四川盆地深層頁巖氣“甜點”預測與鉆井工程輔助設計技術

唐建明,徐天吉,程冰潔,沈 杰,喻 勤

(1.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司,四川成都610041;2.電子科技大學資源與環境學院,四川成都611731;3.成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室,四川成都610059;4.成都理工大學“地球探測與信息技術”教育部重點實驗室,四川成都610059;5.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發研究院,四川成都610041)

中國頁巖氣可采資源量居全球之首(約31.57×1012m3),主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地中[1-4]。其中,四川盆地頁巖氣資源量約為27.5×1012m3,可采資源量達4.42×1012m3,居全國之首[5-6],但是,該盆地近88%的頁巖氣資源埋藏深度超過3500m,屬于深層超深層頁巖氣(埋藏深度分別為3500～4500m、大于4500m),面臨著來自勘探開發技術與裝備突破、低成本生產、水資源和安全環保4個方面的挑戰[7]。

深層頁巖氣巨大的資源潛力,已引起全球的高度重視。美國是最早開發深層頁巖氣的國家,已經發現了Haynesville、EagleFord、Cana Woodford、Hilliard—Baxter-Mancos和Mancos 5個深層頁巖氣開發區塊[8-10]。目前,我國已經在涪陵、長寧、威遠、榮昌、井研—犍為、永川、丁山、赤水、昭通等地區取得了頁巖氣勘探突破,但僅在四川盆地的焦石壩、威遠、永川等少數地區提交了探明儲量并實現了商業化開發[11-12]。

四川盆地深層頁巖氣主要分布在志留系的龍馬溪組和寒武系的筇竹寺組,普遍具有埋藏深、厚度薄、脆性差、地應力分布不均勻、各向異性與非均質性較強等特點,直接影響水平井選點(井位)選層(層系)、井網部署、軌跡控制和儲層壓裂改造等關鍵工作,目前面臨的主要挑戰如下。

1) 巖心取樣成本高,巖石物理測試分析不足,因此難以在巖石物理、測井和地震一體化的基礎上充分認識深層頁巖儲層地球物理響應規律。

2) 多數探區原始地震資料信噪比低、分辨率不高,靜校正、各向異性等問題突出,大入射角、寬方位的地震資料采集與保幅、保頻、保AVO高精度成像等地震資料的采集與處理難度大。局部發育的假“微幅構造”和“小斷層”的消除,對地震資料處理精細解釋提出了更高要求。

3) 深層頁巖氣勘探開發程度低,針對深層頁巖儲層的應力場反演、脆性指數計算、層理縫檢測、微裂縫檢測等地質與工程“甜點”參數高精度預測方法尚不完善,直接影響了優質頁巖儲層物性、有機碳含量、含氣量、裂縫、脆性、孔隙壓力、構造應力等“甜點”要素的預測精度。

4) 地質、地球物理與工程一體化融合研究不足,影響了井網部署、水平井軌跡優化設計與控制調整、壓裂方案優化,壓裂效果實時監測、儲層改造效果評估等現場支撐效果。

本文綜合考慮四川盆地頁巖儲層地質與地球物理特征,利用頁巖儲層巖石物理敏感參數分析與測井評價等地球物理研究方法,解決了微幅構造與小斷層的識別與校正及有機碳含量、含氣量、地應力、脆性、微裂縫等地質與工程“甜點”參數預測難題,建立了四川盆地頁巖氣“甜點”預測技術在威遠、榮縣、永川、井研—犍為、丁山、赤水等探區的鉆井部署、軌道設計、壓裂方案設計與效果監測等方面發揮了重要的作用。

1 四川盆地深層頁巖儲層地質與地球物理特征

目前,在四川盆地發現的深層頁巖氣資源,主要分布在川南地區。該區及川西南低緩斷褶帶和川南高陡斷褶帶,沉積環境包含深水陸棚相,區內五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組兩套地層是目前深層頁巖氣勘探開發的目標儲層[13-14]。圖1顯示了威遠地區五峰組—龍馬溪組目標儲層巖心孔隙與裂縫特征,五峰組—龍馬溪組頁巖儲層以含放射蟲炭質筆石頁巖、含骨針碳質筆石頁巖、含鈣硅質頁巖、含碳筆石頁巖為主,脆性礦物為石英、長石、方解石和白云石等;微孔隙和微裂隙較為發育(如圖1箭頭所示),孔隙流體壓力較高;優質頁巖相對圍巖具有低速度、高伽馬值、低密度、低縱橫波速度比(vP/vS)、高楊氏模量、低泊松比特征,有機碳含量與密度、體積模量、含氣量具有良好的相關性;優質頁巖儲層巖性、物性和阻抗差異較大,地震反射呈現連續強反射特征。筇竹寺組頁巖儲層脆性礦物含量較高,發育有機質孔隙及溶蝕孔隙;水平縫、斜縫較為發育;優質頁巖儲層具有低速度、低密度、低阻抗、高伽馬值等巖石物理與測井響應特征,地震反射以強波谷連續反射為主。

圖1 威遠地區五峰組—龍馬溪組目標儲層巖心孔隙與裂縫特征a 干酪根結構孔隙; b 黃鐵礦晶間有機孔隙; c 瀝青裂解生氣有機孔隙; d 白云石溶蝕無機孔隙; e 長石溶蝕無機孔隙; f 粘土礦解理縫; g 碎屑顆粒與有機質間裂縫; h 半充填方解石層面平行縫

2 深層頁巖儲層巖石物理敏感參數分析與測井評價

2.1 深層頁巖儲層巖石物理敏感參數分析

四川盆地深層頁巖的礦物組分包括粘土、石英、方解石、白云石、黃鐵礦和斜長石等成分,因此巖石物理建模時,不僅需要考慮由于粘土、干酪根等礦物組分的定向排列引起的各向異性,還要考慮有機孔、無機孔、微裂縫孔等多種類型的孔隙、微觀結構與常規儲層的差異,以獲得頁巖物理屬性的敏感參數,建立優質頁巖的TOC含量、孔隙度、含氣量、脆性等屬性與縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、密度、巖石模量、體積模量、拉梅常數等彈性參數之間的統計學關系。圖2顯示了利用脆性礦物(石英)含量計算的脆性指數與孔隙度、泥質含量、縱波阻抗、縱橫波速度比之間的關系,當泥質含量越高(綠色箭頭指示方向)、縱橫波速度比越高時,頁巖脆性越弱;縱橫波速度比和縱波阻抗較低、孔隙度較高的頁巖(白色橢圓內),脆性則較強。可見,不同的巖石物理參數對深層頁巖的敏感性不同。

2.2 深層頁巖儲層測井識別與評價

由于頁巖氣賦存方式和儲集空間具有多樣性和復雜性,并且頁巖儲層測井評價與常規油氣儲層測井評價差異較大,因此傳統儲層評價所采用的四性關系(巖性、物性、電性、含油氣性)不能滿足頁巖儲層評價的需求。在四川盆地深層頁巖儲層測井識別與評價中,重點關注巖石組分特征、物性、地化特性、電性、含氣性、可壓性等“六性”關系,如在川南威遠地區龍馬溪組優質頁巖氣儲層測井響應特征為“三高三低”,即高自然伽馬、高鈾、高電阻率、低釷鈾比、低密度、低中子。利用釷鈾比、常規測井(自然伽馬、電阻率和孔隙度)曲線可識別優質頁巖段,采用數據交會、多元回歸等方法計算TOC含量、吸附氣、游離氣和粘土、硅質、鈣質等礦物組分含量、脆性指數、有效孔隙度、含水飽和度等參數,可實現頁巖儲層的識別與評價。

圖2 利用脆性礦物含量計算的脆性指數與孔隙度(?)、泥質含量(Vcl)、縱波阻抗、縱橫波速度比之間的關系

3 深層頁巖儲層“甜點”預測

依據地質與工程不同的評價需求,深層頁巖儲層“甜點”包括地質與工程兩類“甜點”。地質“甜點”的控制因素,包括構造形態、儲層厚度、壓力、TOC含量、含氣量、孔隙度、保存條件等;工程“甜點”與儲層改造效果、頁巖氣產能和商業效益等密切相關,其控制因素包括裂縫、地應力、脆性指數等。綜合利用巖石物理與測井分析結果以及地震數據,可以預測有利沉積相帶、巖性、物性、脆性、生烴能力、含氣量和裂縫,實現深層頁巖儲層地質與工程“甜點”預測與綜合評價。

3.1 地質“甜點”預測

深層頁巖儲層地質“甜點”預測的核心內容,包括儲層彈性參數反演、儲層TOC含量反演、儲層含氣量預測、儲層孔隙流體壓力預測和儲層地質“甜點”預測5個方面。

3.1.1 儲層彈性參數反演

縱、橫波速度、密度、楊氏模量、剪切模量等彈性參數是四川盆地深層頁巖儲層的預測基礎,綜合利用疊前地震數據、測井和地質資料,根據貝葉斯理論和Backus平均模型,利用粒子群算法可以反演得到深層頁巖儲層的彈性參數。

3.1.2 儲層TOC含量反演

在深層頁巖儲層疊前彈性參數反演的基礎上,利用巖石物理敏感參數分析建立TOC含量與彈性參數之間的統計學關系,采用巖石物理模型彈性參數標定、貝葉斯概率反演或蒙特卡羅仿真模擬等方法計算TOC含量,進而可以反演得到深層頁巖儲層的TOC含量。

3.1.3 儲層含氣量預測

深層頁巖儲層的含氣量與多種因素相關,如埋藏深度、TOC含量、R0程度、頁巖厚度、孔隙流體壓力、保存條件等。通過提取地震頻變屬性、吸收衰減等異常特征[15-16],可以定性預測深層頁巖儲層的含氣性,但不能定量預測含氣量。通常根據巖石物理、測井等信息,利用神經網絡或回歸算法等方法,建立含氣量與TOC含量之間的經驗數學關系,然后利用地震反演、數值模擬等方法計算深層頁巖儲層的含氣量。

3.1.4 儲層孔隙流體壓力預測

深層頁巖氣勘探開發實踐表明,頁巖氣的產量與孔隙流體壓力呈正相關。通常,高產井的頁巖儲層均存在異常高壓,低產井和微含氣井的頁巖儲層為常壓或異常低壓。此外,孔隙流體壓力系數是頁巖氣保存條件評價的綜合判別指標。統計發現,四川盆地及周緣頁巖氣選區評價時,如果壓力系數大于1.2,則頁巖氣保存條件好?？梢?孔隙流體壓力預測在深層頁巖氣勘探開發中的重要作用。目前,成熟的孔隙流體壓力預測方法,主要包括等效深度法、Eaton法、Fillippone法、泥砂(Clay Plus Silt,CPS)模型法等。我們采用Eaton法和CPS法預測四川盆地深層頁巖氣孔隙流體壓力。

3.1.5 儲層地質“甜點”預測

在對大偏移距、寬方位、高覆蓋次數、小面元的三維地震資料開展綜合解釋的基礎上,將巖石物理、測井、地質等綜合信息與儲層彈性參數反演、TOC含量反演、含氣量預測、孔隙流體壓力預測等研究成果相結合,可獲得構造形態、儲層厚度、孔隙度、孔隙流體壓力、TOC含量、含氣量、保存條件等地質“甜點”關鍵要素。綜合分析這些地質“甜點”要素,可預測四川盆地頁巖儲層富氣品質。圖3顯示了四川盆地威遠地區龍馬溪組底部地質“甜點”預測結果,可以看出優、良、差3類頁巖儲層的分布。

圖3 四川盆地威遠地區龍馬溪組底部地質“甜點”預測結果

3.2 工程“甜點”預測

深層頁巖儲層工程“甜點”預測的核心內容,包括儲層多尺度裂縫預測、儲層地應力預測、深層頁巖脆性預測和工程“甜點”預測4個方面。

3.2.1 儲層多尺度裂縫預測

四川盆地深層頁巖儲層的裂縫發育程度,與頁巖氣富集程度及單井產能密切有關。這是由于裂縫可以改善儲集性能和滲濾條件,還可以影響壓裂改造過程。頁巖儲層中的微裂縫,尤其是發育均勻、成網狀的微裂縫體系對水平井壓裂改造至關重要,這些微裂縫體系可以經過壓裂形成大型裂縫網絡系統,但大尺度的裂縫或者斷層也可能破壞頁巖氣的保存條件和增加壓裂改造難度。因此,需要結合地質地震資料,在高精度成像、精細構造解釋的基礎上,采用巖心、成像測井、相干、曲率、各向異性等多種裂縫預測方法,從不同角度預測裂縫發育特征,實現深層頁巖大、中、小、微等多種尺度裂縫的綜合評價[17]。

3.2.2 儲層地應力預測

四川盆地經歷了多期次、多旋回的構造運動導致地應力分布情況復雜,采用有限元地應力模擬法、各向異性地應力反演等方法得到的局部殘余地應力分布情況,為頁巖氣井網部署和水平井軌跡設計提供了力學依據。四川盆地深層頁巖儲層中存在的局部殘余地應力與孔隙流體壓力、上覆巖層重力、構造運動、區域位置等多種因素密切相關,因此獲得準確的地應力分布情況較為困難。目前,基于地震數據反演地應力空間分布情況的方法原理,主要包括Schoengerg線性滑動等效介質理論和Rüger各向異性介質反射系數方程、Terzaghi有效地應力原理和Hooke力學定律。根據上述方法原理反演深層各向異性頁巖介質的彈性參數步驟如下:首先根據Schoengerg理論和Hooke力學定律建立如(1)式的應力與應變數學關系式,然后利用(2)式計算最大和最小水平應力,最后利用(3)式計算水平主應力差(DHSR)[18-20]。

(1)

(2)

(3)

式中:E為楊氏模量;υ為泊松比;ε為應變;ZN為法向柔度;σ為應力;H、h、z分別為水平最大、水平最小和垂直地應力方向標識。

3.2.3 深層頁巖脆性預測

頁巖的脆性(Brittleness)是一種非常重要的巖石力學性質。脆性越強,表示頁巖儲層抗壓、抗張和抗剪切的能力越差,在外力作用下易于產生人造裂縫[21],有利于儲層壓裂改造。目前,針對頁巖脆性特征的預測方法主要包括兩類:一類是礦物成分法,利用頁巖中的脆性礦物(如石英、長石、方解石、菱鐵礦等)與塑性礦物(主要為粘土礦物)之間的百分比,建立脆性特征表征參數;另一類是力學參數法,基于應力與應變之間的數學物理關系,計算頁巖在各類應力作用下產生拉伸、壓縮、剪切等形變的概率,利用楊氏模量、泊松比等彈性參數預測頁巖的脆性特征。圖4 疊合顯示了四川盆地威遠地區龍馬溪組底部頁巖脆性指數與微地震壓裂監測剖面,二者的吻合性較好,證明了脆性指數預測的可靠性。

圖4 四川盆地威遠地區WY23-HF1井龍馬溪組底部頁巖脆性指數與微地震監測剖面疊合顯示

3.2.4 工程“甜點”預測

頁巖儲層的裂縫、地應力、脆性指數等工程“甜點”要素,直接影響壓裂改造和單井產能。基于疊前、疊后三維地震資料,結合巖心、成像測井、相干、曲率、各向異性等資料,可獲取大、中、小、微等多尺度裂縫信息;采用各向異性彈性參數反演方法,可以計算出最大水平應力、最小水平應力、應力差異系數等地應力參數;采用礦物成分法和力學參數法,可以從多角度分析儲層脆性特征。綜合分析這些工程“甜點”要素,可實現深層頁巖儲層鉆井、壓裂改造等工程品質預測。圖5顯示了四川盆地威遠地區龍馬溪組底部頁巖工程“甜點”分布情況,存在優、良、差3類“甜點”區域,展現了頁巖工程品質的差異性。

3.3 地質與工程“甜點”綜合評價

綜合分析頁巖儲層的有利沉積相帶、構造、埋深、巖性、物性、脆性、生烴能力、含氣量、裂縫、孔隙流體壓力和地應力差異等“甜點”要素,可實現四川盆地深層頁巖儲層地質與工程“甜點”的綜合評價。結合圖3和圖5所示的儲層“甜點”分布特征,通過不同區域的儲層富氣與工程品質的綜合分析,逐級劃分出了Ⅰ 類、Ⅱ類和Ⅲ類有利開發區域,其中,Ⅰ 類“甜點”為最有利的頁巖氣開發區域,Ⅱ類次之,Ⅲ類最差。圖6為四川盆地威遠地區龍馬溪組底部“甜點”綜合評價結果。

圖5 四川盆地威遠地區龍馬溪組底部頁巖工程“甜點”分布情況

圖6 四川盆地威遠地區龍馬溪組底部“甜點”綜合評價結果

4 深層頁巖氣鉆井工程地球物理輔助設計與現場支撐

鉆井工程是深層頁巖氣勘探開發的重要環節,井網部署井軌道設計的科學性直接影響資源動用能力和頁巖氣單井產能。因此,需要綜合利用地質、地球物理、工程等多學科的研究成果,在地質與工程“甜點”綜合評價的基礎上,優選鉆井靶窗、優化軌道設計、優化水平井跟蹤控制方案,確保水平井優質頁巖儲層鉆遇率。

4.1 地質、地球物理、工程一體化水平井軌道設計

科學合理水平井軌道設計是深層頁巖氣高產的前提,要保證優質頁巖儲層鉆遇率和提高壓裂改造效果,就需要提升目標靶窗選擇評價、水平方位優選、水平井軌道優化等地質、地球物理和工程等多學科的一體化水平。首先依據優質頁巖儲層巖性、物性、TOC含量、含氣量、孔隙流體壓力等地質“甜點”要素,優選出水平井靶窗位置;然后依據脆性、地應力、裂縫等工程“甜點”要素,再優選水平井軌道方向;最后根據優質頁巖儲層的靶點、控制點深度等數據和鉆井工程目標,實現水平井軌道優化設計。圖7顯示了為四川盆地威遠地區23井平臺鉆井軌道設計效果,23-1HF至23-6HF為6口水平井,Ⅰ類和Ⅱ類“甜點”所在的位置為頁巖氣開發的重點目標。

圖7 四川盆地威遠地區威頁23井平臺鉆井軌道設計

4.2 地質、地球物理、工程一體化水平井跟蹤與動態調整

四川盆地深層頁巖氣水平井的跟蹤、井軌跡動態控制與調整,是一項復雜的系統工程,包括鉆前預測、正鉆跟蹤和鉆后評估3個階段,需要做好地質、地球物理和工程等多門學科的一體化工作。在水平井施工前,設置3級預警點,對造斜段和水平段實施“兩段”精確控制,造斜段控制的目的是確保精確著陸中靶,水平段控制的目的是確保優質頁巖儲層鉆遇率。在水平井鉆井過程中,利用隨鉆、方位GR、元素錄井及其它跟蹤信息,及時修正地質模型、優化速度模型、校正深度偏移剖面(圖8),提高地層產狀、微幅構造和小斷層解釋精度結合鉆井軌跡動態特征,實時提出調整建議。

4.3 基于地球物理信息的壓裂數值模擬分析

頁巖氣是“人工氣藏”,壓裂改造是深層頁巖氣開發利用的關鍵環節,壓裂改造十分重要,并且儲層壓裂的實施效果對天然氣產能具有決定性作用。在壓裂施工前,根據測井、地震、地質等信息建立深層頁巖天然裂縫數值模型[22-23],基于彈性斷裂力學理論及應力差、脆性、厚度等巖石力學條件,利用多級人工壓裂數值模擬方法,得到人造裂縫與天然裂縫之間相互作用的壓裂模擬結果,分析裂縫網絡的發育方向、長度、寬度、高度、連接與導通性等幫助優化水平井軌道、優化壓裂分段分簇、估算壓裂改造體積和儲量動用情況,并預測頁巖氣產能。圖9顯示了四川盆地威遠地區WY23-HF1井壓裂數值模擬結果與微地震實際監測壓裂效果,可見二者具有良好的一致性。

圖8 四川盆地永川地區YY3-1HF井校正前(a)、后(b)的深度偏移剖面

圖9 四川盆地威遠地區WY23-HF1井壓裂改造數值模擬結果(a)和微地震實際監測壓裂效果(b)

5 認識與結論

四川盆地深層頁巖氣資源豐富,但優質頁巖儲層因整體埋藏深、厚度較薄、脆性較差、應力分布不均勻、壓力系數高、各向異性與非均質性較強,故勘探開發難度大。本文以大偏移距、寬方位、高覆蓋次數、小面元的三維地震資料為基礎,結合巖石物理、測井、地質等綜合信息,有效解決了假微幅構造、小斷層的識別與校正、TOC含量、含氣量、地應力、各向異性、脆性和微裂縫預測難題,實現了深層頁巖氣地質與工程“甜點”區域評價優選,為井網部署、井軌道輔助設計與控制、壓裂改造施工等優化方案提供關鍵參數,保證了水平井在優質頁巖鉆遇率和壓裂改造效果,最終實現了四川盆地深層頁巖氣的高質量勘探和效益開發,可為其它地區的深層頁巖氣勘探開發提供參考。

致謝:在本文撰寫過程中,得到了中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司的馬昭軍、李曙光、范宏娟、王鵬、張聰玲、魏力民、王同等頁巖氣攻關團隊成員的重要幫助,特此致謝。