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%的頁巖氣資源埋藏深度超過3500m,屬于深層超深層頁巖氣(埋藏深度分別為3500～4500m、大于4500m),面臨著來自勘探開發(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) 深層頁巖氣勘探開發(fā)程度低,針對(duì)深層頁巖儲(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巖儲(chǔ)層地質(zhì)與地球物理特征,利用頁巖儲(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—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層以含放射蟲炭質(zhì)筆石頁巖、含骨針碳質(zhì)筆石頁巖、含鈣硅質(zhì)頁巖、含碳筆石頁巖為主,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 白云石溶蝕無機(jī)孔隙; e 長(zhǎng)石溶蝕無機(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 深層頁巖儲(chǔ)層巖石物理敏感參數(shù)分析

四川盆地深層頁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,以獲得頁巖物理屬性的敏感參數(shù),建立優(yōu)質(zhì)頁巖的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)深層頁巖的敏感性不同。

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

由于頁巖氣賦存方式和儲(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)不能滿足頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的需求。在四川盆地深層頁巖儲(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巖儲(chǔ)層的TOC含量。

3.1.3 儲(chǔ)層含氣量預(yù)測(cè)

深層頁巖儲(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、頁巖厚度、孔隙流體壓力、保存條件等。通過提取地震頻變屬性、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)

深層頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明,頁巖氣的產(chǎn)量與孔隙流體壓力呈正相關(guān)。通常,高產(chǎn)井的頁巖儲(chǔ)層均存在異常高壓,低產(chǎn)井和微含氣井的頁巖儲(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),四川盆地及周緣頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)時(shí),如果壓力系數(shù)大于1.2,則頁巖氣保存條件好?？梢?孔隙流體壓力預(yù)測(cè)在深層頁巖氣勘探開發(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)

四川盆地深層頁巖儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育程度,與頁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程。頁巖儲(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 深層頁巖脆性預(yù)測(cè)

頁巖的脆性(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)是深層頁巖氣高產(chǎn)的前提,要保證優(yōu)質(zhì)頁巖儲(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)頁巖儲(chǔ)層鉆遇率。在水平井鉆井過程中,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

頁巖氣是“人工氣藏”,壓裂改造是深層頁巖氣開發(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

四川盆地深層頁巖氣資源豐富,但優(yōu)質(zhì)頁巖儲(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)的深層頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

致謝:在本文撰寫過程中,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、王同等頁巖氣攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員的重要幫助,特此致謝。