殷 黎 明

(中國石團(tuán)長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

川西南地區(qū)上奧陶系五峰組和下志留系龍馬溪組黑色頁巖，作為中國古生界海相頁巖的代表，具有熱成熟度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、含氣性好的特征，是中國南方頁巖氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)層位，目前已經(jīng)建立了威遠(yuǎn)、昭通、長寧、礁石壩等多個國家級頁巖氣示范區(qū)[1-3]，實(shí)現(xiàn)了我國頁巖氣的地質(zhì)工程一體化開發(fā)。

四川盆地處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺偏西北一側(cè)，包括川東南坳褶區(qū)、川中隆起區(qū)和川西北坳陷區(qū)[4]。威遠(yuǎn)構(gòu)造位于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶。Z 207井區(qū)位于其東南部，構(gòu)造整體上呈北東向展布大背斜，北翼緩南翼陡，呈一隆三凹構(gòu)造格局。該工區(qū)西北部、東北部地層傾角較小，一般在1°～5°之間，東南部地層傾角較大，在5°～30°之間，埋深一般大于3 500 m。工區(qū)東南部發(fā)育多條北東走向逆斷層，延伸長度2～18 km，斷距20～200 m，可能對頁巖氣保存條件影響較大。構(gòu)造方面的原因?qū)е聟^(qū)內(nèi)頁巖氣開發(fā)起步較晚，相關(guān)地質(zhì)資料較為匱乏，對該區(qū)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層認(rèn)識程度不高，無法對該區(qū)的頁巖氣資源進(jìn)行規(guī)?；_發(fā)。為了合理、高效開發(fā)Z 207井區(qū)的頁巖氣資源，在工區(qū)東南部部署了一口評價井，并進(jìn)行了鉆井取心。本次通過巖礦掃描錄井技術(shù)，取樣分析了Z 207井巖心樣品，對龍馬溪組龍一1亞段儲層的礦物組成特征、巖石結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特征進(jìn)行了有效評價，落實(shí)了Z 207井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度等儲層參數(shù)，并給出了水平井施工建議箱體。通過本次研究，提高了對該井區(qū)的甜點(diǎn)認(rèn)識程度，為該區(qū)下一步大規(guī)模部署水平井、開發(fā)井提供了技術(shù)支撐。

1 巖礦掃描錄井技術(shù)

巖礦掃描錄井技術(shù)是一種自動化礦物巖石學(xué)檢測技術(shù)，通過掃描電鏡和能譜儀的結(jié)合，對巖石樣品(巖屑或巖心)進(jìn)行全自動面掃分析，定量獲取組成巖石的元素、礦物、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲取巖石脆性以及巖石力學(xué)等參數(shù)的一項(xiàng)分析技術(shù)，主要應(yīng)用于巖石屬性識別、非常規(guī)儲層甜點(diǎn)識別與評價、水平井地質(zhì)導(dǎo)向、壓裂方案優(yōu)化等領(lǐng)域。

分析樣品為威遠(yuǎn)地區(qū)Z 207井巖心，層位涵蓋志留系龍馬溪組龍一1亞段至寶塔組，主要針對龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖。進(jìn)行了礦物分析、物性分析、巖石力學(xué)分析，共計(jì)分析樣品107樣次。本次分析采用某公司研發(fā)的巖礦掃描錄井儀(圖1),整個分析過程儀器運(yùn)行性能穩(wěn)定，獲取數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖1 巖礦掃描錄井儀

2 儲層評價

從礦物、物性、巖石力學(xué)性質(zhì)3個方面對四川威遠(yuǎn)地區(qū)Z 207井的優(yōu)質(zhì)頁巖進(jìn)行綜合評價，獲取了各個層位的礦物組分、有機(jī)質(zhì)，及孔隙結(jié)構(gòu)特征。通過礦物及孔隙數(shù)據(jù)，結(jié)合模型參數(shù)，建立了該井的巖石物理模型，進(jìn)而得到了相關(guān)層位的巖石彈性力學(xué)參數(shù)，如圖2所示。結(jié)合脆性礦物含量、有機(jī)質(zhì)、孔隙度，及力學(xué)參數(shù)對龍馬溪組各小層進(jìn)行了分析對比，優(yōu)選出Z 207井區(qū)的水平井施工的最優(yōu)巷道。

圖2 Z 207井巖礦掃描錄井綜合圖

2.1 礦物特征評價

龍一1亞段至寶塔組的主要礦物的相對體積百分含量數(shù)據(jù)如表1所示。通過頁巖礦物成分分類三角圖板(圖3)對各個小層投點(diǎn)，可以劃分為黏土質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相和硅質(zhì)頁巖相三類，再根據(jù)巖相類型對各個小層的礦物特征進(jìn)行簡單闡述。

表1 龍一1亞段至寶塔組主要礦物含量數(shù)據(jù) %

龍一14小層上部為黏土質(zhì)頁巖相，伊利石及伊蒙混層較發(fā)育，下部過渡為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，石英含量有所上升，與少量方解石礦物成條帶狀分布，在礦物假色圖上較為清晰地呈現(xiàn)出來(圖4中棕色、綠色為黏土礦物，粉色、黃色為石英，藍(lán)色為碳酸鹽巖)，硅質(zhì)成分明顯且呈現(xiàn)定向排列的特征，揭示其巖石層理較發(fā)育，且證實(shí)了該區(qū)域龍一14小層下部與龍一13小層的石英來源于陸源碎屑這一觀點(diǎn)[5-6]。

圖3 頁巖礦物成分分類三角圖板

圖4 龍一14小層下部3 665 m礦物假色圖

龍一13小層為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，石英含量與龍一14小層相比變化不明顯，黏土礦物為伊利石和伊蒙混層，石英和方解石呈條帶狀定向排列。龍一12小層巖相為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，部分井段為黏土質(zhì)頁巖相，石英含量進(jìn)一步升高，最高可達(dá)38.38%。

龍一11小層為該井硅質(zhì)含量最高的層位，根據(jù)巖相可劃分為上、中、下三個部分，如圖5所示。

圖5 龍一11小層礦物分布綜合圖

龍一11小層上部為黏土質(zhì)頁巖，斜長石含量為本井最高，黏土含量相對下降但仍處于較高的水平，石英含量平均為16.77%。井深3 684 m之后，能譜伽馬(含放射性鈾元素)與無鈾伽馬的差值逐漸上升，反映出有機(jī)質(zhì)含量的升高，有機(jī)質(zhì)指示礦物黃鐵礦出現(xiàn)本井中的峰值，在背散射圖上可以看到條帶狀及團(tuán)塊狀黃鐵礦零散狀分布于黏土礦物中(圖6a)，而二次電子成像則顯示出黃鐵礦主要以立方體的形態(tài)產(chǎn)于伊蒙混層周圍(圖6b)，說明黃鐵礦形成時期地層中的硫元素富集，在有機(jī)質(zhì)的強(qiáng)還原作用下，硫元素進(jìn)一步與活性鐵反應(yīng)，形成一系列鐵的單硫化物，并最終形成黃鐵礦而保存于沉積物中[7]。因此，黃鐵礦可以作為富有機(jī)質(zhì)沉積的一個重要指征[8]，從側(cè)面反映出該井龍一11小層為富有機(jī)質(zhì)頁巖。

圖6 龍一11小層上部

龍一11小層中部為硅質(zhì)頁巖，石英含量為該井最高，可見大量自生石英(圖7a)，多為生物成因，最高可達(dá)72.35%，黏土礦物和碳酸鹽巖含量較低；有機(jī)質(zhì)富集，呈星點(diǎn)狀及條帶狀分布(圖7b)，多與草莓狀黃鐵礦共生(圖7c)；見大量放射蟲微化石，證實(shí)了石英為生物成因[9]，礦物假色圖上顯示出其硅質(zhì)外殼已被方解石(藍(lán)色)交代(圖7d)。

圖7 龍一11小層中部

龍一11小層下部為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合相頁巖，硅質(zhì)含量急劇下降，黏土含量上升，碳酸鹽含量略有提高，有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸下降的趨勢。

通過對比龍一1亞段四個小層礦物特征，可以看出龍一11小層具有高石英、低黏土，及低碳酸鹽巖的特征，脆性礦物含量也高于其他小層，為該井的優(yōu)勢儲層。其中龍一11小層中部井段3 684.5～3 686.0 m石英含量最高、有機(jī)質(zhì)最發(fā)育，為最優(yōu)巖相。因此，得出該井礦物甜點(diǎn)井段為：3 684.5～3 686.0 m。

2.2 物性特征評價

由于五峰組及寶塔組地層并非本次的研究重點(diǎn)，因此其孔隙特征在此不做贅述。本次主要研究對象龍一1亞段各個小層的孔隙結(jié)構(gòu)特征如表2所示。

表2 龍一1亞段各小層孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

通過對龍一1亞段各小層孔隙數(shù)據(jù)對比,結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)分布綜合圖(圖8)后得出如下結(jié)論：龍一14小層高黏土段的層狀黏土礦物發(fā)育，故裂縫發(fā)育亦較好，該小層底部有機(jī)質(zhì)發(fā)育，造成孔隙度較高；有機(jī)質(zhì)較高的井段，如龍一14小層中下部，孔隙以小于10 μm的小孔為主，而有機(jī)質(zhì)低的部位，如龍一14小層中上部，孔隙以大于200 μm的大孔為主；龍一11小層孔隙最發(fā)育，其中部高石英段孔隙度最高，孔隙以納米級別的有機(jī)質(zhì)孔為主[10]，物性最好。因此，該井物性甜點(diǎn)井段為：3 684.5～3 686.0 m。

通過掃描電鏡高分辨率二次電子成像觀察，龍一11小層的納米級孔隙主要分為氣孔[11](圖7a)、鑄膜孔(圖7c)、瀝青球?？譡12](圖9a)，以及層狀黏土片間縫(圖9b)。其中，氣孔和瀝青球粒孔在龍一11小層樣品中出現(xiàn)頻率極高，反映該小層有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度較高，同時二者對孔隙度的貢獻(xiàn)最大。

圖8 Z 207井孔隙結(jié)構(gòu)分布綜合圖

圖9 龍一11小層SE圖

2.3 巖石力學(xué)特征評價

本次巖石力學(xué)參數(shù)的獲取方法來源于四川盆地上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)泥巖彈性性質(zhì)的巖石物理模型[13]，本模型所用算法基于顆粒介質(zhì)接觸理論(Digby, 1981;Mavko， 2009;Mindlin, 1949)，通過上述計(jì)算方法的參數(shù)包括密度、橫波時差、縱波時差、楊氏模量和泊松比，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算獲取了儲層的脆性及薄弱性指數(shù)，如圖10所示。

通過模型計(jì)算，龍一11小層中部高石英段(井段3 684.5～3 686.0 m)巖石力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，具有低密度、中高時差、高楊氏模量和低泊松比的特征，同時擁有較高的脆性及薄弱性(表3)，這些巖石力學(xué)特征將在水力壓裂中響應(yīng)良好，有利于進(jìn)行壓裂改造。因此，該井力學(xué)(工程)甜點(diǎn)井段為：3 684.5～3 686.0 m。

2.4 優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價

在礦物、物性及巖石力學(xué)評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合高溫地化數(shù)據(jù)及含氣量數(shù)據(jù)，根據(jù)四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)的優(yōu)質(zhì)頁巖評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)，對Z 207井龍一11小層中部高石英段進(jìn)行了優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價，結(jié)果顯示：龍一11小層中部的井段3 684.5～3 686.0 m，TOC含量均值為2.32%，孔隙度均值為3.74%，符合Ⅱ類儲層標(biāo)準(zhǔn)；而含氣量均值為4.34 m3/t，脆性礦物含量均值為80.8%，楊氏模量均值為59.8 GPa，泊松比均值為0.14，遠(yuǎn)超Ⅰ類儲層標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此綜合評價龍一11小層中部高石英段為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層。

2.5 縱向巷道優(yōu)選

綜上所述，通過優(yōu)質(zhì)頁巖綜合評價，認(rèn)為龍一11小層中部脆性礦物含量較高，具有良好的含氣性、物性及彈性力學(xué)特征，為地質(zhì)和工程雙甜點(diǎn)。因此，建議以3 684.5～3 686.0 m井段作為水平井施工最優(yōu)巷道，厚度為1.5 m。

圖10 Z 07井巖石力學(xué)特征綜合圖

表3 龍一11小層中部巖石力學(xué)數(shù)據(jù)

表4 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)

3 應(yīng)用效果

通過Z 207井巖礦掃描錄井分析結(jié)果以及測井?dāng)?shù)據(jù)，綜合判定龍一11小層中部為本井甜點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了直改平施工。該井于2021年9月20日順利完鉆，完鉆井深5 970 m，水平段長2 100 m，龍一11小層箱體鉆遇率93.5%，其中優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率85.3%。隨后對井段3870～5 930 m分26段進(jìn)行了壓裂施工，平均排量14.25 m3/min，平均泵壓95.92 MPa,于2022年1月21日完成壓裂作業(yè)。經(jīng)燜井后試氣求產(chǎn)，最終獲穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)氣流，最高產(chǎn)量9.68×104m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)量7.84×104m3/d，截至2022年2月底，該井已累產(chǎn)天然氣90.37×104m3。

4 結(jié) 論

本次采用巖礦掃描錄井技術(shù)，重點(diǎn)對四川威遠(yuǎn)地區(qū)Z 207井龍一11小層進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

(1)龍一11小層中部發(fā)育硅質(zhì)頁巖，石英為生物成因，具有高石英、低黏土、低碳酸鹽的特征。

(2)龍一11小層中部有機(jī)質(zhì)含量高，納米級孔隙發(fā)育，氣孔和瀝青球?？锥嘁姡窃斐筛呖紫抖鹊闹苯釉?。

(3)龍一11小層中部力學(xué)性質(zhì)最好，有利于完井壓裂施工。

(4)綜合評價龍一11小層中部為Z 207井優(yōu)質(zhì)烴源巖，是地質(zhì)和工程的雙甜點(diǎn)，井段3 684.5～3 686.0 m作為水平井施工最優(yōu)巷道，為該平臺下一步水平井的部署及開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。