威遠龍馬溪組黑色頁巖非均質性及對開發的影響

葛忠偉，樊 莉，鐘文俊，周 靜，張南希，王 同.

(1.中石化西南油氣分公司 勘探開發研究院，四川成都 610041；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，四川成都 610051)

威遠地區龍馬溪組底部廣泛沉積一套黑色頁巖，該套頁巖厚度大，展布穩定，品質優良，是當前四川盆地海相頁巖氣開發的主力層系。截至2018年6月，中石化威榮頁巖氣田完鉆6口直井，黑色優質頁巖厚度35～46 m，目前已提交千億方探明地質儲量，儲量豐度高，商業開發潛力大。其主體為一向斜構造，構造簡單，早期整個工區儲層綜合評價為有利區，后期進入開發評價階段，隨著鉆井數的增多，揭示出工區東、西區頁巖地質特征差異大的特點。鉆井模式主要以1臺3井為主，水平段長度、井距、合理采氣速度、單井配產等開發技術政策采用一套方案。在儲層強非均質性的情況下，用一個綜合評價級別和一套開發技術政策已無法滿足準確評估頁巖氣地質儲量及建產的需要。因此，強非均質性頁巖儲層需要在儲層精細刻畫的基礎上，進一步提高儲層綜合評價精度，尋找優質“甜點”，為開發方案編制、鉆井部署以及鉆井生產跟蹤提供支撐。

1 頁巖高伽瑪段小層精細劃分

威遠地區龍馬溪組底部黑色頁巖段根據電測曲線組合特征，縱向上劃分了5個層(②、③、④、⑤、⑥層)，其中②+③層發育厚度7～14 m的高自然伽瑪頁巖段，測井曲線上三個高伽瑪峰對應一個最大海泛面和兩個次級海泛面，橫向上展布穩定。

以高伽瑪3個高峰為標志層，龍馬溪組底部高伽瑪頁巖段劃分出5個次一級小層[1-2](Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ)(圖1)，各小層橫向上由西往東有減薄的趨勢，西區厚度13～14 m，東區7～10 m。電測曲線的變化體現了儲層各項靜態參數特征的差異，為開展儲層非均質性精細研究提供了依據。

2 頁巖儲層非均質性

儲層非均質性縱向較橫向更為明顯，主要體現在頁巖巖性、地質靜態特征，以及儲層工程特征的差異性方面。

圖1 威遠地區龍馬溪組底部高伽瑪段小層劃分對比圖Fig.1 Comparison map of the high-gamma section of the bottom of the the Longmaxi formation in Weiyuan area

2.1 巖性縱向變化

頁巖礦物成分類型多樣，包括黏土、碎屑顆粒、有機質以及少量重礦物[3-4]。巖心剖面上各種成分的礦物富集堆積，以紋層(層理)的形式顯現(有機質紋層、黏土紋層、碳酸鹽紋層、硅質紋層、黃鐵礦紋層)，有些單一出現，有些以組合的樣式出現。薄片鑒定黏土、有機質、黃鐵礦等多成層分布，其中黏土和有機質常混雜堆積。縱向上不同類型礦物的分層分布及含量變化，使得頁巖巖性差異明顯。

根據組成紋層的礦物富集的程度，縱向上劃分出了三類，即粗紋層、細紋層、微紋層，其中Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ小層以粗紋層和微紋層為主，Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ小層以細紋層為主(圖2)，不同類型的紋層縱向上交替出現，反映沉積環境變化和儲層品質的微觀差異。

不同類型的紋層以及同一類型紋層組在埋深差異的情況下，儲層參數差異明顯(表1)。以A井含氣量為例，粗紋層含氣量均值為4.87 m3/t，細紋層含氣量均值為4.69 m3/t，微紋層含氣量為5.62 m3/t；縱向上粗紋層型發育在不同的井段，含氣量差異較大，例如Ⅰ-Ⅱ小層為3.8 m3/t，Ⅲ為5.2 m3/t，五峰組為5.6 m3/t。

2.2 電性特征差異

電測曲線反映縱向上電性非均質性強，以GR、RD、DEN層間差異較為突出(圖3)。Ⅰ小層具有相對高GR、低RD、較低DEN、高CNL、高AC的特征；Ⅰ-Ⅱ小層具有相對低GR、低RD、高DEN、較高CNL、較高AC的特征；Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ等三個小層具有相對高GR、高RD、低DEN、低CNL、低AC的特征；五峰組具有低GR、低RD、低DEN、低CNL、低AC的特征。

圖3 A井電測曲線圖Fig.3 The electrical logging curve of well A

2.3 儲層地質參數差異

頁巖靜態參數指標主要包含礦物組分、殘余有機碳含量(TOC)、物性、含氣量等，威遠地區黑色頁巖高伽瑪段各小層地質參數差異大(表1)。

表1 威頁地區龍馬溪組底部黑色頁巖高伽瑪段儲層參數表Table 1 Reservoir parameters of black shale high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation in Weiyuan area

(1)礦物組分含量。

黑色頁巖儲層中礦物組分包含碎屑顆粒、黏土、少量重礦物。碎屑顆粒主要為石英，其次為長石、方解石、白云石等；黏土礦物以伊/蒙混層、伊利石、綠泥石為主；重礦見少量黃鐵礦。礦物組分的差異型主要體現在各礦物組分的含量方面，以硅質含量變化最為明顯，特別是Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層硅質含量最高，均高于50%。

(2)TOC。

有機碳含量(TOC)與GR呈一定的正相關性，在黑色頁巖高自然伽瑪段的三個高峰處，TOC值也相應較高。從Ⅱ-Ⅲ小層往下，TOC值整體超過4%，達到Ⅰ類儲層的標準。

(3)物性。

縱向上孔隙度值介于4～7%之間，Ⅱ小層以下孔隙度值明顯高于上部小層，孔隙度普遍高于5%，其中以Ⅱ-Ⅲ小層相對最高。

儲層物性的差異，微觀上表現為孔隙類型(有機孔、無機孔)、孔隙結構的構成和空間分布非均質性。頁巖孔隙空間類型以脆性礦物內微孔隙、黏土礦物層間微孔隙、有機質微孔隙3大類為主，其中有機質孔是決定儲層物性好壞的關鍵因素。以D井為例，Ⅰ小層～Ⅲ小層巖心氬離子掃描電鏡顯示，該段儲層孔隙類型以有機質孔和黏土孔為主，有機質孔所占比例大，縱向上有機孔比重及孔徑逐漸減小，黏土孔比例逐漸增加。其中，Ⅱ-Ⅲ小層有機孔孔徑相對較大，巖心實測孔隙度相對較高，而三維空間有機質與有機孔的分布隨機性強，進一步表明物性非均質性強(圖4)。

另外，裂縫發育程度及裂縫的產狀也影響著儲層的非均質性。縱向上，以Ⅱ小層及Ⅱ-Ⅲ小層裂縫相對更為發育，裂縫條數幾十～上百不等，裂縫密度達3.0～5.5條/米。實驗分析表明，垂向和縱向滲透率差異明顯，F井水平滲透率均值0.08 md，垂直滲透率均值0.006 2 md。裂縫類型以層理縫為主，少量水平縫、斜交縫和垂縫，層理縫和水平縫發育的井段，儲層橫向滲透率較高，而斜交縫、垂縫發育的井段，儲層縱向滲透率較高。

(4)含氣量。

龍馬溪組底部黑色頁巖段含氣量整體在4 m3/t以上，Ⅱ-Ⅲ小層和Ⅲ小層兩層最高，均值在6 m3/t以上，局部小層含氣量偏低，例如B井，Ⅰ-Ⅱ小層及Ⅱ小層含氣量僅2～3 m3/t。

2.4 儲層工程參數差異

影響頁巖儲層壓裂改造效果的重要工程參數中，巖石力學性質和地應力是兩個重要的指標。巖石力學參數中脆性是評價頁巖儲層可壓裂性的一個重要指標[5-6]。脆性的表征有靜態和動態兩種方式，靜態表征主要是指巖石礦物組分中脆性礦物(石英、長石、方解石等)的含量，比重越高，脆性越好。動態表征主要是用楊氏模量和泊松比來衡量，即楊氏模量越高，頁巖的脆性越大，越有利于開采的順利進行；而泊松比越小，頁巖的脆性越大。

(1)巖石力學性質。

以A井為例，②+③層高伽瑪段內部各小層(Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ小層)巖石力學參數總體上表現出：“低泊松比、高楊氏模量、高脆性指數、較高可壓性”的特征(表2)。小層間以Ⅱ-Ⅲ及Ⅲ小層綜合評價最優，脆性指數0.80以上，低泊松比(0.21)，相對高楊氏模量(大于29 Gpa)，相對較高的可壓性指數(0.25)。

(2)水平地應力。

水平地應力參數在一定程度上也能反映出儲層壓裂改造的效果，其中一個重要的參數是水平主應力差異系數，其反映了儲層改造形成網狀裂縫的難易程度，是客觀評價儲層有效改造的關鍵指標。水平主應力差異系數指越小，表明更容易形成網狀裂縫。

圖4 D井龍馬溪組底部高伽瑪段頁巖段孔隙分布圖Fig.4 Pore distribution map of the shale section of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well D

表2 A井龍馬溪組底部高伽瑪段小層巖石力學參數表Table 2 Rock mechanics parameter table of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well A

從A井高伽瑪段各小層地應力參數可以看出(表3)，Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層相對具有較低的最小水平主應力值和較低的差異系數，表明該段儲層易于體積壓裂，具備有效改造的工程地質條件。其中，高伽瑪段Ⅱ～Ⅱ-Ⅲ小層水平主應力差異系數(0.07以下)明顯低于其他小層(0.07以上)，表明更易形成網狀縫。該井微地震監測也證實，壓裂改造形成以較為復雜的網狀裂縫為主，平均半縫長度約260 m，寬度約123 m，高度約117 m。

表3 A井龍馬溪組底部高伽瑪段小層地應力參數表Table 3 Ground stress parameter table of the high-gamma section at the bottom of the Longmaxi formation, well A

3 儲層非均質性對頁巖氣開發的影響

頁巖儲層非均質性對開發效果的直接影響主要體現在儲層壓裂改造的難易程度以及有效體積壓裂規模、水平井靶窗的選擇及穿行軌跡設計等方面，最終決定了頁巖氣單井產能[7-8]。

3.1 非均質性儲層需制定配套的壓裂改造措施

針對深層頁巖氣，為充分有效改造非均質性優質頁巖儲層，解決裂縫復雜程度低、裂縫導流能力不夠、有效改造體積小的問題，需采取針對性措施，包括：提高排量和液體性能，利于提高縫內凈壓力，增加裂縫的復雜性，排量一般要求大于15 m3/min；提高加砂規模和砂液比，利于提高裂縫導流能力，確保壓裂縫的有效性，單段砂量一般要求大于65 m3；大液量、大排量，低砂比連續加砂，確保加砂規模，增大改造體積，單段液量一般大于1 900 m3。

以A井為例，該井20段45簇壓裂，最高排量20 m3/min，總液量48 020 m3，總砂量1 428.15 m3，折算單段液量2 401 m3，單段砂量71 m3。微地震監測表明壓裂有效改造體積(SRV)約6 570×104m3，改造效果顯著。

3.2 非均質性儲層需重視水平井靶窗的選擇和軌跡的設計

為了提高單井產量，實現效益開發，優選優質的開發層段和水平井穿行靶窗尤為重要。鄰區永川地區頁巖氣開發實踐揭示：該區水平井靶窗位置多，無統一認識，導致單井產能差異大，五峰組-龍馬溪組底部儲層精細刻畫表明“六性”關系縱向差異大，不同級別的儲層縱向疊置，非均質性強，水平井靶窗位置的選擇對單井產能影響較大。結合前述儲層非均質性的分析，綜合分析認為：優質開發層段的選擇包含“地質+工程”雙因素，即首先要考慮有機質含量均值達到4.0%以上、含氣性高于4 m3/t、有效孔隙度大于6.0%，其次，巖石泊松比小于0.25、脆性礦物含量大于50%、水平主應力差異系數相對較小、厚度在30 m左右的連續優質頁巖層段內。

儲層精細劃分與評價表明，威遠地區龍馬溪組底部高自然伽瑪段頁巖儲層明顯具有不同的地質和工程特性，層間差異性大，儲層各項地質參數間相互耦合，儲層地質屬性直接影響到工程地質條件的優劣。龍馬溪組②+③層高伽瑪段以Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ三個小層儲層地質、工程特征最優，具有“高伽瑪、高AC、較高中子、高TOC、高孔隙度、高含氣量、高硅質、高脆性、低DEN、低黏土、低水平主應力差異系數”的“八高三低”參數特征，為“地質+工程”雙甜點層。因此，水平井靶窗應選擇在②+③層底部厚7～14 m的高伽瑪段優質儲層Ⅱ～Ⅱ-Ⅲ小層內，水平井軌跡要設計在優質儲層的中間基線上(圖5)，垂直位移±2 m，水平位移為±20 m，以便提高優質儲層鉆遇率和I類儲層鉆遇率，確保獲得高產[9-14]。

3.3 非均質性儲層對水平井軌跡控制提出了較為嚴苛的技術要求

在確定水平井靶窗及軌跡位置的前提下，控制好軌跡始終在優質儲層中穿行是打好頁巖氣井的關鍵所在，需強化地球物理、地質、鉆井工程等學科的緊密結合。首先，需提高地球物理深度預測精度、有效識別微幅構造、地震反射假象等異常；其次，根據導眼井實鉆情況，結合地球物理預測，做好造斜段及水平段軌跡跟蹤預案，設置三級預警點，對造斜段和水平段實施“兩段”精確控制，用實鉆數據不斷修正地球物理預測模型，進一步指導后續鉆進。在此過程中，借助帶方位GR的旋轉導向工具，輔以XRF錄井技術，判斷鉆頭相對位置，實時修正軌跡姿態，確保順利中靶。

3.4 開發效果

在優選水平井靶窗位置、做好水平井軌跡控制以及制定配套的壓裂改造措施基礎上，該區開發評價井優質儲層鉆遇率均達到100%，單井平均測試產量15萬方/天以上，平均無阻流量20萬方/天以上，突破了盆內深層頁巖氣商業產能關，開發評價取得重大突破，目前已提交探明儲量，進入規模建產階段，經濟及社會效益凸顯。

4 結論

(1)威遠地區龍馬溪組底部黑色頁巖高伽瑪段厚度7-14 m，根據伽瑪形態特征劃分出了5個小層(Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ)。

(2)各小層間儲層特性差異大，具有不同的TOC、孔隙度、含氣量、脆性以及巖石力學特征，儲層非均質性強。其中，以高伽瑪段Ⅱ小層和Ⅱ-Ⅲ小層儲層品質最優，為“地質+工程”雙甜點層，是該區頁巖氣水平井軌跡穿行的最佳位置。

圖5 A井水平井靶窗及軌跡位置圖Fig.5 Horizontal well target window and track location map of well A

(3)頁巖儲層非均質性對開發的影響主要體現在水平井靶窗的選擇盡量要求在龍馬溪組高伽瑪段2-3號峰“甜點”層內，其易于壓裂改造和形成有效的改造體積，是獲得較高的單井產能的基礎。