胡東風(fēng) 魏志紅 李宇平 劉珠江 袁 桃 劉曉晶

中國(guó)石化勘探分公司

0 引言

自2012年以來，我國(guó)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通等等一系列大中型頁巖氣田，獲得了頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大突破，積累了豐富的頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)[1-4]。隨著勘探開發(fā)理論認(rèn)識(shí)與技術(shù)的進(jìn)步，研究認(rèn)為，四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組深層（埋深大于3 500 m）頁巖分布廣泛，資源潛力大，可能是未來頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域[5-6]。由此近年來，深層頁巖氣逐漸成為下一步勘探開發(fā)的重要方向。但隨著埋深增加，在深層頁巖氣富集理論認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)技術(shù)、工程工藝技術(shù)等方面仍然存在著一系列瓶頸問題，需要不斷攻關(guān)探索，落實(shí)勘探前景。

川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶是四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣勘探的重要探區(qū)。受多期次、多方向、多方式構(gòu)造改造和應(yīng)力影響[7-8]，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探難度大。在構(gòu)造特征上主要表現(xiàn)為多構(gòu)造邊界和多構(gòu)造體系，為復(fù)雜的褶皺構(gòu)造發(fā)育帶，發(fā)育中古生代多層次滑脫構(gòu)造，具有顯著的南東向變形強(qiáng)、北西向變形弱，南東向變形早、北西向變形晚的遞進(jìn)變形特征[9-10]。盆地東南邊界的齊岳山斷裂將該區(qū)域分為湘鄂西斷褶帶和川東斷褶帶兩個(gè)不同的構(gòu)造區(qū)，其中湘鄂西斷褶帶以“隔槽式”結(jié)構(gòu)為主，川東斷褶帶為“隔檔式”結(jié)構(gòu)，而區(qū)域內(nèi)的頁巖氣主要就分布于復(fù)雜的川東“隔檔式”斷褶帶[1]。

自2013年以來，中國(guó)石化在該區(qū)域內(nèi)持續(xù)進(jìn)行深層頁巖氣的勘探開發(fā)。從DY2井首探深層開始，到近期實(shí)施的XY1井獲得日產(chǎn)量超過50×104m3的高產(chǎn)頁巖氣流，歷經(jīng)近十年，逐步取得了深層頁巖氣孔隙發(fā)育、富集條件認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)技術(shù)、工程工藝技術(shù)的突破，展現(xiàn)出深層頁巖氣巨大的勘探開發(fā)潛力，為川渝地區(qū)建設(shè)“氣大慶”增添了堅(jiān)實(shí)的資源接替陣地。為此，梳理了川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層頁巖氣勘探開發(fā)歷程，總結(jié)了該區(qū)域深層頁巖氣勘探進(jìn)展與成效，以期為我國(guó)深層頁巖氣的進(jìn)一步勘探開發(fā)提供參考。

1 勘探發(fā)現(xiàn)歷程

川東南地區(qū)深層頁巖氣勘探發(fā)現(xiàn)歷程主要包括氣田的發(fā)現(xiàn)、主體控制和基本探明三個(gè)重要階段。

1.1 氣田的發(fā)現(xiàn)

在2012年底涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊JY1井取得頁巖氣勘探開發(fā)的戰(zhàn)略性突破后，中國(guó)石化隨即開始了對(duì)礦權(quán)范圍內(nèi)的五峰組—龍馬溪組整體評(píng)價(jià)，最終優(yōu)選了18個(gè)有利目標(biāo)。參考涪陵頁巖氣田構(gòu)造樣式，優(yōu)選埋深適中、優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的有利目標(biāo)，部署實(shí)施了兩口埋深相對(duì)較淺的盆緣頁巖氣風(fēng)險(xiǎn)探井，但最終均告失利，盆緣復(fù)雜構(gòu)造帶的頁巖氣勘探遭遇低潮?？碧饺藛T經(jīng)過反思，重新瞄準(zhǔn)保存條件好、埋藏深，但分布面積更廣的深層頁巖氣開展評(píng)價(jià)。鑒于當(dāng)時(shí)對(duì)深層頁巖是否發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、可改造性如何等問題仍不明了，同時(shí)壓裂技術(shù)也存在局限，最終選擇了更穩(wěn)妥的方案，加深鉆探常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)探井——LS2井，并更名為DY2井，旨在取全、取準(zhǔn)深層頁巖氣儲(chǔ)層資料，開展整體評(píng)價(jià)，研究深層頁巖氣生、儲(chǔ)、賦存等機(jī)理，并探索相關(guān)工程工藝技術(shù)。

DY2井位于川東南地區(qū)盆緣丁山構(gòu)造軸部低緩部位，于2013年6月完鉆，完鉆井深4 418 m，鉆遇五峰組—龍馬溪組泥頁巖厚度82.0 m，優(yōu)質(zhì)頁巖段平均含氣量為8.82 m3/t，平均TOC為3.95%，平均孔隙度為5.96%，脆性礦物平均含量為57.5%。鉆探揭示丁山區(qū)塊具備良好的頁巖氣勘探潛力。在DY2井導(dǎo)眼井完鉆后，利用鉆井、錄井、測(cè)井及巖心分析資料對(duì)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，決定不開展直井壓裂測(cè)試，直接實(shí)施水平井鉆探、評(píng)價(jià)產(chǎn)能。選擇DY2井底部4 362 m作為側(cè)鉆水平井水平段靶窗中心，實(shí)施側(cè)鉆水平井——DY2HF井，側(cè)鉆水平井于2013年9月完鉆，完鉆井深5 700 m（斜深），垂深4 417.36 m，水平段長(zhǎng)1 034.23 m。并于2013年10月，分12段進(jìn)行大型水力壓裂測(cè)試，2013年12月開始放噴求產(chǎn)，獲穩(wěn)定測(cè)試產(chǎn)量10.42×104m3/d，由此揭開了深層頁巖氣勘探的序幕[11-12]。

DY2HF井是國(guó)內(nèi)第一口埋深超過4 000 m的頁巖氣探井，證實(shí)了深層頁巖氣具有良好的資源潛力。通過該井的鉆探，認(rèn)識(shí)到深層頁巖儲(chǔ)層是富氣的，孔隙也是發(fā)育的，但孔隙發(fā)育機(jī)理、賦存機(jī)理尚不明確，富集條件也尚存疑慮，深層工程工藝技術(shù)也不成熟，勘探風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

1.2 主體控制

在DY2HF井突破的基礎(chǔ)上，2014年為進(jìn)一步落實(shí)丁山區(qū)塊構(gòu)造細(xì)節(jié)，查明頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)，部署實(shí)施了超400 km2的三維地震，為丁山區(qū)塊頁巖氣勘探開發(fā)奠定扎實(shí)資料基礎(chǔ)。2015年，在三維地震實(shí)施的基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)丁山區(qū)塊地質(zhì)評(píng)價(jià)、地質(zhì)和工程“雙甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)，開展了新一輪的甜點(diǎn)區(qū)識(shí)別，優(yōu)選丁山構(gòu)造軸部斜坡帶為丁山區(qū)塊的“雙甜點(diǎn)”有利目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)雙“甜點(diǎn)”區(qū)整體控制，考慮不同埋深及井間距離，同時(shí)部署了DY4、DY5井，2017年兩口井測(cè)試均獲10×104～20×104m3/d的工業(yè)氣流，實(shí)現(xiàn)了丁山區(qū)塊頁巖氣開采的商業(yè)化突破和“甜點(diǎn)區(qū)”的整體控制，基本落實(shí)丁山區(qū)塊氣田含氣面積超過500 km2，初步探索形成了“單段2～4簇、大排量、前置膠液+高黏滑餾水+后置膠液”的深層頁巖氣工程工藝技術(shù)，打開了川東南地區(qū)深層頁巖氣勘探的新局面。

1.3 基本探明

2019—2022年，為擴(kuò)大含氣面積，探索不同構(gòu)造樣式的高產(chǎn)富集條件，持續(xù)開展深層頁巖氣壓裂工程工藝技術(shù)攻關(guān)，設(shè)立了中國(guó)石化東溪深層頁巖氣試驗(yàn)區(qū)，先后部署實(shí)施了DYS1、DYS2、DY7、DY8、DY9、DY10、XY1井等多口探井。其中 DYS1、DYS2、DY7、XY1井均獲得30×104～60×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流，證實(shí)了不同構(gòu)造部位的良好含氣性，形成了適用于3 500 m以深“密切割、增凈壓、促縫網(wǎng)、保充填”的深層頁巖氣壓裂工藝技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)丁山區(qū)塊深層頁巖氣田千億立方米儲(chǔ)量的探明奠定了基礎(chǔ)。

2 理論認(rèn)識(shí)進(jìn)展

中國(guó)石化依托“十三五”國(guó)家重大專項(xiàng)等研究課題，在丁山、東溪、威榮、永川、涪陵江東、平橋等地區(qū)進(jìn)行了深層頁巖氣的理論探索與技術(shù)攻關(guān)，揭示了深層頁巖氣儲(chǔ)層普遍具有“高壓、高孔、高含氣量”的“超壓富氣”特征，查明了深層頁巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素，建立了深層頁巖氣“超壓富氣”模式，為川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層頁巖氣的勘探突破奠定了理論基礎(chǔ)。

2.1 深層頁巖氣“超壓富氣”新認(rèn)識(shí)

通過對(duì)四川盆地五峰組—龍馬溪組埋深3 500 m以深的深層頁巖氣富集機(jī)理研究，明確了深層發(fā)育“高孔”優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，查明了深層頁巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育與保持機(jī)理，深化了深層頁巖氣賦存與保存機(jī)理，有效指導(dǎo)了深層頁巖氣的目標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)選。

2.1.1 深層頁巖氣“高壓、高孔、高含氣量”特征

勘探實(shí)踐和研究表明，川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層與中淺層相似，同樣具有良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)，具備富集高產(chǎn)的基本地質(zhì)條件。實(shí)鉆揭示，保存條件較好的DY4、DY5、DYS1 等井深層優(yōu)質(zhì)頁巖氣層（TOC≥2%）壓力系數(shù)分別為：1.45、1.47、1.85；平均孔隙度分別為5.90%、4.78%、6.05%（表1），有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，面孔率高（一般介于10%～40%，局部可達(dá)60%），孔徑主要介于2～200 nm，主要為蜂窩狀的橢圓形；平均含氣量分別為5.17 m3/t、6.16 m3/t、5.06 m3/t。

表1 各頁巖氣井目的層段關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比表

2.1.2 深層深水陸棚相頁巖孔隙發(fā)育與保持機(jī)理

勘探實(shí)踐表明，深層深水陸棚相頁巖孔隙度沒有因?yàn)槁裆?、上覆巖層壓力的增大而出現(xiàn)明顯下降。研究發(fā)現(xiàn)，“石英抗壓?？住焙汀皟?chǔ)層流體超壓”聯(lián)合作用是深層頁巖孔隙得以發(fā)育和保持的關(guān)鍵。

1）深水陸棚生物硅質(zhì)對(duì)于頁巖有機(jī)質(zhì)孔的形成、保持具有重要的作用。五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層中見大量筆石、有孔蟲、放射蟲、海綿骨針等生物化石，硅質(zhì)含量高，且有機(jī)質(zhì)含量與硅質(zhì)含量呈明顯的正相關(guān)性，另外在 Al—Fe—Mn 三角圖上，絕大多數(shù)測(cè)量值落在了生物成因區(qū)，認(rèn)為五峰組—龍馬溪組深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖的硅質(zhì)礦物主要以生物成因?yàn)橹鱗1,13-14]。通過分析DYS1井五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙度與硅質(zhì)礦物含量的關(guān)系表明，孔隙度與硅質(zhì)含量具有正相關(guān)性。由此推斷生物成因的硅質(zhì)含量是影響優(yōu)質(zhì)頁巖孔隙度的一個(gè)重要因素[15]。

另外，五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育于深水陸棚相環(huán)境，在沉積成巖過程中，隨著埋深、熱演化程度的增大，伴隨著干酪根、液態(tài)烴裂解生氣，有機(jī)質(zhì)孔伴生發(fā)育。同時(shí)深水陸棚相生物成因的硅質(zhì)（蛋白石A），在埋藏成巖早期轉(zhuǎn)化成高硬度晶態(tài)石英，高硬度石英抗壓實(shí)作用強(qiáng)，為優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層早期原油充注及納米級(jí)蜂窩狀有機(jī)孔的發(fā)育和保持提供了空間和保護(hù)，是有機(jī)孔得以保存的關(guān)鍵因素。而淺水陸棚相孔隙度與硅質(zhì)相關(guān)性則不好，這可能是由于淺水陸棚硅質(zhì)含量低、硅質(zhì)支撐弱，黏土含量高、表現(xiàn)出強(qiáng)壓實(shí)的特征，早期形成的孔隙沒有得到有效保護(hù)[15]。

2）深層頁巖儲(chǔ)層超壓有利于有機(jī)質(zhì)孔的保持。四川盆地南部五峰組—龍馬溪組深層頁巖構(gòu)造形變?nèi)?、普遍具有超壓特征，超壓?duì)于頁巖孔隙的發(fā)育與保持具有明顯的保護(hù)作用，抵消了上覆地層有效應(yīng)力對(duì)頁巖儲(chǔ)層的機(jī)械壓實(shí)，從而使已形成的塑性有機(jī)質(zhì)孔保存下來，有利于有機(jī)質(zhì)孔的維持。同樣是深層頁巖氣層，優(yōu)質(zhì)頁巖層TOC相近，超壓頁巖氣層壓力系數(shù)、含氣量較大，孔隙度明顯較大（圖1）；而保存條件較差的儲(chǔ)層，壓力系數(shù)、含氣量明顯較小，孔隙度同樣較小。典型的YZ1井，該井目標(biāo)儲(chǔ)層保存條件較差，壓力系數(shù)小于1.0，優(yōu)質(zhì)頁巖實(shí)測(cè)孔隙度介于0.60%～2.60%，平均為1.91%，掃描電鏡下顯示，保存條件、孔隙發(fā)育程度相比于DYS1井要差，孔徑也明顯較小（圖2）。這也進(jìn)一步證實(shí)了深層非超壓條件下有機(jī)孔隙不能有效保存。因此，良好的保存條件對(duì)深層頁巖孔隙發(fā)育至關(guān)重要。近期勘探實(shí)踐表明，在“石英抗壓?？住焙汀皟?chǔ)層流體超壓”聯(lián)合作用下，發(fā)現(xiàn)了PS1井五峰組—龍馬溪組埋深近6 000 m的優(yōu)質(zhì)頁巖依然具有高孔、有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的特征，PS1井優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚44 m，平均TOC為3.66%，平均孔隙度為5.22%（圖1），有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，呈蜂窩狀，孔徑主要分布于2～80 nm之間，孔隙結(jié)構(gòu)與中淺層、深層相似。

圖1 不同探井頁巖TOC與孔隙度關(guān)系、壓力和埋深關(guān)系圖

圖2 五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)深層頁巖儲(chǔ)集特征圖

2.1.3 深層頁巖氣賦存特征

研究表明，深層深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層一般具有超高壓特征，在保存條件好、流體壓力高的情況下，隨埋深、濕度增大，頁巖氣層吸附能力降低、游離氣占比增大，游離氣更富集。

1）盆內(nèi)深層后期抬升改造弱，剝蝕量少，保存條件好，普遍發(fā)育超壓。頁巖氣儲(chǔ)層超壓成因及演化研究結(jié)果表明，在持續(xù)抬升開始前的最大埋深時(shí)刻，深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層一般具有高含氣量、異常高地層壓力等特征。高TOC、腐泥型—偏腐泥混合型干酪根、熱演化程度適中的五峰組—龍馬溪組在早深埋期，在頂、底板良好的封堵條件下，原油、烴類氣體滯留在頁巖儲(chǔ)層中富集，所生成的烴類大幅增壓，從而有利于頁巖氣藏高含氣量以及超壓的形成。四川盆地南部五峰組—龍馬溪組晚期構(gòu)造抬升作用弱，早期形成的頁巖氣雖然在抬升剝蝕過程中有一定的散失，但總體上仍然保持了高含氣量的特征，超壓得以維持；而在盆緣或盆外強(qiáng)變形區(qū)，頁巖氣逸散相對(duì)更加強(qiáng)烈。例如YZ1井目標(biāo)儲(chǔ)層，壓力系數(shù)小于1.0，優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量平均值小于0.5 m3/t，表現(xiàn)出深層頁巖氣儲(chǔ)層在保存條件差的地區(qū)只有極低的含氣量。

2）深層頁巖氣在高壓情況下，以游離氣為主，利于產(chǎn)出。利用JY1井龍馬溪組樣品模擬不同埋深及不同壓力系數(shù)下吸附氣和游離氣的變化規(guī)律，研究表明，五峰組—龍馬溪組頁巖隨著埋深增加，吸附氣量呈現(xiàn)先增大，在埋深超過1 000 m后明顯減小的趨勢(shì)；而游離氣量則表現(xiàn)出隨著埋深、壓力系數(shù)增大而不斷增大的趨勢(shì)（圖3）。這意味著埋深越深，越有利于游離氣的富集，且壓力系數(shù)越大，游離氣量越大。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)研究表明，深層頁巖孔隙中主要以游離氣為主[12]。

圖3 不同埋深下頁巖吸附氣、游離氣含氣量變化規(guī)律圖

基于上述認(rèn)識(shí)，開展了焦石壩區(qū)塊超壓區(qū)、丁山區(qū)塊超壓區(qū)和東溪區(qū)塊超壓區(qū)吸附氣和游離氣的定量表征，結(jié)果顯示焦石壩區(qū)塊超壓區(qū)游離氣占68%，吸附氣占32%；丁山區(qū)塊超壓區(qū)游離氣占81%，吸附氣占比19%；東溪區(qū)塊超壓區(qū)游離氣占84%，吸附氣占比16%。盡管都以游離氣為主，但焦石壩區(qū)塊超壓區(qū)由于埋藏淺，地層溫度低，其游離氣含量總體小于丁山區(qū)塊、東溪區(qū)塊的超壓區(qū)。

2.2 深層頁巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素

深層頁巖氣儲(chǔ)層普遍具有埋深大、溫壓高、施工改造難度大等特點(diǎn)[16-18]，能獲得高產(chǎn)氣流的“甜點(diǎn)”要素由多方面因素共同控制。

深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育是深層頁巖氣儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)條件。五峰組—龍馬溪組深層深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖具有高的生烴能力、適中的熱演化程度和良好的頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)[19-20]。川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖，厚度介于30～40 m，頁理發(fā)育，具有較高的有機(jī)碳含量和硅質(zhì)含量，平均TOC為3.5%，硅質(zhì)含量一般大于40%，黏土礦物含量低?？傮w看來，厚度超過30 m、高TOC值、高脆性、頁理發(fā)育的深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖，是深層頁巖氣“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)條件。

高流體壓力有利于深層頁巖氣富集。一方面，高流體壓力的頁巖儲(chǔ)層，揭示了其良好的保存條件，天然氣逸散作用較弱，使得頁巖儲(chǔ)層含氣性得以保存，表現(xiàn)出高流體壓力的頁巖儲(chǔ)層普遍具有高含氣量特征。另一方面，不同圍壓下三軸實(shí)驗(yàn)揭示，圍壓對(duì)頁巖脆—延轉(zhuǎn)化起主導(dǎo)作用，隨著試驗(yàn)圍壓的不斷升高，峰值強(qiáng)度、彈性模量、殘余強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)不斷增大，破碎程度逐漸降低。但是對(duì)于超壓地層而言，由于高流體壓力的存在，能夠有效降低實(shí)際作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力，即實(shí)際圍壓降低，進(jìn)而改善頁巖脆性，增強(qiáng)可壓品質(zhì)。

超壓背景下的頁巖氣層微裂縫有利于高產(chǎn)?？碧綄?shí)踐表明，國(guó)內(nèi)深層頁巖氣測(cè)試產(chǎn)量在30×104m3/d以上的3口探井（DYS1、L203和Z202-H1井）都位于微裂縫相對(duì)發(fā)育區(qū)。頁巖發(fā)育大量的微細(xì)裂縫、微層理結(jié)構(gòu)，它們與大量的孔隙聯(lián)合，形成裂縫—基質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。小斷層及微裂縫引起應(yīng)力釋放，在一定程度上可以降低地應(yīng)力，且在超壓情況下，微裂縫有可能為弱埋面，更容易降低頁巖起裂壓力。

低地應(yīng)力、較小的水平兩向應(yīng)力差是儲(chǔ)層改造的有利地質(zhì)條件。深層頁巖氣普遍具有高地應(yīng)力特征，尋找低地應(yīng)力的目標(biāo)，降低施工難度是重要甜點(diǎn)評(píng)價(jià)要素之一。而尋找較小兩向應(yīng)力差的目標(biāo)，有利于實(shí)現(xiàn)裂縫的均勻起裂，從而形成復(fù)雜縫網(wǎng)，提高有效改造體積和頁巖氣層的有效動(dòng)用。研究表明，現(xiàn)今地應(yīng)力主要受埋深、現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力、古地應(yīng)力及斷裂等諸多因素的影響。其中，隨著埋深增大，地應(yīng)力總體變大，不同地區(qū)兩向應(yīng)力差和地應(yīng)力梯度差異大；受現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力影響，靠近控盆斷裂地應(yīng)力梯度較高，遠(yuǎn)離大型控盆斷裂地應(yīng)力梯度低；在同等埋深條件下，寬緩構(gòu)造應(yīng)力差及應(yīng)力梯度相對(duì)較小的地區(qū)，是深層頁巖氣勘探的有利目標(biāo)。

綜上所述，深層深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育是深層頁巖氣“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)條件，而高流體壓力的深層頁巖儲(chǔ)層，保存條件好，含氣性高，有利于頁巖氣富集。低地應(yīng)力、較小的水平兩向應(yīng)力差是儲(chǔ)層有效改造的有利地質(zhì)條件，超壓背景下發(fā)育微裂縫可降低起裂壓力，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

2.3 深層頁巖氣富集模式

深層頁巖普遍具備富集高產(chǎn)的基本地質(zhì)條件[20-22]，同時(shí)后期差異抬升剝蝕造成其保存條件總體較好，隨著埋深的增加，頁巖儲(chǔ)層普遍具有超壓富氣的特征。通過對(duì)典型深層頁巖氣藏解剖分析，建立了川東南地區(qū)盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)三種深層頁巖氣富集模式。

2.3.1 斜坡漸變型

該類富集模式最典型的為丁山區(qū)塊。受齊岳山斷裂影響，沿著齊岳山斷裂帶向鼻狀構(gòu)造帶的延伸方向，構(gòu)造變型強(qiáng)度、構(gòu)造抬升剝蝕作用呈現(xiàn)逐漸變?nèi)醯内厔?shì)。淺埋藏帶頁巖氣發(fā)生“垂向+橫向聯(lián)合”逸散；深埋藏帶頁巖氣滯留富集，隨著埋深增加，頁巖氣層孔隙度、含氣量及壓力系數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢(shì)，表現(xiàn)為超壓、高含氣量、高孔隙度等特征?？傮w為“齊岳山斷裂帶主體控制、淺埋藏區(qū)垂向—橫向聯(lián)合逸散、深埋逸散較弱”的盆緣斜坡漸變型深層頁巖氣“超壓富氣”模式（圖4）。

2.3.2 斷洼遮擋型

該類富集模式最典型的為新場(chǎng)區(qū)塊、東溪區(qū)塊和良村區(qū)塊。該類目標(biāo)構(gòu)造相對(duì)較為寬緩、與盆緣呈斷洼相接，斷洼清晰，邊界斷層不通天，側(cè)向逸散程度低，保存條件好，而且隨著埋藏深度的增加，頁巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出超壓的特征，頁巖氣藏滯留富集程度更高。分析認(rèn)為，構(gòu)造寬緩的斷洼構(gòu)造是盆緣斷洼遮擋型深層頁巖氣富集的關(guān)鍵因素（圖4）。

2.3.3 逆斷層遮擋型

該類富集模式最典型的為焦石壩南地區(qū)。該類目標(biāo)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，地層平緩，斷裂不發(fā)育，縱向、橫向逸散均相對(duì)較弱，在深埋藏區(qū)，頁巖儲(chǔ)層普遍具有超壓的特征，具有良好的保存條件，含氣性好；而在淺埋藏區(qū)發(fā)育逆斷層遮擋，對(duì)深層頁巖氣藏的滯留富集會(huì)更有利。由此分析認(rèn)為寬緩深埋條件、逆斷層發(fā)育是盆緣逆斷層遮擋型深層頁巖氣富集的直接因素（圖4）。

圖4 川東南地區(qū)盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)深層頁巖氣超壓富集模式圖

綜上所述，斷裂發(fā)育情況、構(gòu)造樣式和埋深是盆緣深層頁巖氣富集的主要控制因素。邊界主控?cái)嗔巡煌ㄌ臁l(fā)育逆斷層遮擋、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單寬緩和深埋條件，是川東南地區(qū)盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)深層頁巖氣富集的有利因素。

3 深層頁巖氣“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè)及壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

在深層頁巖氣的勘探過程中，隨著埋深增加，地層壓力系數(shù)、地應(yīng)力、裂縫等甜點(diǎn)參數(shù)等隨深度變化規(guī)律不清晰，地震預(yù)測(cè)難度大。以模擬原位巖石物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，明確深層頁巖巖石物理特征，構(gòu)建基于微納米—各向異性巖石物理模型，攻關(guān)各向異性疊前反演技術(shù)，形成頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)技術(shù)，提高了復(fù)雜構(gòu)造區(qū)、深層頁巖氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)的精度。

3.1 基于擾動(dòng)體積模量的壓力系數(shù)地震預(yù)測(cè)技術(shù)

通過巖石物理研究，查明了體積模量是壓力的敏感參數(shù)，揭示了擾動(dòng)體積模量（飽和流體體積模量與固體礦物體積模量的差）與壓力系數(shù)呈對(duì)數(shù)正相關(guān)。根據(jù)實(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)建立了基于擾動(dòng)體積模量的壓力預(yù)測(cè)模型，基于疊前體積模量反演實(shí)現(xiàn)壓力系數(shù)預(yù)測(cè)：

式中Pc表示壓力系數(shù)；ΔK表示擾動(dòng)體積模量；a、b表示回歸系數(shù)，可由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸得到。

丁山區(qū)塊斷鼻DY1、DY3井靠近齊岳山斷層，預(yù)測(cè)壓力系數(shù)小于1.1，為常壓區(qū)；遠(yuǎn)離齊岳山斷層的深層DY4、DY5和DY2井，預(yù)測(cè)壓力系數(shù)大于1.5，為高壓區(qū)；東溪區(qū)塊整體位于齊岳山斷層的下盤，且其東斜坡與齊岳山斷層的斷洼相隔，4口鉆井揭示該地區(qū)具有較好的保存條件，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致，均為高壓區(qū)。

3.2 區(qū)域應(yīng)力背景約束的水平應(yīng)力差地震預(yù)測(cè)技術(shù)

水平地應(yīng)力差越小越易于壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)。目前的地應(yīng)力預(yù)測(cè)方法多以水平差異系數(shù)預(yù)測(cè)為主，無法實(shí)現(xiàn)水平應(yīng)力差絕對(duì)值的預(yù)測(cè)。通過對(duì)川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶構(gòu)造特征分析及重點(diǎn)探井解剖，明確了現(xiàn)今地應(yīng)力受構(gòu)造作用、埋深等因素影響?？拷嘏钄嗔训膹?qiáng)烈擠壓區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力總體較高，在埋深相同條件下，受構(gòu)造變形較弱的寬緩構(gòu)造水平應(yīng)力差相對(duì)較小，小斷層及微裂縫的發(fā)育會(huì)引起應(yīng)力釋放，可以在一定程度上降低地應(yīng)力。因此，將地應(yīng)力分解為背景應(yīng)力與局部應(yīng)力擾動(dòng)，分別基于組合彈簧理論與各向異性理論計(jì)算背景應(yīng)力與水平應(yīng)力差異系數(shù)，最后將二者融合，可實(shí)現(xiàn)水平地應(yīng)力差預(yù)測(cè)。從DYS1HF井水平應(yīng)力差的預(yù)測(cè)剖面（圖5）可以看出，3～7段、11～13段和18～21段的水平應(yīng)力差較低，微地震監(jiān)測(cè)事件數(shù)局部明顯增加，該技術(shù)為水平井設(shè)計(jì)提供了一定的支撐作用。

圖5 應(yīng)力差預(yù)測(cè)結(jié)果與微地震事件對(duì)比圖

3.3 各向異性增強(qiáng)的裂縫五維地震預(yù)測(cè)技術(shù)

天然裂縫具有結(jié)構(gòu)弱面，強(qiáng)度較低，易于被壓裂的特性。隨著頁巖氣勘探向深層領(lǐng)域邁進(jìn)，頁巖儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育對(duì)工程壓裂的積極作用逐漸體現(xiàn)出來。但不經(jīng)過反演直接利用振幅或?qū)傩裕l率、衰減等）的裂縫預(yù)測(cè)方法僅能得到界面兩側(cè)地層的綜合響應(yīng)，預(yù)測(cè)精度偏低?；赗üger[23]提出的方位AVO近似方程，推導(dǎo)了方位彈性阻抗方程，將裂縫介質(zhì)的界面信息轉(zhuǎn)化為地層內(nèi)部彈性信息，進(jìn)一步將方位彈性阻抗進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開：

式中EIA(θ,?)表示標(biāo)準(zhǔn)化后彈性阻抗；θ表示地震波入射角；?表示測(cè)線方向與裂縫法向的夾角；A0表示零階傅里葉系數(shù)，背景項(xiàng)，與觀測(cè)方位無關(guān)；A2與A4分別表示二階與四階傅里葉系數(shù)，只與入射角和各向異性參數(shù)有關(guān)，均反映了裂縫的各向異性特征。

通過式（2）剔除各向同性信息，提取各向異性信息，實(shí)現(xiàn)裂縫預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，DYS1HF井水平井10～19段裂縫較為發(fā)育，其余段裂縫不發(fā)育（圖6）；裂縫發(fā)育段地層破裂壓力相對(duì)其他段較低，其中14～16段為裂縫密度最大處，該段地層破裂壓力最低。整體上，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合（圖6）。

圖6 裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與壓裂施工參數(shù)對(duì)比圖

3.4 基于廣域電磁法的深層頁巖氣壓裂監(jiān)測(cè)新技術(shù)

中國(guó)工程院院士何繼善及其團(tuán)隊(duì)成功求解了電磁波在地下傳播方程的“嚴(yán)格解”，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了高精度電磁勘探技術(shù)裝備及工程化系統(tǒng)，打破了國(guó)外電磁法儀器裝備的長(zhǎng)期壟斷，具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度大、工作效率高等優(yōu)勢(shì)[24]。

壓裂液相對(duì)圍巖電阻率低。因此，將廣域電磁技術(shù)引入到深層頁巖氣壓裂監(jiān)測(cè)，求取并分析壓裂前、后電阻率變化特征，推斷壓裂波及范圍。DY5HF井第11段垂直井軌跡施工段前后電阻率變化幅度介于5%～10%（圖7），而兩側(cè)幾乎沒有差異。DY5HF井所有段壓裂前后的電阻率差異表征了壓裂波及范圍，有效反映了壓裂主裂縫和縫網(wǎng)在空間的展布情況（圖8）。

圖7 DY5HF井第11段電磁法壓裂監(jiān)測(cè)前后電場(chǎng)的變化圖

圖8 DY5HF井壓裂儲(chǔ)層平面波及范圍圖

3.5 “蜂窩”陣列微地震壓裂檢測(cè)技術(shù)

深層頁巖氣壓裂信號(hào)弱，四川盆地山地地形復(fù)雜，常規(guī)微地震監(jiān)測(cè)方式噪音大、事件定位難度大，測(cè)線排列鋪設(shè)難度大。基于相控陣原理，提出了“蜂窩”陣列采集方法，可避開施工困難區(qū)和噪音源，施工靈活、效率高。針對(duì)深層壓裂微地震信號(hào)信噪比低，研發(fā)了面陣波束約束弱信號(hào)增強(qiáng)處理技術(shù)，壓制橫波干擾及隨機(jī)噪聲，提高信噪比。同時(shí)考慮事件點(diǎn)的時(shí)間與空間分布，利用微地震發(fā)生的時(shí)間序列，“點(diǎn)—縫”準(zhǔn)則與“各向異性”準(zhǔn)則計(jì)算得到裂縫網(wǎng)絡(luò)。該項(xiàng)技術(shù)在DYS1HF井取得良好效果，從解釋結(jié)果可以看出該井壓裂主裂縫特征比較明顯，有一定規(guī)模（圖9）。

圖9 DYS1HF井裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)圖

針對(duì)深層頁巖儲(chǔ)層兩向地應(yīng)力高、應(yīng)力差異大，裂縫轉(zhuǎn)向困難，裂縫復(fù)雜性低，實(shí)現(xiàn)大砂量壓裂難度高等難點(diǎn)，經(jīng)過持續(xù)性地攻關(guān)，查明了深層頁巖儲(chǔ)層具有非線性破裂特征，大幅提高縫內(nèi)凈壓力是提高深層頁巖裂縫復(fù)雜程度和改造效果的關(guān)鍵。揭示了深層頁巖破巖及復(fù)雜縫網(wǎng)形成機(jī)理，探索“短簇距射孔、大排量施工、大規(guī)模加砂、前置膠量、變黏度壓裂液多尺度造縫”壓裂模式，創(chuàng)新形成了深層頁巖氣“密切割、增凈壓、促縫網(wǎng)、保充填”壓裂工藝技術(shù)。

4 結(jié)論與展望

1）在川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層頁巖氣近10年的勘探歷程中，從氣田的探索發(fā)現(xiàn)、到主體控制，再到基本探明，取得了一系列勘探突破和工程工藝技術(shù)的進(jìn)步。在勘探地層深度方面，實(shí)現(xiàn)了探井深度從3 500 m到4 000 m的跨越；在關(guān)鍵技術(shù)方面，形成了從早期的“施工壓力高、無法建立大排量、加砂困難、改造體積小”的壓裂模式，到“單段2～4簇、大排量、前置膠液+高黏滑溜水+后置膠液”的早期深層壓裂模式，再到“密切割多段少簇+大液量+高排量+中強(qiáng)加砂+雙暫堵”較成熟的深層壓裂模式，形成了“密切割、增凈壓、促縫網(wǎng)、保充填”成熟的深層頁巖氣壓裂工藝技術(shù)；在勘探突破方面，從早期10×104m3/d，到20×104～30×104m3/d，再到50×104m3/d，實(shí)現(xiàn)了勘探成果的不斷突破和飛躍。

2）“石英抗壓?？住焙汀皟?chǔ)層流體超壓”聯(lián)合作用是深層頁巖孔隙得以發(fā)育和保持的關(guān)鍵，在兩個(gè)因素聯(lián)合作用下，深埋頁巖依然發(fā)育高孔優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；“優(yōu)質(zhì)頁巖、高流體壓力、微裂縫、低地應(yīng)力”是深層頁巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素，建立了斜坡漸變型、斷洼遮擋型、逆斷層遮擋型3種頁巖氣富集模式，為川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層頁巖氣勘探突破奠定了理論基礎(chǔ)。

3）基于深層頁巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)要素，形成了基于擾動(dòng)體積模量的壓力系數(shù)、區(qū)域應(yīng)力背景約束的水平應(yīng)力差、各向異性增強(qiáng)的裂縫五維地震三大預(yù)測(cè)技術(shù)，為深層頁巖氣勘探部署提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

4）深層頁巖儲(chǔ)層具有非線性破裂特征，大幅度提高縫內(nèi)凈壓力是提高深層頁巖裂縫復(fù)雜程度和改造效果的關(guān)鍵，創(chuàng)新形成了深層頁巖氣“密切割、增凈壓、促縫網(wǎng)、保充填”壓裂工藝技術(shù)，以及基于廣域電磁法的深層頁巖氣壓裂監(jiān)測(cè)新技術(shù)和“蜂窩”陣列微地震壓裂檢測(cè)技術(shù)，有效保障了深層頁巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造效果。

5）深層頁巖氣資源潛力大，川東南地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶深層頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)的突破，將推動(dòng)該領(lǐng)域加快實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，成為中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域。