胡 浩，趙文韜，張愛(ài)華，凡田友，郭富鳳，鄒 翔，劉文磊，陳 怡

（中國(guó)石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000）

頁(yè)巖氣作為一種新型非常規(guī)清潔能源備受全球關(guān)注。繼在北美成功獲得效益開發(fā)之后，頁(yè)巖氣被列為中國(guó)“十三五”規(guī)劃非常規(guī)天然氣開發(fā)的突破重點(diǎn)［1-4］。中國(guó)頁(yè)巖氣已經(jīng)逐步走上大規(guī)模效益開發(fā)之路，中國(guó)石油在川南地區(qū)建成國(guó)內(nèi)最大頁(yè)巖氣生產(chǎn)基地，頁(yè)巖氣有望成為中國(guó)天然氣核心增長(zhǎng)點(diǎn)。

當(dāng)前中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)主要集中在四川盆地的涪陵、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等地區(qū)的五峰組—龍馬溪組［5-6］。目前針對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖氣主要圍繞優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括從頁(yè)巖的含氣性、儲(chǔ)集性、脆性等方面詳細(xì)闡述優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段的儲(chǔ)層特征［7-8］，也有學(xué)者從地質(zhì)工程一體化的角度得出龍馬溪組的小層為最優(yōu)的甜點(diǎn)層［9-10］。張磊夫等開展頁(yè)巖儲(chǔ)層精細(xì)地質(zhì)建模，為頁(yè)巖氣甜點(diǎn)的定量化表征奠定基礎(chǔ)［11］。趙培榮通過(guò)精細(xì)結(jié)合地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程優(yōu)化，綜合優(yōu)選“地質(zhì)+工程”甜點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)施難度與試氣效果，確定水平井穿行最佳軌跡［12］。目前針對(duì)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和甜點(diǎn)預(yù)測(cè)開展了大量工作，但是針對(duì)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖甜點(diǎn)的層段級(jí)精細(xì)刻畫和水平井靶體的優(yōu)選缺乏研究，缺少?gòu)母吖栀|(zhì)頁(yè)巖段角度分析其對(duì)水平井靶體調(diào)整的影響，包括高硅質(zhì)頁(yè)巖段的劃分依據(jù)及靶體調(diào)整結(jié)果等。為此，筆者以四川盆地川南地區(qū)Z201 井區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為研究對(duì)象，綜合評(píng)價(jià)龍一1 1小層各儲(chǔ)層參數(shù)特征，進(jìn)而根據(jù)龍一1 1小層內(nèi)部縱向礦物組成元素含量變化趨勢(shì)，細(xì)化高硅質(zhì)頁(yè)巖段和中硅質(zhì)頁(yè)巖段的分段標(biāo)準(zhǔn)，定量評(píng)價(jià)高硅質(zhì)頁(yè)巖段的優(yōu)質(zhì)條件，以期為后期的水平井靶體選段提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

川南地區(qū)Z201 井區(qū)位于川中古隆平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)構(gòu)造西南部，主要分布于自貢市榮縣、內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣境內(nèi)。五峰組—龍馬溪組沉積早期，研究區(qū)以淺海陸棚相為主，整體處于水動(dòng)力較弱的低能沉積環(huán)境，沉積一套黑色、黑灰色泥頁(yè)巖。研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度為18～48 m（總有機(jī)碳含量大于2%），根據(jù)巖石學(xué)、沉積構(gòu)造、古生物和電性等特征，將五峰組—龍馬溪組含氣頁(yè)巖段（即五峰組—龍一段1 亞段）分為五峰組、和共5 個(gè)小層（圖1），從含氣性、儲(chǔ)集性等方面，優(yōu)選有利的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段。

圖1 川南地區(qū)Z201井區(qū)A井綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column of Well A in Z201 Area of southern Sichuan Basin

2 含氣頁(yè)巖段甜點(diǎn)層優(yōu)選

2.1 頁(yè)巖段儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

2.1.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)五峰組—龍一段巖性以黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖、黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、黑色頁(yè)巖、黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主（圖2），發(fā)育大量形態(tài)各異的筆石群，頁(yè)理發(fā)育，富含黃鐵礦結(jié)核及黃鐵礦充填水平縫，厚度為36～48 m。龍馬溪組底界面在地震剖面上表現(xiàn)為弱振幅、高連續(xù)波谷反射特征，區(qū)域上可連續(xù)進(jìn)行追蹤、對(duì)比。從研究區(qū)地層露頭和巖心描述結(jié)果來(lái)看，龍馬溪組下伏地層主要為含生屑碳質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育Hirnantia-Dalmanitina動(dòng)物群化石，可見大量腕足類和棘屑化石；龍馬溪組上覆地層為碳質(zhì)頁(yè)巖，筆石化石豐富，另見較多硅質(zhì)放射蟲及硅質(zhì)海綿骨針。

圖2 川南地區(qū)Z201井區(qū)A井礦物含量分布Fig.2 Mineral content distribution of Well A in Z201 Area of southern Sichuan Basin

2.1.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度的表征參數(shù)主要包括總有機(jī)碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”和總烴含量［13-16］。筆者主要采用總有機(jī)碳含量對(duì)五峰組—龍一段1亞段含氣頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)。統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)4口井181 塊巖心樣品，TOC值為2.0%～5.2%，平均為2.9%；其中，小層TOC值最高，一般分布于4.3%～5.4%，平均為5.1%；小層次之，TOC值為2.1%～3.7%，平均為2.7%；小層TOC值為2.5%～3.2%，平均為2.6%；小 層TOC值 為1.7%～2.2%，平均為2%。五峰組TOC值為1.1%～3.1%，平均為2.3%。

2.1.3 頁(yè)巖礦物組成

前人研究表明，石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽及黃鐵礦含量即脆性礦物含量越高，蒙脫石含量越低，在外力作用下更易于形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫［17-18］。研究區(qū)X 射線衍射分析結(jié)果表明，五峰組—龍一段整體脆性指數(shù)較高，且具有從下至上逐漸減小的變化特征。五峰組脆性礦物含量為53.2%～85.9%，平均為72.4%；小層脆性礦物含量為54.6%～75.0%，平均為66.6%；小層脆性礦物含量為55.2%～75.5%，平均為65.0%；小層脆性礦物含量為54.5%～73.8%，平均為62.1%；小層脆性礦物含量為42.8%～72%，平均為57.8%。

2.1.4 儲(chǔ)集空間特征

Z201 井區(qū)9 口已鉆井五峰組—龍一段1 亞段測(cè)井孔隙度分析結(jié)果表明，各小層孔隙度整體較高，單井實(shí)測(cè)平均值為4.7%～6.0%，測(cè)井解釋平均值為5.1%～6.8%?？傮w上，各小層孔隙度平均值均在4.0%以上，其中和小層孔隙度最高，其次為小層和五峰組。

威遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)育大量微孔隙，按其成因可分為粒間孔、晶內(nèi)溶孔、生物體腔孔、有機(jī)孔等。粒間孔的孔徑一般在幾十納米至幾微米之間（圖3a）。晶內(nèi)溶孔僅在研究層段較粗粒的方解石膠結(jié)物和白云石中有少量分布，對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能改造不明顯，孔徑主要為0.2～5 μm（圖3b）。頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)孔發(fā)育，孔徑介于5～200 nm，主體在150 nm 左右；其中微孔和小孔所占比例較大，對(duì)頁(yè)巖的比表面積和孔隙體積貢獻(xiàn)較大，為吸附態(tài)賦存天然氣的主要儲(chǔ)集空間；通過(guò)掃描電鏡觀察證實(shí)，有機(jī)孔在研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)主要呈分散狀、串珠狀或蜂窩狀分布。

圖3 川南地區(qū)Z201井區(qū)Z204井掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 SEM photos of Well Z204 in Z201 Area of southern Sichuan Basin

2.1.5 含氣量特征

頁(yè)巖含氣量是頁(yè)巖氣綜合評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Z201 井區(qū)測(cè)井資料顯示，測(cè)井解釋單井平均含氣量一般為1.0～5.6 m3/t，相對(duì)較高?？v向上，小層含氣量最高，測(cè)井解釋平均值為6.0 m3/t；其次為小層，測(cè)井解釋平均值為4.8 m3/t，龍小層測(cè)井解釋平均值為4.5 m3/t；五峰組和龍小層含氣量相對(duì)較低，測(cè)井解釋平均值分別為3.8和4.1 m3/t（表1）。

表1 Z201井區(qū)測(cè)井解釋單井平均含氣量統(tǒng)計(jì)Table1 Logging interpretation of average single-well gas content in Z201 Area m3/t

2.2 甜點(diǎn)層優(yōu)選

前人研究表明，主要通過(guò)地質(zhì)條件和工程條件2 個(gè)方面進(jìn)行含氣頁(yè)巖段甜點(diǎn)層的優(yōu)選，頁(yè)巖的TOC值直接影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度、吸附能力與含氣性［19-20］，可以指示有利的頁(yè)巖段甜點(diǎn)層。脆性礦物含量或脆性指數(shù)是反映儲(chǔ)層壓裂品質(zhì)的重要參數(shù)，楊氏模量、泊松比及最大、最小主應(yīng)力差，很大程度上決定頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂的難易程度和壓裂縫的形態(tài)［21］。

3 高硅質(zhì)頁(yè)巖段甜點(diǎn)層評(píng)價(jià)

截至2020 年底，Z201 井區(qū)水平井均以龍一1 1小層為目的層。在頁(yè)巖氣部署的第1批井中，均以鈣質(zhì)層作為靶體位置，但試氣效果沒(méi)有達(dá)到方案預(yù)期效果，平均單井日產(chǎn)氣量為7.6×104m3/d?；诤笃趯?duì)硅質(zhì)頁(yè)巖段的重新認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，最新的靶體位置確定為龍一1 1小層中下部的高硅質(zhì)頁(yè)巖段，通過(guò)下沉水平井靶體位置，大幅度提升了單井測(cè)試產(chǎn)氣量。

3.1 高硅質(zhì)頁(yè)巖段劃分

根據(jù)前人研究成果［24-26］，結(jié)合硅質(zhì)和鈣質(zhì)元素的縱向變化趨勢(shì)，可以將研究區(qū)小層自上而下進(jìn)行三段式劃分，分別為中硅低鈣段、低硅高鈣段和高硅低鈣段（圖4）。為進(jìn)一步明確這三段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)Z201井區(qū)4口井共56塊巖心樣品的元素錄井資料，依據(jù)硅-鈣元素交會(huì)圖（圖5）對(duì)三段進(jìn)行定量劃分。其中，高硅低鈣段的硅質(zhì)含量大于30%，鈣質(zhì)含量小于10%；中硅低鈣段的硅質(zhì)含量為20%～30%，鈣質(zhì)含量小于7%；低硅高鈣段的硅質(zhì)含量小于20%，鈣質(zhì)含量為10%～15%。

圖4 Z201井龍一11小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段元素特征Fig.4 Element characteristics of high-silica shale section in Long11 sublayer of Well Z201

圖5 Z201井龍一1 1小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段硅-鈣元素交會(huì)圖Fig.5 Classification standard of high-silica shale section in Long11 sublayer of Well Z201

3.2 高硅質(zhì)頁(yè)巖段綜合評(píng)價(jià)

由表2 可知，高硅低鈣段的總有機(jī)碳含量平均為6.2%～8.0%，對(duì)應(yīng)含氣量為4.7～9.3 m3/t，孔隙度為5.7%～7.0%，脆性礦物含量為0.71～0.78。除孔隙度存在一定程度的均衡，高硅低鈣段對(duì)應(yīng)的總有機(jī)碳含量、脆性礦物含量和含氣量都明顯優(yōu)于低硅高鈣段，這也表明富含有機(jī)碳的高硅質(zhì)頁(yè)巖段可以增加頁(yè)巖的脆性指數(shù)，提高靶體層段的抗壓性，有利于后期的壓裂改造，進(jìn)而提高頁(yè)巖段含氣性。

表2 Z201井區(qū)高硅低鈣段和低硅高鈣段頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比Table2 Evaluation parameter comparison of shale gas in high-silica low-calcium section and low-silica high-calcium section in Z201 Area

3.3 高硅質(zhì)頁(yè)巖段規(guī)模評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步明確高硅質(zhì)頁(yè)巖段分布規(guī)模，為下步頁(yè)巖氣部署指明方向，筆者基于前人對(duì)小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段分布規(guī)模的認(rèn)識(shí)［27］，結(jié)合研究區(qū)單井高硅質(zhì)頁(yè)巖段垂向厚度變化，繪制小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段厚度分布連井剖面（圖6），可以看出研究區(qū)高硅質(zhì)頁(yè)巖段厚度為0.4～2.4 m，平均約為1.2 m，整體呈現(xiàn)出由南向北逐漸增厚的趨勢(shì)。厚度中心位于Z203 井，達(dá)到2.4 m。下步研究區(qū)頁(yè)巖水平井部署，水平井靶體井軌跡方向可以向北部的高硅質(zhì)頁(yè)巖段富集區(qū)實(shí)施。

圖6 過(guò)Z204—Z211井高硅質(zhì)頁(yè)巖段厚度分布連井剖面Fig.6 Cross-well profile of thickness distribution of high-silica shale section passing through Well Z204-Well Z211

4 靶體優(yōu)選及實(shí)施效果

4.1 靶體由高鈣質(zhì)頁(yè)巖段下沉至高硅質(zhì)頁(yè)巖段

針對(duì)研究區(qū)部署的第1批頁(yè)巖氣水平井靶體位置鎖定在距離五峰組頂界5 m 的位置，測(cè)井曲線呈高鈣低硅的特征，對(duì)應(yīng)上述的低硅高鈣層（圖7）。隨著研究區(qū)鉆探程度的不斷深入，經(jīng)過(guò)對(duì)五峰組—龍一段1 亞段地質(zhì)條件的重新認(rèn)識(shí)，龍一1 1小層下部高硅質(zhì)頁(yè)巖段總有機(jī)碳含量高、脆性礦物含量高，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)更有利，易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。因此經(jīng)過(guò)靶體位置的重新調(diào)整，精細(xì)鎖定龍一1 1小層中下部的高硅質(zhì)頁(yè)巖段，明確高硅低鈣段為優(yōu)中選優(yōu)的“最甜點(diǎn)”。最終確定該區(qū)頁(yè)巖氣最優(yōu)靶體位置為五峰組頂界以上1 m（圖7）。

圖7 Z201井區(qū)水平井靶體位置調(diào)整對(duì)比Fig.7 Target position adjustment of horizontal wells in Z201 Area

4.2 高硅質(zhì)頁(yè)巖段對(duì)應(yīng)的鉆遇率提升

為了對(duì)比分析頁(yè)巖氣水平井靶體位置調(diào)整前后儲(chǔ)層鉆遇情況和試氣效果的差異，分別統(tǒng)計(jì)原靶體和新靶體的鉆探情況。Z201等4口井是針對(duì)原靶體低硅高鈣段部署的，Z201H56-1 等5 口井是針對(duì)新靶體高硅低鈣段部署的，通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比每口井的高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇長(zhǎng)度（圖8）可以看出，針對(duì)原靶體位置部署井的高硅質(zhì)頁(yè)巖段的鉆遇長(zhǎng)度平均為239 m，鉆遇率僅為17.3%，水平井靶體位置調(diào)整后，高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇率得到了很大提升，鉆遇長(zhǎng)度增至平均為1 288 m，鉆遇率增至73.1%，充分說(shuō)明靶體位置的調(diào)整可以帶來(lái)高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇長(zhǎng)度的增加，為后期的產(chǎn)量提升打下了基礎(chǔ)。

圖8 Z201井區(qū)單井高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig.8 Single-well drilling length of high-silica shale section in Z201 Area

4.3 高硅質(zhì)頁(yè)巖段對(duì)應(yīng)的測(cè)試產(chǎn)量提升

水平井靶體的下沉調(diào)整不僅使高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇長(zhǎng)度增加，更重要的是試氣產(chǎn)量得到大幅度提升，以研究區(qū)Z201H2-4 和Z201H2-5 井為例。Z201H2-4 井的目的層主要為小層，其中小層的鉆遇率為53%，小層的高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇率僅為20%。Z201H2-5 井的目的層主要為小層中下部的高硅質(zhì)頁(yè)巖段，水平井靶體位置距離五峰組頂界約為1 m；該井小層的鉆遇率為100%，小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段的鉆遇率為80%。針對(duì)這2 口井同時(shí)進(jìn)行施工壓裂，且壓裂施工參數(shù)接近。Z201H2-4 井采用8 mm 油嘴測(cè)試，平均壓力為24.38 MPa，日產(chǎn)氣量為7.64×104m3/d；Z201H2-5 井采用11 mm 油嘴測(cè)試，平均壓力為23.75 MPa，日產(chǎn)氣量為20.01×104m3/d，為Z201井區(qū)最高日產(chǎn)氣量，為同平臺(tái)其他井測(cè)試日產(chǎn)氣量的2.6倍（表3）。

由表3可以看出，這2口井水平井段的龍一1 1小層高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇長(zhǎng)度接近，壓裂施工參數(shù)也比較接近。由于高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇率的不同，2 口井的測(cè)試日產(chǎn)氣量具有較大差異，充分印證了高硅質(zhì)頁(yè)巖段鉆遇率與測(cè)試日產(chǎn)氣量呈正相關(guān)關(guān)系。

表3 Z201H2-4和Z201H2-5井參數(shù)對(duì)比Table3 Parameter comparison between Well Z201H2-4 and Well Z201H2-5

5 結(jié)論