車世琦

(中國石化油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

隨著世界能源問題的進(jìn)一步凸顯，我國在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重心逐漸向非常規(guī)能源轉(zhuǎn)移，其中頁巖氣是非常規(guī)能源的重要組成之一[1]，也是目前國內(nèi)外所關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。在多旋回的構(gòu)造與沉積演化過程中，我國各大含油氣盆地相繼發(fā)育了海相、陸相和過渡相多套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，頁巖氣資源十分豐富，開發(fā)價值巨大[4-8]。

作為國內(nèi)首個實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田，四川盆地涪陵頁巖氣田的成功開發(fā)標(biāo)志著我國頁巖氣勘探的突破性進(jìn)展。繼2015年底一期焦石壩區(qū)塊順利完成50×108m3產(chǎn)能建設(shè)后，目前正全力投入到平橋、江東等二期區(qū)塊的產(chǎn)能建設(shè)中；然而，平橋區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，局部構(gòu)造差異較大，巖性縱向變化快，與涪陵氣田一期焦石壩區(qū)塊相比，儲層差異性更大、埋藏更深，增加了儲層壓裂改造的難度。截至2020年底，平橋區(qū)塊已試氣15口水平井，單井試氣產(chǎn)能為9.65×104～45.21×104m3/d。該區(qū)域主要存在試氣效果差異性大且影響因素不清等一系列問題，因此，急需建立一套適用于涪陵平橋區(qū)塊頁巖氣井復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)綜合評價技術(shù)，旨在明確平橋區(qū)塊氣井產(chǎn)能地質(zhì)主控因素及有效評價參數(shù)，為平橋區(qū)塊頁巖氣的高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

平橋區(qū)塊位于涪陵頁巖氣田西南部，地處川東南高陡褶皺帶平橋斷背斜，該區(qū)先后經(jīng)歷了加里東運(yùn)動、海西運(yùn)動、印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動、喜山運(yùn)動等幾次大的構(gòu)造運(yùn)動，其中，早白堊世末期的晚燕山運(yùn)動對該區(qū)構(gòu)造影響最大，區(qū)域上整體呈現(xiàn)“東陡西緩”的狹長斷背斜形態(tài)，剖面上受各構(gòu)造層巖石軟硬間互的影響，各構(gòu)造層變形程度存在差異，從而造成了上、中、下構(gòu)造的不同。研究區(qū)發(fā)育多條邊界斷裂和次級斷裂，其中平橋西斷層為平橋區(qū)塊的主控斷層，主要形成期為燕山運(yùn)動早期。該區(qū)沉積地層發(fā)育較為齊全，整個含氣頁巖段屬深水陸棚沉積環(huán)境，與焦石壩區(qū)塊沉積特征基本相同，但五峰組頂部的觀音橋段發(fā)育存在差異，研究區(qū)觀音橋段普遍缺失。

綜合巖性、電性特征，平橋區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖自下而上劃分為9個小層，頁巖平均厚度為110.5 m，整體比焦石壩區(qū)塊略厚，但主力頁巖氣層③小層地層厚度和焦石壩區(qū)塊基本相當(dāng)，平均為9.0～12.0 m，勘探開發(fā)潛力良好；平橋區(qū)塊東翼受強(qiáng)壓實(shí)作用影響，頁巖厚度僅90.0 m左右，主力頁巖氣層③小層僅7.5 m，略薄于焦石壩區(qū)塊。

2 地質(zhì)主控因素

2.1 埋藏深度

涪陵地區(qū)地表屬于低山、丘陵、河流地貌，高低不平。實(shí)鉆資料表明，平橋區(qū)塊五峰組地層埋藏深度為2 600～4 200 m，其中礦權(quán)范圍內(nèi)埋深3 500 m以淺占60%，從試氣效果來看，平橋區(qū)塊深度大于3 500 m的頁巖氣井產(chǎn)能明顯較低。前人研究認(rèn)為，深度的增加會導(dǎo)致頁巖由脆性向塑性轉(zhuǎn)變[9]，不利于壓裂改造；但目前平橋區(qū)塊深度大于3 500 m的頁巖氣井產(chǎn)能低的原因除了受頁巖巖石物理性質(zhì)轉(zhuǎn)變影響外，絕大程度上可能受限于目前工程工藝條件。

2.2 斷裂

水平井周邊斷裂發(fā)育程度的差異會對壓裂效果造成明顯影響[10]，平橋區(qū)塊試氣產(chǎn)量偏低井主要集中在中部和深層，其中，深層氣井產(chǎn)量偏低的主要原因是深度較大，其后期壓裂改造難度大，需要工藝技術(shù)進(jìn)一步突破，而背斜核部氣井產(chǎn)量偏低的原因主要受區(qū)域斷裂的影響，保存條件較差。

首先從地震剖面上來看(圖1)，平橋西斷層為一條大型滑脫斷層，背斜中部斷距達(dá)1 000 m，南區(qū)最小，南北部地層變形強(qiáng)度相對較弱，中部地層變形強(qiáng)度較大，認(rèn)為平橋西斷層對平橋背斜中部的破壞作用相對較強(qiáng)。其次，中區(qū)發(fā)育典型的雙層滑脫逆沖構(gòu)造變形，而北區(qū)、南區(qū)滑脫逆沖構(gòu)造變形發(fā)育程度明顯減弱，中淺層發(fā)育的通天逆沖斷層在中區(qū)目的層及上覆地層中滑脫消失，但其派生的次級斷層、高角度裂縫發(fā)育，上下溝通，成為逸散通道，造成中區(qū)保存條件變差，同時，從實(shí)際試氣效果來看，中區(qū)頁巖氣井產(chǎn)能均低于預(yù)期。

由此證實(shí)，斷裂發(fā)育程度對頁巖氣的保存有著明顯影響，因此，斷裂發(fā)育程度是影響平橋區(qū)塊頁巖氣井產(chǎn)能的主控因素之一。

2.3 曲率

平橋區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能受斷裂發(fā)育程度的影響較大，在此認(rèn)識基礎(chǔ)上，通過對曲率概念的進(jìn)一步細(xì)化和量化，進(jìn)而開展斷裂對頁巖氣井的影響研究。目前，主要通過曲率屬性對頁巖儲層裂縫發(fā)育情況進(jìn)行表征[11-14]，利用曲率預(yù)測裂縫的原理為：在應(yīng)力作用下，巖層發(fā)生彎曲變形，彎曲程度大的部位為應(yīng)力較集中處，對于易破裂的脆性巖層，應(yīng)力集中處微裂縫發(fā)育。因此，曲率的大小能夠反映巖層構(gòu)造微裂縫相對發(fā)育程度和分布特征，曲率越大，裂縫相對越發(fā)育。針對平橋區(qū)塊的地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合CRP道集的高精度曲率屬性特征，對平橋區(qū)塊裂縫的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，大裂縫在靠近平橋斷層處最為發(fā)育，背斜主體區(qū)欠發(fā)育；按裂縫分布特征和曲率值強(qiáng)度，將其劃為5個區(qū)帶：①平橋西翼裂縫發(fā)育區(qū)，基本位于斷裂帶上，靠近平橋西斷層處曲率較高，高曲率分布密集；②平橋東翼裂縫發(fā)育區(qū)，基本位于斷裂帶上，靠近平橋東1號斷層處曲率較高，高曲率分布密集；③平橋北部地層破碎區(qū)，地層破碎，地震同相軸連續(xù)性較差，曲率高，無明顯方向性；④中部大裂縫欠發(fā)育區(qū)，背斜主體區(qū)，中部發(fā)育一條褶皺條帶，裂縫整體不發(fā)育；⑤平橋東翼裂縫中等發(fā)育區(qū)，位于平橋東1號斷層、東2號斷層中間區(qū)域，靠近斷層處曲率較高，裂縫中等發(fā)育(圖2)。

圖2 平橋區(qū)塊主力頁巖氣層曲率屬性

2.4 地層傾角

平橋區(qū)塊為受平橋西斷層與平橋東2號斷層夾持的北東走向狹長的斷背斜構(gòu)造，北窄南寬，構(gòu)造兩翼地層較陡。受構(gòu)造運(yùn)動的影響，巖層的產(chǎn)狀發(fā)生變化，同時不同傾角巖層的應(yīng)力狀態(tài)與裂縫特征亦會發(fā)生變化。地層傾角變大時，頁巖中容易形成大量順層滑脫縫，裂縫較平直，延伸范圍大，壓裂改造時極易成為壓裂液逸失通道，影響壓裂造縫效果。

當(dāng)?shù)貙哟嬖谝欢▋A角時[15]，上覆巖層壓力可分解為垂向應(yīng)力和切應(yīng)力，降低了垂向應(yīng)力對地層壓實(shí)作用的影響，地應(yīng)力隨著地層傾角的增大而減小，增大了巖層的各向異性，隨著傾角的增大，水平最大主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的差值增加，復(fù)雜縫網(wǎng)形成難度增大，從而影響壓裂改造效果。因此，對于傾角較大的地層，不能忽略其對壓裂效果的影響。平橋區(qū)塊地層傾角與產(chǎn)量之間存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著地層傾角的增大，產(chǎn)量逐漸減小，進(jìn)一步證實(shí)了地層傾角對產(chǎn)量的影響較大。

2.5 全烴校正值

氣測全烴值是頁巖含氣性的重要評價指標(biāo)之一，可定性表征頁巖含氣量的高低[16-17]。全烴值是頁巖氣層中進(jìn)入鉆井液的烴類氣體的總和，主要由鉆遇破碎的頁巖所產(chǎn)生的氣體計算得來，而該類型氣體受鉆井參數(shù)、鉆井液性能和脫氣效率等因素的影響非常大[18-20]，現(xiàn)場錄井中，往往出現(xiàn)氣測值很高但試氣產(chǎn)量卻較低，或氣測值不高但試氣產(chǎn)量卻較高的情況。因此，通過分析氣測錄井的相關(guān)影響因素，并利用已鉆井的相關(guān)數(shù)據(jù)，對主力頁巖氣層③小層，全烴值進(jìn)行進(jìn)一步校正，通過統(tǒng)計分析并擬合，近似得到以下關(guān)系:

式中：Q為全烴值，%；Q校正為全烴校正值，無量綱；t為鉆時，min；ρ為泥漿密度，g/cm3。從而得到全烴校正值和產(chǎn)量、全烴含量和產(chǎn)量的關(guān)系(圖3)，全烴校正值與產(chǎn)能的相關(guān)性更強(qiáng)，說明全烴校正值可以代替全烴值更好地表征區(qū)域內(nèi)同層之間的產(chǎn)能差異。

圖3 平橋區(qū)塊頁巖氣井測試產(chǎn)量與③小層全烴校正值、全烴值關(guān)系

③小層全烴校正值平面圖(圖4)表明：平橋區(qū)塊中部和北部存在兩個高值區(qū)，平橋D井井區(qū)以南全烴校正值整體高于平橋D井以北。平橋D井以南整體全烴校正值較高，主要因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆谄綐虮承焙瞬?，背斜高部位和近斷層部位小尺度高角度裂縫較為發(fā)育，為游離氣的運(yùn)移和儲集提供了良好的條件，因此在鉆井過程中具有較好的氣測顯示。

圖4 平橋區(qū)塊頁巖氣井③小層全烴校正值平面分布

2.6 電阻率

一般含油氣儲層電阻率顯示為高值，而在頁巖儲層研究過程中發(fā)現(xiàn)，頁巖儲層電阻率受黏土含量、過成熟有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦含量、地層水礦化度和微裂縫發(fā)育等多方面因素的影響，相較于常規(guī)沉積巖儲層具有電阻率異常偏低的特征[21-23]，因此，利用電阻率參數(shù)評價頁巖儲層含氣性的過程中需要充分考慮頁巖儲層的地質(zhì)特征和頁巖氣的賦存狀態(tài)。

根據(jù)實(shí)際鉆探資料在平橋區(qū)塊開展電阻率對產(chǎn)能影響的相關(guān)研究，主力頁巖氣層③小層的電阻率參數(shù)與平橋區(qū)塊產(chǎn)能呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時電阻率在平面上存在明顯的分區(qū)性，平橋D井以南的背斜核部區(qū)域，屬于高電阻率區(qū)；平橋D井以北的背斜傾沒端屬于中-低電阻率區(qū)(圖5)。高電阻率區(qū)表明頁巖儲層中游離氣含量較高，導(dǎo)致電阻率增大，而儲層中的頁巖氣主要有游離氣和吸附氣兩種賦存狀態(tài)[7-8]，其中以吸附氣為主，如果頁巖儲層中游離氣含量較高，則相應(yīng)的吸附氣含量明顯降低，表現(xiàn)為明顯的高電阻率，而儲層中的游離氣在保存條件不利的情況下極易散失，進(jìn)而導(dǎo)致頁巖氣井產(chǎn)能較低。平橋D井以南的背斜核部發(fā)育大量高角度裂縫，為游離的頁巖氣提供了儲集空間，但相對也為頁巖氣的逸失提供了通道，因此，頁巖氣保存條件變差，氣井產(chǎn)能較低。

圖5 平橋區(qū)塊頁巖氣井③小層電阻率平面分布

綜合各種因素考慮得出，平橋區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的電阻率值整體呈中低值，電阻率與氣井產(chǎn)能呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)較為合理，電阻率參數(shù)可間接反映頁巖氣儲層的含氣性，進(jìn)而有效評價氣井產(chǎn)能。

3 壓裂前地質(zhì)綜合分區(qū)

綜合以上分析，平橋區(qū)塊主力頁巖氣層③小層全烴校正值和區(qū)塊內(nèi)頁巖氣井的產(chǎn)量相關(guān)性最好，在建立頁巖氣井產(chǎn)能評價體系時，應(yīng)優(yōu)先考慮全烴校正值，該指標(biāo)對頁巖氣井的含氣性有較好的指示作用；在分析含氣性的同時，要綜合考慮保存條件的差異，而保存條件主要受斷裂控制，因此，頁巖氣井周邊斷裂的發(fā)育程度，對氣井的產(chǎn)量同樣起控制作用，總體上，斷裂發(fā)育程度和全烴校正值兩項(xiàng)指標(biāo)為頁巖氣井產(chǎn)能差異的主控因素。

綜合考慮，壓裂前地質(zhì)因素包括：埋藏深度、曲率特征、地層傾角、構(gòu)造形態(tài)、斷裂特征、全烴校正值和電阻率等，根據(jù)其影響程度分成主要指標(biāo)和次要指標(biāo)，建立平橋區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 平橋區(qū)塊氣井產(chǎn)能評價指標(biāo)體系

Ⅰ類區(qū)：主要位于平橋東1號斷層和西斷層傾沒端，埋深相對兩翼較淺，為3 000～3 500 m，曲率非均質(zhì)性弱，地層傾角為15°～20°，全烴校正值大于12，電阻率為50～100 Ω·m，易于壓裂改造(圖6)。

Ⅱ類區(qū)：位于平橋東1號斷層和西斷層夾持的背斜中部區(qū)域，埋深3 000 m以淺，壓裂改造相對較容易；中部發(fā)育一條褶皺條帶，鄰近區(qū)域曲率非均質(zhì)性較強(qiáng)，不利于壓裂改造；同時，背斜中部縱向上受滑脫逆沖構(gòu)造變形影響，近斷裂區(qū)裂縫發(fā)育，在壓裂改造過程中，容易發(fā)生濾失，導(dǎo)致加砂困難；地層傾角主要為10°～25°，全烴校正值為6～12，電阻率一般大于100 Ω·m(圖6)。

Ⅲ類區(qū)：位于平橋區(qū)塊平橋東1號斷層以東3 500 m以淺區(qū)域，斷裂發(fā)育，斷裂周邊曲率較發(fā)育，且非均質(zhì)性較強(qiáng)，鉆井過程中容易發(fā)生漏失，同時，地層傾角一般大于30°，導(dǎo)致壓裂改造過程中不利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，全烴校正值大于12，電阻率為50～100 Ω·m，由于其靠近斷層，存在一定的漏失風(fēng)險，同時，該區(qū)塊地層傾角過大，不利于后期壓裂改造(圖6)。

Ⅳ類區(qū)：位于平橋區(qū)塊平橋東1號斷層以東3 500 m以深區(qū)域，曲率中等發(fā)育，但埋深較大，壓裂施工難度較高，同時，由于其埋深變化迅速，不利于水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)，鉆井難度同樣較大，所以將該區(qū)劃分為Ⅳ類區(qū)塊(圖6)。

圖6 平橋區(qū)塊地質(zhì)綜合評價分區(qū)

4 應(yīng)用效果

基于前期的研究結(jié)果，在平橋區(qū)塊Ⅰ類區(qū)和Ⅱ類區(qū)分別論證部署了平橋A-6井和平橋B-1井，其中位于Ⅰ類區(qū)的平橋A-6井水平段③小層電阻率為55.22 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為14.59，曲率值較低，埋深2 800 m左右，試氣產(chǎn)量達(dá)25.2×104m3/d，目前穩(wěn)產(chǎn)6×104m3/d；位于Ⅱ類區(qū)的平橋B-1井，該井水平段③小層電阻率為101.36 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為10.05，曲率均勻但發(fā)育程度較低，埋深2 600 m左右，試氣產(chǎn)量為12.7×104m3/d，目前穩(wěn)產(chǎn)3×104m3/d。

為進(jìn)一步探究深層頁巖氣開發(fā)潛力，在Ⅳ類區(qū)部署了平橋D-2井，該井水平段③小層電阻率為45.72 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為5.76，曲率值低，埋深3 960 m左右，試氣產(chǎn)量為3×104m3/d。

目前平橋區(qū)塊一系列探井的鉆探效果表明，在平橋區(qū)塊該評價體系的應(yīng)用效果較好，有利于頁巖氣井的優(yōu)化部署，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時，該評價體系在平橋區(qū)塊相鄰的白馬區(qū)塊，也開展了應(yīng)用和推廣，部署在Ⅰ類和Ⅱ類區(qū)的頁巖氣井試氣效果較好，為白馬區(qū)塊下步提交千億方探明儲量夯實(shí)了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)涪陵頁巖氣田復(fù)雜構(gòu)造區(qū)氣井產(chǎn)能受多因素影響，埋藏深度、曲率、地層傾角、斷裂特征、全烴校正值以及電阻率這6個因素與頁巖氣井產(chǎn)量均具備較好的相關(guān)性，其中，斷裂發(fā)育特征和全烴校正值是影響頁巖氣產(chǎn)量的主控因素。

(2)基于目前涪陵頁巖氣田平橋區(qū)塊氣井開發(fā)實(shí)踐，綜合頁巖氣井產(chǎn)能主控因素，建立涪陵頁巖氣田復(fù)雜構(gòu)造帶地質(zhì)綜合評價體系，優(yōu)選出位于平橋區(qū)塊平橋東1號斷層和西斷層夾持的北部及南部斷裂傾沒端，埋深相比兩翼較淺的3 000～3500 m區(qū)域?yàn)樽顑?yōu)開發(fā)區(qū)，位于平橋東1號斷層和西斷層夾持的背斜核部區(qū)域，埋深3 500 m以淺區(qū)域和位于平橋區(qū)塊平橋東1號斷層以東3 500 m以淺區(qū)域次之。