唐建明,徐天吉,程冰潔,沈 杰,喻 勤

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司,四川成都610041;2.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,四川成都611731;3.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610059;4.成都理工大學(xué)“地球探測(cè)與信息技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610059;5.中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,四川成都610041)

中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量居全球之首(約31.57×1012m3),主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地中[1-4]。其中,四川盆地頁(yè)巖氣資源量約為27.5×1012m3,可采資源量達(dá)4.42×1012m3,居全國(guó)之首[5-6],但是,該盆地近88%的頁(yè)巖氣資源埋藏深度超過(guò)3500m,屬于深層超深層頁(yè)巖氣(埋藏深度分別為3500～4500m、大于4500m),面臨著來(lái)自勘探開發(fā)技術(shù)與裝備突破、低成本生產(chǎn)、水資源和安全環(huán)保4個(gè)方面的挑戰(zhàn)[7]。

深層頁(yè)巖氣巨大的資源潛力,已引起全球的高度重視。美國(guó)是最早開發(fā)深層頁(yè)巖氣的國(guó)家,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了Haynesville、EagleFord、Cana Woodford、Hilliard—Baxter-Mancos和Mancos 5個(gè)深層頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊[8-10]。目前,我國(guó)已經(jīng)在涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、榮昌、井研—犍為、永川、丁山、赤水、昭通等地區(qū)取得了頁(yè)巖氣勘探突破,但僅在四川盆地的焦石壩、威遠(yuǎn)、永川等少數(shù)地區(qū)提交了探明儲(chǔ)量并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)[11-12]。

四川盆地深層頁(yè)巖氣主要分布在志留系的龍馬溪組和寒武系的筇竹寺組,普遍具有埋藏深、厚度薄、脆性差、地應(yīng)力分布不均勻、各向異性與非均質(zhì)性較強(qiáng)等特點(diǎn),直接影響水平井選點(diǎn)(井位)選層(層系)、井網(wǎng)部署、軌跡控制和儲(chǔ)層壓裂改造等關(guān)鍵工作,目前面臨的主要挑戰(zhàn)如下。

1) 巖心取樣成本高,巖石物理測(cè)試分析不足,因此難以在巖石物理、測(cè)井和地震一體化的基礎(chǔ)上充分認(rèn)識(shí)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地球物理響應(yīng)規(guī)律。

2) 多數(shù)探區(qū)原始地震資料信噪比低、分辨率不高,靜校正、各向異性等問(wèn)題突出,大入射角、寬方位的地震資料采集與保幅、保頻、保AVO高精度成像等地震資料的采集與處理難度大。局部發(fā)育的假“微幅構(gòu)造”和“小斷層”的消除,對(duì)地震資料處理精細(xì)解釋提出了更高要求。

3) 深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)程度低,針對(duì)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的應(yīng)力場(chǎng)反演、脆性指數(shù)計(jì)算、層理縫檢測(cè)、微裂縫檢測(cè)等地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”參數(shù)高精度預(yù)測(cè)方法尚不完善,直接影響了優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層物性、有機(jī)碳含量、含氣量、裂縫、脆性、孔隙壓力、構(gòu)造應(yīng)力等“甜點(diǎn)”要素的預(yù)測(cè)精度。

4) 地質(zhì)、地球物理與工程一體化融合研究不足,影響了井網(wǎng)部署、水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制調(diào)整、壓裂方案優(yōu)化,壓裂效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)層改造效果評(píng)估等現(xiàn)場(chǎng)支撐效果。

本文綜合考慮四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)與地球物理特征,利用頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理敏感參數(shù)分析與測(cè)井評(píng)價(jià)等地球物理研究方法,解決了微幅構(gòu)造與小斷層的識(shí)別與校正及有機(jī)碳含量、含氣量、地應(yīng)力、脆性、微裂縫等地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”參數(shù)預(yù)測(cè)難題,建立了四川盆地頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)技術(shù)在威遠(yuǎn)、榮縣、永川、井研—犍為、丁山、赤水等探區(qū)的鉆井部署、軌道設(shè)計(jì)、壓裂方案設(shè)計(jì)與效果監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要的作用。

1 四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)與地球物理特征

目前,在四川盆地發(fā)現(xiàn)的深層頁(yè)巖氣資源,主要分布在川南地區(qū)。該區(qū)及川西南低緩斷褶帶和川南高陡斷褶帶,沉積環(huán)境包含深水陸棚相,區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組兩套地層是目前深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的目標(biāo)儲(chǔ)層[13-14]。圖1顯示了威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍馬溪組目標(biāo)儲(chǔ)層巖心孔隙與裂縫特征,五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層以含放射蟲炭質(zhì)筆石頁(yè)巖、含骨針碳質(zhì)筆石頁(yè)巖、含鈣硅質(zhì)頁(yè)巖、含碳筆石頁(yè)巖為主,脆性礦物為石英、長(zhǎng)石、方解石和白云石等;微孔隙和微裂隙較為發(fā)育(如圖1箭頭所示),孔隙流體壓力較高;優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖相對(duì)圍巖具有低速度、高伽馬值、低密度、低縱橫波速度比(vP/vS)、高楊氏模量、低泊松比特征,有機(jī)碳含量與密度、體積模量、含氣量具有良好的相關(guān)性;優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性、物性和阻抗差異較大,地震反射呈現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)反射特征。筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性礦物含量較高,發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙及溶蝕孔隙;水平縫、斜縫較為發(fā)育;優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低速度、低密度、低阻抗、高伽馬值等巖石物理與測(cè)井響應(yīng)特征,地震反射以強(qiáng)波谷連續(xù)反射為主。

圖1 威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組—龍馬溪組目標(biāo)儲(chǔ)層巖心孔隙與裂縫特征a 干酪根結(jié)構(gòu)孔隙; b 黃鐵礦晶間有機(jī)孔隙; c 瀝青裂解生氣有機(jī)孔隙; d 白云石溶蝕無(wú)機(jī)孔隙; e 長(zhǎng)石溶蝕無(wú)機(jī)孔隙; f 粘土礦解理縫; g 碎屑顆粒與有機(jī)質(zhì)間裂縫; h 半充填方解石層面平行縫

2 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理敏感參數(shù)分析與測(cè)井評(píng)價(jià)

2.1 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理敏感參數(shù)分析

四川盆地深層頁(yè)巖的礦物組分包括粘土、石英、方解石、白云石、黃鐵礦和斜長(zhǎng)石等成分,因此巖石物理建模時(shí),不僅需要考慮由于粘土、干酪根等礦物組分的定向排列引起的各向異性,還要考慮有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔、微裂縫孔等多種類型的孔隙、微觀結(jié)構(gòu)與常規(guī)儲(chǔ)層的差異,以獲得頁(yè)巖物理屬性的敏感參數(shù),建立優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的TOC含量、孔隙度、含氣量、脆性等屬性與縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、密度、巖石模量、體積模量、拉梅常數(shù)等彈性參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。圖2顯示了利用脆性礦物(石英)含量計(jì)算的脆性指數(shù)與孔隙度、泥質(zhì)含量、縱波阻抗、縱橫波速度比之間的關(guān)系,當(dāng)泥質(zhì)含量越高(綠色箭頭指示方向)、縱橫波速度比越高時(shí),頁(yè)巖脆性越弱;縱橫波速度比和縱波阻抗較低、孔隙度較高的頁(yè)巖(白色橢圓內(nèi)),脆性則較強(qiáng)?？梢?不同的巖石物理參數(shù)對(duì)深層頁(yè)巖的敏感性不同。

2.2 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別與評(píng)價(jià)

由于頁(yè)巖氣賦存方式和儲(chǔ)集空間具有多樣性和復(fù)雜性,并且頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)與常規(guī)油氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)差異較大,因此傳統(tǒng)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)所采用的四性關(guān)系(巖性、物性、電性、含油氣性)不能滿足頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的需求。在四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別與評(píng)價(jià)中,重點(diǎn)關(guān)注巖石組分特征、物性、地化特性、電性、含氣性、可壓性等“六性”關(guān)系,如在川南威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征為“三高三低”,即高自然伽馬、高鈾、高電阻率、低釷鈾比、低密度、低中子。利用釷鈾比、常規(guī)測(cè)井(自然伽馬、電阻率和孔隙度)曲線可識(shí)別優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段,采用數(shù)據(jù)交會(huì)、多元回歸等方法計(jì)算TOC含量、吸附氣、游離氣和粘土、硅質(zhì)、鈣質(zhì)等礦物組分含量、脆性指數(shù)、有效孔隙度、含水飽和度等參數(shù),可實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層的識(shí)別與評(píng)價(jià)。

圖2 利用脆性礦物含量計(jì)算的脆性指數(shù)與孔隙度(?)、泥質(zhì)含量(Vcl)、縱波阻抗、縱橫波速度比之間的關(guān)系

3 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)

依據(jù)地質(zhì)與工程不同的評(píng)價(jià)需求,深層頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”包括地質(zhì)與工程兩類“甜點(diǎn)”。地質(zhì)“甜點(diǎn)”的控制因素,包括構(gòu)造形態(tài)、儲(chǔ)層厚度、壓力、TOC含量、含氣量、孔隙度、保存條件等;工程“甜點(diǎn)”與儲(chǔ)層改造效果、頁(yè)巖氣產(chǎn)能和商業(yè)效益等密切相關(guān),其控制因素包括裂縫、地應(yīng)力、脆性指數(shù)等。綜合利用巖石物理與測(cè)井分析結(jié)果以及地震數(shù)據(jù),可以預(yù)測(cè)有利沉積相帶、巖性、物性、脆性、生烴能力、含氣量和裂縫,實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)與綜合評(píng)價(jià)。

3.1 地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)的核心內(nèi)容,包括儲(chǔ)層彈性參數(shù)反演、儲(chǔ)層TOC含量反演、儲(chǔ)層含氣量預(yù)測(cè)、儲(chǔ)層孔隙流體壓力預(yù)測(cè)和儲(chǔ)層地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)5個(gè)方面。

3.1.1 儲(chǔ)層彈性參數(shù)反演

縱、橫波速度、密度、楊氏模量、剪切模量等彈性參數(shù)是四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)基礎(chǔ),綜合利用疊前地震數(shù)據(jù)、測(cè)井和地質(zhì)資料,根據(jù)貝葉斯理論和Backus平均模型,利用粒子群算法可以反演得到深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的彈性參數(shù)。

3.1.2 儲(chǔ)層TOC含量反演

在深層頁(yè)巖儲(chǔ)層疊前彈性參數(shù)反演的基礎(chǔ)上,利用巖石物理敏感參數(shù)分析建立TOC含量與彈性參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系,采用巖石物理模型彈性參數(shù)標(biāo)定、貝葉斯概率反演或蒙特卡羅仿真模擬等方法計(jì)算TOC含量,進(jìn)而可以反演得到深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的TOC含量。

3.1.3 儲(chǔ)層含氣量預(yù)測(cè)

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量與多種因素相關(guān),如埋藏深度、TOC含量、R0程度、頁(yè)巖厚度、孔隙流體壓力、保存條件等。通過(guò)提取地震頻變屬性、吸收衰減等異常特征[15-16],可以定性預(yù)測(cè)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣性,但不能定量預(yù)測(cè)含氣量。通常根據(jù)巖石物理、測(cè)井等信息,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或回歸算法等方法,建立含氣量與TOC含量之間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)關(guān)系,然后利用地震反演、數(shù)值模擬等方法計(jì)算深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量。

3.1.4 儲(chǔ)層孔隙流體壓力預(yù)測(cè)

深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明,頁(yè)巖氣的產(chǎn)量與孔隙流體壓力呈正相關(guān)。通常,高產(chǎn)井的頁(yè)巖儲(chǔ)層均存在異常高壓,低產(chǎn)井和微含氣井的頁(yè)巖儲(chǔ)層為常壓或異常低壓。此外,孔隙流體壓力系數(shù)是頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)的綜合判別指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),四川盆地及周緣頁(yè)巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)時(shí),如果壓力系數(shù)大于1.2,則頁(yè)巖氣保存條件好?？梢?孔隙流體壓力預(yù)測(cè)在深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中的重要作用。目前,成熟的孔隙流體壓力預(yù)測(cè)方法,主要包括等效深度法、Eaton法、Fillippone法、泥砂(Clay Plus Silt,CPS)模型法等。我們采用Eaton法和CPS法預(yù)測(cè)四川盆地深層頁(yè)巖氣孔隙流體壓力。

3.1.5 儲(chǔ)層地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)

在對(duì)大偏移距、寬方位、高覆蓋次數(shù)、小面元的三維地震資料開展綜合解釋的基礎(chǔ)上,將巖石物理、測(cè)井、地質(zhì)等綜合信息與儲(chǔ)層彈性參數(shù)反演、TOC含量反演、含氣量預(yù)測(cè)、孔隙流體壓力預(yù)測(cè)等研究成果相結(jié)合,可獲得構(gòu)造形態(tài)、儲(chǔ)層厚度、孔隙度、孔隙流體壓力、TOC含量、含氣量、保存條件等地質(zhì)“甜點(diǎn)”關(guān)鍵要素。綜合分析這些地質(zhì)“甜點(diǎn)”要素,可預(yù)測(cè)四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層富氣品質(zhì)。圖3顯示了四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)結(jié)果,可以看出優(yōu)、良、差3類頁(yè)巖儲(chǔ)層的分布。

圖3 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 工程“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層工程“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)的核心內(nèi)容,包括儲(chǔ)層多尺度裂縫預(yù)測(cè)、儲(chǔ)層地應(yīng)力預(yù)測(cè)、深層頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)和工程“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)4個(gè)方面。

3.2.1 儲(chǔ)層多尺度裂縫預(yù)測(cè)

四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育程度,與頁(yè)巖氣富集程度及單井產(chǎn)能密切有關(guān)。這是由于裂縫可以改善儲(chǔ)集性能和滲濾條件,還可以影響壓裂改造過(guò)程。頁(yè)巖儲(chǔ)層中的微裂縫,尤其是發(fā)育均勻、成網(wǎng)狀的微裂縫體系對(duì)水平井壓裂改造至關(guān)重要,這些微裂縫體系可以經(jīng)過(guò)壓裂形成大型裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),但大尺度的裂縫或者斷層也可能破壞頁(yè)巖氣的保存條件和增加壓裂改造難度。因此,需要結(jié)合地質(zhì)地震資料,在高精度成像、精細(xì)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上,采用巖心、成像測(cè)井、相干、曲率、各向異性等多種裂縫預(yù)測(cè)方法,從不同角度預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育特征,實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖大、中、小、微等多種尺度裂縫的綜合評(píng)價(jià)[17]。

3.2.2 儲(chǔ)層地應(yīng)力預(yù)測(cè)

四川盆地經(jīng)歷了多期次、多旋回的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地應(yīng)力分布情況復(fù)雜,采用有限元地應(yīng)力模擬法、各向異性地應(yīng)力反演等方法得到的局部殘余地應(yīng)力分布情況,為頁(yè)巖氣井網(wǎng)部署和水平井軌跡設(shè)計(jì)提供了力學(xué)依據(jù)。四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中存在的局部殘余地應(yīng)力與孔隙流體壓力、上覆巖層重力、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、區(qū)域位置等多種因素密切相關(guān),因此獲得準(zhǔn)確的地應(yīng)力分布情況較為困難。目前,基于地震數(shù)據(jù)反演地應(yīng)力空間分布情況的方法原理,主要包括Schoengerg線性滑動(dòng)等效介質(zhì)理論和Rüger各向異性介質(zhì)反射系數(shù)方程、Terzaghi有效地應(yīng)力原理和Hooke力學(xué)定律。根據(jù)上述方法原理反演深層各向異性頁(yè)巖介質(zhì)的彈性參數(shù)步驟如下:首先根據(jù)Schoengerg理論和Hooke力學(xué)定律建立如(1)式的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)學(xué)關(guān)系式,然后利用(2)式計(jì)算最大和最小水平應(yīng)力,最后利用(3)式計(jì)算水平主應(yīng)力差(DHSR)[18-20]。

(1)

(2)

(3)

式中:E為楊氏模量;υ為泊松比;ε為應(yīng)變;ZN為法向柔度;σ為應(yīng)力;H、h、z分別為水平最大、水平最小和垂直地應(yīng)力方向標(biāo)識(shí)。

3.2.3 深層頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)

頁(yè)巖的脆性(Brittleness)是一種非常重要的巖石力學(xué)性質(zhì)。脆性越強(qiáng),表示頁(yè)巖儲(chǔ)層抗壓、抗張和抗剪切的能力越差,在外力作用下易于產(chǎn)生人造裂縫[21],有利于儲(chǔ)層壓裂改造。目前,針對(duì)頁(yè)巖脆性特征的預(yù)測(cè)方法主要包括兩類:一類是礦物成分法,利用頁(yè)巖中的脆性礦物(如石英、長(zhǎng)石、方解石、菱鐵礦等)與塑性礦物(主要為粘土礦物)之間的百分比,建立脆性特征表征參數(shù);另一類是力學(xué)參數(shù)法,基于應(yīng)力與應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)物理關(guān)系,計(jì)算頁(yè)巖在各類應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉伸、壓縮、剪切等形變的概率,利用楊氏模量、泊松比等彈性參數(shù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖的脆性特征。圖4 疊合顯示了四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部頁(yè)巖脆性指數(shù)與微地震壓裂監(jiān)測(cè)剖面,二者的吻合性較好,證明了脆性指數(shù)預(yù)測(cè)的可靠性。

圖4 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)WY23-HF1井龍馬溪組底部頁(yè)巖脆性指數(shù)與微地震監(jiān)測(cè)剖面疊合顯示

3.2.4 工程“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)

頁(yè)巖儲(chǔ)層的裂縫、地應(yīng)力、脆性指數(shù)等工程“甜點(diǎn)”要素,直接影響壓裂改造和單井產(chǎn)能?；诏B前、疊后三維地震資料,結(jié)合巖心、成像測(cè)井、相干、曲率、各向異性等資料,可獲取大、中、小、微等多尺度裂縫信息;采用各向異性彈性參數(shù)反演方法,可以計(jì)算出最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、應(yīng)力差異系數(shù)等地應(yīng)力參數(shù);采用礦物成分法和力學(xué)參數(shù)法,可以從多角度分析儲(chǔ)層脆性特征。綜合分析這些工程“甜點(diǎn)”要素,可實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井、壓裂改造等工程品質(zhì)預(yù)測(cè)。圖5顯示了四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部頁(yè)巖工程“甜點(diǎn)”分布情況,存在優(yōu)、良、差3類“甜點(diǎn)”區(qū)域,展現(xiàn)了頁(yè)巖工程品質(zhì)的差異性。

3.3 地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”綜合評(píng)價(jià)

綜合分析頁(yè)巖儲(chǔ)層的有利沉積相帶、構(gòu)造、埋深、巖性、物性、脆性、生烴能力、含氣量、裂縫、孔隙流體壓力和地應(yīng)力差異等“甜點(diǎn)”要素,可實(shí)現(xiàn)四川盆地深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”的綜合評(píng)價(jià)。結(jié)合圖3和圖5所示的儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”分布特征,通過(guò)不同區(qū)域的儲(chǔ)層富氣與工程品質(zhì)的綜合分析,逐級(jí)劃分出了Ⅰ 類、Ⅱ類和Ⅲ類有利開發(fā)區(qū)域,其中,Ⅰ 類“甜點(diǎn)”為最有利的頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域,Ⅱ類次之,Ⅲ類最差。圖6為四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部“甜點(diǎn)”綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖5 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部頁(yè)巖工程“甜點(diǎn)”分布情況

圖6 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組底部“甜點(diǎn)”綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 深層頁(yè)巖氣鉆井工程地球物理輔助設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)支撐

鉆井工程是深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié),井網(wǎng)部署井軌道設(shè)計(jì)的科學(xué)性直接影響資源動(dòng)用能力和頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能。因此,需要綜合利用地質(zhì)、地球物理、工程等多學(xué)科的研究成果,在地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,優(yōu)選鉆井靶窗、優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)、優(yōu)化水平井跟蹤控制方案,確保水平井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆遇率。

4.1 地質(zhì)、地球物理、工程一體化水平井軌道設(shè)計(jì)

科學(xué)合理水平井軌道設(shè)計(jì)是深層頁(yè)巖氣高產(chǎn)的前提,要保證優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆遇率和提高壓裂改造效果,就需要提升目標(biāo)靶窗選擇評(píng)價(jià)、水平方位優(yōu)選、水平井軌道優(yōu)化等地質(zhì)、地球物理和工程等多學(xué)科的一體化水平。首先依據(jù)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性、物性、TOC含量、含氣量、孔隙流體壓力等地質(zhì)“甜點(diǎn)”要素,優(yōu)選出水平井靶窗位置;然后依據(jù)脆性、地應(yīng)力、裂縫等工程“甜點(diǎn)”要素,再優(yōu)選水平井軌道方向;最后根據(jù)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的靶點(diǎn)、控制點(diǎn)深度等數(shù)據(jù)和鉆井工程目標(biāo),實(shí)現(xiàn)水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖7顯示了為四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)23井平臺(tái)鉆井軌道設(shè)計(jì)效果,23-1HF至23-6HF為6口水平井,Ⅰ類和Ⅱ類“甜點(diǎn)”所在的位置為頁(yè)巖氣開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)。

圖7 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)威頁(yè)23井平臺(tái)鉆井軌道設(shè)計(jì)

4.2 地質(zhì)、地球物理、工程一體化水平井跟蹤與動(dòng)態(tài)調(diào)整

四川盆地深層頁(yè)巖氣水平井的跟蹤、井軌跡動(dòng)態(tài)控制與調(diào)整,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,包括鉆前預(yù)測(cè)、正鉆跟蹤和鉆后評(píng)估3個(gè)階段,需要做好地質(zhì)、地球物理和工程等多門學(xué)科的一體化工作。在水平井施工前,設(shè)置3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,造斜段控制的目的是確保精確著陸中靶,水平段控制的目的是確保優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆遇率。在水平井鉆井過(guò)程中,利用隨鉆、方位GR、元素錄井及其它跟蹤信息,及時(shí)修正地質(zhì)模型、優(yōu)化速度模型、校正深度偏移剖面(圖8),提高地層產(chǎn)狀、微幅構(gòu)造和小斷層解釋精度結(jié)合鉆井軌跡動(dòng)態(tài)特征,實(shí)時(shí)提出調(diào)整建議。

4.3 基于地球物理信息的壓裂數(shù)值模擬分析

頁(yè)巖氣是“人工氣藏”,壓裂改造是深層頁(yè)巖氣開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),壓裂改造十分重要,并且儲(chǔ)層壓裂的實(shí)施效果對(duì)天然氣產(chǎn)能具有決定性作用。在壓裂施工前,根據(jù)測(cè)井、地震、地質(zhì)等信息建立深層頁(yè)巖天然裂縫數(shù)值模型[22-23],基于彈性斷裂力學(xué)理論及應(yīng)力差、脆性、厚度等巖石力學(xué)條件,利用多級(jí)人工壓裂數(shù)值模擬方法,得到人造裂縫與天然裂縫之間相互作用的壓裂模擬結(jié)果,分析裂縫網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育方向、長(zhǎng)度、寬度、高度、連接與導(dǎo)通性等幫助優(yōu)化水平井軌道、優(yōu)化壓裂分段分簇、估算壓裂改造體積和儲(chǔ)量動(dòng)用情況,并預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣產(chǎn)能。圖9顯示了四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)WY23-HF1井壓裂數(shù)值模擬結(jié)果與微地震實(shí)際監(jiān)測(cè)壓裂效果,可見二者具有良好的一致性。

圖8 四川盆地永川地區(qū)YY3-1HF井校正前(a)、后(b)的深度偏移剖面

圖9 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)WY23-HF1井壓裂改造數(shù)值模擬結(jié)果(a)和微地震實(shí)際監(jiān)測(cè)壓裂效果(b)

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

四川盆地深層頁(yè)巖氣資源豐富,但優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層因整體埋藏深、厚度較薄、脆性較差、應(yīng)力分布不均勻、壓力系數(shù)高、各向異性與非均質(zhì)性較強(qiáng),故勘探開發(fā)難度大。本文以大偏移距、寬方位、高覆蓋次數(shù)、小面元的三維地震資料為基礎(chǔ),結(jié)合巖石物理、測(cè)井、地質(zhì)等綜合信息,有效解決了假微幅構(gòu)造、小斷層的識(shí)別與校正、TOC含量、含氣量、地應(yīng)力、各向異性、脆性和微裂縫預(yù)測(cè)難題,實(shí)現(xiàn)了深層頁(yè)巖氣地質(zhì)與工程“甜點(diǎn)”區(qū)域評(píng)價(jià)優(yōu)選,為井網(wǎng)部署、井軌道輔助設(shè)計(jì)與控制、壓裂改造施工等優(yōu)化方案提供關(guān)鍵參數(shù),保證了水平井在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率和壓裂改造效果,最終實(shí)現(xiàn)了四川盆地深層頁(yè)巖氣的高質(zhì)量勘探和效益開發(fā),可為其它地區(qū)的深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供參考。

致謝:在本文撰寫過(guò)程中,得到了中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司的馬昭軍、李曙光、范宏娟、王鵬、張聰玲、魏力民、王同等頁(yè)巖氣攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員的重要幫助,特此致謝。