型以層理縫為主，少量水平縫、斜交縫和垂縫，層理縫和水平縫發(fā)育的井段，儲(chǔ)層橫向滲透率較高，而斜交縫、垂縫發(fā)育的井段，儲(chǔ)層縱向滲透率較高。

(4)含氣量。

龍馬溪組底部黑色頁(yè)巖段含氣量整體在4 m3/t以上，Ⅱ-Ⅲ小層和Ⅲ小層兩層最高，均值在6 m3/t以上，局部小層含氣量偏低，例如B井，Ⅰ-Ⅱ小層及Ⅱ小層含氣量?jī)H2～3 m3/t。

2.4 儲(chǔ)層工程參數(shù)差異

影響頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造效果的重要工程參數(shù)中，巖石力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力是兩個(gè)重要的指標(biāo)。巖石力學(xué)參數(shù)中脆性是評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性的一個(gè)重要指標(biāo)[5-6]。脆性的表征有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式，靜態(tài)表征主要是指巖石礦物組分中脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、方解石等)的含量，比重越高，脆性越好。動(dòng)態(tài)表征主要是用楊氏模量和泊松比來(lái)衡量，即楊氏模量越高，頁(yè)巖的脆性越大，越有利于開(kāi)采的順利進(jìn)行；而泊松比越小，頁(yè)巖的脆性越大。

(1)巖石力學(xué)性質(zhì)。

以A井為例，②+③層高伽瑪段內(nèi)部各小層(Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ小層)巖石力學(xué)參數(shù)總體上表現(xiàn)出：“低泊松比、高楊氏模量、高脆性指數(shù)、較高可壓性”的特征(表2)。小層間以Ⅱ-Ⅲ及Ⅲ小層綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)，脆性指數(shù)0.80以上，低泊松比(0.21)，相對(duì)高楊氏模量(大于29 Gpa)，相對(duì)較高的可壓性指數(shù)(0.25)。

(2)水平地應(yīng)力。

水平地應(yīng)力參數(shù)在一定程度上也能反映出儲(chǔ)層壓裂改造的效果，其中一個(gè)重要的參數(shù)是水平主應(yīng)力差異系數(shù)，其反映了儲(chǔ)層改造形成網(wǎng)狀裂縫的難易程度，是客觀評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效改造的關(guān)鍵指標(biāo)。水平主應(yīng)力差異系數(shù)指越小，表明更容易形成網(wǎng)狀裂縫。

圖4 D井龍馬溪組底部高伽瑪段頁(yè)巖段孔隙分布圖Fig.4 Pore distribution map of the shale section of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well D

表2 A井龍馬溪組底部高伽瑪段小層巖石力學(xué)參數(shù)表Table 2 Rock mechanics parameter table of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well A

從A井高伽瑪段各小層地應(yīng)力參數(shù)可以看出(表3)，Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層相對(duì)具有較低的最小水平主應(yīng)力值和較低的差異系數(shù)，表明該段儲(chǔ)層易于體積壓裂，具備有效改造的工程地質(zhì)條件。其中，高伽瑪段Ⅱ～Ⅱ-Ⅲ小層水平主應(yīng)力差異系數(shù)(0.07以下)明顯低于其他小層(0.07以上)，表明更易形成網(wǎng)狀縫。該井微地震監(jiān)測(cè)也證實(shí)，壓裂改造形成以較為復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫為主，平均半縫長(zhǎng)度約260 m，寬度約123 m，高度約117 m。

表3 A井龍馬溪組底部高伽瑪段小層地應(yīng)力參數(shù)表Table 3 Ground stress parameter table of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well A

3 儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的影響

頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)開(kāi)發(fā)效果的直接影響主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層壓裂改造的難易程度以及有效體積壓裂規(guī)模、水平井靶窗的選擇及穿行軌跡設(shè)計(jì)等方面，最終決定了頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能[7-8]。

3.1 非均質(zhì)性儲(chǔ)層需制定配套的壓裂改造措施

針對(duì)深層頁(yè)巖氣，為充分有效改造非均質(zhì)性優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，解決裂縫復(fù)雜程度低、裂縫導(dǎo)流能力不夠、有效改造體積小的問(wèn)題，需采取針對(duì)性措施，包括：提高排量和液體性能，利于提高縫內(nèi)凈壓力，增加裂縫的復(fù)雜性，排量一般要求大于15 m3/min；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，單段砂量一般要求大于65 m3；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20 m3/min，總液量48 020 m3，總砂量1 428.15 m3，折算單段液量2 401 m3，單段砂量71 m3。微地震監(jiān)測(cè)表明壓裂有效改造體積(SRV)約6 570×104m3，改造效果顯著。

3.2 非均質(zhì)性儲(chǔ)層需重視水平井靶窗的選擇和軌跡的設(shè)計(jì)

為了提高單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，優(yōu)選優(yōu)質(zhì)的開(kāi)發(fā)層段和水平井穿行靶窗尤為重要。鄰區(qū)永川地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐揭示：該區(qū)水平井靶窗位置多，無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致單井產(chǎn)能差異大，五峰組-龍馬溪組底部?jī)?chǔ)層精細(xì)刻畫表明“六性”關(guān)系縱向差異大，不同級(jí)別的儲(chǔ)層縱向疊置，非均質(zhì)性強(qiáng)，水平井靶窗位置的選擇對(duì)單井產(chǎn)能影響較大。結(jié)合前述儲(chǔ)層非均質(zhì)性的分析，綜合分析認(rèn)為：優(yōu)質(zhì)開(kāi)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)含量均值達(dá)到4.0%以上、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(duì)較小、厚度在30 m左右的連續(xù)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段內(nèi)。

儲(chǔ)層精細(xì)劃分與評(píng)價(jià)表明，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部高自然伽瑪段頁(yè)巖儲(chǔ)層明顯具有不同的地質(zhì)和工程特性，層間差異性大，儲(chǔ)層各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)間相互耦合，儲(chǔ)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②+③層高伽瑪段以Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ三個(gè)小層儲(chǔ)層地質(zhì)、工程特征最優(yōu)，具有“高伽瑪、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+③層底部厚7～14 m的高伽瑪段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層Ⅱ～Ⅱ-Ⅲ小層內(nèi)，水平井軌跡要設(shè)計(jì)在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的中間基線上(圖5)，垂直位移±2 m，水平位移為±20 m，以便提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率和I類儲(chǔ)層鉆遇率，確保獲得高產(chǎn)[9-14]。

3.3 非均質(zhì)性儲(chǔ)層對(duì)水平井軌跡控制提出了較為嚴(yán)苛的技術(shù)要求

在確定水平井靶窗及軌跡位置的前提下，控制好軌跡始終在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中穿行是打好頁(yè)巖氣井的關(guān)鍵所在，需強(qiáng)化地球物理、地質(zhì)、鉆井工程等學(xué)科的緊密結(jié)合。首先，需提高地球物理深度預(yù)測(cè)精度、有效識(shí)別微幅構(gòu)造、地震反射假象等異常；其次，根據(jù)導(dǎo)眼井實(shí)鉆情況，結(jié)合地球物理預(yù)測(cè)，做好造斜段及水平段軌跡跟蹤預(yù)案，設(shè)置三級(jí)預(yù)警點(diǎn)，對(duì)造斜段和水平段實(shí)施“兩段”精確控制，用實(shí)鉆數(shù)據(jù)不斷修正地球物理預(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步指導(dǎo)后續(xù)鉆進(jìn)。在此過(guò)程中，借助帶方位GR的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，輔以XRF錄井技術(shù)，判斷鉆頭相對(duì)位置，實(shí)時(shí)修正軌跡姿態(tài)，確保順利中靶。

3.4 開(kāi)發(fā)效果

在優(yōu)選水平井靶窗位置、做好水平井軌跡控制以及制定配套的壓裂改造措施基礎(chǔ)上，該區(qū)開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率均達(dá)到100%，單井平均測(cè)試產(chǎn)量15萬(wàn)方/天以上，平均無(wú)阻流量20萬(wàn)方/天以上，突破了盆內(nèi)深層頁(yè)巖氣商業(yè)產(chǎn)能關(guān)，開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)取得重大突破，目前已提交探明儲(chǔ)量，進(jìn)入規(guī)模建產(chǎn)階段，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益凸顯。

4 結(jié)論

(1)威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部黑色頁(yè)巖高伽瑪段厚度7-14 m，根據(jù)伽瑪形態(tài)特征劃分出了5個(gè)小層(Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ)。

(2)各小層間儲(chǔ)層特性差異大，具有不同的TOC、孔隙度、含氣量、脆性以及巖石力學(xué)特征，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。其中，以高伽瑪段Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層儲(chǔ)層品質(zhì)最優(yōu)，為“地質(zhì)+工程”雙甜點(diǎn)層，是該區(qū)頁(yè)巖氣水平井軌跡穿行的最佳位置。

圖5 A井水平井靶窗及軌跡位置圖Fig.5 Horizontal well target window and track location map of well A

(3)頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)開(kāi)發(fā)的影響主要體現(xiàn)在水平井靶窗的選擇盡量要求在龍馬溪組高伽瑪段2-3號(hào)峰“甜點(diǎn)”層內(nèi)，其易于壓裂改造和形成有效的改造體積，是獲得較高的單井產(chǎn)能的基礎(chǔ)。